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我国电力行业碳达峰、碳中和的开展途径研讨

2021-07-25 14:47:50 来源:蚜呼垃圾分类资讯_垃圾分类新闻-垃圾分类网作者:有机垃圾 点击:731次

我国电力职业碳达峰、碳中和的展开途径研讨。

时刻:2021-07-01 09:54。

来历:《电力科技与环保》。

作者:朱法华 王玉山等。

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自习近平主席宣告我国碳达峰、碳中和的方针今后,电力职业的展开途径广受重视与热议,为结合我国动力资源禀赋、技能水平与安全需求,探究契合我国国情的电力职业碳达峰、碳中和的展开途径,从碳达峰、碳中和的根本概念下手,明确指出碳达峰包含达峰时刻与峰值,碳中和不是CO2零排放。结合发达国家碳达峰、碳中和的途径剖析,得出我国碳达峰、碳中和与发达国家的异同及难度,提出我国应以节能与掺烧为引领,保存火电机组不少于8亿kW;以低碳动力为要害,大力展开风电与太阳能发电;以储能与碳捕集为弥补,确保电力体系安稳等3条重要举动。根据我国富煤贫油少气的化石动力现状、水电资源开发根本结束、核电选址较为困难等实际情况,猜测我国碳达峰时火电职业排放的CO2约47亿t,碳中和时火电职业答应排放CO2约13.5亿t,碳中和时我国电力装机容量达64.3亿kW,其间风电与太阳能发电50亿kW,核电2亿kW,水电4.3亿kW,余热、余压、余气发电0.5亿kW,生物质发电1.2亿kW,气电1亿kW,煤电5.3亿kW,非化石动力发电装机容量占比90.2%,发电量占比85.3%。碳中和时我国电力职业排放CO2约15.21亿t,其间火电职业排放13.18亿t,小于答应排放量。

引�。

2020年9月22日,国家主席习近平初次在第七十五届联合国大会一般性辩论会宣告:我国将进步国家自主奉献力度,采纳愈加有力的方针和办法,二氧化碳排放力求于2030年前到达峰值,努力求取2060年前完结碳中和。至2021年4月22日的领导人气候峰会,习近平主席至少在9次国际会议、国内3次会议与观察福建说话先后论述了碳达峰与碳中和的方针、含义、方针、办法、举动等内容,遭到国内外的广泛重视。

CO2排放的最大来历是化石动力的焚烧,据《国际动力核算年鉴2020》,我国煤炭、石油、天然气消费量别离占国际总量51.7%、14.5%、7.8%,可见我国操控CO2排放,首战之地的是要操控煤炭消费。我国煤炭约一半用于焚烧发电,2018年我国火电(约90%是煤电)的CO2排放量占全国总排放量的43%,是CO2排放的最大单一来历。削减电力职业的煤炭消费确实是削减CO2排放的有用手法,但我国富煤贫油少气的资源禀赋,使得电力职业很难脱离煤炭。针对碳达峰、碳中和束缚下电力职业的展开途径,各种观念不合很大,有的提出加速燃煤电厂退出,煤电清零;有的提出煤炭开发的绿色转型,量体裁衣推动区域动力革新。跟着经济社会的展开,电力职业面对着添加供应和削减碳排放的两层应战,有必要从我国的国情动身,结合技能牢靠性、减碳作用、本钱等,讨论可以供给安全、环境友好、社会可接受的电力职业的展开途径。

1 电力职业碳达峰、碳中和概念与完结途径。

1.1 碳达峰、碳中和的界说。

根据联合国政府间气候改变专门委员会(Intergovermental Panel on Climate Change, IPCC)的界说,碳达峰是指某个区域或职业年度CO2排放量到达前史最高值,然后进入继续下降的进程,是CO2排放量由增转降的前史拐点。碳达峰(peak CO2emissions)包含达峰年份和峰值。碳中和是指由人类活动形成的CO2排放量,与CO2去除技能(如植树造林)运用完结的吸收量到达平衡。

1.2 电力职业碳达峰、碳中和的概念。

对照碳达峰的界说,碳达峰包含达峰年份和峰值。习近平主席已代表我国政府宣示,我国力求在2030年前完结碳达峰。达峰年份根本确认,而且有条件的区域、职业可以首要完结碳达峰,但到现在为止详细峰值没有发布。

事实上,电力职业除CO2外,SO2和NOx也都有排放达峰的进程,如我国电力职业SO2排放在2006年到达峰值1320万t, 尔后逐渐下降到2014年的620万t, 2015年快速下降至200万t; NOx排放量在2011年到达峰值1107万t, 尔后逐渐下降到2014年的620万t, 2015年快速下降至180万t,如图1所示。从图1可以看出,虽然我国燃煤电厂根本上均完结了烟尘、SO2、NOx超低排放,但2019年电力职业的SO2和NOx排放量仍别离高达89万t和93万t。

根据IPCC碳中和的界说,CO2的排放量与吸收量持平。事实上电力职业只需发电就会排放CO2,表1是IPCC发布的全球各种电源发电的CO2均匀排放强度。

可见,不管是何种电源方法,只需发电都要排放CO2。关于化石动力发电,即便加装碳捕集工程(Carbon Capture and Storage, CCS或Carbon Capture, Utilization and Storage ,CCUS),因为脱除功率所限,也是排放CO2的,因而电力职业自身完结碳中和是不可能的,只能是在确保电力供应的一起,电力职业尽可能削减CO2排放。一切国家碳中和时电力职业都应有必定额度的CO2排放,所以电力职业碳中和不是CO2零排放。

1.3 电力职业碳达峰、碳中和的完结途径。

国际各国因为资源禀赋、技能水平、经济水平、地域规划等各不相同,因而不同国家电力职业碳达峰、碳中和的途径也各不相同。需求指出的是发达国家的碳达峰进程一般都是经济社会展开的天然进程,如英国1973年就已完结碳达峰,法国、德国、瑞典1978年完结碳达峰,美国2007年完结碳达峰,这些早已完结碳达峰的国家,其一起点是早已完结工业化,进入了后工业化年代或信息年代,经济添加已不依靠动力消费的添加,电力装机容量或发电量多年维持在相对安稳的水平。

完结碳中和,促进低碳展开转型的各种国际规矩、职业原则及企业规范层出不穷。国际规划内力推完结1.5℃温升操控方针,到21世纪中叶全球完结碳中和的呼声日益激烈。欧盟提出“欧洲绿色新政”,宣告2050年完结净零排放,成为首个碳中和欧洲大陆。全球已有121个国家提出2050年完结碳中和的方针和愿景,其间包含英国、新西兰等发达国家以及智利、埃塞俄比亚、大部分小岛屿国家等展开我国家。不少国家和城市也提出2030—2050年期间完结100%可再生动力方针,提出煤炭和煤电退出以及筛选燃油轿车的时刻表,并有114个国家标明将强化和更新国家自主奉献(National Determined Contributions, NDC)方针。

图1我国电力职业SO2和NOx排放量的达峰与下降进程。

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表1全球各种电源的均匀CO2排放强度g/(kW·h)。

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从表1中可以看出,化石动力电力,即煤电、石油和气电均为高碳排放电源(简称“高碳电源”),其间以煤电为最高,而其他一切的8种电源,均是低碳排放电源(简称“低碳电源”)。从各种电源的CO2排放强度可以看出,下降CO2的最简略办法便是大力展开低碳电源,扔掉高碳电源。如2019年11月新西兰经过《零碳法案》,2035年完结100%可再生动力发电。2020年7月,德国联邦议会经过了《燃煤电厂筛选法案》,最迟到2038年年末,彻底筛选煤炭发电才能。

其次是燃煤发电的燃料替代,如用低碳、零碳燃料替代煤炭,欧洲有不少国家运用天然气、秸杆替代燃煤发电,如英国最大的燃煤电厂Drax具有6台660MW机组,其间4台机组悉数改燃生物质燃料,别的2台改烧天然气。美国则很多运用页岩气替代燃煤发电。

再次是燃煤电厂的CO2捕集运用,可分为焚烧前捕集、富氧焚烧和焚烧后捕集。从现阶段来看,焚烧前捕集技能首要是运用于全体煤气化联合循环(Intergrated Gasification Combined Cycle, IGCC)电厂,已有大规划工业运用的成功事例,但因为该技能工艺杂乱,出资本钱高,与现有工艺兼容性差,不适用于对现有工艺设备的改造,导致其展开较为缓慢。富氧焚烧仍处于中实验证阶段,没有商业规划项目开端施行建造,大型空分设备的高出资和高能耗,以及体系升压-降压-升压进程中的不可逆丢失较大,是约束富氧焚烧技能本钱下降的首要要素。焚烧后捕集技能是现在相对老练的碳捕集技能,是现阶段完结CO2大规划捕集的重要途径,其首要研讨方向是进步功率,下降运转本钱。

2 我国电力职业碳达峰、碳中和的适合途径。

2.1 我国与发达国家电力职业碳达峰、碳中和的途径异同。

发达国家碳达峰是经济社会展开的天然进程,碳达峰时经济展开已度过工业化阶段,进入了后工业化阶段或信息化阶段,经济展开已不依靠动力消费的添加,电力长时刻处于相对安稳的情况,因而其碳中和首要是在坚持现有电力供应的基础上,尽可能削减CO2排放。

我国GDP总量居全球第二,但人均GDP刚刚超越1万美元,2019年我国人均GDP仅占美国的16%,2020年末才消除贫穷。我国2019年的人均GDP仅是16个国家碳达峰时人均GDP均匀值的18.6%,我国计划在2035年左右根本完结代化,人均GDP到达中等发达国家水平。

我国现在没有完结工业化,GDP的添加仍依靠动力消费的添加,因而我国电力职业的碳中和不只要削减CO2排放,而且要满意电力需求的继续添加。据解振华等人的研讨猜测,我国全社会用电量将从2020年的7.5亿(kW·h)添加到2050年的11.91~14.27亿(kW·h),添加率高达58.8%~90.3%。可见,我国电力职业碳中和的难度要远高于任何发达国家。

我国电力职业碳中和的另一难度在于我国的资源禀赋,据《我国矿产资源陈述2019》的数据测算,我国已查明的化石动力储量中煤炭、石油、天然气别离占99%、0.4%、0.6%,因而欧美国家遍及选用的用天然气、页岩气等替代燃煤发电,在我国是行不通的。虽然我国现在的燃气电厂份额很低,但2019年我国天然气的进口依存度43%,石油的进口依存度则高达71%,远超国际公认的安全警戒线。可见,在我国彻底筛选燃煤电厂是不现实的。

2.2 以节能与掺烧为引领,保存火电机组装机不少于8亿kW。

2.2.1 施行煤电节能改造,下降单位煤电发电量的碳排放。

2014年9月展开变革委、环境保护部、动力局印发了《煤电节能减排晋级与改造举动计划(2014-2020年)》,与节能改造前的2013年比较,2019年全国火电职业均匀供电煤耗从321g/(kW·h)下降到306.4g/(kW·h),下降14.6g/(kW·h),适当于2019年节省标煤7368万t,仅此就可削减CO2排放近2亿t。

2019年全国火电机组容量118957万kW,其间燃煤发电104063万kW(占87.5%),燃气发电9024万kW,生物质发电2361万kW,余温、余压、余气发电3272万kW,燃油发电175万kW。

60万kW及以上的大机组容量占比为45.0%;30~60万kW等级的机组容量占比35.4%,其间亚临界机组约3.5亿kW,近1000台,容量占比超越30%;单机容量小于30万kW的长幼机组容量占比19.6%。这说明全国火电装机容量中近一半的是功率低、煤耗高、功能差的亚临界及以下参数的机组和热电联产小机组,如表2所示。

表2全国火电机组容量等级占比。

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在完结碳中和进程中,国家应出台方针首要筛选关停功率低、煤耗高、役龄长的落后长幼机组。2019年的核算数据标明,小于10万kW的小机组容量11657.8万kW,占火电总容量的9.8%,年运用小时数4431h, 比全国火电机组的均匀运用小时4365h高出66h,小于30万kW的机组容量超越2.3亿kW,应逐个剖析这些机组的实际情况,该筛选的坚决筛选;其次应该对占煤电容量30%的近1000台亚临界机组进行晋级改造。将亚临界机组的功率和煤耗提升到超超临界的水平,以大幅度地下降其煤耗,一起大力改进其低负荷调理的灵活性,以大大进步其消纳风电和光伏发电量的才能,尤其是亚临界机组均是汽包锅炉,具有杰出的水动力学的安稳性,因而愈加习惯电网的负荷调理。徐州华润电厂于2019年7月完结了对32万kW亚临界燃煤机组的改造,额外负荷下的供电煤耗从改造前的318g/(kW·h)下降到282g/(kW·h),每度电下降规范煤耗36g, 按年运用小时4500h计,适当于每年节省标煤5.2万t, 削减CO2排放约14万t。改造后机组不光具有安稳的100%~20%规划内的调峰调频功能,而且在19.39%的低负荷下依然完结了超低排放,到达了大幅下降煤耗,明显进步灵活性的方针。

2020年12月并网发电的安徽平山电厂二期工程设计供电煤耗251g/(kW·h),厂用电率按5%考虑,发电煤耗仅为238.45g/(kW·h),折算单位发电量的CO2排放量为643.8g/(kW·h),介于IPCC发布的油电与气电CO2排放强度之间。

2.2.2 掺烧非煤燃料,进一步下降煤电碳排放。

煤电的另一个低碳展开的方向是煤与生物质、污泥、日子废物等耦合混烧。煤与生物质耦合混烧发电首要的杰出长处是:运用固体生物质燃料部分或悉数替代煤炭,明显下降原有燃煤电厂的CO2排放量;运用大容量高参数燃煤发电机组发电功率高的优势,大幅度进步生物质发电功率,节省生物质燃料资源;运用已有的燃煤发电机组设备,只对燃料制备体系和锅炉焚烧设备进行必要的改造,可以大大下降生物质发电的出资本钱;参加混烧的生物质燃料份额可调理规划大(一般为5%~20%),调理的灵活性强,对生物质燃料供应链的波动性改变有很强的习惯性。

燃煤电厂掺烧生物质燃料,在国内外均有老练经历。掺烧污水处理厂污泥,在国内也有不少电厂投运,如广东深圳某电厂300MW燃煤机组、江苏常熟某电厂600MW燃煤机组、江苏常州某电厂600MW燃煤机组。掺烧日子废物的首要是循环流化床锅炉的燃煤电厂,也有先将废物气化再掺入煤粉炉焚烧的电厂。

2.2.3 碳中和时我国火电机组的保存规划。

2020年12月到2021年1月自湖南省告诉有序用电之后,浙江、江西、陕西等多地都发出了限电的告诉,全国多地呈现拉闸限电。2021年1月7日当天晚顶峰创出了全社会用电高点,到达了11.89亿kW,全国的发电装机容量为22亿kW,为何不能确保11.89亿kW的用电负荷呢?这就需求差异发电装机容量与保供装机容量。

2020年末我国发电装机容量到达22亿kW,但并不意味着这些机组可以一起发电。2021年1月7日11.89亿kW的用电负荷顶峰呈现在晚上,太阳能便是光伏发电没有出力。刚好1月7日全国大面积没有什么风,风力发电的装机出力大约10%左右,全国5.3亿kW风电和光伏的总装机,有5亿kW没有出上力。冬天又是枯水期,我国3.7亿kW水电的装机容量在用电顶峰时超越2亿kW没有出上力。别的,冬天是天然气的用气顶峰,我国1亿kW左右的天然气发电装机,有一半左右也没有出上力。加上发电机组停机检修、区域布局等问题,形成冬天缺电就清楚明了了。

2060年前我国争夺完结碳中和,电力职业首战之地,需求大力展开可再生动力,但可再生动力不可控,不能作为保供电源。可以作为保供电源的首要是火电、水电、核电、储能(含抽水蓄能)。火电包含燃煤发电、燃气发电、燃油发电、生物质发电等,是最牢靠的保供电源。

2020年我国的水电装机容量3.7亿kW(含抽水蓄能3149万kW),简单开发的水电资源已开发结束,据报道我国的水电开发极限是4.32亿kW。2020年我国的核电装机容量0.5亿kW,核电因为核安全问题,选址极点困难,加上核燃料资源的约束,不可能大规划展开,估计可展开到2亿kW。

2020年我国建成投运的储能项目累计装机规划3560万kW,其间抽水蓄能3149万kW。2021年4月19日,国家动力局印发《2021年动力作业辅导定见》,明确提出展开全国新一轮抽水蓄能中长时刻规划,稳步有序推动储能项目实验演示。在一切储能方法中,抽水蓄能经过了几十年的工程实践查验,技能最为老练,也最具经济性,具有大规划开发潜力,但选址较为困难。

与抽水蓄能比较,其他储能项目规划都比较小,且有潜在的安全危险。储能项目都是将电能的再次转化,如抽水蓄能是将电能转化为机械能,机械能再转化为电能;化学储能是将电能转化为化学能,再将化学能转化为电能等等,在转化进程中会有很多的动力损耗。考虑到我国大规划开发风电与光伏发电,估计储能项目需新增2亿kW。

考虑到将来极点气候会更多,仍以用电负荷顶峰呈现在冬天晚间为例,储能、核电的出力才能均取1,水电的出力才能取0.5,核算可得储能、核电、水电的一起发电才能为6.16亿kW。

保存火电机组装机8亿kW,出力才能取0.85,用电顶峰时发电才能6.8亿kW。这样,用电顶峰时顶得上的发电才能为12.96亿kW,根本可以确保电力供应。

2.3 以低碳动力为要害,大力展开风电与光伏发电。

从表1中可以看出,国内外有商业运用的低碳动力有8种,我国的水电资源开发程度现已很高,核电选址较为困难,生物质发电规划已近2500万kW,剩余生物质燃料可掺烧到现有燃煤电厂,可以发电的地热资源十分有限,潮汐能发电早有建成的演示项目,但一向未能推行,因而,现在可以大规划展开以至于替代化石动力电力,替代煤电的便是可再生动力电力的风电和太阳能发电这两种电源。

近10多年来我国的风电与太阳能发电均获得快速展开,如图2所示。从图2可以看出,我国风能发电装机从2009年的1613万kW添加到2019年28153万kW,太阳能发电装机从2009年的2万kW添加到2019年25343万kW。

图2我国风电与太阳能发电的展开情况。

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2020年12月12日,习近平主席在气候大志峰会进步一步宣告:到2030年,我国单位国内出产总值二氧化碳排放将比2005年下降65%以上,非化石动力占一次动力消费比重将到达25%左右,森林积蓄量将比2005年添加60亿m3,风电、太阳能发电总装机容量将到达12亿kW以上。

为了满意全社会的用电需求,碳中和时我国非水可再生动力的展开估计将到达50亿kW,首要是风电与太阳能发电,会有少数的地热发电及潮汐能发电。

2.4 以储能与碳捕集为弥补,确保电力体系安稳。

为削减弃风、弃光、弃水现象,确保电力体系安稳,展开储能项目是十分必要的,但储能项目不只出资较大,而且自身耗费电能,如抽水蓄能是功率较高的储能方法,动力转化功率仅有75%左右,因而国家有必要出台相关方针,推动储能项目的建造。

碳捕集工程,包含碳捕集和封存(CCS)、碳捕集和运用(CCU)以及碳捕集、运用和封存(CCUS)。碳捕集工程不只出资大、运转费用高,而且面对高耗能、高危险等问题。运用CCUS单位(kW·h)发电能耗添加14%~25%,导致能耗需求量大幅添加;CCUS各个环节本钱昂扬,导致CCUS难以展开运用;而且不管哪种方法封存CO2都存在走漏危险,会形成难以评价的环境危险。可是,CCUS仍是碳减排潜在的重要技能,我国政府高度重视,在一系列国家规划与计划中将CCUS列为缓解气候改变的重要技能。

2021年1月国内最大规划15万t/a CO2捕集和封存全流程演示工程在国家动力集团国华锦界电厂建成。

因而,下降碳捕集,运用和封存(CCUS)的本钱、能耗及危险负重致远,在没有严重的技能打破曾经,明显不宜推行运用。即便CCUS技能有所打破,也需求政府继续推动。

3 电力职业碳达峰、碳中和时CO2排放量。

3.1 火电职业碳达峰时CO2排放量。

2018年火电职业排放的CO2占全国排放总量的43%,约43亿t。2021年4月22日,习近平主席在领导人气候峰会上指出:我国将严控煤电项目,“十四五”时期严控煤炭消费添加、“十五五”时期逐渐削减煤炭消费量。可以看出,2030年前煤电装机容量仍是会添加的,全国煤碳消费量会有所削减,但电煤消费量会有所添加,需求大力推动“以电代煤”,进步电气化水平。

估计火电职业碳达峰时CO2排放量会在2018年的基础上添加15%左右,约47亿t。

3.2 火电职业碳中和时CO2答应排放量。

据Pierre Friedlingstein等人的研讨,2009—2018年全球每年化石燃料排放的CO2介于330~370亿t之间,均匀约350亿t,全球碳循环后每年形成大气中CO2添加约180亿t,即全球每年化石燃料排放CO2约170亿t时,就可完结全球碳中和。我国人口数占国际人口总数的18.5%,假如不考虑一起但有差异的职责,按全球人均CO2排放来考虑,我国碳中和时可排放CO2约31.45亿t, 比2018年排放的100.3亿t削减68.85亿t。

2018年我国火电职业排放的CO2占全国排放总量的43%,不考虑碳中和完结时煤炭根本上均用来发电,其他工业职业的CO2排放占比会有所下降,火电职业应该上升的要素,火电职业可以排放CO2约13.5亿t,电力职业的CO2排放方针应超越该限值。

3.3 电力职业碳中和时CO2猜测排放量。

根据前面的剖析,在现有动力资源、技能水平及安全需求基础上,碳中和时我国电力职业的发电装机构成、发电量及CO2排放量测算如表3所示。风电与太阳能各按25亿kW计,考虑到技能进步,除燃煤发电外,CO2排放强度均按表1中数值的0.8倍核算,全国煤电机组按发电煤耗281g/(kW·h)、供电煤耗295g/(kW·h)计,全国生物质量按折算1.07亿t规范煤计,折算其装机容量及发电量,1t标煤焚烧后排放2.7t的CO2。

表3碳中和时我国电力职业出产与CO2排放。

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从表3中可以看出,碳中和时,全国发电装机容量高达64.3亿kW,其间非化石动力发电装机容量58亿kW,占比90.2%;煤电装机容量5.3亿kW,占比8.2%;包含生物质与余热、余压、余气在内的火电装机容量8亿kW,占比12.4%。从发电量来看,碳中和时,全国发电量近13万亿(kW·h),其间非化石动力发电量占比85.3%。

全国电力职业排放CO2量15.21亿t, 其间火电职业排放13.18亿t, 占全国可排放总量31.45亿t的41.9%,小于现在的占比水平43%。可见,假如可以完结上述方针,电力职业作出的奉献是适当巨大的。

4 结语。

(1)碳达峰包含达峰时刻与峰值,碳中和不是CO2零排放,我国碳达峰时火电职业排放的CO2量约47亿t,碳中和时火电职业答应排放CO2量约13.5亿t。

(2)我国电力职业的展开途径应遵循以节能与掺烧为引领,保存火电机组不少于8亿kW;以低碳动力为要害,大力展开风电与光伏发电;以储能与碳捕集为弥补,确保电力体系安稳等3条重要举动。

(3)碳中和时我国电力装机容量估计可达64.3亿kW(不包含储能容量),非化石动力发电装机容量占比90.2%,发电量占比85.3%。电力职业排放CO2将从超越47亿t下降至15.21亿t, 其间火电职业排放13.18亿t。



修改:李丹。

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