迈向“双碳”研究系列报告:《“双碳”目标下能源结构清洁低碳转型的协同路径》（S 系列-2023S01）

迈向“双碳”研究系列报告 《“双碳”目标下能源结构清洁低碳转型的协同路径》 （S系列-2023S01） 中国石油大学（北京）中国油气产业发展研究中心中国石油大学（北京）碳中和与能源创新发展研究院 2023年10月21日 中国石油大学（北京）中国油气产业发展研究中心成立于2010年，并挂靠在经济管理学院。中心定位为“国际知名、国内一流的油气产业发展研究基地”，围绕五大研究方向和五大应用领域，重点承担和开展一批基础理论与实践应用研究课题。自成立以来，中心学术影响力和社会影响力在不断提升，已经累计承担课题100多项，其中国家社科基金重大项 目1项、教育部人文社科基金重大项目1项、国家自然科学 /社会科学基金项目9项、国际合作基金2项、国家部委项目 31项、企业项目75项；出版了学术专著19部、教材4部。近5年，中心发表学术论文100多篇，多数被SCI/SSCI/CSSCI/CSCD收录；获得国家能源局、商务部、中国石油和化学工业联合会等省部级科技奖励16项。目前中 心有研究人员12名，其中教授5名，博士生导师5人。 中国石油大学（北京）碳中和与能源创新发展研究院（简称“中石大碳能院”）是在国家碳达峰和碳中和目标（简称“双碳”目标）下，中国石油大学（北京）主动服务国家需求，积极响应国家建设高校特色智库的要求，结合学校自身优势，于2021年9月成立的智库性质的研究机构，也是支持中国石油大学（北京）“一带一路”能源合作伙伴关系合作网络高校（青年）工作组组长单位业务开展的主要研究机构。中石大碳能院为应对气候变化和“双碳”目标下的国际、国家、行业、企业在能源与油气领域的发展提供第三方分析、评价与政策建议。通过每年向社会公众发布指数类、研究类、专题类系列报告，并向国家决策部门和行业决策者提供政策建议，定期举办相关特色论坛等，逐步打造“立足中国、面向世界”、 “聚焦油气、辐射能源”的特色鲜明的能源类高校“双碳”政策类研究智库。 “双碳”目标下能源结构清洁低碳转型的协同路径 核心摘要 全球气候变暖严重威胁人类的生存和健康，能源活动是导致温室气体排放增加的重要因素。因此，为实现中国政府确定的“双碳”目标，需要促进中国目前以煤炭为主导的能源结构向以可再生能源等新能源为主导的清洁低碳的能源结构转型。但是，能源结构转型是一个需要考虑系统性、协同性、平衡性的复杂的系统工程问题，这种复杂的系统性问题首先体现在可再生能源的发展与传统化石能源、储能等其他类型能源供给侧的协同发展关系；其次，体现在能源结构供给侧和需求侧清洁低碳转型的协同发展关系；最后，体现在能源结构的清洁低碳转型与产业结构、尤其是高耗能产业结构升级的协同发展关系。本研究围绕上述主题，主要开展了以下三方面的研究：第一，可再生能源与电动汽车、储能的协同发展转型路径；第二，可再生能源与供热行业、交通行业的协同转型路径；第三，内蒙古、山西煤炭重点地区能源结构与产业结构协同绿色转型路径。 通过构建分布式光伏电站的容量优化模型，并基于混合整数非线性规划方法，遗传算法、EnergyPlan模型、计量经济学等方法对上述问题展开了相关研究，研究认为：第一，仅考虑经济效益：光储充一体化电站应优先考虑的建设地点是：医院、商场、教学楼；第二，仅考虑环境效益：光储充一体化电站应优先考虑的建设地点是：医院、 教学楼、商场；第三，促进储能技术进步，提高峰谷差电价对推动光储充一体化的发展具有重要意义；第四，通过电力系统与热力部门协同，可以使部分地区（比如，北京）满足本地将近100%的可再生能源供电和供热需求。第五，可再生能源电力通过低温熔盐塔与传统化石能源发电及供热部门耦合，具有最低的碳减排效应，并可有效促进可再生能源消纳。第六，多部门协同转型路径在电力、供热、交通部门能源供应中可完全实现可再生能源对化石能源替代，并可降低能源消耗，且不会增加能源系统总成本。第七，内蒙古、山西煤炭重点地区在逐渐减少煤炭开采的过程中如果增加可再生能源的生产，则不仅不会对经济发展产生不利影响，还会使GDP增长0.33%。第八，能源转型需要与钢铁行业新生产工艺技术转型协同，包括将高炉设备的焦煤炼钢工艺改造为短流程的电锅炉炼钢工艺，或者改造为氢还原铁的生产工艺；同时，需要增加太空钢、高铁钢轨、耐候钢、耐蚀钢等钢铁行业的高端产品，降低能源转型中可能产生的能源价格上涨对高耗能产业带来的不利影响。 1.研究背景与目的 作为世界上最大的能源消费国和二氧化碳排放国，以化石能源为主的能源结构使中国面临着巨大的环境减排的压力。为应对气候变化带来的挑战，2020年9月中国提出“双碳”目标：CO2排放力争于2030年前达峰、2060年前实现碳中和。之后中国加快了能源结构转型进程，这为“双碳”目标实现提供了有力保障；但2020年以来中国部分地区开始出现电力供应短缺现象，2021年电力供应短缺问题加剧，从广东、 浙江、江苏等东南沿海一直扩展到东北三省和西部内蒙古、贵州等24个省市自治区，东北三省还出现了对居民拉闸限电情况。2022年在国家大力解决煤炭增产保供情况下，仍有14个省市出现了不同程度的电力供应短缺。这些问题表明如果不考虑经济发展的现实，忽略能源系统与经济系统的内在关联关系，盲目追求过快削减化石能源，就有可能产生能源系统运行失衡、能源供应不足，甚至会发生类似于英国 （Beattyetal.2007;Elliot，2016）和美国（Jolleyetal.,2019）在去煤过程中所产生的高失业率、频繁的救济金申请以及工作岗位不足等结构性问题。 为此，本课题将主要围绕“双碳”目标下能源结构清洁低碳转型的协同路径问题展开研究。通过研究可再生能源与电动汽车、储能的协同发展转型路径，可再生能源与供热行业、交通行业的协同转型路径，以及内蒙古、山西煤炭重点地区能源结构与产业结构协同绿色转型的路径，拟解决“双碳”目标下中国能源结构清洁低碳转型进程中可能出现的能源供应不稳定、能源供需结构不匹配、煤炭重点地区由于转型使其经济发展产生不利影响等问题，提出能源结构清洁低碳转型的更合理发展路径，从而为中国能源结构清洁低碳转型提供可持续的、明确的规划，保障并助力中国“双碳”目标的实现。 2.主要研究思路 2.1研究思路 2.1.1可再生能源与电动汽车、储能协同发展路径的研究思路 首先，对分布式光伏发电量预测。根据长短时记忆网络（Long ShortTermMemorynetworks,LSTM）模型，使用2017年1月1日0 时-2020年1月31日24时共27024小时的北京市小时太阳辐射数据，在Matlab2020a中对北京市太阳辐射量进行回归与预测，以70%的数据训练模型，间隔100数据点，以30%数据量进行验证。 其次，对电动汽车充电负荷进行预测。常规的电动汽车充电桩负荷分析，一般通过《家庭出行调查报告》等方式对电动汽车充放电行为进行仿真，自底向上累积充电桩的总负荷。但中国缺乏此类调查，而通过问卷调查等方式难以全面覆盖北京市电动汽车充放电行为。同时，已有研究表明，电动汽车驶入充电桩时的剩余电量具有随机性（罗卓伟等，2011），即充电电量与充电起始时间点独立。基于此，本文通过与国家电网电动汽车的项目合作，获得了北京市2019-2020年21个公共电动汽车充电站的每小时充放电数据，该数据涵盖北京市所有行政区及所有建筑类型，每个充电站约有3-20个充电桩，剔除原始数据存在的电动汽车插上电源未充电、即插即拔数据异常等数据，剩余有效数据650255条。对位于各建筑类型充电桩每小时内的充电数据进行累加，分类型计算每小时充电量，并用离散事件仿真软件Arena生成每小时充电量服从的分布函数，可以得到单个位于不同类型建筑物充电桩的用电负荷特征。进一步结合典型日不同建筑类型用户用电特征（Sunetal.2022）可计算得到光储充一体化电站的发展路径。 2.1.2可再生能源与供热、交通行业的协同转型路径研究思路 主要基于EnergyPlan模型对相关问题展开研究，作为自底向上的能源系统分析平台，EnergyPLAN具有非常显著的特征：①模型适 用于各种空间尺度下能源系统的模拟；②模型可以逐小时的模拟能源系统的技术运行状况；③EnergyPLAN模型的分析可以突破现有制度框架的约束，通过不同运行策略的调整来降低现行制度对未来高比例可再生能源情况的外生性影响；④EnergyPLAN模型具有极高的运行效率，可以快速对比多种能源系统的技术替代方案，及时调整能源系统的运行策略。EnergyPLAN模型可以通过对不同技术组合的技术经济分析实现大型能源系统的战略设计，主要被应用于以下4个方面的研究，①高比例可再生能源系统的转型路径的确定；②某种技术的普及对完整能源系统运行的影响；③不同能源政策与发展战略的评估； ④不同能源系统间的相互关联。考虑到可再生能源的间歇性与不稳定性，模型中还需要输入小时分辨率的能源需求，包括电力负荷、热力负荷和交通部门电力消耗三个方面，以及可再生电力生产的小时时间序列数据。模型结构如图1所示。 图1EnergyPLAN模型示意图以及北京电力、供暖和交通部门的结构 2.1.3内蒙古、山西煤炭重点地区能源结构与产业结构协同绿色转型路径研究思路 本研究采用2011-2020年内蒙古自治区9个地级市和山西省11个地级市层面数据作为研究样本，构建包含城市和年份双向固定效应的多元回归模型，定量分析煤炭重点地区绿色转型对经济发展的影响。基于可获得的数据，具体采用各城市实际GDP衡量经济发展水平，以城市原煤产量和可再生能源发电量为主要解释变量，研究煤炭重点地区煤炭逐渐退出和可再生能源发展对地区经济发展的影响，从而识别以可再生能源逐渐替代传统化石能源为主要特征的绿色转型如何影响地区经济发展。其中，可再生能源发电量主要通过以2021年煤 炭重点地区各城市发电量占比作为权重，并基于2011-2020年内蒙古自治区和山西省包含水电、风力发电和光伏发电在内的可再生能源发电量数据进行计算得到。此外，回归模型中还控制了产业结构、人口规模、居民消费、技术进步和政府税收等因素对经济发展的影响，研究对所有非比值型变量均做对数化处理，以缓解潜在异方差问题的影响。 2.2研究对象 本报告分别以北京市的光储充一体化电站和北京市的交通行业、供热行业、可再生能源发电行业，以及内蒙古、山西的煤炭企业、钢铁企业等高耗能企业和这些地区的经济发展为研究对象。北京已于2019年建设了世界上最大的光储充一体化发电系统，同时，北京是中国的首都，在北京建设新的项目具有更大的影响力，有利于光伏发电 等可再生能源发电系统的推广。因此，本文主要选择北京作为研究对象。 其次，近年来，作为煤炭重点地区的内蒙古、山西原煤产量在中国始终排名前二，2021年，内蒙古、山西原煤产量占全国原煤产量的一半以上，2022年这两个城市的煤炭产量达到了全国煤炭产量的近55%。因此，本报告主要以内蒙古、山西煤炭重点地区作为研究对象，分析其绿色转型中如何保障能源的稳定供应，保障能源转型和经济发展的协同关系。 3.研究结果 3.1可再生能源与电动汽车、储能协同发展路径的研究结果 基于分布式光伏电站、光伏储能电站与光储充一体化电站的建设地点，对不同规模下的电站投资回报率进行计算，求得屋顶分布式电站的投资回报如表1所示；光伏储能电站中的容量分布如表2所示；光储充一体化电站中的最大投资回报率时分布式光伏、储能、电动汽车充电桩配比如表3所示。 工厂 教学楼 酒店 商场 医院 住宅 办公楼 56.26 54.13 56.26 56.2630.7256.26 最大投资回报率 % % % % 56.26% % % 对应投资额（万元） 25 125 125 125 245 35 25 净现值（万元） 147.62 746.17 746.17 746.17 1464.03 99.20 147.62 弃光率 0 0 0 0 0 0 0 二氧化碳减排量（万 0.36 1.81 1.81 1.81 3.55 0.51 0.36 分布式光伏装机容量a