周孝信：“双碳”目标下我国能源电力系统发展前景与关键技术

编者按：2021年7月8日，以“碳中和与未来能源”为主题的“第三届未来能源大会”在北京召开，本次大会由中国能源研究会与中国能源网联合主办。会上，中国科学院院士、中国电力科学研究院名誉院长周孝信发表了““双碳”目标下我国能源电力系统发展前景与关键技术”的主旨演讲。

以下内容根据论坛演讲实录进行整理。

周孝信：谢谢主持人介绍。

各位院士，各位专家，各位领导，大家上午好!

刚才我们听了杜院士非常大气的全能源视野来看碳中和和未来能源，我觉得提出了非常非常好的一些想法。

我今天主要侧重电力系统，谈一谈我的一些看法。这么几个内容。

一、我国能源转型的战略目标和实施路径

习近平总书记在去年9月和今年3月两次讲话里边，就把这个问题从宏观上、从战略上说得很清楚了。战略目标，我认为“双碳”目标，2030年前二氧化碳排放争取达峰，2060年实现碳中和，我觉得这两个目标就是我们现在能源低碳转型的战略目标，我觉得这个目标非常清晰了。

关于实施路径，具体讨论很多，但我觉得还是习主席的讲话，谈到两个构建。一个是构建清洁低碳安全高效的能源体系。二是构建以新能源为主体的新型电力系统。这两个不是完全并列的。再具体一点，也是习主席讲话里提到的，控制化石能源总量，着力提高能源利用效能，实施可再生能源替代行动，深化电力体制改革。我觉得这个是更具体的并且具体的一个方向性路径。当然，具体怎么做需要大家共同努力，来落实战略目标和宏观战略性的实施路径。

二、“双碳”目标下我国能源电力系统发展前景

我们在这之前做了三组情景，当时是针对我们国家2016-2030年能源发展战略规划，那个是国家能源局和发改委早在2016年初公布的，我们针对那个情景，当时提出2030年，也展望了2050年的情况。所以我们做了前三个情景，一个是基本上按照这个路径走，第二个是还能不能再快一点，实现可再生能源比较大的发展。第三个情景是希望有突破性的，或者跨越性的进步，来实现。但实际上做下来我们发现还没有能够达到现在提出的“双碳”目标要求。所以我们就做了情景四，这个情景四是根据“双碳”目标的基本要求，考虑经济社会发展对能源电力安全供应需求及能源电力技术进步等因素，设定三项经济社会和能源发展主要指标及其变化的趋势，这三个主要指标对能源转型非常非常重要。

一个是一次能源消费总量，比如煤、石油、天然气和一次能源，包括可再生能源、非化石能源等等这些，它的消费总量是多少，这个国家每年都有公布，但我们要预测未来，那么就要看怎么个发展法。当然，这个趋势要结合我们的能源需求、技术进步和各种方针政策以及我们国家的考虑。做的结果是这样，右图里的曲线。2020年一次能源消费总量是49.8亿吨标准煤，2030年达到峰值59亿吨，之后缓慢下降，2050年达到50亿吨，2060年46亿吨。从现在开始我们还没有达到峰值，到2030年还有这么一个余地，59亿吨到50亿吨，这是我们的设想。之后为什么能够下降呢?是我们的需求没有过去高了吗?不是的，是因为能效的提高，刚才杜院士讲，节能和提高能效是非常非常关键的一步，我们做的结果，包括负荷消费端的提高，包括一次能源的提高，包括损耗降低等等，实际有效能源还是往上涨的，但是考虑到这些能效以后，它体现出来的值是降低的。

当然，一次能源消费总量还不够，还要细分，比如煤炭是什么样情况，石油天然气是什么样情况，还有非化石能源是什么样，都有一个预估。

二是非化石能源消费占比，这个国家非常非常重视，提出的首要指标就是非化石能源占比。在2020年是15.8%，不同的阶段，我们是按照前低后高的增长率，2030达到25%，这是习主席提到的目标。到2050年达到59%，原来2030年规划，展望2050年是50%。2060年是89%，这些目标怎么能够实现?我们做的结果是，就是通过非化石能源的增长，包括可再生能源等等增长，如果没有这个根本不可能。

三是全社会用电量，这个和经济发展有关系。所以我们2020年的7.5万亿，增长率是前高后低，2030年达到10.6万亿，我想我们估计有的偏低一点，2050年13.6万亿，2060年15万亿，要翻一番的，电力消费翻一番，但我们的排放要大幅降低。

根据这些前提条件和其他辅助条件，怎么算我们电力系统需要的发电装机容量等等，各种各样的，有这么一个模型流程图，不详细说了。我们计算的结果，刚才给定的情景下，首先看发电装机结构，2020年全国发电装机总容量是22亿千瓦，非化石能源装机占比44.7%，煤电占49.1%，10.8亿千瓦，风光装机占24.3%，装机比例增长很快，这是2020年的情况。经过刚才的中间条件约束下发展，到了2060年，全国发电装机总容量提高到68.3亿千瓦，非化石能源装机占94.4%，煤电占1.1%，煤电还有，等一下我还要说，这个留着做什么，风光装机占比接近80%。我没说新能源装机，因为新能源概念不断变化，我这里没考虑可再生能源的发电，只是考虑风电和光伏占接近80%。

看看发电量，2020年全国发电量是7.6万亿千瓦时，非化石发电量占比33.9%，煤电占60.8%，4.6万亿千瓦时，风光发电量占比9.5%。经过约束条件下的增长，2030年风光发电总容量是2.35千瓦时，2060年全国发电量是15.2亿千瓦时，比2020年翻一番，非化石能源电量占92.75，煤电占1.4%，0.22万亿千瓦时，风光占发电量60.7%。

这是过去的实际情况，右图里黑的是煤电49.1%，第一次下降到小于50%了，去年就是这个情况。但是它的发电量右图，也是黑的，煤电是4.6万亿，60.7%，超过60%，从装机来说，风光装机占24.3%，这个刚才说了。2030年是什么情况?煤电装机容量还是相当高的水平，看左图，11.5亿千瓦，我们去年是10.8亿，“十四五”是多少我现在不好说，国家还没公布，但我想到2030年还要保持相当的数量，发电量占比大幅降低，降低到30.7%，运行小时数降低，发电量是10.75万亿千瓦时，非化石能源发电量占比46.7%，当年提得是50%，我这里费了大量努力，给它增加，还是没有到。

夫妻共同财产发电量占比60.7%，2060年情况变化比较大，特别是从2050年-2060年期间，我们大批煤电机组将要退役，可再生能源有更快速度的发展。所以从2060年看，能源消费总量降低了，46亿吨，因为能效的提高。年末装机是68.3亿，风光装机占79.7%，很高，不是说着玩的，高比例可再生能源电力系统，这个比例几乎是80%了。右边的发电量15.22万亿，比去年翻一番，这个数可能还打不住，有的咨询机构做的数比这个高，但我是根据个人想法做的结果，不代表任何机构，也不代表电科院，是翻一番来考虑的。非化石能源发电量占比92.7%，风光发电量占比超过60%。从主体能源的角度来说，2050年到2060年，从风光发电量来看已经超过50%，应该是主体了。

这样一个情景，刚才算下的具体数，我们能不能用一些指标加以衡量呢?应该是可以的，我个人考虑是五项核心指标：

1、非化石能源在一次能源消费中的比重，这个不仅仅是电力系统，而是整个能源系统都是这个指标。为什么这个指标非常重要?是因为非化石能源这部分提供的一次能源主要是由我们电力部门非化石能源发电来提供的，提供90%以上。所以我们有一个系数，如果是占百分之百的话是多少，占90%是多少，都可以考虑的，所以这个是非常非常重要的一个比例，它决定了我们电力系统将来非化石能源发电量所提供的能源它应该是什么情况，应该满足什么样的条件，这个是基本条件。

2、非化石能源发电量在发电量中比重。当年2030年我们设定50%，但实际达不到，但到2060年那个数，预测的比2030年高多了，60%，非化石能源电量要达到90%以上，92.7%。

3、电能在终端能源消费中的比重。

4、系统总体能源利用效率。

5、能源电力系统二氧化碳排放总量。过去我们不care这个东西，但现在必须作为一个重要指标来考核，看看电力系统怎么样。

按照我们刚才的计算方式，那样一个情景，算了一下这五个指标变化情况。左图是非化石能源在一次能源的占比，实现的图，就是这个曲线。二是能源系统总效率，虚线往上走的那个图，从现在大概30%几，现在能源效率很低，前几年我记得机械电子部有个统计，他们那个系统，制造业效率是33%，我们发电效率，用煤电的效率，也就30%-40%，所以这个效率肯定高不了，能源不转型这个效率永远提不高，都是30%-40%，顶多超过40%一点。我们慢慢慢慢增长，到2060年可以到50%，为什么?两个因素，一个是我们的能源转型带来的，我们的风电光伏是一次能源，从效率链来说，一开始它生产的电力效率就是100%，不像煤电就30%几，这是一个因素。第二个因素，各个环节的效率提高，包括输电，包括用电效率，各种各样的，包括建筑里边的效率，包括用电动汽车来代替传统汽车。传统汽车我不知道石油天然气燃烧后的效率是多少，30%几?用电以后效率大幅提高，因为可再生能源效率提高了，所以效率提高是完全有根据的，我们根据各种因素算的结果，可以到50%，我觉得50%的效率是很高很高的了。

右边这两个数是非化石能源发电量占比持续提高，2045年超过70%，2060年达到约92.7%。电能在终端消费中比重大幅增长，2030年达到约34%，2050年达到65%，2060年就更高了。

我们看看二氧化碳排放，首先看达峰，达峰是什么时候实现的?左图，能源系统排放总的量是多少，我这里没有把绝对值标出来，但坐标有，大家可以看一下，这个数很有争议，算的不一定准确，供参考。所谓能源系统，能源通过燃烧排放的二氧化碳，包括我们火电厂，包括燃油电厂，包括其他利用煤的燃烧，包括汽车也是燃烧，它的总排放就是这个情况，在2027年达峰，峰值大概是多少呢?大概是97亿吨左右，这个很不准确。下面两条线，红的线是电力行业二氧化碳的排放情况，占30%几-40%，2025年达峰，峰值大概不到40亿吨的样子。

右边是一个降低的百分值，达峰的算100%，其他的，现在我们是96.4%，还没达峰，到了2030年达峰了，差不多到100%了，再就是快速下降，不知道为什么它好像是直线下降的，我们当初确实没有设定它应该是这样的，但各种因素叠加起来就是这样的情况。到了2060年达到峰值的10%，我做的情景没有做到零排放，但我们有其他措施来实现碳中和。

三、关键技术

技术方面，或者是和以前不同的方面，从技术方面来看，它有什么样的特征，总结了四点：

1、高比例可再生能源电力系统

2、高比例电力电子装备电力系统

这两个电力系统的说法，现在我们国家电网调度上整天说我们会面临这样的问题，不是全局，但局部已经面临这个问题了，这是两大问题。

3、多能互补综合能源电力系统

4、信息物理融合智慧能源电力系统

第三和第四实际上是要缓解第一和第二，或者说一个很重要的措施来实现我们能源转型、碳达峰，提高能源效率等等，特别是数字化，第四点，要把能源系统变成智慧型的，一会儿我会稍微说两句这个想法，我没有仔细做，怎么样变成智慧型，部分能够自治的一个智慧系统。所以是这四点。

关键技术总结了八类，这八类不说了，大家都说的差不多。

第一个，新能源发电，这个发电技术我提得是电网支持型，能不能做到电网支持型，而且不是说要牺牲新能源发电的发电量和它的灵活性，而是要支持电网，怎么支持，从控制系统上，从电力电子变换器角度上有什么办法没有，都在考虑这个。第二个，电力电子元器件，要升级，要换代，这个是对新能源发电将来接入电网接入电力系统提供一个非常非常大的支持，目前做不到，目前可靠性比较差，所以被迫要放大它的容量，也不一定保证它的性能，提供短路电流不行，搞系统来说系统电流希望大一点，表明你这个系统是比较强的。这是我们需要关注的。第三个是电力系统问题，电力系统面临重大变革，发电和用电面临天翻地覆的变化，过去单纯就是电，现在叫综合能源，过去是发电机组旋转有惯性，现在没有惯性了，怎么办。从理论体系来说，20世纪三40年代建立的经典理论在今天来说已经不适用，要创立新的理论体系和技术的方法体系，这个任务非常繁重，现在大家都在做，但是还没有理出头绪来。第四个是储能。第五个是氢能。第六个是数字化、人工智能，第七个是新型输电和超导综合输能技术。最后是综合能源电力市场。

最后谈一个概念，综合能源生产单元(IEPU)设想方案，左图有一个电厂，这个电厂是燃煤耦合生物质混烧火电厂，甚至不混烧也是有效的。底下的是光伏电站，右边第二行，电解水制氢，你发的电，光伏发的电，电网发的电，甚至便宜来的电，都可以电解水制氢，制氢完了，我们根据中国科学院大连化物所李灿院士团队他们做的工作，太阳光燃料，要做甲醇，甲醇经过处理以后变成燃料，方程式在这。同样也可以做甲烷，甲烷做成天然气，人造气和人造液体，可以是绿色的，也可以是混合的。这样一个综合能源生产单元是虚拟的综合能源电厂，在源端的一个综合能源系统，综合能源电厂，就像我们现在终端消费虚拟电厂，有分布式发电，有光伏发电，有天然气发电，有各种各样的负荷等等，有电动汽车充电等等，它那个是终端消费的单元，所以我可以叫IECU，这是我给它提的名。IEPU和IECU，这个能不能将来作为我们国家新型电力系统的一个基础单元来对待，这些基础单元具有智能化智慧化的功能，它可以给电网提供非常灵活的发电调节能力。所以如果是这样的话，是不是需要那么多单独的储能电站呢?

一会儿看一下这个东西，其他就不看了，时间关系。

燃煤耦合生物质发电厂的情况，不是百分之百都可以，现在只能20%以下。我们这个单元包括燃煤机组，电解槽，光伏发电机组，甲醇化设备，这个机组是折旧完备的机组，还能用，但费用很低，没有资本的费用了。电解槽，大连化物所李灿院士他们做的，每标方可以做到3度电，我听说其他有几个研究团队也达到这个水平，所以技术在不断进步。做出的结果，全局优化容量，重点给大家看一下这个灵活性，怎么需要提供电网灵活性，因为这个单元里有光伏发电，有燃煤发电，有负荷，有电解水制氢，有制甲醇和制甲烷，而电解水制氢耗电很大，甚至可以和装机容量的10%几相比。这样的话，既有发，又有售，所以它的调节余地很大，问题是它的最低出率能到多少，最高出率能到多少，发电机组经过灵活性改造最低出率可以到70%，剩下30%发电，甚至有的提到20%，当然，这个就花比较大的代价了。现在电解槽最低出率是多少呢?据说30%。这两个灵活性一搭配，上面这条曲线，调节的上限，一天24小时，下面这个红线是调节的下限，红线是低于0的，因此它的调节能力是多少呢?从原来的70%可以增大到166%，这个调节不只是翻番了，加一倍还多，所以它的调节能力很多。我这个想法和我们调度去说，他们觉得这个非常好。如果真得这样的话，一个是给我们的燃煤电厂提供一个出路，另外是碳捕集，通过碳捕集把它变成绿色。这样的话调节能力可以得到很大程度地满足，为什么2060年还留着7400万火电，就是因为如果全部用它改造的话，它提供的液体燃料和天然气的量很大，这个量满足我们国家一部分的需求还是可以的。这个东西经济性行不行?大概投资回报期七年，这个算地对不对可以质疑，这个太好了。输电不说了，混合输电，超导输电加上输液化天然气，加上输液态氢，但目前能不能做到，代价多大，这个没有考虑，这是一个概念，国外也有人提出类似的概念。

总结，前几条都是重复。最后一条，第五，作为源端基地综合能源生产单元(IEPU)的探索，与终端消费分布式综合能源单元(IECU)一起，有可能成为未来综合能源电力系统的基本单元结构模式。每个单元都能够自主的做，比如里面配上一点储能或者配上一点什么，它可以综合。

这是我个人的一点体会，谢谢大家!