中國科學院院士、國網公司中國電科院名譽院長周孝信通過視頻發表了題為《雙碳目標下我國能源電力系統發展前景和關鍵技術》的精彩主旨演講。他表示，雙碳目標和能源轉型的戰略目標是高度一致的，兩個構建是實現能源轉型的根本措施，是實現雙碳目標的基本保證。
以下為演講全文：
周孝信：各位領導、各位專家，今天我向大家匯報的題目是《雙碳目標下我國能源電力系統發展前景和關鍵技術》。主要分為五部分：第一，我國能源轉型的戰略目標和實施路徑;第二、新型電力系統主要特征核心指標和關鍵技術;第三，雙碳目標下我國能源電力系統發展情景分析;第四，綜合能源生產單元(IEPU)設想;第五，總結與討論。
關于我國能源轉型的戰略目標和實施路徑，習近平總書記2014年6月提出“四個革命一個合作”的能源安全新戰略。習近平主席2020年9月22日提出中國“二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前碳中和的雙碳目標”。2021年3月15日提出要“構建清潔低碳安全高效的能源體系”，構建以新能源為主體的新型電力系統，可以稱之為“兩個構建”。
雙碳目標和能源轉型的戰略目標是高度一致的，兩個構建是實現能源轉型的根本措施，是實現雙碳目標的基本保證。關于具體的能源電力系統轉型怎么實現呢?也是有以下五點：
一，大力開發利用可再生能源，形成以非化石能源為主的電源結構，這是實現能源轉型的關鍵。
二，積極推動煤電靈活性改造，為新型電力系統運行提供緊急備用和靈活調節能力，探索煤電碳資源綜合利用。
三，持續推進終端用能的電氣化，提高能源綜合利用效率。
四，加強電力電子和儲能等關鍵技術創新，確保可再生能源消納，確保電力系統安全穩定運行。
五，完善能源轉型各項政策，堅持市場化改革方向。
關于新型電力系統主要特征核心指標和關鍵技術，特征是以下五點：第一點是高比例可再生能源電力系統;第二點是高比例電力電子裝備電力系統;第三點是多能互補綜合能源電力系統;第四點是數字化國家能源互聯網大會化智慧能源電力系統;第五點是清潔高效低碳零碳電力系統。
核心指標有以下五點，實際上是能源和電力緊密聯系在一起的五點： 第一點是非化石能源在一次能源消費中的比重; 第二點是非化石能源發電量在發電量中的比重;第三點是電能在終端能源消費中的比重;第四點是系統總體能源利用效率;第五點是能源電力系統二氧化碳排放總量。
關于新型電力系統的關鍵技術我把它歸納為十類，這都是具有全局性影響的一些技術，我就不一一介紹了，重點介紹一下氫能生產、儲運、轉化和應用技術。
對于我們來說，主要是要大力推動可再生能源電力規模化制氫，制氫以后當然可以直接應用。但是為了便于長期儲存、便于運輸，希望進一步能源化工技術融合，與火電廠二氧化碳捕集利用技術配合，來規模化生產便于運輸、便于儲存的甲烷、甲醇、氨等氣體液體燃料，希望能夠部分代替石油天然氣等化石能源。這既是能源系統低碳化轉型的關鍵舉措，也有可能成為未來高比例再生能源電力系統應對發電短期出力波動和中長期能源電力供應不平衡的一種有效途徑。
具體來說，左邊圖是可再生能源電解水制氫，這個技術已經很成熟了，但是還要進一步提高效率。中間的圖是氫和二氧化碳合成甲烷和甲醇，甲烷是天然氣的主要組成部分，甲醇當然是一種液體的可以作為燃料使用。它們都便于輸送和儲存。甲烷和甲醇都是含碳，所以一定要和二氧化碳合成。
還有不含碳的就是右邊的氫和氮氣合成氨，大家都知道氨是制造化肥的基礎原料，也是另外的化工原料。但是作為能源來說，氨也是一種含能量很高的能源形式。
這張圖就是可再生能源制氫、制甲烷、制甲醇、制氨的圖表示出來，可再生能源有很多種，包括大規模電網的風電、光伏，包括地熱、海洋能電站。特別提高生物質能電站，生物質能電站是排放二氧化碳，但是二氧化碳是零碳的過程。排放出來的二氧化碳如果捕集起來就變成富碳的技術，這是非常好的技術。這個二氧化碳拿來和氫氣來制甲烷、制甲醇等等，同時氫本身也可以通過天然氣管網來部分與天然氣混合，來輸送給終端發電使用。
下面做一個簡單分析，“雙碳”目標下我國能源電力系統發展情景。我以前做過的情景一到情景五都是在“雙碳”目標提出之前做的。根據“雙碳”目標的要求，設置了一種新的情景，就是情景六。首先是一次能源消費總量及其組成結構，這是非常重要的。非化石能源以綠色表示，煤炭以灰色表示，天然氣以藍色表示，石油是黃色表示。一次能源消費總量是紅顏色折線構成，2030年以前，我們能源還繼續增長。2030年以后，就會逐步下降。它的組成中非化石能源占比是未來越來越高，煤和天然氣占比越來越低。
這是另外指標，非化石能源占比和全社會用電量指標是很重要的參數，決定了未來電力系統發展到什么樣的規模，可再生能源、綠色能源占什么樣的比例。
這是情景六設置以后的計算結果，以很簡單的模型做了計算，算出了裝機容量和發電量，從2025年一直到2060年的過程。2025年非化石能源發電裝機占比超過50%，2025年到2030年風電和光伏裝機容量超過煤電，2035年風光裝機容量超過裝機容量50%，這是很關鍵的。如果說新型電力系統，用風光占比作為指標的話，超過50%是達到了相當的程度。
從發電量來看，2030年到2035年間非化石能源發電量超過50%，2035年到2040年風光發電量開始超過煤電，最后煤電加速退役。2030年風光發電量占總發電量的20%，2045年到2050年間風光發電量超過總發電量的50%，這是非常重要的。新型電力系統如果超過總量50%作為衡量的話，這標志著我們國家在2045年到2050年間，風光電發電量占比就回答道超過50%的程度。這種計算還是非常初步的，也是其中一種的計算。
這是二氧化碳的排放，二氧化碳排放有三條曲線。一條是能源系統排放總量，我們可以看到總的能源系統二氧化碳排放的峰值大概在2025年之后，2026年、2027年。下面是電力系統二氧化碳排放量在2030年以前達到峰值。黑顏色是煤電排放，煤電是電力系統二氧化碳排放的主要組成部分。右邊是兩項核心指標，第一是電能在終端消費中的比重，是紅顏色的曲線，目前來說還不到30%，(2020年是26.7%)。隨著可再生能源比例增加，隨著終端消費能源的轉型，比例會逐步增加到2050年超過70%。
我們現在總的能源系統利用效率只有30%幾，比較低的，希望經過二三十年的發展希望超過50%。
2020年我國能源電力發展情景，一次消費總量接近50億噸標準煤，非化石能源消費比重接近16%。全社會用電量7.51萬億千瓦時，人均年用電量5327千瓦時。左邊的圖是裝機容量，其中黑色的是煤電裝機是49.1%，這是第一次煤電裝機比例小于50%的一年，也就是去年。太陽能風電、發電占的比例都是超過10%的情況。右邊是發電量，煤電占60%，在相當長的時間里面還是占比較重要的比重。
2030年的情況，煤電占裝機容量32.3%，差不多1/3的樣子。但是發電量還要維持在46.1%，依然是我們國家發電量的主要組成部分。太陽能占10%，風電占10%。
下面就是我們介紹一下綜合能源生產單元(IEPU)設想。
接著剛才談到的氫能，具體到發電廠配合的情況，我們希望傳統的燃煤發電，當然燃煤發電本身也在發展，比如說混燒生物質的火電廠是更好。這個電廠進行二氧化碳捕集，捕集產生的二氧化碳和通過光伏發電以及火電發電本身發出來的電力，再加上電網取的電，比如電網低谷時候的電力可以拿來用。三種是和不同電源的電力可以進行電解水制氫。
產生出的氫氣，當然是可以直接拿來應用，或者通過管道來輸送。我們這里是推薦要把二氧化碳的資源綜合利用起來，所以二氧化碳和氫來合成制甲醇，二氧化碳和氫合成制甲烷。這是作為一個多元架構來說是既生產電，又生產能源化工的產品，也生產氫的綜合能源生產單元，希望將來是一個總的能源供給側的單元結構形式，這樣就可以對未來電網結構的變化、電網的發展提供思路。同時也為火電廠的低碳、零碳轉型提供可行的方案。
剛才介紹了生產各自能源產品、電等等之外，這個單元由于本身具有發電能力，一天24小時的發電能力，包括調度的安排。黃顏色是太陽能光伏發電，灰顏色是燃煤電場、燃煤混燒、生物質能電場發電，它們是作為發電存在的。藍顏色在單元內部是作為內部的負荷、負載，因為電解水制氫耗電是比較大的，應該說這個單元是不同的單元組成的，其中可調節的電源是火電廠本身，火電廠進行改造以后可以降低到30%的出力。電解水制氫作為整體來說，可以運行在30%額定容量的情況下。如果分為若干組，它的組合就更多，最小的負荷就可以更小。所以有兩種，一個是發電可以靈活調節，一個是負載，電解水制氫也可以靈活調節，所以總的靈活調節能力就比較強。其中我們希望所有太陽能光伏電量都得到充分應用，是不需要調節的。
調節能力這樣來說，作為單元來說，出力上限等于火電機組額定功率加上光伏發電功率，減去電解水制氫、制甲烷裝置出力的下弦，就是整個出力的上限。這個圖里面的曲線就是在不同時刻調節的上限。出力下限等于煤電機組最小的出力限制(約30%)減去電解水制氫制甲醇裝置出力上限。
這樣的話，加上太陽能光伏本身在中國的出力比較高。這個例子上限是447千瓦，下限是早晨6點是負74千瓦，所以調節的范圍就很大了。
結論是這樣，與電網并網的優化運行結果表明，IEPU比傳統火電廠具有范圍更大的靈活調節能力。這個表是設備的配置，實際上發電是30萬的機組，而且機組最好已經是運行過一段時間，還款已經還過了，所以成本是比較低。二氧化碳捕集量是15%，占總量的18%。光伏發電容量是180兆瓦，電解槽用電功率是140兆瓦，氫產量一年是兩萬噸，制甲醇是10萬噸的情況。除了能夠產生電和綠色的燃料的依賴，我們還可以在電網里面具有非常好的靈活調節能力。
下面是總結與討論：
關于情景分析的總結：
雙碳目標下的情景分析表明：2035年風電光伏裝機容量超過裝機總容量50%，2045到2050年間風電光伏發電量超過總發電量50%，這兩個50%是具有標志性的。應該所是為構建以新能源為主體的新型電力系統創造必要條件。
能源系統和電力系統二氧化碳排放均可實現2030年前達峰，能源系統二氧化碳排放2050年、2060年分別降低為峰值的28%、10.5%;電力系統二氧化碳排放2050年、2060年分別降低為峰值的25.4%和1.6%，為實現2060年前碳中和目標奠定了基礎。
關于IEPU的討論：
綜合能源生產單元IEPU既可生產除電外各種綠色燃料，又能以其高靈活調節能力來支撐高比例可再生能源電力系統穩定運行，期望能作為火電低碳/無碳轉型路徑方案的一種選擇。
IEPU可以有不同類型的方案：IEPU所需的二氧化碳可由火電廠碳捕集來取得，未來也可從空氣中捕集來取得;IEPU可由風光發電與電解水制氫裝置，或者是水電廠與電解水制氫裝置組成。生產的綠氫與空氣中氮氣組合制氨;IEPU可由燃氣電廠與風光發電及電解水制氫、儲氫耦合組成。未來燃氣電廠的燃料將由綠氫提供，成為應對長周期能源不平衡的能源重要措施;IEPU本身可以是實體的，也可以是虛擬的。
IEPU與數字化國家能源互聯網大會化技術結合，可形成能源供應側各種智慧型基本單元，與消費側智慧型基本單元(Integrated Energy Consumption Unit，IECU)如虛擬電廠、綜合能源微網等一起，組成未來典型電力系統的基本結構，以便充分挖掘利用供應和消費雙側自主管理和靈活性調節能力，有可能對未來電網結構和系統動態特性、靈活性和儲能需求以及電網調度管理方式產生重要影響。
可再生能源制氫和各類IEPU的經濟性是制約其發展的關鍵因素，對此期待相關技術的進步帶來的成本進一步降低，當前我們應結合實際工程的各種因素進行詳細的經濟性分析;IEPU設想的實現將會促進能源領域不同行業之間的融合，對此需要體制機制的突破和創新。
(本文根據會議現場發言嘉賓的速記整理而成，未經本人審核。)
