編者按：2021年7月8日，以“碳中和與未來能源”為主題的“第三屆未來能源大會”在北京召開，本次大會由中國能源研究會與中國能源網(wǎng)聯(lián)合主辦。會上，中國科學院院士、中國電力科學研究院名譽院長周孝信發(fā)表了““雙碳”目標下我國能源電力系統(tǒng)發(fā)展前景與關(guān)鍵技術(shù)”的主旨演講。

以下內(nèi)容根據(jù)論壇演講實錄進行整理。

周孝信：謝謝主持人介紹。

各位院士，各位專家，各位領(lǐng)導，大家上午好!

剛才我們聽了杜院士非常大氣的全能源視野來看碳中和和未來能源，我覺得提出了非常非常好的一些想法。

我今天主要側(cè)重電力系統(tǒng)，談一談我的一些看法。這么幾個內(nèi)容。

一、我國能源轉(zhuǎn)型的戰(zhàn)略目標和實施路徑

習近平總書記在去年9月和今年3月兩次講話里邊，就把這個問題從宏觀上、從戰(zhàn)略上說得很清楚了。戰(zhàn)略目標，我認為“雙碳”目標，2030年前二氧化碳排放爭取達峰，2060年實現(xiàn)碳中和，我覺得這兩個目標就是我們現(xiàn)在能源低碳轉(zhuǎn)型的戰(zhàn)略目標，我覺得這個目標非常清晰了。

關(guān)于實施路徑，具體討論很多，但我覺得還是習主席的講話，談到兩個構(gòu)建。一個是構(gòu)建清潔低碳安全高效的能源體系。二是構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)。這兩個不是完全并列的。再具體一點，也是習主席講話里提到的，控制化石能源總量，著力提高能源利用效能，實施可再生能源替代行動，深化電力體制改革。我覺得這個是更具體的并且具體的一個方向性路徑。當然，具體怎么做需要大家共同努力，來落實戰(zhàn)略目標和宏觀戰(zhàn)略性的實施路徑。

二、“雙碳”目標下我國能源電力系統(tǒng)發(fā)展前景

我們在這之前做了三組情景，當時是針對我們國家2016-2030年能源發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃，那個是國家能源局和發(fā)改委早在2016年初公布的，我們針對那個情景，當時提出2030年，也展望了2050年的情況。所以我們做了前三個情景，一個是基本上按照這個路徑走，第二個是還能不能再快一點，實現(xiàn)可再生能源比較大的發(fā)展。第三個情景是希望有突破性的，或者跨越性的進步，來實現(xiàn)。但實際上做下來我們發(fā)現(xiàn)還沒有能夠達到現(xiàn)在提出的“雙碳”目標要求。所以我們就做了情景四，這個情景四是根據(jù)“雙碳”目標的基本要求，考慮經(jīng)濟社會發(fā)展對能源電力安全供應需求及能源電力技術(shù)進步等因素，設定三項經(jīng)濟社會和能源發(fā)展主要指標及其變化的趨勢，這三個主要指標對能源轉(zhuǎn)型非常非常重要。

一個是一次能源消費總量，比如煤、石油、天然氣和一次能源，包括可再生能源、非化石能源等等這些，它的消費總量是多少，這個國家每年都有公布，但我們要預測未來，那么就要看怎么個發(fā)展法。當然，這個趨勢要結(jié)合我們的能源需求、技術(shù)進步和各種方針政策以及我們國家的考慮。做的結(jié)果是這樣，右圖里的曲線。2020年一次能源消費總量是49.8億噸標準煤，2030年達到峰值59億噸，之后緩慢下降，2050年達到50億噸，2060年46億噸。從現(xiàn)在開始我們還沒有達到峰值，到2030年還有這么一個余地，59億噸到50億噸，這是我們的設想。之后為什么能夠下降呢?是我們的需求沒有過去高了嗎?不是的，是因為能效的提高，剛才杜院士講，節(jié)能和提高能效是非常非常關(guān)鍵的一步，我們做的結(jié)果，包括負荷消費端的提高，包括一次能源的提高，包括損耗降低等等，實際有效能源還是往上漲的，但是考慮到這些能效以后，它體現(xiàn)出來的值是降低的。

當然，一次能源消費總量還不夠，還要細分，比如煤炭是什么樣情況，石油天然氣是什么樣情況，還有非化石能源是什么樣，都有一個預估。

二是非化石能源消費占比，這個國家非常非常重視，提出的首要指標就是非化石能源占比。在2020年是15.8%，不同的階段，我們是按照前低后高的增長率，2030達到25%，這是習主席提到的目標。到2050年達到59%，原來2030年規(guī)劃，展望2050年是50%。2060年是89%，這些目標怎么能夠?qū)崿F(xiàn)?我們做的結(jié)果是，就是通過非化石能源的增長，包括可再生能源等等增長，如果沒有這個根本不可能。

三是全社會用電量，這個和經(jīng)濟發(fā)展有關(guān)系。所以我們2020年的7.5萬億，增長率是前高后低，2030年達到10.6萬億，我想我們估計有的偏低一點，2050年13.6萬億，2060年15萬億，要翻一番的，電力消費翻一番，但我們的排放要大幅降低。

根據(jù)這些前提條件和其他輔助條件，怎么算我們電力系統(tǒng)需要的發(fā)電裝機容量等等，各種各樣的，有這么一個模型流程圖，不詳細說了。我們計算的結(jié)果，剛才給定的情景下，首先看發(fā)電裝機結(jié)構(gòu)，2020年全國發(fā)電裝機總?cè)萘渴?2億千瓦，非化石能源裝機占比44.7%，煤電占49.1%，10.8億千瓦，風光裝機占24.3%，裝機比例增長很快，這是2020年的情況。經(jīng)過剛才的中間條件約束下發(fā)展，到了2060年，全國發(fā)電裝機總?cè)萘刻岣叩?8.3億千瓦，非化石能源裝機占94.4%，煤電占1.1%，煤電還有，等一下我還要說，這個留著做什么，風光裝機占比接近80%。我沒說新能源裝機，因為新能源概念不斷變化，我這里沒考慮可再生能源的發(fā)電，只是考慮風電和光伏占接近80%。

看看發(fā)電量，2020年全國發(fā)電量是7.6萬億千瓦時，非化石發(fā)電量占比33.9%，煤電占60.8%，4.6萬億千瓦時，風光發(fā)電量占比9.5%。經(jīng)過約束條件下的增長，2030年風光發(fā)電總?cè)萘渴?.35千瓦時，2060年全國發(fā)電量是15.2億千瓦時，比2020年翻一番，非化石能源電量占92.75，煤電占1.4%，0.22萬億千瓦時，風光占發(fā)電量60.7%。

這是過去的實際情況，右圖里黑的是煤電49.1%，第一次下降到小于50%了，去年就是這個情況。但是它的發(fā)電量右圖，也是黑的，煤電是4.6萬億，60.7%，超過60%，從裝機來說，風光裝機占24.3%，這個剛才說了。2030年是什么情況?煤電裝機容量還是相當高的水平，看左圖，11.5億千瓦，我們?nèi)ツ晔?0.8億，“十四五”是多少我現(xiàn)在不好說，國家還沒公布，但我想到2030年還要保持相當?shù)臄?shù)量，發(fā)電量占比大幅降低，降低到30.7%，運行小時數(shù)降低，發(fā)電量是10.75萬億千瓦時，非化石能源發(fā)電量占比46.7%，當年提得是50%，我這里費了大量努力，給它增加，還是沒有到。

夫妻共同財產(chǎn)發(fā)電量占比60.7%，2060年情況變化比較大，特別是從2050年-2060年期間，我們大批煤電機組將要退役，可再生能源有更快速度的發(fā)展。所以從2060年看，能源消費總量降低了，46億噸，因為能效的提高。年末裝機是68.3億，風光裝機占79.7%，很高，不是說著玩的，高比例可再生能源電力系統(tǒng)，這個比例幾乎是80%了。右邊的發(fā)電量15.22萬億，比去年翻一番，這個數(shù)可能還打不住，有的咨詢機構(gòu)做的數(shù)比這個高，但我是根據(jù)個人想法做的結(jié)果，不代表任何機構(gòu)，也不代表電科院，是翻一番來考慮的。非化石能源發(fā)電量占比92.7%，風光發(fā)電量占比超過60%。從主體能源的角度來說，2050年到2060年，從風光發(fā)電量來看已經(jīng)超過50%，應該是主體了。

這樣一個情景，剛才算下的具體數(shù)，我們能不能用一些指標加以衡量呢?應該是可以的，我個人考慮是五項核心指標：

1、非化石能源在一次能源消費中的比重，這個不僅僅是電力系統(tǒng)，而是整個能源系統(tǒng)都是這個指標。為什么這個指標非常重要?是因為非化石能源這部分提供的一次能源主要是由我們電力部門非化石能源發(fā)電來提供的，提供90%以上。所以我們有一個系數(shù)，如果是占百分之百的話是多少，占90%是多少，都可以考慮的，所以這個是非常非常重要的一個比例，它決定了我們電力系統(tǒng)將來非化石能源發(fā)電量所提供的能源它應該是什么情況，應該滿足什么樣的條件，這個是基本條件。

2、非化石能源發(fā)電量在發(fā)電量中比重。當年2030年我們設定50%，但實際達不到，但到2060年那個數(shù)，預測的比2030年高多了，60%，非化石能源電量要達到90%以上，92.7%。

3、電能在終端能源消費中的比重。

4、系統(tǒng)總體能源利用效率。

5、能源電力系統(tǒng)二氧化碳排放總量。過去我們不care這個東西，但現(xiàn)在必須作為一個重要指標來考核，看看電力系統(tǒng)怎么樣。

按照我們剛才的計算方式，那樣一個情景，算了一下這五個指標變化情況。左圖是非化石能源在一次能源的占比，實現(xiàn)的圖，就是這個曲線。二是能源系統(tǒng)總效率，虛線往上走的那個圖，從現(xiàn)在大概30%幾，現(xiàn)在能源效率很低，前幾年我記得機械電子部有個統(tǒng)計，他們那個系統(tǒng)，制造業(yè)效率是33%，我們發(fā)電效率，用煤電的效率，也就30%-40%，所以這個效率肯定高不了，能源不轉(zhuǎn)型這個效率永遠提不高，都是30%-40%，頂多超過40%一點。我們慢慢慢慢增長，到2060年可以到50%，為什么?兩個因素，一個是我們的能源轉(zhuǎn)型帶來的，我們的風電光伏是一次能源，從效率鏈來說，一開始它生產(chǎn)的電力效率就是100%，不像煤電就30%幾，這是一個因素。第二個因素，各個環(huán)節(jié)的效率提高，包括輸電，包括用電效率，各種各樣的，包括建筑里邊的效率，包括用電動汽車來代替?zhèn)鹘y(tǒng)汽車。傳統(tǒng)汽車我不知道石油天然氣燃燒后的效率是多少，30%幾?用電以后效率大幅提高，因為可再生能源效率提高了，所以效率提高是完全有根據(jù)的，我們根據(jù)各種因素算的結(jié)果，可以到50%，我覺得50%的效率是很高很高的了。

右邊這兩個數(shù)是非化石能源發(fā)電量占比持續(xù)提高，2045年超過70%，2060年達到約92.7%。電能在終端消費中比重大幅增長，2030年達到約34%，2050年達到65%，2060年就更高了。

我們看看二氧化碳排放，首先看達峰，達峰是什么時候?qū)崿F(xiàn)的?左圖，能源系統(tǒng)排放總的量是多少，我這里沒有把絕對值標出來，但坐標有，大家可以看一下，這個數(shù)很有爭議，算的不一定準確，供參考。所謂能源系統(tǒng)，能源通過燃燒排放的二氧化碳，包括我們火電廠，包括燃油電廠，包括其他利用煤的燃燒，包括汽車也是燃燒，它的總排放就是這個情況，在2027年達峰，峰值大概是多少呢?大概是97億噸左右，這個很不準確。下面兩條線，紅的線是電力行業(yè)二氧化碳的排放情況，占30%幾-40%，2025年達峰，峰值大概不到40億噸的樣子。

右邊是一個降低的百分值，達峰的算100%，其他的，現(xiàn)在我們是96.4%，還沒達峰，到了2030年達峰了，差不多到100%了，再就是快速下降，不知道為什么它好像是直線下降的，我們當初確實沒有設定它應該是這樣的，但各種因素疊加起來就是這樣的情況。到了2060年達到峰值的10%，我做的情景沒有做到零排放，但我們有其他措施來實現(xiàn)碳中和。

三、關(guān)鍵技術(shù)

技術(shù)方面，或者是和以前不同的方面，從技術(shù)方面來看，它有什么樣的特征，總結(jié)了四點：

1、高比例可再生能源電力系統(tǒng)

2、高比例電力電子裝備電力系統(tǒng)

這兩個電力系統(tǒng)的說法，現(xiàn)在我們國家電網(wǎng)調(diào)度上整天說我們會面臨這樣的問題，不是全局，但局部已經(jīng)面臨這個問題了，這是兩大問題。

3、多能互補綜合能源電力系統(tǒng)

4、信息物理融合智慧能源電力系統(tǒng)

第三和第四實際上是要緩解第一和第二，或者說一個很重要的措施來實現(xiàn)我們能源轉(zhuǎn)型、碳達峰，提高能源效率等等，特別是數(shù)字化，第四點，要把能源系統(tǒng)變成智慧型的，一會兒我會稍微說兩句這個想法，我沒有仔細做，怎么樣變成智慧型，部分能夠自治的一個智慧系統(tǒng)。所以是這四點。

關(guān)鍵技術(shù)總結(jié)了八類，這八類不說了，大家都說的差不多。

第一個，新能源發(fā)電，這個發(fā)電技術(shù)我提得是電網(wǎng)支持型，能不能做到電網(wǎng)支持型，而且不是說要犧牲新能源發(fā)電的發(fā)電量和它的靈活性，而是要支持電網(wǎng)，怎么支持，從控制系統(tǒng)上，從電力電子變換器角度上有什么辦法沒有，都在考慮這個。第二個，電力電子元器件，要升級，要換代，這個是對新能源發(fā)電將來接入電網(wǎng)接入電力系統(tǒng)提供一個非常非常大的支持，目前做不到，目前可靠性比較差，所以被迫要放大它的容量，也不一定保證它的性能，提供短路電流不行，搞系統(tǒng)來說系統(tǒng)電流希望大一點，表明你這個系統(tǒng)是比較強的。這是我們需要關(guān)注的。第三個是電力系統(tǒng)問題，電力系統(tǒng)面臨重大變革，發(fā)電和用電面臨天翻地覆的變化，過去單純就是電，現(xiàn)在叫綜合能源，過去是發(fā)電機組旋轉(zhuǎn)有慣性，現(xiàn)在沒有慣性了，怎么辦。從理論體系來說，20世紀三40年代建立的經(jīng)典理論在今天來說已經(jīng)不適用，要創(chuàng)立新的理論體系和技術(shù)的方法體系，這個任務非常繁重，現(xiàn)在大家都在做，但是還沒有理出頭緒來。第四個是儲能。第五個是氫能。第六個是數(shù)字化、人工智能，第七個是新型輸電和超導綜合輸能技術(shù)。最后是綜合能源電力市場。

最后談一個概念，綜合能源生產(chǎn)單元(IEPU)設想方案，左圖有一個電廠，這個電廠是燃煤耦合生物質(zhì)混燒火電廠，甚至不混燒也是有效的。底下的是光伏電站，右邊第二行，電解水制氫，你發(fā)的電，光伏發(fā)的電，電網(wǎng)發(fā)的電，甚至便宜來的電，都可以電解水制氫，制氫完了，我們根據(jù)中國科學院大連化物所李燦院士團隊他們做的工作，太陽光燃料，要做甲醇，甲醇經(jīng)過處理以后變成燃料，方程式在這。同樣也可以做甲烷，甲烷做成天然氣，人造氣和人造液體，可以是綠色的，也可以是混合的。這樣一個綜合能源生產(chǎn)單元是虛擬的綜合能源電廠，在源端的一個綜合能源系統(tǒng)，綜合能源電廠，就像我們現(xiàn)在終端消費虛擬電廠，有分布式發(fā)電，有光伏發(fā)電，有天然氣發(fā)電，有各種各樣的負荷等等，有電動汽車充電等等，它那個是終端消費的單元，所以我可以叫IECU，這是我給它提的名。IEPU和IECU，這個能不能將來作為我們國家新型電力系統(tǒng)的一個基礎單元來對待，這些基礎單元具有智能化智慧化的功能，它可以給電網(wǎng)提供非常靈活的發(fā)電調(diào)節(jié)能力。所以如果是這樣的話，是不是需要那么多單獨的儲能電站呢?

一會兒看一下這個東西，其他就不看了，時間關(guān)系。

燃煤耦合生物質(zhì)發(fā)電廠的情況，不是百分之百都可以，現(xiàn)在只能20%以下。我們這個單元包括燃煤機組，電解槽，光伏發(fā)電機組，甲醇化設備，這個機組是折舊完備的機組，還能用，但費用很低，沒有資本的費用了。電解槽，大連化物所李燦院士他們做的，每標方可以做到3度電，我聽說其他有幾個研究團隊也達到這個水平，所以技術(shù)在不斷進步。做出的結(jié)果，全局優(yōu)化容量，重點給大家看一下這個靈活性，怎么需要提供電網(wǎng)靈活性，因為這個單元里有光伏發(fā)電，有燃煤發(fā)電，有負荷，有電解水制氫，有制甲醇和制甲烷，而電解水制氫耗電很大，甚至可以和裝機容量的10%幾相比。這樣的話，既有發(fā)，又有售，所以它的調(diào)節(jié)余地很大，問題是它的最低出率能到多少，最高出率能到多少，發(fā)電機組經(jīng)過靈活性改造最低出率可以到70%，剩下30%發(fā)電，甚至有的提到20%，當然，這個就花比較大的代價了。現(xiàn)在電解槽最低出率是多少呢?據(jù)說30%。這兩個靈活性一搭配，上面這條曲線，調(diào)節(jié)的上限，一天24小時，下面這個紅線是調(diào)節(jié)的下限，紅線是低于0的，因此它的調(diào)節(jié)能力是多少呢?從原來的70%可以增大到166%，這個調(diào)節(jié)不只是翻番了，加一倍還多，所以它的調(diào)節(jié)能力很多。我這個想法和我們調(diào)度去說，他們覺得這個非常好。如果真得這樣的話，一個是給我們的燃煤電廠提供一個出路，另外是碳捕集，通過碳捕集把它變成綠色。這樣的話調(diào)節(jié)能力可以得到很大程度地滿足，為什么2060年還留著7400萬火電，就是因為如果全部用它改造的話，它提供的液體燃料和天然氣的量很大，這個量滿足我們國家一部分的需求還是可以的。這個東西經(jīng)濟性行不行?大概投資回報期七年，這個算地對不對可以質(zhì)疑，這個太好了。輸電不說了，混合輸電，超導輸電加上輸液化天然氣，加上輸液態(tài)氫，但目前能不能做到，代價多大，這個沒有考慮，這是一個概念，國外也有人提出類似的概念。

總結(jié)，前幾條都是重復。最后一條，第五，作為源端基地綜合能源生產(chǎn)單元(IEPU)的探索，與終端消費分布式綜合能源單元(IECU)一起，有可能成為未來綜合能源電力系統(tǒng)的基本單元結(jié)構(gòu)模式。每個單元都能夠自主的做，比如里面配上一點儲能或者配上一點什么，它可以綜合。

這是我個人的一點體會，謝謝大家!