舒印彪等｜碳中和目标下我国再电气化研究

编者按：我国已将碳达峰、碳中和纳入生态文明建设总体布局，电力在引领绿色发展中将发挥更加重要的作用。再电气化是推进能源清洁利用、实现碳中和目标的主要途径，为此，实施再电气化，实现能源生产侧“清洁替代”和能源消费侧“电能替代”，对我国如期实现碳达峰、碳中和目标具有重要意义。

中国工程院舒印彪院士研究团队在中国工程院院刊《中国工程科学》2022年第3期发表《碳中和目标下我国再电气化研究》一文。文章剖析了再电气化的核心内涵，结合基本国情及资源禀赋，提出以再电气化助力我国实现低碳发展；按照“终端能源需求—能源转换系统—一次能源结构”的研究框架，综合考虑经济、技术、政策、环境等要素，分析了不同情景下我国能源电力演变趋势，提出再电气化发展前景。文章研究表明，实施再电气化将有力推动实现碳中和目标，2060 年非化石能源消费比重达80%以上、清洁能源发电量比重达90%、终端电能消费比重达70%。研究建议，一是统筹协调好各行业碳预算与减排路径，二是加快经济、产业结构调整，三是推动关键领域科技创新，四是完善电力市场、碳市场体系建设。

来源：中国工程院院刊 作者：舒印彪 ，谢典 ，赵良 ，高亚静 ，赵勇 ，周朝阳

一、前言

气候变化是人类面临的共同挑战，国内外已有多个国家和地区提出碳中和目标并已开展了一系列行动计划]。我国始终高度重视应对气候变化，坚持节能优先、绿色发展，2016年签署了《巴黎协定》并不断加大国家自主贡献力度，2020年9月正式宣布CO2排放力争于2030年前达峰、努力争取在2060年前实现碳中和。

能源系统低碳转型是碳中和行动的主要技术手段，对国家能源安全、可持续发展、经济增长等均具有重要意义。能源转型的核心是大幅减少化石能源消费、大力发展可再生能源，90%以上非化石能源需要通过转化为电能加以利用，因此，再电气化是推进能源清洁利用、实现碳中和目标的主要途径。再电气化的内涵包括清洁化、电气化、数字化和标准化，即在能源生产侧实现“清洁替代”，增加清洁能源供应；在能源消费侧推进“电能替代”，建设高度电气化社会；通过数字化为能源电力赋能，实现高度感知、双向互动、灵活高效；以标准化促进科技创新和成果转化，建设与国际接轨的碳标准体系，推动低碳技术进步、产业升级和成果共享。

在终端电气化推进方面，许多学者开展了相关研究，包括电能替代的战略路径、挑战与潜力分析等。再电气化本质是高效利用清洁能源，以清洁电能替代化石能源直接消费，其不仅涉及能源系统本身的转型升级，更是一场广泛而深刻的经济社会变革。有研究结合我国经济发展，从价格弹性和技术扩散的角度，分析“电能替代”“多能互补”等转型模式的科学性和可行性。对于可再生能源发展的影响，虽然大部分学者认为其有助于社会发展，但也有观点认为需要区分不同国家、不同地区进行研究、讨论。

综上所述，实施再电气化推动经济社会低碳转型，需要坚持系统观念，充分考虑能源、经济、环境各要素，提出科学合理的发展路径。本文从再电气化的内涵出发，分析其发展需求、重点推进领域及主要影响因素，以力争2060年前实现碳中和为目标，构建模型研究我国再电气化路径，提出对策建议。

二、再电气化需求分析

（一）环境驱动力

现阶段，我国面临着日益严重的局地大气污染物和CO₂减排双重压力。大气污染物与CO₂排放的同根同源性、措施的同效性使得两者之间的协同控制具有较大潜力，主要调控措施是以可再生能源大规模替代传统化石能源。目前我国CO2排放量巨大，约占世界CO2排放总量的28%，碳减排任务艰巨，对化石能源减量控制和环境污染物治理，要求我国加强节能措施和“双高”产业管控，加快开发利用清洁能源提升电气化水平。

（二）经济驱动力

以能源革命推动经济发展成为当前世界的主流。改革开放以来，经过40年发展，我国经济发展步入新常态，转变经济发展方式需要培育新的支柱产业和新的经济增长点，促进我国产业升级。能源行业作为国民经济的传统支柱行业，对经济的发展和产业升级具有重要影响，一方面能源产业是国民经济的重要组成部分，另一方面能源作为重要的基础产业，对其他行业发展的支撑作用至关重要。当前，我国已进入新发展阶段，要求加快产业结构调整与转型升级。2020年9月，国家发展和改革委员会等4部委联合发文提出扩大战略性新兴产业投资、培育壮大新增长点和增长极，涉及新一代信息技术产业、高端装备制造产业、新能源产业等。2020年11月，国务院发布《新能源汽车产业发展规划（2021—2035年）》，电动汽车将进入快速发展阶段。《“十四五”规划和2035年远景目标建议》再次强调，将加快发展现代产业体系，发展战略性新兴产业，发展数字经济，推进数字产业化和产业数字化。根据预测，仅“十四五”期间，“新基建”直接用电需求将达到6.5×1011~7×1011kW·h，占全社会用电量的7%~7.6%。我国产业调整和高质量发展，带来电能需求快速增长，成为实施再电气化的有力推手。

（三）技术驱动力

在能源生产侧，以风电、光伏为代表的清洁发电技术处于快速发展期。据国际可再生能源署（IRENA）分析，2010年以来光伏发电成本下降了82%，是成本下降最快的发电技术，风电、光伏进入平价上网阶段，高参数、超低排放的燃煤发电技术进一步发展，碳捕获与封存 / 二氧化碳捕集、利用与封存（CCS/CCUS）、生物能源与碳捕获和储存（BECCS）等零碳或负碳技术正在加大力度研发。在能源消费侧，电动汽车续航能力和电耗水平进步显著，我国纯电动乘用车电耗平均值已降至8.6 Wh/(100km·kg），节能效果显著，快充技术正在不断发展；电弧炉、电窑炉等工业电力设备已具备推广应用价值；高效热泵、蓄热式电锅炉等清洁供暖方式正在逐步推广应用。此外，智能用电、新型储能、智慧能源管理、需求响应等技术快速进步，为再电气化发展提供了技术支撑。

三、再电气化重点领域及关键影响因素

（一）重点领域

再电气化的关键路径是全面提升清洁能源的利用程度。从重点领域看，主要涉及终端的工业、建筑、交通三大部门以及实现能源转换的电力部门。如图1所示，电力部门通过发电将清洁能源大规模转换为清洁电力，工业、建筑、交通等部门扩大电能使用规模和范围，进而实现全社会清洁能源高效开发利用。

图1 再电气化重点领域

1. 工业部门

目前工业部门能源消费量占终端能源消费总量的占比超过60%，且以化石能源为主，电气化率仅为26%，碳排放占全国能源相关碳排放的37%。钢铁、水泥、化工等重点高耗能、高排放行业是工业减排的重点，也是电能替代的重要领域，未来需要大力提升能效和电气化水平，降低工业化石能源需求。

2. 建筑部门

建筑能源主要用于供暖、制冷、照明、炊事、家用电器、生活热水等方面，从能源形式看，主要是电能和热能，建筑热力需求以低品位热能为主，能通过高效的电热泵、电锅炉等技术满足。建筑部门当前的电气化率已超过40%，是终端电气化率最高的部门，未来仍具有巨大提升潜力，用电能替代建筑领域的煤炭、石油、天然气消费，将大幅减少二氧化碳和污染物排放。

3. 交通部门

交通部门包括公路、铁路（含城市轨道交通）、航运、航空与管道运输，能源消费以石油为主，电气化率尚不足4%，是目前化石能源占比最高的终端部门。公路是交通部门的主要用能领域，随着新能源汽车的快速发展，有望实现高度电气化，大幅减少燃油汽车使用；目前铁路的电气化率已达70%以上，未来将继续稳步推进电能替代；在航运和航空方面，电能亦将在港口岸电、短途运输等方面发挥一定作用。

4. 电力部门

电力系统是目前碳排放最高的部门，同时又是能源转换平台，是能源生产侧和能源消费侧的枢纽环节，在规模高效利用清洁能源、推动全社会实现碳中和方面将发挥主要作用。随着清洁能源占比不断提升，核能、水能、风能、太阳能等大规模转换为电能，形成多能协同、互联集成的低碳电力系统，在消费侧发挥电能清洁、高效、灵活、便捷的优势，实现深度节能减排。

（二）关键影响因素

1. 产业结构

不同产业结构能源强度差异较大，通常第三产业能源强度远低于第二产业。钢铁、水泥、乙烯等高耗能产业单位产值能耗水平高，且对能源需求多为高品位热能，以化石能源消耗为主，是通过提高电气化水平促进产业结构优化升级的关键领域。高端制造业、服务业、新一代信息技术、工业互联网等新兴产业消耗能源以电能为主，产业发展将助力提升全社会电气化水平。

2. 能效水平

能效水平的提升与节能管理、技术进步密切相关。随着节能水平的提升，余能回收利用程度提高，将降低终端有效能的需求总量。在已有的各种终端用能技术中，电能利用效率最高，因此增加电能使用成为提升能效水平的重要措施。

3. 电能替代技术

电能替代技术的广泛应用直接推动终端电气化水平提升。电能替代技术可应用于工业、建筑、交通多个领域，从技术层面分析，绝大多数行业、场景均可采用电能替代终端化石能源，电动汽车、热泵、电锅炉、电窑炉等技术逐步成熟。从经济性考虑，目前电能在终端应用的成本总体较高，尚不具备价格优势，通过降低可再生能源发电成本以及通过碳市场机制提高其综合成本竞争力，有望使电能更具经济性。

4. 氢能等的发展与应用

氢能、生物燃料及其他合成燃料在工业、建筑、交通等多个领域将更加广泛地被推广应用。在一些低品位用能领域，生物燃料可直接利用；在能量密度要求较高、难以直接电气化的应用领域，氢能、生物燃料等也将发挥补充作用。随着绿氢制备技术的逐步成熟，氢能的使用比重提升也将提高用电需求，间接推动电气化。

5. 非化石能源开发利用水平

在能源生产侧，主要通过大规模开发非化石能源发电，尤其是风电、光伏发电等新能源发电来实现再电气化。新能源高质量发展是实现能源转型的关键，新能源发电平准化度电成本和并网友好性是实现深度再电气化的关键要素。此外，先进水电和核电技术将成为能源生产侧再电气化的重要补充。

6. CCS/CCUS、BECCS等零碳或负碳技术

基于可预见的技术发展，煤电等可控电源在保障电力系统安全、支撑新能源等波动性电源发展方面发挥着重要作用。煤电或天然气发电机组等主要通过加装CCS/CCUS减少二氧化碳排放，因此未来CCS/CCUS技术将得到更快发展以保障碳中和目标的实现。此外，还可在推动生物质发电的同时应用BECCS技术实现负碳，在一定程度上支撑必要的化石能源应用。

7. 碳市场、电力市场建设

碳市场是引导社会减排的重要市场化手段，国外发展经验表明，碳市场在推动绿色转型方面发挥着重要作用。2013年，我国在7个省市启动了碳市场交易地方试点。2021年，我国碳市场正式运行，成为全球涵盖碳排放量规模最大的碳市场。我国陆续出台多项全国碳市场建设相关政策，配额也将逐步从免费分配转变为有偿分配，将有利于提升可再生能源的综合竞争力，促进电气化水平提高。

电力市场在促进新能源消纳，发挥煤电调频调峰辅助服务，充分挖掘电动汽车等需求侧负荷响应方面具有重要作用。我国已建成32个地区电力交易中心和2个区域电力交易中心，电力市场交易以电能量直接交易为主，在容量市场、辅助服务市场等方面还有待进一步完善。

四、再电气化路径

（一）研究思路

从终端用能需求出发，综合考虑技术、经济、环境、政策等因素，根据宏观经济发展、产业结构调整、人口变化、城镇化率、能源替代等要素，预测终端用能结构。基于能源资源禀赋及当前能源供给结构、发电装机规模等现状，充分考虑各类能源转换技术（发电、供热、制氢等）、储能技术等的成熟度和发展趋势，结合能源安全、碳排放和污染物排放控制等约束，得到优化的一次能源供应结构和能源加工转换结构（主要体现为发电量结构），从而提出我国再电气化的前景及路径。

（二）主要评价指标

再电气化与传统电气化的主要区别在于目标是构建清洁低碳安全高效的能源系统，以电能为平台枢纽，实现各种能源交汇转换，保障经济社会高质量发展。传统电气化的评价指标主要是发电能源占一次能源消费比重和电能占终端能源消费比重。由于再电气化的内涵与传统电气化产生了差异，再电气化不仅是提高电能比重，更是实现整体能源系统的低碳化和高效化。根据再电气化的目标要求，可将其特征概括为4个维度：电力生产清洁低碳、电力消费广泛普遍、电力系统安全可靠、用电用能经济高效。以这4个特性作为一级指标构建再电气化评价指标体系，如表1所示。

表1 再电气化评价指标

表1中，1~6项体现了再电气化的核心内涵，为关键指标；7~12项是体现再电气化经济社会效益的指标，为辅助性指标。开展再电气化进程的定量研究时，宜主要采用1~6项指标为主要评价依据。

表1中，“含P2H的电能占终端能源消费比重”（用α表示）主要是为了体现未来电力作为转换能源的作用，将电能制取的氢能等其他终端能源折算为消耗的电能。计算公式如下：

上式中，E终为终端能源消费总量，H为终端消耗的通过电能制取的氢能等能源，Ph为制备氢能等能源消耗的电能。

（三）情景设置

以2060年前我国实现碳中和为目标，倒逼能源系统转型和社会经济结构调整。当前我国森林、海洋等碳汇存量仅6×10⁸~7×10⁸t，考虑未来生态碳汇增长，预计到2060年也不超过1.5×10⁹t，同时考虑工业过程二氧化碳排放与非二氧化碳温室气体等尚无有效减排途径，生态碳汇将主要分配于这些领域，能源系统只能保留少量化石能源消费，电力行业着力构建零碳新型电力系统。到2060年，电力系统保留的火电排放的CO2将全部通过加装CCS/CCUS、BECCS等移除，情景相关设定详见表2。