中国科学院院士周孝信：双碳目标下，我国能源电力系统发展前景和关键技术

10月13日，2021国家能源互联网大会在山东淄博会展中心正式拉开序幕。本届大会以“聚力双碳目标 ，清洁能源互联创新”为主题。旨在积极响应国家号召，围绕能源数字化转型、新能源高质量发展、新型电力系统建设、氢能/储能技术发展、能源互联网技术研发/示范落地/推广应用等展开研讨、交流与成功经验分享，为汇聚更多相关企事业单位加快新型电力系统建设、推进能源互联网新技术新产品应用、积极参与“双碳”目标早日实现行动计划等指引方向。能见App全程图文直播本次大会。

中国科学院院士、国网公司中国电科院名誉院长周孝信通过视频发表了题为《双碳目标下我国能源电力系统发展前景和关键技术》的精彩主旨演讲。他表示，双碳目标和能源转型的战略目标是高度一致的，两个构建是实现能源转型的根本措施，是实现双碳目标的基本保证。

以下为演讲全文：

周孝信：各位领导、各位专家，今天我向大家汇报的题目是《双碳目标下我国能源电力系统发展前景和关键技术》。主要分为五部分：第一，我国能源转型的战略目标和实施路径；第二、新型电力系统主要特征核心指标和关键技术；第三，双碳目标下我国能源电力系统发展情景分析；第四，综合能源生产单元（IEPU）设想；第五，总结与讨论。

关于我国能源转型的战略目标和实施路径，习近平总书记2014年6月提出“四个革命一个合作”的能源安全新战略。习近平主席2020年9月22日提出中国“二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前碳中和的双碳目标”。2021年3月15日提出要“构建清洁低碳安全高效的能源体系”，构建以新能源为主体的新型电力系统，可以称之为“两个构建”。

双碳目标和能源转型的战略目标是高度一致的，两个构建是实现能源转型的根本措施，是实现双碳目标的基本保证。关于具体的能源电力系统转型怎么实现呢？也是有以下五点：

一，大力开发利用可再生能源，形成以非化石能源为主的电源结构，这是实现能源转型的关键。

二，积极推动煤电灵活性改造，为新型电力系统运行提供紧急备用和灵活调节能力，探索煤电碳资源综合利用。

三，持续推进终端用能的电气化，提高能源综合利用效率。

四，加强电力电子和储能等关键技术创新，确保可再生能源消纳，确保电力系统安全稳定运行。

五，完善能源转型各项政策，坚持市场化改革方向。

关于新型电力系统主要特征核心指标和关键技术，特征是以下五点：第一点是高比例可再生能源电力系统；第二点是高比例电力电子装备电力系统；第三点是多能互补综合能源电力系统；第四点是数字化国家能源互联网大会化智慧能源电力系统；第五点是清洁高效低碳零碳电力系统。

核心指标有以下五点，实际上是能源和电力紧密联系在一起的五点： 第一点是非化石能源在一次能源消费中的比重； 第二点是非化石能源发电量在发电量中的比重；第三点是电能在终端能源消费中的比重；第四点是系统总体能源利用效率；第五点是能源电力系统二氧化碳排放总量。

关于新型电力系统的关键技术我把它归纳为十类，这都是具有全局性影响的一些技术，我就不一一介绍了，重点介绍一下氢能生产、储运、转化和应用技术。

对于我们来说，主要是要大力推动可再生能源电力规模化制氢，制氢以后当然可以直接应用。但是为了便于长期储存、便于运输，希望进一步能源化工技术融合，与火电厂二氧化碳捕集利用技术配合，来规模化生产便于运输、便于储存的甲烷、甲醇、氨等气体液体燃料，希望能够部分代替石油天然气等化石能源。这既是能源系统低碳化转型的关键举措，也有可能成为未来高比例再生能源电力系统应对发电短期出力波动和中长期能源电力供应不平衡的一种有效途径。

具体来说，左边图是可再生能源电解水制氢，这个技术已经很成熟了，但是还要进一步提高效率。中间的图是氢和二氧化碳合成甲烷和甲醇，甲烷是天然气的主要组成部分，甲醇当然是一种液体的可以作为燃料使用。它们都便于输送和储存。甲烷和甲醇都是含碳，所以一定要和二氧化碳合成。

还有不含碳的就是右边的氢和氮气合成氨，大家都知道氨是制造化肥的基础原料，也是另外的化工原料。但是作为能源来说，氨也是一种含能量很高的能源形式。

这张图就是可再生能源制氢、制甲烷、制甲醇、制氨的图表示出来，可再生能源有很多种，包括大规模电网的风电、光伏，包括地热、海洋能电站。特别提高生物质能电站，生物质能电站是排放二氧化碳，但是二氧化碳是零碳的过程。排放出来的二氧化碳如果捕集起来就变成富碳的技术，这是非常好的技术。这个二氧化碳拿来和氢气来制甲烷、制甲醇等等，同时氢本身也可以通过天然气管网来部分与天然气混合，来输送给终端发电使用。

下面做一个简单分析，“双碳”目标下我国能源电力系统发展情景。我以前做过的情景一到情景五都是在“双碳”目标提出之前做的。根据“双碳”目标的要求，设置了一种新的情景，就是情景六。首先是一次能源消费总量及其组成结构，这是非常重要的。非化石能源以绿色表示，煤炭以灰色表示，天然气以蓝色表示，石油是黄色表示。一次能源消费总量是红颜色折线构成，2030年以前，我们能源还继续增长。2030年以后，就会逐步下降。它的组成中非化石能源占比是未来越来越高，煤和天然气占比越来越低。

这是另外指标，非化石能源占比和全社会用电量指标是很重要的参数，决定了未来电力系统发展到什么样的规模，可再生能源、绿色能源占什么样的比例。

这是情景六设置以后的计算结果，以很简单的模型做了计算，算出了装机容量和发电量，从2025年一直到2060年的过程。2025年非化石能源发电装机占比超过50%，2025年到2030年风电和光伏装机容量超过煤电，2035年风光装机容量超过装机容量50%，这是很关键的。如果说新型电力系统，用风光占比作为指标的话，超过50%是达到了相当的程度。

从发电量来看，2030年到2035年间非化石能源发电量超过50%，2035年到2040年风光发电量开始超过煤电，最后煤电加速退役。2030年风光发电量占总发电量的20%，2045年到2050年间风光发电量超过总发电量的50%，这是非常重要的。新型电力系统如果超过总量50%作为衡量的话，这标志着我们国家在2045年到2050年间，风光电发电量占比就回答道超过50%的程度。这种计算还是非常初步的，也是其中一种的计算。

这是二氧化碳的排放，二氧化碳排放有三条曲线。一条是能源系统排放总量，我们可以看到总的能源系统二氧化碳排放的峰值大概在2025年之后，2026年、2027年。下面是电力系统二氧化碳排放量在2030年以前达到峰值。黑颜色是煤电排放，煤电是电力系统二氧化碳排放的主要组成部分。右边是两项核心指标，第一是电能在终端消费中的比重，是红颜色的曲线，目前来说还不到30%，（2020年是26.7%）。随着可再生能源比例增加，随着终端消费能源的转型，比例会逐步增加到2050年超过70%。

我们现在总的能源系统利用效率只有30%几，比较低的，希望经过二三十年的发展希望超过50%。

2020年我国能源电力发展情景，一次消费总量接近50亿吨标准煤，非化石能源消费比重接近16%。全社会用电量7.51万亿千瓦时，人均年用电量5327千瓦时。左边的图是装机容量，其中黑色的是煤电装机是49.1%，这是第一次煤电装机比例小于50%的一年，也就是去年。太阳能风电、发电占的比例都是超过10%的情况。右边是发电量，煤电占60%，在相当长的时间里面还是占比较重要的比重。

2030年的情况，煤电占装机容量32.3%，差不多1/3的样子。但是发电量还要维持在46.1%，依然是我们国家发电量的主要组成部分。太阳能占10%，风电占10%。

下面就是我们介绍一下综合能源生产单元（IEPU）设想。

接着刚才谈到的氢能，具体到发电厂配合的情况，我们希望传统的燃煤发电，当然燃煤发电本身也在发展，比如说混烧生物质的火电厂是更好。这个电厂进行二氧化碳捕集，捕集产生的二氧化碳和通过光伏发电以及火电发电本身发出来的电力，再加上电网取的电，比如电网低谷时候的电力可以拿来用。三种是和不同电源的电力可以进行电解水制氢。

产生出的氢气，当然是可以直接拿来应用，或者通过管道来输送。我们这里是推荐要把二氧化碳的资源综合利用起来，所以二氧化碳和氢来合成制甲醇，二氧化碳和氢合成制甲烷。这是作为一个多元架构来说是既生产电，又生产能源化工的产品，也生产氢的综合能源生产单元，希望将来是一个总的能源供给侧的单元结构形式，这样就可以对未来电网结构的变化、电网的发展提供思路。同时也为火电厂的低碳、零碳转型提供可行的方案。

刚才介绍了生产各自能源产品、电等等之外，这个单元由于本身具有发电能力，一天24小时的发电能力，包括调度的安排。黄颜色是太阳能光伏发电，灰颜色是燃煤电场、燃煤混烧、生物质能电场发电，它们是作为发电存在的。蓝颜色在单元内部是作为内部的负荷、负载，因为电解水制氢耗电是比较大的，应该说这个单元是不同的单元组成的，其中可调节的电源是火电厂本身，火电厂进行改造以后可以降低到30%的出力。电解水制氢作为整体来说，可以运行在30%额定容量的情况下。如果分为若干组，它的组合就更多，最小的负荷就可以更小。所以有两种，一个是发电可以灵活调节，一个是负载，电解水制氢也可以灵活调节，所以总的灵活调节能力就比较强。其中我们希望所有太阳能光伏电量都得到充分应用，是不需要调节的。

调节能力这样来说，作为单元来说，出力上限等于火电机组额定功率加上光伏发电功率，减去电解水制氢、制甲烷装置出力的下弦，就是整个出力的上限。这个图里面的曲线就是在不同时刻调节的上限。出力下限等于煤电机组最小的出力限制（约30%）减去电解水制氢制甲醇装置出力上限。

这样的话，加上太阳能光伏本身在中国的出力比较高。这个例子上限是447千瓦，下限是早晨6点是负74千瓦，所以调节的范围就很大了。

结论是这样，与电网并网的优化运行结果表明，IEPU比传统火电厂具有范围更大的灵活调节能力。这个表是设备的配置，实际上发电是30万的机组，而且机组最好已经是运行过一段时间，还款已经还过了，所以成本是比较低。二氧化碳捕集量是15%，占总量的18%。光伏发电容量是180兆瓦，电解槽用电功率是140兆瓦，氢产量一年是两万吨，制甲醇是10万吨的情况。除了能够产生电和绿色的燃料的依赖，我们还可以在电网里面具有非常好的灵活调节能力。

下面是总结与讨论：

关于情景分析的总结：

双碳目标下的情景分析表明：2035年风电光伏装机容量超过装机总容量50%，2045到2050年间风电光伏发电量超过总发电量50%，这两个50%是具有标志性的。应该所是为构建以新能源为主体的新型电力系统创造必要条件。

能源系统和电力系统二氧化碳排放均可实现2030年前达峰，能源系统二氧化碳排放2050年、2060年分别降低为峰值的28%、10.5%；电力系统二氧化碳排放2050年、2060年分别降低为峰值的25.4%和1.6%，为实现2060年前碳中和目标奠定了基础。

关于IEPU的讨论：

综合能源生产单元IEPU既可生产除电外各种绿色燃料，又能以其高灵活调节能力来支撑高比例可再生能源电力系统稳定运行，期望能作为火电低碳/无碳转型路径方案的一种选择。

IEPU可以有不同类型的方案：IEPU所需的二氧化碳可由火电厂碳捕集来取得，未来也可从空气中捕集来取得；IEPU可由风光发电与电解水制氢装置，或者是水电厂与电解水制氢装置组成。生产的绿氢与空气中氮气组合制氨；IEPU可由燃气电厂与风光发电及电解水制氢、储氢耦合组成。未来燃气电厂的燃料将由绿氢提供，成为应对长周期能源不平衡的能源重要措施；IEPU本身可以是实体的，也可以是虚拟的。

IEPU与数字化国家能源互联网大会化技术结合，可形成能源供应侧各种智慧型基本单元，与消费侧智慧型基本单元（Integrated Energy Consumption Unit，IECU）如虚拟电厂、综合能源微网等一起，组成未来典型电力系统的基本结构，以便充分挖掘利用供应和消费双侧自主管理和灵活性调节能力，有可能对未来电网结构和系统动态特性、灵活性和储能需求以及电网调度管理方式产生重要影响。

可再生能源制氢和各类IEPU的经济性是制约其发展的关键因素，对此期待相关技术的进步带来的成本进一步降低，当前我们应结合实际工程的各种因素进行详细的经济性分析；IEPU设想的实现将会促进能源领域不同行业之间的融合，对此需要体制机制的突破和创新。

（本文根据会议现场发言嘉宾的速记整理而成，未经本人审核。）