孫寶東，張 軍，韓一杰，春雨童，張健赟，吳 璘

(國家能源集團(tuán)技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究院，北京市昌平區(qū)，102200)

0 引言

2020年9月22日，習(xí)近平總書記在第75屆聯(lián)合國一般性辯論大會上發(fā)表重要講話，提出中國力爭于2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和[1]。“雙碳”目標(biāo)的提出不僅是我國向世界作出的應(yīng)對氣候變化的莊嚴(yán)承諾，更為我國社會經(jīng)濟(jì)綠色低碳發(fā)展指明了方向。2021年10月，《中共中央 國務(wù)院關(guān)于完整準(zhǔn)確全面貫徹新發(fā)展理念做好碳達(dá)峰碳中和工作的意見》《國務(wù)院關(guān)于印發(fā)2030年前碳達(dá)峰行動方案的通知》相繼出臺，對能源、工業(yè)、建筑和交通等重點(diǎn)用能領(lǐng)域提出碳減排、碳達(dá)峰的總體部署，共同構(gòu)建了我國碳達(dá)峰、碳中和“1+N”政策體系的頂層設(shè)計(jì)[2]。“雙碳”目標(biāo)已成為我國重塑能源和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)綠色低碳轉(zhuǎn)型、實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展的錨定點(diǎn)和助推器。

實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和，能源是主戰(zhàn)場，電力是主力軍。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國能源活動二氧化碳排放占全社會碳排放總量超過80%，而電力系統(tǒng)碳排放占比超過40%。當(dāng)前，我國能源系統(tǒng)正面臨廣泛而深刻的變化，能源革命加速孕育，能源模式不斷演進(jìn)，能源生態(tài)面臨重塑。準(zhǔn)確把握未來我國能源系統(tǒng)演化趨勢，探索能源低碳轉(zhuǎn)型發(fā)展路徑，對如期實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)具有重要意義。

國內(nèi)研究方面，舒印彪等[3]在電力碳預(yù)算評估的基礎(chǔ)上構(gòu)建3類電力轉(zhuǎn)型情景，并提出不同情景下電力低碳轉(zhuǎn)型路徑；魏泓屹等[4]以規(guī)劃總成本為優(yōu)化目標(biāo)構(gòu)建電力系統(tǒng)源網(wǎng)擴(kuò)展規(guī)劃模型，考慮可再生能源地區(qū)自然資源稟賦和電力系統(tǒng)運(yùn)行安全約束，對我國電力系統(tǒng)“雙碳”轉(zhuǎn)型路徑進(jìn)行規(guī)劃；羅仕華等[5]兼顧能源系統(tǒng)評估與未來能源系統(tǒng)構(gòu)建兩部分因素，提出基于綜合能源系統(tǒng)的碳中和能源系統(tǒng)規(guī)劃方法，探討了我國實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)的可能性及所需技術(shù)支撐和成本要求；蔡博峰等[6]、嚴(yán)剛等[7]根據(jù)CAEP-CP-Sectors重點(diǎn)行業(yè)/領(lǐng)域碳達(dá)峰路徑研究方法，以社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求和碳達(dá)峰目標(biāo)為宏觀約束，分析了重點(diǎn)用能行業(yè)碳排放達(dá)峰路徑；魏一鳴等[8]構(gòu)建了國家能源技術(shù)模型，提出了兼顧經(jīng)濟(jì)性和安全性的我國碳達(dá)峰、碳中和時(shí)間表和路線圖。國外研究方面，ZHOU S等[9]利用全球變化評估模型(GCAM)，從3個(gè)情景探討了我國能源供應(yīng)和能源低碳轉(zhuǎn)型的途徑；CHUN Y T等[10]基于3E模型構(gòu)建了碳中和能力評價(jià)指標(biāo)體系，研究了我國各省碳中和能力提升路徑；ZHAO G P等[11]開發(fā)了一個(gè)自下而上的線性優(yōu)化模型C3IAM/NET，根據(jù)2°C氣候目標(biāo)揭示國家和部門層面的能源消耗、碳排放和技術(shù)途徑；HE L等[12]提出了3種目標(biāo)情景，采用動態(tài)一般均衡模型CHINAGEM，研究了不同路徑能源長期低碳轉(zhuǎn)型下的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效應(yīng)；WANG B等[13]采用改進(jìn)的LEAP模型，對正常和極端天氣情景下2025年和2030年的火電發(fā)電量和裝機(jī)容量進(jìn)行了預(yù)測分析?？傮w來看，已有研究對于未來我國能源系統(tǒng)發(fā)展趨勢進(jìn)行了較為廣泛的探討。

為更加系統(tǒng)地研判我國能源系統(tǒng)中長期演化趨勢，筆者通過全門類國民經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)發(fā)展及其用能趨勢分析，搭建了終端能源需求預(yù)測子模型；通過能源結(jié)構(gòu)演化和不同能源加工轉(zhuǎn)化工藝路徑，開發(fā)了一次能源消費(fèi)預(yù)測子模型；通過基于“雙碳”目標(biāo)和統(tǒng)籌“安全、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境”[8]等能源發(fā)展要求，建立了一次能源供給結(jié)構(gòu)優(yōu)化子模型。基于以上3個(gè)子模型，建立動態(tài)反饋修正與循環(huán)優(yōu)化關(guān)系，形成了中國能源系統(tǒng)預(yù)測優(yōu)化模型(CESFOM)。本模型可對我國能源系統(tǒng)中長期發(fā)展趨勢進(jìn)行量化模擬分析，可有效回答未來能源需求總量與結(jié)構(gòu)、能源供給方式、能源達(dá)峰與碳達(dá)峰、碳中和實(shí)現(xiàn)路徑等關(guān)鍵問題，為“雙碳”目標(biāo)下我國能源系統(tǒng)轉(zhuǎn)型及發(fā)展路徑研究提供定量參考。

1 中國能源系統(tǒng)預(yù)測優(yōu)化模型構(gòu)建

中國能源系統(tǒng)預(yù)測優(yōu)化模型采用自下而上的方法互相關(guān)聯(lián)，首先，以社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展研判和行業(yè)定量分析為基礎(chǔ)，通過終端能源需求預(yù)測子模型獲得13個(gè)主要產(chǎn)業(yè)部門的能源需求總量及結(jié)構(gòu)；其次，考慮能源加工轉(zhuǎn)化過程的復(fù)雜關(guān)聯(lián)和損耗關(guān)系，通過一次能源消費(fèi)預(yù)測子模型將終端能源需求仿真模擬為一次能源消費(fèi)；最后，通過一次能源供給優(yōu)化子模型多情景測算得到多目標(biāo)和約束下的能源系統(tǒng)最優(yōu)供應(yīng)結(jié)構(gòu)方案。模型基本原理如圖1所示。

圖1 中國能源系統(tǒng)預(yù)測優(yōu)化模型基本原理

1.1 社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展分析

能源系統(tǒng)與國民經(jīng)濟(jì)各行業(yè)均存在密切且多維的關(guān)聯(lián)關(guān)系，能源系統(tǒng)內(nèi)部煤、油、氣、電、熱、氫等能源品種之間的依存、轉(zhuǎn)化和替代關(guān)系也多種多樣。因此，預(yù)測能源系統(tǒng)中長期演化趨勢首先需要對人口發(fā)展、城鎮(zhèn)化水平、國內(nèi)生產(chǎn)總值等宏觀社會經(jīng)濟(jì)因素進(jìn)行展望研判。根據(jù)《中華人民共和國國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》(以下簡稱“十四五”規(guī)劃)、《關(guān)于優(yōu)化生育政策促進(jìn)人口長期均衡發(fā)展的決定》等國家發(fā)展規(guī)劃，參考《世界人口展望2019》[9]《中國人口預(yù)測報(bào)告2021版》[10]等權(quán)威機(jī)構(gòu)預(yù)測結(jié)果，分析與展望未來我國社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展趨勢。

(1)人口發(fā)展。預(yù)計(jì)我國人口當(dāng)前處于峰值平臺期，人口總量將總體平穩(wěn)、略有波動，隨后我國將邁入人口負(fù)增長時(shí)代，預(yù)計(jì)2035年總?cè)丝趯⒔抵?4億左右，2060年總?cè)丝趯⒔抵?2.7億。

(2)城鎮(zhèn)化水平。預(yù)計(jì)我國城鎮(zhèn)化率在2025-2030年期間將突破70%，在2035年達(dá)到74%左右，2055-2060年將超過80%并保持相對穩(wěn)定，基本達(dá)到目前世界主要發(fā)達(dá)國家平均水平。

(3)國內(nèi)生產(chǎn)總值。預(yù)計(jì)我國國內(nèi)生產(chǎn)總值在2035年達(dá)到213萬億元(2020年可比價(jià)，下同)，總體上相比2020年翻一番；在2060年達(dá)到418萬億元，總體在2035年基礎(chǔ)上再翻一番，符合黨中央提出的第二個(gè)百年奮斗目標(biāo)。

1.2 終端能源需求預(yù)測子模型

按照國民經(jīng)濟(jì)行業(yè)分類，分13個(gè)行業(yè)對全國終端能源消費(fèi)量進(jìn)行研究，具體包括第一產(chǎn)業(yè)(農(nóng)業(yè)、林業(yè)、牧業(yè)、漁業(yè))、第二產(chǎn)業(yè)(采礦業(yè)、燃料加工和化工業(yè)、非金屬制品業(yè)、黑色金屬業(yè)、有色金屬業(yè)、其他制造業(yè)、電熱水燃供應(yīng)業(yè)、建筑業(yè))、第三產(chǎn)業(yè)(交通運(yùn)輸倉儲郵政業(yè)、批發(fā)零售住宿餐飲業(yè)、其他服務(wù)業(yè))和居民生活，根據(jù)各個(gè)行業(yè)的發(fā)展規(guī)律和用能特點(diǎn)對其終端用能進(jìn)行預(yù)測。終端能源需求預(yù)測子模型分別采用時(shí)變非參數(shù)預(yù)測法、單位實(shí)物量產(chǎn)品能耗預(yù)測法、單位產(chǎn)值能耗預(yù)測法、能源結(jié)構(gòu)動態(tài)優(yōu)化等方法對未來各行業(yè)終端能源消費(fèi)需求總量和結(jié)構(gòu)的趨勢進(jìn)行預(yù)測。

以居民生活能源消費(fèi)為例，采用時(shí)變非參數(shù)模型刻畫能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型變化特點(diǎn)以及經(jīng)濟(jì)政策作用效果變化，影響居民生活能源消費(fèi)需求的主要因素有：居民消費(fèi)水平、能源價(jià)格、人口規(guī)模、技術(shù)進(jìn)步、城鎮(zhèn)化水平、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、能源消費(fèi)需求結(jié)構(gòu)、國家政策等?；诰用裆钕M(fèi)的影響和用能特點(diǎn)，構(gòu)建了K個(gè)時(shí)變系數(shù)預(yù)測候選模型如下：

(1)

式中：Yt+h——t+h期居民生活能源消費(fèi)需求量；

Yt——t期居民生活能源消費(fèi)需求量；

Yt-pm——t-pm期居民生活能源消費(fèi)需求量；

t——預(yù)測基期；

m——候選模型編號；

pm——第m個(gè)候選模型中因變量的最大滯后階數(shù)；

h——預(yù)測步長。

模型參數(shù)隨著時(shí)間發(fā)生變化。此外，單一模型預(yù)測在模型設(shè)定上通常包括主觀和定性的因素，由此導(dǎo)致的參數(shù)不合理設(shè)定可能致使預(yù)測誤差較大的情況發(fā)生，因此筆者選用多個(gè)候選模型進(jìn)行相互驗(yàn)證和加權(quán)組合以減少模型的不確定性。

1.3 一次能源消費(fèi)預(yù)測子模型

一次能源消費(fèi)預(yù)測子模型主要解決在能量平衡的基礎(chǔ)上，從終端能源需求反向仿真模擬測算一次能源消費(fèi)的問題。在本模型中，終端能源包括煤炭、焦化品、油品、天然氣、電力、熱力、氫能、其他能源等8個(gè)品種，轉(zhuǎn)化過程如下：

(1)終端煤炭，直接由一次煤炭供給；

(2)終端焦化品，由一次煤炭經(jīng)過煉焦、煤制氣等轉(zhuǎn)化過程獲得；

(3)終端油品，由一次原油、一次煤炭等經(jīng)過石油煉制、煤制油等轉(zhuǎn)化過程獲得；

(4)終端天然氣，由一次天然氣直接供給主要部分，其余由煤制天然氣進(jìn)行補(bǔ)充；

(5)終端電力，由一次煤炭、一次天然氣、其他能源(主要為生物質(zhì))經(jīng)過轉(zhuǎn)化得到二次電力，由風(fēng)、光、水、核等非化石能源發(fā)電得到一次電力；

(6)終端熱力，由一次煤炭、一次天然氣經(jīng)過轉(zhuǎn)化得到大部分熱力，其余由地?zé)?、余熱利用等進(jìn)行補(bǔ)充；

(7)終端綠氫，由可再生能源電力經(jīng)過電解水制氫轉(zhuǎn)化得到；

(8)終端其他能源，直接由地?zé)?、秸稈、薪柴、垃圾等可用能源供給。

終端能源與一次能源之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系復(fù)雜，路徑和鏈條較多，筆者針對涉及的多個(gè)轉(zhuǎn)化環(huán)節(jié)開展了基于能量平衡損耗的模擬計(jì)算，為準(zhǔn)確預(yù)測一次能源消費(fèi)奠定重要的科學(xué)基礎(chǔ)。

1.4 一次能源供給結(jié)構(gòu)優(yōu)化子模型

一次能源供給結(jié)構(gòu)優(yōu)化子模型通過最優(yōu)化的方法得到滿足碳中和約束目標(biāo)的能源供應(yīng)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)的布局方案。該子模型在已知一次能源需求的基礎(chǔ)上，通過超結(jié)構(gòu)數(shù)學(xué)建模描述出滿足所有約束條件的可能性方案，并通過最優(yōu)化目標(biāo)尋解，得到經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)且滿足碳中和目標(biāo)的方案。

超結(jié)構(gòu)數(shù)學(xué)建模方法在能源供應(yīng)系統(tǒng)應(yīng)用的關(guān)鍵在于用矩陣關(guān)系反映出主要技術(shù)路徑，包括技術(shù)工藝、運(yùn)輸方案、基礎(chǔ)設(shè)施布局等，并給出所有技術(shù)路徑的物理邊界、經(jīng)濟(jì)邊界、政策邊界等，最后在眾多滿足約束條件的可行方案中尋找目標(biāo)函數(shù)最優(yōu)解方案。根據(jù)變量和約束的特征，可將最優(yōu)化問題區(qū)分為線性規(guī)劃問題(LP)、混合整數(shù)線性規(guī)劃問題(MILP)、非線性規(guī)劃問題(NLP)等，但由于非線性最優(yōu)化問題求解的局限性，筆者最終將現(xiàn)實(shí)中復(fù)雜、非線性的一次能源供給結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為混合整數(shù)線性問題，從而實(shí)現(xiàn)大規(guī)?？焖偾蠼?。

2 我國能源系統(tǒng)演化趨勢分析

2.1 我國能源消費(fèi)總量及碳排放趨勢分析

2.1.1 終端能源需求預(yù)測

國民經(jīng)濟(jì)各行業(yè)的發(fā)展都需要能源來支撐，但終端能源需求在不同行業(yè)和不同能源品種之間的演化呈現(xiàn)出較大的差異。

從終端用能行業(yè)看，燃料加工和化工、鋼鐵、建材、有色、交運(yùn)倉儲、居民生活等六大行業(yè)用能占比較高，2020年約占終端能源消費(fèi)的75%，預(yù)計(jì)2035年和2060年占比分別為72%和68%。其中鋼鐵、建材等高耗能行業(yè)用能基本呈逐步降低趨勢，有色、化工和居民生活呈現(xiàn)先上升到各自的峰值點(diǎn)再下降的趨勢。

從終端能源品種看，當(dāng)前，我國終端能源消費(fèi)中占比由高到低分別是電力、油品、焦化品、煤炭、天然氣、熱力、氫能等。未來，我國煤炭、油品、焦化品呈現(xiàn)逐步降低趨勢，與近年來實(shí)際走勢以及綠色低碳發(fā)展導(dǎo)向基本一致；天然氣和熱力均呈現(xiàn)先上升到各自的峰值點(diǎn)再下降的趨勢，主要原因是未來一段時(shí)期我國終端能源需求總量仍在不斷增長，天然氣是過渡能源；電力和氫能均呈現(xiàn)逐步上升的走勢，反映出能源綠色低碳轉(zhuǎn)型的路徑選擇。終端能源消費(fèi)總量及品種結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 終端能源消費(fèi)總量及品種結(jié)構(gòu)

2.1.2 一次能源消費(fèi)總量預(yù)測

通過能源系統(tǒng)模型分析，我國一次能源消費(fèi)總量變化趨勢如圖3所示，預(yù)計(jì)我國一次能源消費(fèi)總量在2033-2035年達(dá)峰，峰值為52億～54億t標(biāo)煤(電熱當(dāng)量法)，較2020年增長20%左右。若按發(fā)電煤耗法折算，由于未來我國非化石能源一次發(fā)電規(guī)模和占比提高，一次能源消費(fèi)總量和達(dá)峰年份則會顯著提高與推遲，預(yù)計(jì)到2040年左右達(dá)峰，峰值為65億～66億t標(biāo)煤(發(fā)電煤耗法)，但由于屆時(shí)燃煤發(fā)電量占比已經(jīng)較大幅度降低，使用發(fā)電煤耗法進(jìn)行折算的代表意義已經(jīng)不大。

圖3 我國一次能源消費(fèi)總量變化趨勢(電熱當(dāng)量法)

預(yù)計(jì)2060年，全國一次能源消費(fèi)總量(電熱當(dāng)量法)降至32億t標(biāo)煤左右。對應(yīng)單位GDP能耗也將顯著降低，預(yù)計(jì)2035年和2060年我國的單位GDP能耗將分別降至0.255 t標(biāo)煤/萬元和0.079 t標(biāo)煤/萬元，相比2021年分別降低約40%和80%。我國單位GDP能耗變化趨勢如圖4所示。

圖4 我國單位GDP能耗變化趨勢

2.1.3 我國能源活動碳達(dá)峰、碳中和趨勢分析

預(yù)計(jì)我國能源活動碳排放總量將于2029年達(dá)峰且峰值為109億t，較2020年碳排放總量約有10億t的增長空間。全國碳排放早于能源消費(fèi)達(dá)峰(預(yù)計(jì)2033-2035年)，主要原因是在2029年之后，雖然單位熱值排放系數(shù)較大的煤炭和石油消費(fèi)量在下降，但單位熱值排放系數(shù)較小的天然氣、一次電力及其他能源消費(fèi)量仍在保持增長，導(dǎo)致能源消費(fèi)達(dá)峰要滯后于碳排放達(dá)峰。

預(yù)計(jì)到2060年能源系統(tǒng)碳排放約為22億t，考慮碳捕集、利用與封存技術(shù)(CCUS)兜底脫碳保障，2040年之后進(jìn)入規(guī)?；季?，重點(diǎn)聚焦煤電、石油化工、煤化工、冶金、工業(yè)燃煤等領(lǐng)域，2060年實(shí)現(xiàn)CCUS碳減排13億t，能源活動碳排放降至9億t。根據(jù)國內(nèi)林業(yè)研究結(jié)果，我國陸地碳匯總量基本可中和剩余碳排放，實(shí)現(xiàn)全社會的碳中和目標(biāo)。我國能源活動碳排放和CCUS發(fā)展情況如圖5所示。

圖5 我國能源活動碳排放和CCUS發(fā)展情況

2.2 我國能源供給與供需平衡趨勢分析

2.2.1 我國能源供給結(jié)構(gòu)演化趨勢

筆者在研究中將我國能源供給分為煤炭、石油、天然氣、一次電力及其他能源4類。研究預(yù)計(jì)在2033-2035年能源消費(fèi)達(dá)峰時(shí)，煤炭、石油、天然氣、一次電力及其他能源對我國能源供給的貢獻(xiàn)分別為54%、17%、13%、16%(電熱當(dāng)量法)；若按發(fā)電煤耗法計(jì)算，對應(yīng)占比分別為46%、14%、11%、29%。預(yù)計(jì)到2060年，煤炭、石油、天然氣、一次電力及其他能源對我國能源供給的貢獻(xiàn)分別為17%、7%、12%、64%；若按發(fā)電煤耗法計(jì)算，對應(yīng)占比分別為10.0%、3.5%、6.5%、80.0%。我國一次能源供給總量及結(jié)構(gòu)變化如圖6所示。

圖6 我國一次能源供給總量及結(jié)構(gòu)變化情況

從供給來源地來看，我國一次能源供給主要依靠國內(nèi)。2021年我國一次能源的總體自給率為77%(電熱當(dāng)量法)，其中煤炭、石油、天然氣、一次電力及其他能源的自給率分別為93%、28%、57%、100%。預(yù)計(jì)未來我國一次能源的總體自給率將不斷升高，2040年將達(dá)到81%，其中煤炭、石油、天然氣、一次電力及其他能源的自給率分別為94%、36%、52%、100%；到2060年提高至97%，其中煤炭、石油、天然氣、一次電力及其他能源的自給率分別為96%、83%、89%、100%。我國一次能源供給總量及供給來源地變化如圖7所示。

圖7 我國一次能源供給總量及來源地變化

2.2.2 我國分品種能源達(dá)峰及演化趨勢

化石能源預(yù)計(jì)在2028-2036年梯次達(dá)峰。其中，煤炭消費(fèi)預(yù)計(jì)在2028年達(dá)峰，峰值為45億t商品煤(在市場上流通的一般煤炭產(chǎn)品)，若按照標(biāo)煤計(jì)算約為31億t；2035年前始終保持40億t商品煤以上，隨著我國非化石能源規(guī)?；l(fā)展，煤炭消費(fèi)規(guī)模和占比快速下降，預(yù)計(jì)到2060年降至8億～10億t商品煤。石油消費(fèi)量現(xiàn)階段總體處于峰值平臺期，2022年受疫情影響將出現(xiàn)下降，后疫情時(shí)代或?qū)⒂兴磸?，但考慮到電動汽車對燃油汽車的快速替代趨勢，預(yù)計(jì)石油消費(fèi)量將在2026年左右達(dá)峰，峰值為7.1億t，2035年前保持在6億t 以上，到2060年降至1.5億t左右。天然氣作為實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的過渡能源，在未來較長時(shí)間內(nèi)將保持持續(xù)增長，預(yù)計(jì)在2036年左右達(dá)峰，峰值為5 580億m3，到2060年降至3 000億m3左右。

風(fēng)、光、水、核、生物質(zhì)等非化石能源是我國實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的根本抓手，在未來將持續(xù)保持快速發(fā)展并逐步在能源系統(tǒng)中占據(jù)主體地位。預(yù)計(jì)非化石電源的發(fā)電量到2025年將接近3.8萬億kW·h(裝機(jī)15億kW)，到2035年達(dá)到6.7萬億kW·h(裝機(jī)28億kW)，到2060年將達(dá)到發(fā)電量16.7萬億kW·h(裝機(jī)74億kW)。

2.3 我國煤炭供需平衡趨勢分析

2.3.1 我國煤炭的地位演化分析

從未來趨勢看，煤炭將從較長時(shí)期的主體能源，逐步轉(zhuǎn)變?yōu)槲覈Ｕ贤械啄茉?，我國煤炭消費(fèi)總量及構(gòu)成結(jié)構(gòu)演化如圖8所示。由模型結(jié)果可知，2040年前，煤炭仍將是我國最主要能源。我國煤炭消費(fèi)未來幾年將繼續(xù)增長，預(yù)計(jì)于2028年達(dá)峰，峰值約為45億t商品煤(約折合31億t標(biāo)煤)；達(dá)峰后煤炭消費(fèi)將持續(xù)下降，但2035年前始終保持40億t以上；2040年前，我國煤炭消費(fèi)占能源消費(fèi)總量(發(fā)電煤耗法)占比仍維持在40%以上，在與油氣、一次電力及其他能源“三足鼎立”態(tài)勢中保持領(lǐng)先主體地位；2040年后，一次電力及其他能源成為我國第一大能源，煤炭消費(fèi)占比呈明顯快速下降趨勢；2050年煤炭消費(fèi)總量降至25億t商品煤，占比約25%；2060年煤炭消費(fèi)總量進(jìn)一步降至8億～10億t商品煤，占比降至10%左右，煤炭逐步過渡成為保障能源電力安全穩(wěn)定運(yùn)行的兜底能源。

圖8 我國煤炭消費(fèi)總量及構(gòu)成結(jié)構(gòu)

2.3.2 我國煤炭供給結(jié)構(gòu)演化分析

當(dāng)前和未來我國煤炭需求主要由國內(nèi)生產(chǎn)供給，進(jìn)口煤會保持一定比例并呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢。預(yù)計(jì)到2028年煤炭的生產(chǎn)量(原煤)和凈進(jìn)口量(商品煤)分別為42億t和3.3億t，進(jìn)口煤比例將保持在7%左右。

隨著煤炭供給總量逐步下降，到2060年煤炭的生產(chǎn)量和凈進(jìn)口量分別為8.1億t和0.4億t，進(jìn)口煤比例將進(jìn)一步下降到4%左右。我國煤炭供給總量及結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖9 我國煤炭供給總量及結(jié)構(gòu)

2.4 我國電力供需平衡趨勢分析

2.4.1 全社會用電量增長呈現(xiàn)先快后慢逐步趨穩(wěn)的發(fā)展趨勢

“雙碳”目標(biāo)下，我國終端用電用氫水平逐步提高，預(yù)計(jì)2030年我國終端電氫化率將達(dá)到35%左右，2060年將達(dá)到68%左右。相應(yīng)地，我國的全社會用電需求在經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展自然牽引和終端能源電氫替代的雙重驅(qū)動下，將會持續(xù)保持增長趨勢，根據(jù)模型預(yù)測結(jié)果，我國全社會用電量(包括制氫用電和輸配電損耗)總體上于2050-2060年期間達(dá)到峰值平臺期，峰值約為17.5萬億kW·h(人均約1.3萬kW·h)。其中2025年將超過10萬億kW·h，2030年達(dá)到12萬億kW·h左右，2050年達(dá)到17萬億kW·h左右，并進(jìn)入峰值平臺期。我國電力消費(fèi)總量及平衡結(jié)構(gòu)如圖10所示。

圖10 我國電力消費(fèi)總量及平衡結(jié)構(gòu)

2.4.2 電力逐步向以新能源為主體加速演化

預(yù)計(jì)2025年，我國電力裝機(jī)將達(dá)到30億kW，從裝機(jī)結(jié)構(gòu)來看，非化石能源裝機(jī)占比接近50%，風(fēng)、光發(fā)電裝機(jī)接近10億kW，煤電裝機(jī)超過13億kW。2030年，電力裝機(jī)約38億kW，其中非化石能源裝機(jī)占比超過56%，煤電裝機(jī)穩(wěn)定在14億kW左右，煤電的系統(tǒng)調(diào)節(jié)功能逐步增強(qiáng)；風(fēng)、光發(fā)電裝機(jī)接近16億kW，成為裝機(jī)最大電力來源。2060年，電力裝機(jī)達(dá)到85億kW左右，其中以風(fēng)、光發(fā)電為主的非化石能源裝機(jī)占比達(dá)到87%，煤電裝機(jī)保有8億～9億kW，煤電逐步轉(zhuǎn)變成為保障能源電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定的應(yīng)急備用電源。我國發(fā)電電源裝機(jī)總量及結(jié)構(gòu)變化如圖11所示。

圖11 我國發(fā)電電源裝機(jī)總量及結(jié)構(gòu)變化

從發(fā)電規(guī)模結(jié)構(gòu)上看，我國全社會發(fā)電量預(yù)在2025、2030、2060年分別達(dá)到10.1萬億、12.0萬億、17.5萬億kW·h左右。結(jié)構(gòu)上逐步從煤電獨(dú)大，逐步演化為風(fēng)電、光伏及其他發(fā)電“三分天下”格局，其中：煤電發(fā)電量占比呈逐步降低趨勢，2030、2040、2050、2060年煤電發(fā)電量占比從當(dāng)前的60%逐漸下降到50.0%、37.0%、22.0%、3.6%；風(fēng)電光伏發(fā)電量占比將持續(xù)快速提升，2030、2040、2050、2060年從當(dāng)前的11%快速提升到22%、33%、47%、65%；水電總體穩(wěn)步增長，但受資源和條件限制，發(fā)電量規(guī)模逐步趨穩(wěn)，占比將從當(dāng)前的15.0%降低到2060年的10.5%；核電發(fā)電量占比持續(xù)提升，2030、2040、2050、2060年從當(dāng)前的4.8%逐步提升到5.8%、8.6%、12.0%、 17.0%。我國發(fā)電總量及各電源占比結(jié)構(gòu)如圖12所示。

圖12 我國發(fā)電總量及各電源占比結(jié)構(gòu)

2.4.3 電力平衡與煤電功能演化趨勢分析

據(jù)統(tǒng)計(jì)，2016-2021年我國全社會最大電力負(fù)荷年均增長速度為5.8%，略快于全社會用電量增長速度?！笆濉逼陂g各年的最大峰谷差率均在30%左右，總體變化不大；全社會最大電力負(fù)荷一般發(fā)生在夏季晚高峰時(shí)段，2021年冬夏“雙峰效應(yīng)”也較為明顯。未來，我國全社會最大電力負(fù)荷在方向上將與全社會用電量保持總體一致的發(fā)展趨勢，但隨著我國第三產(chǎn)業(yè)和居民用電量占比的逐漸提高，全社會用電負(fù)荷的波動性也將不斷升高，負(fù)荷尖峰效應(yīng)更加明顯，預(yù)計(jì)全社會最大電力負(fù)荷的增長速度仍將保持略快于全社會用電量增速的趨勢，到2030年將達(dá)到17億kW，到2060年將達(dá)到28億kW。

伴隨全國用電量和用電負(fù)荷需求增長，以及新能源大規(guī)模發(fā)展，我國電力電量平衡將面臨更為嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，儲能及靈活調(diào)節(jié)電源的價(jià)值將更加凸顯。為保障電力系統(tǒng)在負(fù)荷高峰時(shí)段安全穩(wěn)定運(yùn)行，需要儲能來彌補(bǔ)新能源發(fā)電在負(fù)荷高峰時(shí)段的出力不足和不穩(wěn)定性。結(jié)合不同電源品種和儲能方式在負(fù)荷高峰時(shí)段的出力系數(shù)，筆者仿真預(yù)測到2025、2030、2060年我國各類發(fā)電電源和儲能最大出力合計(jì)分別超過16億、19億、31億kW，基本可以滿足同期的最大電力負(fù)荷需求。電力負(fù)荷晚高峰時(shí)段各發(fā)電電源和儲能出力情況如圖13所示。

圖13 電力負(fù)荷晚高峰時(shí)段各發(fā)電電源和儲能出力情況

隨著日益頻發(fā)的長時(shí)極端天氣以及未來新能源成為主體電源下的跨季長時(shí)調(diào)峰需求增強(qiáng)，高可靠度的低成本靈活性調(diào)節(jié)電源將不可或缺，而煤電作為我國未來最具資源保障條件和經(jīng)濟(jì)成本優(yōu)勢的電源之一，在其功能定位上將逐步從當(dāng)前基礎(chǔ)保障向系統(tǒng)調(diào)節(jié)、應(yīng)急備用方向轉(zhuǎn)變，對應(yīng)的發(fā)電利用小時(shí)數(shù)也將呈現(xiàn)逐步下降態(tài)勢。

預(yù)計(jì)在2040年前，我國煤電平均利用小時(shí)數(shù)仍保持在4 000 h以上，煤電的基礎(chǔ)電源功能依然突出；2050年前，伴隨新能源大規(guī)模發(fā)展，煤電平均利用小時(shí)數(shù)逐步降至3 000 h 左右；至2060年，調(diào)峰和應(yīng)急備用成為煤電主體功能，其利用小時(shí)數(shù)降至不足1 000 h。不同電源平均利用小時(shí)數(shù)如圖14所示。

圖14 不同電源的平均發(fā)電利用小時(shí)變化趨勢

3 結(jié)論

圍繞“雙碳”目標(biāo)，通過構(gòu)建CESFOM對我國中長期能源系統(tǒng)發(fā)展趨勢進(jìn)行量化仿真優(yōu)化，得出如下主要結(jié)論。

(1)研究提出了能源及其碳排放達(dá)峰、碳中和的規(guī)劃總圖。預(yù)計(jì)我國能源消費(fèi)總量至少在未來10年內(nèi)仍然保持增長，最高將達(dá)到53億t標(biāo)煤左右(電熱當(dāng)量法)；隨著新能源逐步成為能源增量主體，能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化降碳效果顯著，能源活動碳排放可以保證在2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰目標(biāo)，最大碳排放量不超過110億t。碳達(dá)峰階段的主要措施有終端用煤減量替代、車用燃油電動替代、全社會用能效率提升等。碳中和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)具有一定挑戰(zhàn)性，隨著終端用電水平提升和新能源大規(guī)模發(fā)展，傳統(tǒng)能源電力系統(tǒng)將面臨重大重塑，其間保障能源電力安全穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)成本最優(yōu)成為關(guān)鍵問題，儲能、氫能、智能電網(wǎng)、新能源與氣象精確預(yù)測、靈活調(diào)節(jié)電源及配套CCUS等先進(jìn)低碳技術(shù)需要發(fā)揮重要作用。

(2)煤炭和煤電在實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)過程中需要發(fā)揮重要兜底保障作用。我國社會主義現(xiàn)代化建設(shè)仍然需要充足的能源作為強(qiáng)力支撐，而煤炭作為最為穩(wěn)定和可靠的主體能源、煤電作為最為穩(wěn)定和可靠的主力電源，在未來較長時(shí)間內(nèi)都仍需發(fā)揮能源電力安全供給的壓艙石和穩(wěn)定器作用。預(yù)計(jì)煤炭消費(fèi)量最高將達(dá)到45億t商品煤左右，在未來15年內(nèi)始終保持40億t以上，到2060年保留8億～10億t作為發(fā)電、供熱及化工用煤。預(yù)計(jì)煤電裝機(jī)將在2030年前后達(dá)峰，峰值超過14億kW；2040年前，煤電作為基礎(chǔ)電源的現(xiàn)狀不會改變，用電高峰時(shí)刻的出力貢獻(xiàn)在50%以上；2050年后煤電將讓渡大部分的電量空間，到2060年煤電仍然保留8億～9億kW裝機(jī)，主要發(fā)揮調(diào)峰和應(yīng)急備用作用。

(3)大力發(fā)展非化石能源和低碳能源技術(shù)是我國實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的“雙引擎”。實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)，一方面是需要大力發(fā)展非化石能源，通過能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化減少碳排放，另一方面要積極發(fā)展零碳負(fù)碳技術(shù)對必要留存的化石能源碳排放進(jìn)行碳中和處理。預(yù)計(jì)非化石電源的發(fā)電量到2030年將達(dá)到5萬億kW·h(占比43%)，到2035年后，非化石能源發(fā)電超越煤電成為第一大電源；預(yù)計(jì)到2060年，非化石能源發(fā)電將達(dá)16.7萬億kW·h，成為絕對主體電源。對于必要留存的化石能源，需要充分挖掘煤炭與新能源、氫能等多能互補(bǔ)低碳發(fā)展新模式，大力發(fā)展CCUS、碳匯林等負(fù)碳技術(shù)，預(yù)計(jì)到2060年我國CCUS和林地固碳能力將分別達(dá)到13億t/a和17億t/a，除滿足能源活動碳中和需要(22億t/a)之外，還為其他碳排放預(yù)留有一定空間。

(4)加快推進(jìn)我國能源消費(fèi)和煤炭消費(fèi)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化建設(shè)。目前國家公布的能源消費(fèi)總量數(shù)據(jù)，主要采用發(fā)電煤耗法，這種方法在燃煤發(fā)電占比很高時(shí)具有代表性，但未來我國非化石電源發(fā)電占比將越來越高，使用這種方法將會導(dǎo)致我國能源消費(fèi)總量虛高，遲遲不能達(dá)峰，失去了代表性。建議現(xiàn)階段國家公布能源消費(fèi)總量數(shù)據(jù)時(shí)采取發(fā)電煤耗法與電熱當(dāng)量法并重使用的方式；在2030年之后(當(dāng)煤電發(fā)電量占比低于50%時(shí))與國際完全接軌，使用電熱當(dāng)量法。另外，我國關(guān)于煤炭生產(chǎn)和消費(fèi)的計(jì)量，主要采用籠統(tǒng)的實(shí)物量加總統(tǒng)計(jì)方法，不利于準(zhǔn)確識別和研判煤炭消費(fèi)峰值，建議在實(shí)物量統(tǒng)計(jì)中按照煤種(褐煤、低變質(zhì)煙煤、中高變質(zhì)煙煤、無煙煤)和用途(動力煤、冶金煤和原料煤)進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)，并相應(yīng)以標(biāo)煤為單位進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化。