“碳中和”目標的提出，對能源行業(yè)提出了更高的要求，電源結構也將發(fā)生根本性的變革。這就要求不僅要關注電源的經濟性，更需要將環(huán)保性和靈活性放在同樣的高度統籌考慮，而不同電源之間呈現在這三方面出不同的互補特性。通過對當前和未來場景下，電源拼圖的重構，本文對“碳中和”場景下的電源構成進行了展望。通過能源市場體系的建立，充分體現出市場參與者三方面的價值，將實現“不可能三角”向“價值三角”的轉變，促進我國甚至全球的綠色發(fā)展。
01碳中和指引新發(fā)展
從2020年9月的第七十五屆聯合國大會一般性辯論到2020年12月舉行的氣候雄心峰會，我國多次表示，二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和。2020年12月閉幕的中央經濟工作會議將做好碳達峰、碳中和工作列入2021年要抓好的8大重點任務之一。
“碳中和”目標的提出與踐行，是國家深思熟慮之下的戰(zhàn)略布局，社會各界，尤其是能源企業(yè)要有充分深刻的認識，才能擺清位置、找準方向，真正落實好“碳中和”總體目標下分解到行業(yè)和地區(qū)個體的具體任務。首先?！疤贾泻汀敝傅氖翘肌皟袅闩欧拧保恰傲闩欧拧?，是長期低碳發(fā)展戰(zhàn)略的具體呈現，發(fā)展仍然是首要任務。其次，旗幟鮮明的提出“碳中和”的定量指標，為各行各業(yè)提供了共同的發(fā)展導向，隨著逐級細化分解，將分別形成明確的具體量化要求，形成綠色低碳循環(huán)和可持續(xù)的發(fā)展路徑。再次，盡管“碳中和”的高要求帶來了新的挑戰(zhàn)，但更是新的機遇。在工業(yè)時代跨入信息時代的開端，通過綠色轉型帶動新基建，引導新技術，既是我國長期低碳發(fā)展的保障，也是在新時代走向海外的必占先機。在全球關注環(huán)保的大趨勢下，通過廣闊的國內市場培育出適應“碳中和”要求的技術、標準、模式、機制，將成為我國未來在國際市場上的新名片。
02從“不可能三角”到“價值三角”
作為實現“碳中和”的先鋒，能源行業(yè)勢必最先迎來深刻的變革。根據清華大學氣候變化與可持續(xù)發(fā)展研究院公布的研究成果：我國能源消費總量將在2035年左右達到峰值，到2050年將比峰值消費量下降20%以上；到2050年非化石能源占一次能源消費比重應超過70%，非化石能源電力將占總發(fā)電量的約90%，基本形成以新能源為主體的近零碳排放能源體系。以風電、光伏為代表的新能源目前看來將成為非化石能源發(fā)電的主力，但其自身間歇性發(fā)電的特性決定了電力系統傳統的容量配置方式將不再適用。在以火電、水電為代表的傳統能源為主的電力系統中，電源可控性強，可以隨時追蹤負荷變化，因此容量配置僅需要滿足最大負荷和一定備用裕度即可，但間歇性電源為主的電力系統則需要高冗余的裝機規(guī)模，以及電力系統整體的智能化來實現電力供需的實時平衡，保持電力系統運行的可靠性。
“既有能源用，又沒有污染，價格還便宜”的能源革命目標，體現了靈活性、環(huán)保性和經濟性三方面的要求。對于電力系統而言，靈活性表示從長期到短期不同時間尺度下，不同位置的電力供給均可滿足需求的能力；環(huán)保性表示覆蓋電力設備全壽命周期的污染物排放的受控能力，以及對特定資源稟賦的獨立性；經濟性表示電力設備建設和運維對應固定成本和變動成本的節(jié)約能力。
這本質上是一個多目標優(yōu)化問題，雖然單獨的每個目標看似都不難實現，但融合在一起要同時達到每個目標的理想值卻幾乎不可能，被行業(yè)專家稱為“不可能三角”。只能在能源革命的三個目標之間進行協調和折中處理，使各個子目標都盡可能地達到最優(yōu)化。與單目標優(yōu)化問題的本質區(qū)別在于：多目標優(yōu)化問題的解并非唯一，而是存在一組由眾多帕累托最優(yōu)解組成的最優(yōu)解集合。
目前所開展的能源市場化改革，其重大意義正在于通過市場競爭，體現不同電力市場參與者的靈活性、經濟性和環(huán)保性價值差異，并引導其發(fā)揮各自優(yōu)勢，揚長避短實現互補。其中，電力現貨市場價格集中體現了電力實時平衡約束下的電力經濟價值；電力輔助服務市場體現不同調節(jié)性資源的短期靈活性，長期靈活性則需通過特定的容量補償機制予以激勵；碳市場和綠證市場則將反映出不同生產消費部門的環(huán)保價值。通過市場體系的建立，充分體現出市場參與者三方面的價值，將實現“不可能三角”向“價值三角”的轉變。
03多元電源的定性價值評估
將經濟性、靈活性和環(huán)保性價值分為三檔，分別表征三個價值從低到高的定性評價。下面分別對火電、水電、核電、新能源和儲能進行價值評估，評估結果如圖 1所示。圖中用不同填充顏色表征能源類型，用黃色邊框表示經濟性價值，用藍色邊框表示靈活性價值，用綠色邊框表示環(huán)保性價值。各種能源類型按三個價值的不同，可以繪制出如圖1所示的形狀，類似于一個個“俄羅斯方塊“，通過電力系統將其拼接配合，將形成直觀的電源結構基本格局。
圖 1 不同能源類型的定性價值評估
（一） 經濟性評估
火電的經濟性適中，既有初始投資的固定成本，也有燃料成本為主的變動成本，將其作為經濟性的中值參考基準；水電雖然初始投資仍比較大，但由于不需要燃料，變動成本優(yōu)勢明顯，是高經濟性的代表；核電初始投資成本昂貴，尤其是三代核電機組的投運，相對成本差異更為明顯，其經濟性次于火電；新能源以風電、光伏為代表，建設成本略高于火電，但變動成本很低，加之需要平衡調節(jié)支撐，經濟性可粗略認為與火電持平；儲能主要包括抽水蓄能和電儲能裝置等，但目前單位容量造價仍居高不下，加之不能生產電能，且有轉換能效損失，總體經濟性甚至低于核電。
（二）靈活性評估
火電作為目前我國輔助服務市場的主力參與資源，能夠提供幾乎全部品種的輔助服務，但受到啟停狀態(tài)、最小運行出力和爬坡速度等限制，可設定為靈活性適中的標桿基準；水電的運行約束較為寬松，調節(jié)速度也相對更快，因此靈活性要高于火電；核電并不適合進行頻繁調節(jié)，但在必要時也可以進行較為平緩的出力調整，靈活性較低；新能源長期以來被認為是不能參與輔助服務的，其實風電、光伏也具備一定調節(jié)能力，如通過可以發(fā)揮其控制手段來完成一些二次調頻的功能，但在滿發(fā)時僅能提供單向調節(jié)，靈活性較低；儲能的靈活性是最高的，可利用充放狀態(tài)的切換實現正負雙向的調節(jié)，且電儲能裝置的爬坡和響應速度遠高于傳統發(fā)電機組。
（三）環(huán)保性評估
火電由于需要燃燒化石能源，氣體排放是環(huán)境治理的重點，環(huán)保性相對較低，但可以通過超低排放技術進行改善；水電開發(fā)受水電資源分布的限制，目前我國水電資源開發(fā)已較為充分，大型水電項目增量空間有限，因此作為環(huán)保性的中值參考基準；核電受限于安全性的考慮，以及核廢料的處理，在內陸核電解禁之前選址空間有限，環(huán)保性也評估為中值；新能源分布廣泛，資源儲量大，多數可在生命周期內提前實現自我碳中和，環(huán)保性最佳；儲能技術中，抽蓄電站受限于選址，而電化學儲能則存在生產和回收過程的污染物處理問題，目前尚無完善的廢舊電池回收處理方案，因此其環(huán)保性最低。
04“碳中和”目標下電源拼圖的重構
從不同電源經濟性、靈活性和環(huán)保性價值的分析可以直觀的體現出多能互補的必要性?？紤]到能源轉型所需的時間周期規(guī)律，2030年碳達峰仍需基于現有電源結構進行優(yōu)化調整，而2060年碳中和則需要電源結構的革命性重構。筆者將不同能源類型板塊拼接得到如圖 2所示電源結構拼圖?！疤歼_峰”場景下，火電和水電比例約為3:1，輔以一定比例的核電、新能源以及儲能，主要是對當前電源機構的補充和優(yōu)化?！疤贾泻汀眻鼍跋?，新能源占主要比例，核電裝機規(guī)模大幅擴張，火電裝機規(guī)模顯著下降，僅保留小部分作為調節(jié)性電源維持系統安全運行，水電規(guī)模保持穩(wěn)定，儲能規(guī)模相應配置。
(a) “碳達峰”電源結構優(yōu)化拼圖
(b) “碳中和”電源結構重構拼圖
圖 2 “碳達峰”、“碳中和”場景的電源結構拼圖
05堅持高質量發(fā)展道路
在向“碳中和”目標前進的征途上，我國新能源產業(yè)將成為主力軍，不僅要在產量上滿足規(guī)模增長的需要，更需要不斷迭代升級技術裝備，全面提高新能源的價值，實現對傳統電源的有效替代。構建公平開放的能源市場體系，通過有序競爭發(fā)揮多元能源的互補優(yōu)勢，是破解能源行業(yè)“不可能三角”的必然選擇。此外，能源行業(yè)要牢記歷史使命，不斷探索領先技術，通過國內市場孵化出具有國際競爭力的產品體系，用中國制造的能源裝備為世界綠色發(fā)展賦能。（本文作者來自金風設計研究院。）
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