能源研究院2022以新能源为主体的新型电力系统的内涵与展望研究报告

北京大学能源研究院气候变化与能源转型项目 新能源为主体的新型电力系统的内涵与展望 2022年7月 北京大学能源研究院是北京大学下属独立科研实体机构。研究院以国家能源发展战略需求为导向，立足能源领域全局及国际前沿，利用北京大学学科门类齐全的优势，聚焦制约我国能源行业发展的重大战略和科技问题，按照“需求导向、学科引领、软硬结合、交叉创新、突出重点、形成特色”的宗旨，推动能源科技进展，促进能源清洁转型，开展专业及公众教育，致力于打造国际水平的能源智库和能源科技研发推广平台。 气候变化与能源转型项目 北京大学能源研究院于2021年3月启动了气候变化与能源转型项目，旨在助力中国应对气候变化和推动能源转型，实现2030年前碳达峰和2060年前碳中和的目标。该项目通过科学研究，设立有雄心的目标，制定清晰的路线图和有效的行动计划，为政府决策提供建议和支持。 该项目积极推动能源安全、高效、绿色和低碳发展，加速化石能源消费的减量化直至退出。该项目具体的研究领域涵盖宏观的能源与环境、经济和社会的协调综合发展；化石能源消费总量控制；能源开发利用技术创新；电力部门向可再生能源为主体的系统转型；推动电气化；高耗能部门的低碳绿色发展；可持续交通模式；区域、省、市碳中和模式的示范推广；散煤和塑料污染治理；碳中和与碳汇；碳市场；社会公正转型等。 在此郑重感谢ClimateImperativeFoundation对本报告的支持与帮助。 报告内容为课题组独立观点，不代表其他方的任何观点或立场。 系列报告 《新能源为主体的新型电力系统的内涵与展望》 《中国典型省份煤电转型优化潜力研究》 《电力部门碳排放达峰路径与政策》 《中国散煤综合治理研究报告2021》 《“十四五”推动能源转型实现碳排放达峰》 北大能源研究院气候变化与能源转型项目系列报告 新能源为主体的新型电力系统的内涵与展望 报告编写人员 吴迪康俊杰杨富强杨雷 2022年7月 目录 ◎执行摘要1 ◎第一章构建新型电力系统的战略意义3 （一）重塑我国能源生产消费结构，全力应对气候变化挑战3 （二）促进我国深入推动能源革命，加速建成能源强国4 （三）驱动我国经济社会高质量发展，引领第四次工业革命5 （四）贡献“中国智慧”，助力全球落实可持续发展目标6 ◎第二章新型电力系统的定义、特征与展望7 （一）现有能源电力系统的主要特征7 （二）新型电力系统的主要特征8 （三）新型电力系统的远景展望9 （四）新型电力系统的发展路径11 ◎第三章构建新型电力系统的难点与挑战16 （一）前瞻性技术突破16 （二）经济性22 （三）市场机制建设24 （四）安全可靠性27 （五）供应链安全29 ◎第四章构建新型电力系统的重点支柱32 （一）加速推动煤电的优化和退出32 （二）综合施策提升电力系统灵活性34 （三）充分发挥电力多元转换（Power-to-X）的互补效应36 （四）强化分布式能源与微电网的发展格局37 （五）加强新一代发电与供热技术的推广应用39 （六）促进循环经济和“新能源+”的发展40 ◎第五章构建新型电力系统的保障措施43 （一）建立现代化的能源管理体系43 （二）构建高效运转的电力批发市场44 （三）构建多样化的电力零售市场45 （四）高度重视科技研发与创新46 （五）完善碳市场和可再生能源消纳责任制47 （六）大力推动公正转型和加强宣传教育48 表目录 表2-1：新型电力系统下我国电力发展路径13 表3-1：全球风光发电价格变化（2010-2020）22 表3-2：我国“十三五”电力规划完成情况28 表3-3：2020年我国关键矿产资源情况31 表4-1：2020年国网公司经营区域尖峰负荷特性指标35 图目录 图2-1：我国电力行业碳排放展望14 图2-2：两种电力需求增长情景下非化石能源发电量替代情况15 图3-1：不同储能类型储能容量对比17 图3-2：我国太阳能光热累计装机情况18 图3-3：目前我国不同制氢成本比较19 图3-4：我国CCUS项目分布21 图3-5：2021年中国不同电源平均度电成本23 图3-6：我国市场化交易电量的变化情况25 图3-7：2020年我国与其他国家电价比较27 图3-8：各发电资源矿产资源使用量对比29 图3-9：传统汽车和电动汽车所需矿产资源量对比30 图4-1：我国煤电机组发展展望33 图4-2：Power-to-X的生产与利用方式37 图4-3：微电网的发展模式39 图4-4：甘肃省通渭县“光伏+农业”发展模式42 执行摘要 2021年3月15日，中央财经委员会第九次会议提出要“实施可再生能源替代行动，深化电力体制改革，构建以新能源为主体的新型电力系统”。构建新型电力系统对我国建设富强、民主、文明、和谐的社会主义现代化强国具有重要意义。构建新型电力系统将重塑我国能源生产消费结构，助力全球应对气候变化挑战；将促进我国深入推动能源革命，加速建成能源强国；将驱动我国经济社会高质量发展，引领第四次工业革命；将为世界贡献“中国智慧”，助力全球落实可持续发展目标。 新型电力系统是未来新能源为主的我国能源系统的主体，将根本改变目前我国化石能源为主的发展格局，实现能源消费的电气化和电力消费的清洁化，具有全面支撑性、系统平衡性、综合高效性、科技创新性以及国际引领性等主要特征。 全面支撑性指我国电气化程度高，全面实现电代煤、电代油、电代气。包括氢能、碳捕捉与封存利用（CCUS）、生物质能等在内的清洁技术能有效支撑全社会难以电气化领域的深度脱碳；系统平衡性指我国能突破能源系统的“不可能三角”，实现电力消费以清洁能源为主，具备安全稳定的电力供给能力和遇到突发事件的灵活调节能力，电力价格长期稳定且终端用户可承受，电力服务普惠经济民生；综合高效性指我国能源综合使用效率高，以服务需求侧为导向，废弃资源的循环综合利用水平高。拥有高效运转的市场机制（有效市场）和科学健全的监管体系（有为政府），与新一代数字信息技术广泛融合发展。科技创新性指我国电力全产业链各个环节能够采用先进的科学技术，保持世界领先的科技研究、开发和示范水平，推动能源技术革命；国际引领性指我国在电力投资贸易与标准制定、国际能源组织、应对气候变化等事务上具有较强的影响力，能够为世界解决能源问题积极贡献中国智慧和解决方案。 在新型电力系统建成后，我国电能在终端用能的比重在70%以上，非化石能源发 电量占总发电量的比重在95%以上，电力系统和能源系统之间的界线逐渐模糊，即我 国电力系统趋近于能源系统。我国构建新型电力系统分为两个阶段。第一阶段到2035 年，称为构建新型电力系统的1.0阶段；第二阶段为2036年到2060年，称为构建新 型电力系统的2.0阶段。 在新型电力系统1.0阶段，电力在我国能源系统中的地位得到持续加强，增量能源消费主要以电力消费为主，但总体来看电力仍然不是我国终端用能的主要形式。新增电力需求在“十四五”时期绝大部分由非化石能源满足。在1.0阶段，我国新能源装机快速 增长，光伏、光热、陆上风电和海上风电的总装机到2025年和2035年分别达11.2亿 千瓦和26.8亿千瓦，非化石能源发电量占总发电量的比重分别达43%和61%。与之对应的是煤电装机的加速下降，2025年我国煤电装机达到峰值11.7亿千瓦，随后进入峰值平台期，缓慢下降到2035年的10.6亿千瓦，其中约一半为利用小时数只有3000多小时的调峰机组。 在新型电力系统2.0阶段，以光伏、风电为主的新能源开始大规模替代存量化石能源。传统能源机组的角色和燃料产生巨变，煤电由调峰电源逐渐转变为备用电源，发挥紧急情况下的安全保供作用。到2060年，光伏、光热、陆上风电和海上风电的总装机 达56.3亿千瓦，包括地热、氢电、海洋能等在内的新兴清洁发电机组总量接近3亿千瓦，非化石能源发电量占总发电量的比重达95%。届时我国淘汰所有燃煤基荷机组和调峰机组，仅在东中部高负荷地区保留约2亿千瓦的安全备用机组。 在构建新型电力系统的发展路径下，我国电力行业二氧化碳排放于2025年左右达 峰，峰值约45亿吨，2025-2028年碳排放处于峰值平台期，到2030年仍约42亿吨。2030年之后，我国电力行业二氧化碳排放呈加速下降趋势，若不考虑CCUS技术在电力行业的利用，到2035年我国电力行业碳排放约39亿吨，到2050年约20亿 吨，到2060年约3亿吨。若考虑CCUS（包括BECCS和直接空气捕捉）技术在电力行业的利用，到2035年我国电力行业碳排放约35亿吨，到2050年约7亿吨，到 2060年实现负排放。 开展新一轮技术革命成为摆在我国构建新型电力系统面前最严峻的挑战，这包括新型储能、光热、CCUS、生物质能，以及绿氢制输储运与终端利用体系等。如果这些关键技术不能在未来取得突破性的进展，降低使用成本，我国构建新型电力系统的过程中将缺乏根本的技术保障，电力系统的安全、清洁、稳定、高效发展也将无从谈起。 此外，我国在构建新型电力系统的过程中，在不同时期将面临着不同的挑战与困难。在1.0阶段，我国将主要面临经济性和高效性的问题。一方面是新能源高速发展背景下系统整体并网消纳成本的大幅增加；另一方面是不健全的市场机制导致的电力资源无法实现大范围内的优化配置，以及灵活性资源无法有效发挥对新能源的调节支撑作用。在2.0阶段，随着新能源制造成本和消纳成本的持续下降，以及市场机制建设的不断完善，我国将主要面临安全性问题，这包括波动性电源大规模并网对系统安全稳定运行造成的冲击，以及新能源制造业中矿产资源和稀土资源安全稳定供应的问题。 在构建新型电力系统的两个阶段，我国的工作重点都将围绕推动煤电的优化与退出、综合施策提升电力系统灵活性、强化分布式能源与微电网的发展格局、大力发展电制衍生品技术和新一代发电与供热技术，以及促进循环经济和“新能源+”的发展上。但两个阶段的侧重点有所不同，在1.0阶段，更多的是侧重调整煤电的发展方向和解决电力系统灵活性不足的问题，以满足大规模新能源并网消纳需求，加速电力行业自身的脱碳进程。在2.0阶段，更多的是侧重全新的技术、生产与消费方式、商业模式的发展与推广，以及电力行业与其他行业的深度融合等，以发挥电力行业的基础性地位，带动工业、交通、建筑等各个部门的低碳可持续发展。 为保障新型电力系统的建设，我国需建立现代化的能源管理体系，持续提升政府部门的行政治理水平；需构建高效运转的电力批发市场和多样化的电力零售市场，保障新能源渗透率不断提升的电力系统运行的安全性、可靠性和经济性；需高度重视科技研发与创新，推进关键能源技术取得突破；需完善碳市场和可再生能源消纳责任制，以市场化的手段倒逼煤电的转型与退出，提升新能源项目的经济性；需大力推动公正转型和加强宣传教育，以促进经济社会的包容性发展，调动一切积极因素，探寻构建新型电力系统的最佳实践和最优之路。 第一章构建新型电力系统的战略意义 （一）重塑我国能源生产消费结构，全力应对气候变化挑战 我国是世界上最大的碳排放国，2020年二氧化碳排放总量超过110亿吨1。2020年9月我国郑重向国际社会承诺要在2030年前实现碳达峰，努力争取在2060年前实现碳中和。作为世界上最大的发展中国家，我国人口众多、气候条件复杂、生态环境脆弱，是受气候变化不利影响最大的国家之一。积极应对气候变化，落实碳达峰与碳中和的目标（双碳目标），事关中华民族永续发展，关乎人类前途命运。当前我国能源消费结构偏煤，产业结构偏重，能源效率偏低，在实现双碳目标仅有四十年时间的现实情况下，我国面临过渡时间短和减排任务大的双重压力。 能源行业的碳排放约占我国碳排放总量的90%左右1。构建以新能源为主体的新型电力系统将极大地加速我国能源消费的电气化和电力消费的清洁化。这一方面将加速电力行业的减污降碳，充分发挥工业、建筑、交通等行业电气化过程中的减排效益。另一方面将根本重塑全社会的生产方式和用能方式，推动电、电基燃料、电基原料全面代替煤炭、石油和天然气。考虑到电力行业的碳排放主体地位