周孝信
“双碳”目标下，我国能源电力系统发展的趋势是绿电替代+绿氢替代。绿电替代+绿氢替代是能源转型的终极目标。
一、绿电绿氢替代的一次能源消费结构
一次能源消费结构具有重要价值，一个国家的整体能源消费形势可以透过其一次能源消费结构清楚地展现出来。
一次能源消费由三部分组成。第一部分是化石能源。化石能源会逐步被非化石能源所替代，虽然这种完全替代在2030年前可能无法实现，但是到本世纪末一定会实现。第二部分是非化石能源电利用。目前，非化石能源电利用正处于进行时，特别是在能源领域、电力领域，比如发展可再生能源发电以及一些其他新的发电方式，进而逐步替代化石能源发电和部分非电利用，这个就叫作“绿电替代”。第三部分是非化石能源非电利用。其中，有的是直接利用，有的是在电替代困难的情况下。在一些工业、交通甚至民用领域出现了逐步替代化石能源的非电利用，这部分也叫作“绿电替代”。由此，整个非电替代到本世纪末将完成替代。
预计到2060年，一次能源消费的非化石能源电力占71.9%；8.7%是用绿氢来发电，绿氢的非电利用部分总和是16.4%；包括煤、石油、天然气在内的化石能源占比10.7%；最后一部分中，即便有的容量还在，但是其电量或者发电量极小，发挥以备不时之需的作用。真正的能量概念，是把非化石能源的电变成好像是用化石能源发出来的一样，变成发电煤耗再乘以电量，而并非现在采用的发电煤耗法所指的平均每年发电煤耗数量。因而，虽然目前来看不存在问题，但是这样在非化石能源、可再生能源占比越来越高的情况下，容易夸大能源消费量。一次能源消费总量是29.5亿吨标煤。为什么现在缩减到只有近30亿吨？因为将非化石能源的电占比放得很大，等于按照其实际能量来计算，所以一次能源消费总量就小了。
一次能源消费结构中，绿氢替代方案的设想分成三个部分：绿氢非电利用、绿氢发电利用、绿氢非电利用和发电利用的合计，采用的单位是“百万吨”。我认为，氢是要计入一次能源的，否则一次能源不易于平衡。2030年第一次计入一次能源是800万吨，2040年达到3400万吨，2050年达到6500万吨。那么，2060年全国需要的绿氢是1亿吨。这组数据和发达国家相比，有一定差异，比如美国、德国分别发布了其国家清洁氢（中国称“绿氢”）发展战略和发展路径。如表1所示，中国一次能源中绿氢替代数量在后期比美国大一些，在前期比美国小一些。而就全球而言，发达国家也在大力发展氢能源，比如美国能源部公布了很多相关措施。
二、新型电力系统主要特征及其发展前景
了解电力系统非常有用，尤其是了解新能源的发展具有重要意义。我们团队认为，新型电力系统主要有六个特征，一是高比例可再生能源；二是高比例电力电子装备；三是多能互补综合能源电力系统；四是数字化、智能化智慧能源；五是清洁高效、低碳零碳；六是高韧性本质安全可靠。本文着重于分析第一、二、三和第五个特征。
（一）高比例可再生能源发展现状
2022年年底，中国风电并网装机达到3.65亿千瓦，并网太阳能发电装机达到3.93亿千瓦。仅就2023年前三季度数据，已经超出2022年很多，预计到2023年年底风电装机可能达到4亿千瓦，并网太阳能可能达到5亿千瓦。在中国西部的部分省份，风光总装机占比达到45%以上，其中河北、山东总装机量很大、占比很高。从装机容量和发电量来看，可再生能源的发电量，2020年占比还不到30%，现在已经大幅增加，2050年占比将达到80%，2055年占比将达83.5%，2060年占比将达86%。换言之，2050年和2060年我国绿电替代将基本完成。
2014年，我和老同事发表过一篇文章，文中提出两个观点：一是2014年估算2050年全国太阳能发电达到15亿千瓦，当时我们认为这个数据已然非常厉害，结果现在的实际情况是我们很快就达到15亿千瓦了；二是该文章中也提到电解制氢等内容。从中可以看出，中国发展得非常快，远远超出专家们当年的预料。
2022年煤电装机占43.3%，发电量达到11亿千瓦，煤电发电量占58.4%。也就是说，截至2022年电动汽车用的是电网的电，那么大部分就是煤电，所以很多声音就说电动汽车的电并不是清洁能源。我认为这个观点是错误的，因为电动汽车的技术在发展，新能源技术也在发展，到新能源大量应用的时候，彼时清洁能源代替了石油，新能源汽车就是非常绿色的汽车。
（二）高比例电力电子装置电力系统
高比例电力电子装置电力系统和第一个特征“高比例可再生能源”紧密相关。高比例可再生能源将来大部分要在中国西部开发，现在也已经在西部的沙戈荒进行开发。以前从新疆、青海往内地送电，采用直流输电，甚至是特高压直流输电，而且是电压正负800kV以上的，输送能量比较大。新疆昌吉回族自治州准东经济技术开发区（准东煤田所在地区，同时也是新疆新能源基地）到皖南，距离三千多公里，容量1200万千瓦，非常之大。现在长江上游一些水电站都在做这个工程，如乌东德、白鹤滩、溪洛渡水电站。
电力电子装备越来越多，给电力系统的理论和实践带来很多挑战。因为电子装备的时间常数、动作频率都很快，在传统的电力系统上增加大量电子装备，导致我们过去的理论往往不适应，所以现在从业人员都在做进一步研究。
（三）多能互补综合能源电力系统
关于多能互补综合能源电力系统，我提出几个概念：一是源端基地综合能源电力系统，二是终端消费综合能源电力系统，三是西能东输能源电力传输系统。“西能东输”的概念以前叫“西电东送”，将来“西电东送”会变成“西能东输绿色能源电力传输系统”。为什么？因为中国西部可再生能源资源非常丰富，还要进行大量开发，全部转变成电进行输送。但是，现在的技术不具备这么大的能力，也没有这么多的输电走廊。怎么办？措施一是当地利用，措施二是在当地把可再生能源资源集成氢，再把氢变成可输送的、可储存的燃料，即绿色燃料，比如甲醇、氨等（氢本身也是燃料）。这种能源输送就是“西能东输”。换言之，在利用西部可再生能源时，一条线是以电为主，一条线是绿色燃料代替现在的化石能源输送。
关于源端基地的综合能源，中科院学部曾设立过“青海大规模光伏发电与水电结合的综合能源基地研究（2009－2010）”课题，该课题研究报告建议青海的水电和光伏项目大力发展光伏结合，开展综合能源向东输送，目前这个设想已经基本实现。这是2004年发表的建议，在这近20年时间里一步一步实现了。
（四）清洁高效低碳零碳电力系统
高效能源系统的总体效率，从现在的30.8%到2060年将达到51.1%。这个效率很大程度是由于我们对终端消费侧能源效率可能估计不足，比如，当时设想的电动汽车数量远远小于现在的实际数量，而电动汽车后来的大量发展使终端效率提高很多。其中，存在两个较大因素：一是电力系统源端效率大幅增加。风光发电等非化石能源电力替代化石能源，取得快速发展，使得电力系统源端效率增加。而且过去煤电/热供发电的装备效率达到40%就算比较高了，而新能源是一次能源，新能源发出的电也是一次能源，效率很高，所以总体效率提高。二是电力系统终端消费效率大幅增加。电动汽车大规模应用就会使整体效率提高，而且无论石油效率多少（30%或40%），只要电的效率在90%以上，这个效率肯定会提高。
关于清洁高效低碳零碳电力系统中二氧化碳排放问题，我们通过对某个电力系统的估算，认为该电力系统在占比最高时占1/3－1/2。电力系统的煤电和天然气发电排放多，因为整个能源系统就是石油、天然气和煤炭，这三种燃料燃烧会产生二氧化碳排放。根据我们此前做的方案画出的排放曲线，即能源曲线、电力系统曲线、煤电曲线。煤电的减少使整个煤电系统曲线减少，如果采用绿氢以后煤电曲线会减少更多。绿氢将会在2050－2060年之间发挥较大作用，届时电力系统二氧化碳排放每年将会由7亿吨减少到4亿吨，2050－2060十年间将会累计减排30亿吨。此后，我们做经济比较并进行初步分析，对比“二氧化碳捕集、封存及再利用技术”（CCUS）和“二氧化碳捕集和利用技术”（CCU）哪个合算，比较碳捕集和碳储存哪个合算，氢和保留化石能源哪个合算。虽然对比的结论目前尚且不便展示。但可以提出的一点是，只要制造绿氢的原料是便宜的，经济账就没有问题。那便宜到什么程度？比如光伏发电，如果制氢的电价达到0.1元/千瓦时，那么这个价格就和煤制氢价格差不多，当然还没有考虑碳价等因素，因此这个问题仍然有待深入分析。
三、新型电力系统安全经济运行的新挑战
新型电力系统安全经济运行需要满足以下五项性能要求。一是灵活性。过去水电调节也具有灵活性，水电不能调节的时候，其他方面也可以为水电提供灵活性，适应复合需求；二是韧性。一旦遭遇极端事件，比如极端气候变化、甚至是由于外力干扰等带来的问题，如何快速恢复供应（特别是用户侧），称为韧性；三是稳定性；四是可靠性；五是经济性。笔者认为，新型电力系统安全经济运行面临上述五方面的新挑战。对此，提出两点应对挑战的关键举措。
第一，大力发展各类储能技术。这些技术既包括目前的短期储能（1h、2h或更长一点）；也包括长期储能，比如储氢、储氢衍生的绿色气体液体燃料（包括氨、绿色甲烷、绿色甲醇等）就是作为长期储能，它们在应对灵活性调节、应对韧性需求中发挥非常重要的作用，将来它们要代替煤炭、天然气储存，来应对不时之需，也为电网稳定运行提供灵活性调节作用。
第二，实现源端和受端（用户侧）多能互补综合能源电力系统。本文提出一组概念：一个是“IEPU”，在源端侧叫作综合能源生产单元（Integrated Energy Production Unit，IEPU）；另一个是“IEPU”，在消费侧叫作综合能源消耗/生产单元（Integrated Energy Consumption/Production Unit，IECU）。这些单元化结构将来组成大电网和受端电网的基本结构模式，以满足电网灵活性需求，满足绿色发展要求，对提高能源利用效率非常有益。
其中，IEPU的措施有两个：第一个是“火电厂+碳捕集+光伏电站”，之后制氢，再之后捕集碳做绿色甲烷、甲醇，这个方法在前几年就已开始宣传。第二个是“火电厂+电源”，电源可以是燃气轮机、燃料电池，但是电网希望有转动部件，能提供电力系统的惯性。比如在沙戈荒有风力发电、光伏发电，我们如何利用？可以用电解水制氢，制氢后可以配燃气轮机，也可以配燃料电池发电，再加上合成氨，不需要碳，分子是氮、氢和空气中的合成氨。第三个是水力发电，发电厂有时候要弃水，平常的调度可以和光伏电站一起进行。现在中国西南地区也这样做了，可以发展电解水制氢，也可以制成合成氨作为化工产品，作为一种绿色燃料。
关于IECU，分为几种模式：第一种模式是以建筑为主的建筑配用电综合能源。工业配电综合能源系统，包括光伏、电动汽车充电等，也包括农村的分布式电源、分布式光伏、分散型风电、分布式储能等。第二种模式是空气源热泵。现在被用来代替农村的热力供应，使得冬天有条件取暖，夏天有条件制冷，且空气热泵可以将效率提高几倍。第三种模式是城镇场景、生物质发电等组合，且组合之间采用直流输电，彼此相连将来可以相互调节，作为电网调度和电力市场的一个单元。 IECU具备4种功能：负责内部能源电力需求生产自治管理的微型网络；提供灵活性资源、增强系统韧性、参与电网调度和电力市场的基本单元；提供电力系统实时仿真模型的基本单元；作为电网的组成部分对内对外实现数字化、智能化管理模式。
四、小结与讨论
本文强调了两个重点。第一，关于新型能源体系构建的绿电替代和绿氢替代，以及生产单元IEPU和IECU。第二，关于构建新型电力系统有关问题的认识。绿色电力（包括绿氢电力）广泛替代化石能源的实施，大大降低了电力和能源系统的二氧化碳排放量，能源利用效率由此显著提高，并可减少常规和新型储能需求，为电力系统运行提供灵活性、弹性和惯性资源，确保系统安全稳定运行。根据国家能源局最新发布的政策，现在氢也被作为新型储能的一部分，这对于电力系统发展大有裨益。
（作者系中国科学院院士、中国电科院名誉院长。本文根据作者在2023年新能源科学与交通电动化国际论坛上所做的演讲整理，发表时略有删减。）