碳中和:能源转型的路径与选择

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发表时间:2021-03-22 11:37作者:社投盟来源:社投盟



大风起兮,沙尘回流。近日来北方众多城市空气质量达到重度污染水平。网友调侃到“仿佛生活在火星上的城市”。据中国气象台报道,这也是近10年我国遭遇强度最强、范围最广的一次沙尘天气过程。

如果我们暂时忽略成因中气旋和平流运动的因素,从PM2.5到PM10,从小颗粒到飞沙走石,都是沙尘天气形成的源头,而这又与碳排放、大气污染密切相关。这牵涉到全球范围内的环境治理合作和实现碳经济的切实意义


本文摘自《可持续发展金融前沿》2021年第2期碳中和专题



一、碳中和目标下的能源转型


国务院总理李克强3月5日向社会公开的2021年《政府工作报告》 中提到: “要扎实做好碳达峰、碳中和各项工作。制定2030年前碳排放达峰行动方案。优化产业结构和能源结构。推动煤炭清洁高效利用,大力发展新能源,在确保安全的前提下积极有序发展核电。”

这是继国家主席习近平于2020年9月在联合国大会上提出“2030碳达峰、 2060碳中和”目标、中央经济工作会议于12月进一步部署相关具体任务后,首次将“碳达峰、碳中和”写入政府工作报告。

实现碳达峰、碳中和是一场广泛而深刻的经济社会系统性变革,也包含了解决全球环境治理问题的关键之法。

清华大学公共管理学院教授胡鞍钢对碳达峰、碳中和分别做出了如下定义:“碳达峰是指二氧化碳排放量达到历史最高值然后经历平台期进入持续下降的过程,是二氧化碳排放量由增转降的历史拐点标志着碳排放与经济发展实现脱钩,达峰目标包括达峰年份和峰值。所谓碳中和是指某个地区在一定时间内(一般指一年)人为活动直接和间接排放的二氧化碳,与其通过植树造林等吸收的二氧化碳相互抵消,实现二氧化碳‘净零排放’。”

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“碳达峰、碳中和”之所以会成为国际共识,是因为二氧化碳排放强度急剧提升造成的全球气温快速升高,以及随之而来的风暴、热浪等极端天气的频繁来袭。

根据联合国环境署发布的《2020排放差距报告》,2019年全球温室气体排放量达到了591亿吨二氧化碳当量(包括土地利用变化在内)的历史新高。尽管2019冠状病毒病(COVID-19)大流行将促使2020年的排放量下降7%左右,但是这一下降仅意味着到2050年全球变暖减少0.01°C,世界仍然朝着在本世纪末升温3.2°C的趋势发展,距离《巴黎协定》中不高于2°C的温控目标仍然差距较大。

为此,截至2021年1月底,占全球温室气体排放量63%的近130个国家已通过、宣布或正在考虑实现“碳中和(或称“净零排放”)目标。

实现“碳中和、碳达峰”目标的关键在于能源转型。早在2014年,习近平总书记就提出了针对中国能源安全战略的“能源革命”,包括能源消费、能源供给、能源技术和能源体制四个方面。国务院发展研究中心资源与环境政策研究所在《中国能源革命十年展望(2021-2030)》中指出,中国将有序推动形成“双循环”新发展格局和绿色 能源体系,“十四五” 期间努力推动非化石能源和天然气等清洁能源需求量占比合计超过30% (2019年为23.4%)、煤炭占比降至50%以 下(2019年 为57.7%),同时也将安全高效发展沿海地区核电、小型堆核能综合利用。

结合2021年《政府工作报告》和《中国能源革命十年展望 (2021- -2030)》可以看到,我国能源转型的三个重点方向:一是发展太阳能和风能,二是发展核能,三是发展传统化石能源的前沿技术



二、太阳能和风能:成本优势初现


根据清华大学能源环境经济研究所张希良教授的研究,中国到2060年的电力产量相较于当下将翻倍至15,034万亿瓦,并且主要依赖于以太阳能和风能为主的清洁能源。其中,光伏发电量将增长16倍,风力发电量9倍,核能6倍,水力发电1倍。在该模型下,中国到2025年碳排放将较2020年的98亿吨增长至103亿吨,并在保持5-10年的稳定水平后于2035年开始出现急剧下降。

(一)太阳能


预计未来五年将降至0.26元/千瓦时以下,低于绝大部分煤电发电成本。到2035年和2050年,根据国家发改委能源所发布的《中国2050年光伏发展展望》,新增光伏发电成本相可达0.2元/千瓦时和0.13元/千瓦时。在光伏组件成本大幅降低的带动下,光伏电站的投资成本也在持续下降。据《中国2050年光伏发展展望》,2035年和2050年光伏电站投资预计将比当前的水平分别下降37%和53%。因此,到2050年光伏发电在有发电技术中仍是最经济性的发电方式之一。

全球光伏发电在经历了几十年发展之后,已经进入到了一个技术成熟、成本下降、装机量.上升的高速发展阶段。据国家能源局统计数据,2020年并网太阳能发电装机容量2.53亿千瓦,增长24.1%。

据全国人大代表、通威集团董事局主席刘汉元介绍,全球光伏发电成本在过去十多年下降了90%以上,国际光伏电站最低中标电价约合人民币0.09元/千瓦时,国内2020年平均上网电价也已降至0.35元/千瓦时。

成本下降将持续带动装机量的攀升。据国家能源局统计数据,2020年国内光伏新增装机规模达4820万千瓦,其中集中式光伏电站3268万千瓦、分布式光伏1552万千瓦。据光伏行业协会预测,“十四五”期间光伏产业年均新增装机规模预计可达7000万-9000万千瓦,2025年新增装机最高可达120万千瓦左右。到2050年,根据《中国2050年光伏发展展望》,光伏发电可占当年全国用电量的40%左右

然而,在光伏产业大发展的趋势下,仍存一定质疑的声音。传统集中式光伏发电有严重的地域性:受限于特高压电和储能设备,西藏、新疆、甘肃和青海等地区都存在一定的弃光现象。而季节、气候等因素,也会限制分布式光伏的发展。也就是说,光伏产业的长远发展仍是一个系统工程,有待输电、储电等相关环节的完善。

(二)风能


随着风电在全球范围内的规模化应用,风电技术至今也较为成熟,且成本不断下降,成为目前应用规模最大的新能源发电方式。据国家能源局统计数据,2020年全国并网风电装机容量2.81亿千瓦,同比增长34.6%。

根据国际可再生能源署(IRENA)发布的《2019年可再生,能源发电成本报告》,陆上风电发电平均成本已降至0.053美元/千瓦时,低于化石燃料发电成本0.066美元/千瓦时及光伏发电平均成本0.068美元/千瓦时,具有显著的价格优势。此外,风电并不局限于陆上。全国政协委员、华能集团党组,书记、董事长舒印彪指出,中国海上风电产业正处于蓬勃发展时期,其中深远海是未来海上风电发展的制高点。

在过去五年,我国风电年均新增约3000万千瓦。其中,2020年风电新增并网装机7167万千瓦,同比增长178.4%,超过过去三年新增装机总和。2020年10月, 四百余家风能企业代表一致通过并联合发布的《风能北京宣言》中提出保证年均新增装机5000万千瓦以上,2025年后年均新增装机容量应不低于6000万千瓦,到2030年至少达到8亿千瓦,到2060年至少达到30亿千瓦。

但风电发展与光伏、水电等类似都存在电力消纳问题。由于发电上网后电能无法储存,当电力供给大于需求时,受系统调峰能力有限、外送通道不畅等因素影响,多余电能常被浪费。此外,风电波动性等问题也亟待储能、高压电能配套设施的建立健全。



三、核能:质疑声中的黑马


虽然以太阳能、风能为主的新能源发展看似成为社会各界对能源革命走向的共识,但也有专家持有不同观点。

国家发改委能源研究所研究员姜克隽认为,2050年中国电力产量将主要依赖于核能(28%) ,其次为风能(21%)、太阳能(17%)、水能(14%)和生物质能源(8%),而煤炭和天然气仍将构成12%的电力供应。也就是说,中国核电厂的发电能力将从目前的49万亿瓦到2050年增加五倍至554万亿瓦,核电厂的数量也将较当下的50座迅速增加。在这一模型下,姜克隽预计中国于2022年即可实现碳达峰至100亿吨碳排放,到2050年即可实现碳中和。

同样,全国政协委员、中国工程院院士、中国原子能科学研究院党委书记罗琦表示,核能作为低碳能源,具有能量密度大、基荷电力稳定、单机容量大、占地规模小、长期运行成本低、核燃料易于储备、可有效提高能源自给率等优势,是未来清洁能源系统中不可缺少的重要组成部分。国际原子能机构 ( International Atomic EnergyAgency,简称IAEA)也认为,只有增加核电利用,未来全球才有可能实现气候变化目标。

根据世界核能协会的报告,2019年核能发电量达到2657亿千瓦时,贡献了全球约1/3的低碳电力,足以满足全球电力需求的10%以上。在我国,虽然核电装机规模也在不断增加,截至2019年底总装机容量达到4875万千瓦,但核电审批的“断档”使得当前处于在建状态的核电机组仍偏少。罗琦指出,截至2019年底,我国核电装机容量占全国电力总装机容量的2.5%,2020全年发电量占全国累计发电量的4.94%,远低于世界发达国家水平(OECD,18%),甚至低于世界平均水平(10%)。

2011年的日本福岛核电站事件导致了社会公众并不接受核电站的新建,但日本的核电供应已经在恢复。根据国际能源署的数据,截至2020年1月,日本已经有15座核电机组的审查工作已经成功完成,其中9座已经恢复运行。根据其2018年制定的的基本能源计划,到2030年20-22%将来自核电。日本国际原子能机构主席伊井隆志于2021年初指出,为实现日本2050碳中和目标,必须尽快重启仍然闲置的核电机组,并努力更换旧核电站、新建更多核电站。

实际上,姜克隽指出,前沿的核电厂设计已经具备高安全性和低放射性废弃物。以华龙一号全球首堆并网成功为标志,我国实现了核电技术由“二代”向“三代”的跨越,正式进入核电技术先进国家行列,核电安全总体水平位居国际先进行列。也就是说,我国已经跻身世界核电大国行列,具备了向“核电强国”迈进的基础条件。

结合2021年《政府工作报告》中对于“在确保安全的前提下积极有序发展核电”的特别强调,我国核电发展值得预期。根据国家国防科技工业局信息,我国已具备每年8至10套核电主设备的国产化制造产能,可同时建造30多台核电机组的工程施工,具备快速发展核电的能力。

当然,鉴于核能对生态环境的巨大污染风险,仍需审慎评估和稳步推进。



四、化石能源+CCS:减缓自然淘汰


在大力发展光电、风电与增建核电站的两种声音之外,碳捕获与封存(carbon capture and storage,简称CCS)技术的发展可能会减缓动化石能源占比的下降幅度。根据中国科学院大学段宏波教授所构建的模型,严格的气候目标会带动CCS的大量部署。这既是应对必要化石能源需求的最佳办法,也是钢铁、水泥等工业过程的主要减碳途径。然而,目前中国现有运转中的大型CCS设备只有一台,该设备高昂的成本限制了其应用推广。

CCS是指将CO2从工业或相关排放源中分离出来,输送到封存地点,并长期与大气隔绝的过程。国际能源署的数据显示,碳捕集与封存能够捕获95%的碳基化石燃料(煤、石油和天然气)在发电和工业过程中燃烧产生的排放。

前沿研究表明,为了克服CCS的高成本问题,一种解决方案是将捕获的二氧化碳转化为一种产品,从而开辟收入来源。例如,二氧化碳驱油技术是一种三次采油作业, 注入二氧化碳有助于降低一次和二次采油作业后留在储层中的原油粘度,甚至可能产生“负碳”油。同时,与太阳能和风能的发展类似,CCS的发展也将具有规模效应。但摩根士丹利认为,到2050年,要使碳捕集与封存满足《巴黎气候协定》,将需要高达2.5万亿美元的投资。

这也意味着,如果CCS的发展速度无法赶超太阳能、风能、核能的普及速度,化石能源被大比例替代仍旧无法避免。中国可再生能源 中心首席专家Kaare Sandholt先生指出,在2060年以前,现有火电厂会在40年内达到运行年限限制,实现自然淘汰。



五、结语


在2019年全球341.7亿吨的二氧化碳排放中,中国占比高达到28.8%,排放量为98.3亿吨。这一方面标志着我国提出碳中和目标对全球减碳工作的重要意义,另一方面也预示着对我国经济发展的巨大挑战。

十四五规划中对碳减排、碳中和工作的部署,再次彰显了我国政府实现这一目标的决心和担当。虽然对于具体的应对措施而言,无论是大力发展太阳能和风能、积极有序发展核能,还是勇于挑战传统化石能源的前沿技术,都各自具有不同的优势与不足。但政府工作中的坚定决心和细致安排,都让我们足以期待一个净零排放的未来。



编辑:张晗、张舒伊、唐颖