火电机组调峰运行与双碳

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1、火电机组调峰运行与双碳之间的联系的调研报告摘要“双碳”目标下，电力行业的低碳发展面临严峻挑战。通过梳理国外碳中和 目标及采取的路径和措施，结合我国双碳”目标及预期路径，分析了传统火电 企业面临的可再生能源消纳、传统火电退役困难等问题。传统火电结合储能技术 可提升灵活性，满足电力系统运行的稳定性;传统火电可融合化工产业及碳捕获、 利用与封存(CCUS)技术等构建火电新型产业链。传统火电转型发展关乎国家 能源安全与民生保障，在可再生能源快速发展过程中应克服新能源消纳和储能障 碍，同时，火电的兜底作用和基荷作用不可忽视。关键词：温室气体排放；“双碳”目标；火电；储能技术；CCUS ；新型电 力系统；

2、多能耦合；可再生能源0引言温室气体的过量排放会增强温室效应，造成全球极端气候的出现，严重影响 人类的生存与发展1,因此，控制温室气体减排已成为当前环保的重点。根据 联合国政府间气候变化专门委员会(Intergovernmental Panel on Climate Change , IPCC )的统计，全球因化石燃料的使用导致的CO2排放量约为237 亿t/a 2-3 。为应对全球气候问题，2020年我国提出了“双碳”目标，即我 国的CO2排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和 1 L “双碳”目标的确定，为工业体系，尤其是CO2排放占比达40%的能源 电力行业，带来了

3、深层次的影响，也引导着产业结构的布局与发展。我国印发的2030年前碳达峰行动方案中指出，要大力发展新能源，在 保障能源安全的前提下，推进煤炭消费替代和转型升级，加快构建清洁、低碳、安全的能源体系。侯艳峰等4指出，我国“双碳”目标的实现需要发电部门 完全脱碳尽可能实现全经济部门电气化，并且需要氢能、生物质能以及碳捕获、 利用与封存（CCUS ）等技术的大规模应用。Pollitt 5 应用E3ME宏观经济 模型分析并指出，中国要实现碳达峰，需要建立完备的碳市场以及避免新增煤电 装机。我国是世界上最大的煤炭生产国与消费国，据国家统计局核算，2019年 我国煤炭消费量占能源消费总量的57. 7%6。煤

4、炭广泛应用于发电、钢铁行 业、水泥生产、建筑材料、化学制品和建筑等领域。其中，电力行业的耗煤量占 比较高。传统火电是电力行业煤耗的重心，火电机组的发展情况对电力行业的碳 排放达峰具有重要影响。本文将梳理国内外的碳中和目标及其实施情况，提出我国实现双碳”目标 的核心是优化电力行业结构、构建绿色低碳电力系统。通过分析双碳”目标下 我国传统火电所面临的挑战，为火电企业的发展提供新对策。1 “双碳”目标及预期路径1.1 国外的碳中和目标IPCC发布的全球升温1. 5 C特别报告指出7-8,实现1. 5 C温 控目标有望避免气候变化给人类社会和自然生态系统造成不可逆转的负面影响。 达成该目标需要各国共同

5、努力，到2030年实现全球净人为CO2排放量较 2010年减少约45%，并尽早达到近零碳排放8,各国承诺碳中和时间见表 1。由表1可知，目前已有许多国家和地区明确了碳中和措施。德国于2019 年9月通过气候行动计划2030，明确具体行动，规定到2030年实现温室 气体排放总量较1990年至少减少55% 9-10 L法国在2015年提出国家低碳战略，建立碳预算制度，并在2020年正式通过相关法案，对2050年 碳排放减量的目标进行调整11 。1.2国夕卜碳中和的主要路径国夕悟行业为实现碳中和目标采取的路径及措施对我国实现双碳”目标有 定的参考意义。其中计划实现双碳”目标的国家/地区主要采用碳市场

6、、碳 减排等措施12,主要包括京都议定书框架下的国际排放交易机制（IET X 联合履约机制（JI）和清洁发展机制（CDM ）三大碳交易机制，以及京都议定 书框架之外的自愿减排机制（VER ）等13-16 。澳大利亚构建了比较完整 的碳市场执法监管体系，设立了碳排放信用机制和碳中和认证制度17-18 。 英国通过了全国性碳交易法并建立了规范碳交易市场19-20 L巴黎协定于 2016年生效，并于2021年11月13日在格拉斯哥气候大会上通过了巴黎协 定的实施细则，明确了 将气温上升控制在1.5C之内”的目标，承诺到2030 年将全球CO2排放量削减近一半，为最终碳中和目标的实现奠定基础21 。近

7、年来，世界各国采取多种策略促进本国碳中和目标的达成。例如，美国纽 约提出在2050年之前实现碳中和22主要策略是碳减排+碳信用/碳补偿”， 计划到2040年实现100%无碳能源发电;美国的希博伊根污水处理厂利用厂 外高浓度食品废物与剩余污泥等生物质进行热电联产，大幅降低运行能耗，以实 现厂内的碳中和23-24 ;丹麦首都哥本哈根早在2009年就确定了 2025年成 为世界上第1个零碳城市的目标，并于2012年通过了哥本哈根2025气候规 划，计划从“碳中和”过渡到“气候中和”最终到“零石化” 25 L这些计划 与措施，对促进区域范围内的减碳工作发挥了较大的作用。为实现碳中和目标，国外b各城市大

8、多采用可再生能源+储能体系”的能源 结构，并通过生物质发电、热电联产等技术路线，阶段性地向着零化石能源的方 向发展26 。如纽约就采用城外集中式可再生能源发电+城内分布式光伏发 电+城市废水处理和有机垃圾产生的沼气发电+储能体系”的技术路线；澳大利 亚的阿德莱德在实现100%可再生能源发电的目标时主要采用分布式光伏+储 能”的模式。总体看，国外卜采取的减碳策略主要为复合技术路线，在提高能源利 用率的同时提高可再生能源消纳比重，该路线对于我国双碳”目标的推进实施 具有较强的借鉴和参考意义。1.3我国双碳”目标及预期路径1.3.1我国双碳”目标的路径2021年10月12日，在生物多样性公约第十五次

9、缔约方大会领导人峰 会上：指出我国将构建起碳达峰、碳中和1+N”政策体系，并提出了2025年 为实现碳达峰、碳中和奠定坚实基础；2030年碳排放达峰后稳中有降；2060 年碳中和目标顺利实现。在此基础上，清华大学王灿等27 将我国“双碳” 目标的实现过程分为4个阶段，即20202030年的达峰期、20302035年 的平台期、20352050年的下降期和20502060年的中和期。大部分发达 国家/地区从下降期到中和期需要20余年，个别国家/地区甚至持续约60年（如 欧盟）。我国预计要用30年才能实现碳中和目标，时间上较为紧迫28L这就 意味着，我国需要加强碳排放的控制和相关技术研究的投入，从

10、源头控制和末端 治理2个方面推动“双碳”目标下相关策略的落地实施。1.3.2 “双碳”目标下电力行业的发展路径在我国，电力行业是当前碳排放的最主要来源，其碳排放占全部碳排放的1/3以上。因此，我国实现双碳”目标的核心是构建以新能源发电为主体的新 型电力系统，推进低碳、低能耗的电力系统设施建设，加强低碳、节能、清洁生 产技术的推广应用，并配套相应的政策措施和市场化机制，实现能源结构的优化 调整与能源供给的技术进步。在此背景下，由火电企业参与的可再生能源发电装机将会迎来倍速增长，传 统火电机组的角色和定位也会迎来新的转变。在现有技术水平下，可再生能源发 电的不确定性及其对于电网所带来的冲击，也将会

11、给电力系统的稳定运行带来较 大冲击。因此，要完成双碳”目标下新型电力系统的构建，火电企业在实现绿 色低碳转型的道路上必将面临严峻的挑战。2 “双碳”目标下火电企业面临的挑战2.1可再生能源发电的瓶颈2.1.1可再生能源发电的资源禀赋问题近10年来，我国可再生能源发电装机规模已处于国际领先地位。2018年 我国可再生能源装机容量（包括光伏、风电、水电等）占全球29.6%，已位居 世界第一，预计至2050年，我国光伏和风电约占比例全国总发电量的72% （如 图1所示）。但是，2018年可再生能源的发电量在能源结构中占比相对较低， 仅为26.7% 29-31 ,除了政策、技术和市场因素之外，更主要是

12、受资源禀赋 的影响。可再生能源发电能量密度低，其装机施工的用地需求较大，受到诸多因 素限制32L因此，较大比重的可再生能源设施主要集中在西北地区，其外送 电成本也会相应提高。2.1.2可再生能源发电并网的障碍现阶段，大规模、高比例的可再生能源发电并网尚存在一定的技术瓶颈，影 响其消纳比例。仅在2019年上半年，弃风电量和弃光电量分别为10.5TWh和2.6TWh 29 , 33-34 o风电与光易受气候及地域影响，发电出力一般具有随机性和波动性，这会影响到电网中电力平衡的维持。例如，2021年2月在美国 的得克萨斯州，因电力系统的过度低碳化(风光发电占比较高)，在极端天气来 临时可再生能源出力

13、不能满足需求，造成大面积停电现象35 。因此，解决可 再生能源发电并网问题将是未来双碳”目标能否得以顺利实现的关键。2.1.3可再生能源发电成本问题在可再生能源发电开发过程中，建设施工、研发运维、电力传输等过程中的 成本是不可忽视的。在发展初期，可再生能源发电成本相对较高，其发展主要依 靠政策扶持。随着技术进步和市场机制的成熟，其发电成本开始逐步下降：2010 年我国风电的成本为0.48元/ ( kWh), 2020年降至0.29元/ ( kWh)，下降 了 40% ;2010年我国光伏发电的成本为2.08元/( kW-h) ,2020年为0. 36元 / ( kW-h)，下降了 83% 36

14、 L随着可再生能源发电并网比例的提高，灵活性电源改造、系统调节运行、电 网建设等方面的系统性成本可能会增加。美国实施可再生能源配额制12年后， 可再生能源电量比例提高5%，电价提高了 17% ; 2019年德国可再生能源发电 占比突破40%，电价较2015年增长约8% 36-37 L根据夏丽娟等38的 初步估算，我国风电和光伏发电量占比上升到20%时，发电成本约增加0.03元 / ( kW-h);占比上升到30%时，成本约增加0.06元/ ( kW-h);当占比达到 50%时，总发电成本将会大幅增加。因此，随着“双碳”目标的逐步推进，可 再生能源发电在成本方面的复杂性将会逐步凸显。可再生能源发

15、电的快速发展，是落实“双碳”目标和构建新型电力系统的重 要途径之一，其在技术开发与应用环节存在或预期出现的问题须尽早引起重视。2.2传统火电机组的转型障碍2.2.1传统火电机组的运行压力持续在“双碳”目标背景下，传统火电机组将持续承受一段时期的运行压力。目 前，我国仍处于工业化和城市化发展阶段的中后期，城市格局不断演变39。 2019年化石能源占一次能源消费的85.7%，燃煤发电和化石用能排放的CO2 占总排放量的88%1,40L在钢铁、建材、化工、有色金属和制造业等高耗 能行业，煤炭使用量占比约45% 41 。约50%的煤炭消费量用于发电，其余 煤炭的终端使用者将集中于供热、交通或其他民用领

16、域等42 。因此，由于新 能源发电对火力发电的高比例替代尚需一定的过渡期，未来一段时间内，能源供 给的主力仍将来自传统火电机组，传统火电碳减排形势依然严峻。2.2.2传统火电机组使用年限较低19952016年各量级煤电装机占比如图2所示。可以看出，近些年燃煤 机组以大容量装机为主，我国拥有世界上数量最多的GW级超超临界燃煤发电 机组。这些煤电机组存在着一定锁定效应，难以淘汰或转型。至2020年，我国 现役的1TW煤电机组平均运行年龄才约13年，而发达国家的煤电机组平均运 行年龄约为40年43L从设计与成本角度考虑，我国煤电机组大多数还远未 达到退役时期，针对这些煤电机组的减碳控碳任务依然较为繁重。2