1 研究背景

习近平总书记在第七十五届联合国大会一般性辩论上发表重要讲话，提出我国“二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和”。电力行业碳排放量约占碳排放总量的50%，要想实现2060年碳中和，中国电力部门几乎需要完全脱碳[1]。中国作为世界上最大的碳排放国家[2]，面临着环境保护、资源节约与自身经济发展等多重压力，煤炭资源型地区由于“一煤独大”的能源结构以及高碳排放强度，在我国下一阶段的能源转型及绿色发展中具有举足轻重的地位。根据习近平总书记提出的2060年碳中和承诺，煤炭资源型地区电力部门碳排放应如何实现从达峰到中和的目标？应如何对现有能源结构进行改革及规划？探索这一问题对于我国2060年碳中和目标的实现具有重要的意义。

目前关于电力系统碳减排的研究主要集中在碳排放达峰[3-6]、推广新技术[7-8]及不同减排强度或可再生能源发展政策下[5, 9-10]国家或区域电力结构变化趋势。这些研究为国家层面制定新政策及新技术规划提供了一定的参考，但研究成果没有将区域的资源禀赋和技术条件考虑在内，且对于电力技术参数的体现不够细致，无法很好地为各地区的电力结构优化提供具体的参考方案。基于对以上研究的补充，本研究采用了“自下而上”的TIMES(The Integrated MARKAL-EFOM System)模型,选取典型的资源依赖型地区——山西省作为研究对象，考虑山西省现有发电结构、装机结构及资源禀赋，对不同情境下山西省电力部门的2030-2060年碳排放达峰-碳中和发展路径及发电结构进行预测，并根据模型运行结果提出政策建议。

2 研究方法

TIMES模型是国际能源署(IEA)开发的能源系统优化模型，TIMES模型在满足设定污染物排放限制的条件下，以系统成本最小化为目标，计算能源系统中能源供应、能源转换及能源需求等不同层次的能源平衡，以满足系统终端能源的需求。清华大学的陈文颖和马丁等[3, 11-12]最早运用TIMES模型对中国的能源问题进行研究，并带来了广泛的现实影响。山西省电力系统TIMES模型参考能源系统以2015年为基年，每个时间段设置为5年，规划期为2015-2060年。山西省电力部门TIMES模型分为经济模块、环境模块、能源技术模块及需求模块四大模块。

2.1 经济模块

经济模块分为基年模块和新技术模块。基年模块以2015年为基年，对山西省现有可再生能源发电、火电等技术的投资成本、可变成本、运行维护成本等进行细化。新技术模块除以上成本外还考虑到由于技术学习效应引起的发电成本下降。该模块以最小成本为目标，应用线性规划方法，对设定的未来能源需求、CO2减排成本等进行模拟分析，从而对发电技术(设备)的现状和未来发展进行详细描述。

2.2 环境模块

环境模块对各发电技术温室气体的排放系数及排放目标进行设置。发电技术在发电过程中的温室气体排放分为可再生能源发电和化石能源发电，参考郭枝[13]对于排放系数的设置，在不考虑全生命周期的情况下，将可再生能源发电技术的碳排放系数设为0。对电力温室气体排放目标的设定，通过模拟不同策略下的碳减排，得到碳中和目标倒逼下的发电技术组合及发电结构。

2.3 能源技术模块

能源技术模块对山西省现有发电技术的发电效率、装机规模、年可利用因子、技术寿命和峰值贡献率等参数进行设置。基年的发电技术包括发电技术前端的能源供给技术及发电技术，发电技术发展受到当地资源供给量的约束。新技术模块则包括加装CCS设备的清洁火电技术(以下简称清洁火电技术)、加装CCS装置的生物质发电技术(以下简称BECCS)以及储能技术，储能技术包括抽水储能和电池储能两种，模型中储能技术只储存可再生能源发电，并将其转换为终端需求电。新技术与现存技术存在的区别是新技术的装机规模不受限制。

2.4 需求模块

电力系统中的能源需求为电力需求，根据关攀博[14]的研究，影响山西省电力需求量的主要因素为总发电量、煤炭外调量和城镇居民可支配收入等13个因素。基于关攀博的研究，构建山西省电力系统电力需求量的预测模型，采用精度较高的三阶灰色预测模型GM(1,3)预测山西省电力系统2020-2060年的电力需求量。山西省不同时间段的电力需求占比数据通过韩艳宾[15]的研究及郭枝[13]的研究计算得来。该模块将山西省电力需求作为约束条件与模型进行关联，如下式所示：

EiXi≥DEM(y)

(1)

式中：Ei——能源转换效率矩阵；

Xi——从一次能源产品到终端电力需求之间各环节的能流向量，即优化后的电力供给解；

DEM(y)——山西省电力部门终端电力需求向量。

2.5 模型构建

模型的构建考虑山西省现有发电结构及碳中和目标对负排放技术的需求，考虑了8类发电技术。山西省电力部门的模型构建如图1所示。

模型约束方程主要包括以下3个方面：

(1)总的规划目标为电力能源系统总成本最小化：

(2)

式中：z——贴现率；

y——规划期内的年份；

Ic——电力能源相关的技术投资成本；

Fc——电力能源相关的运营维护成本；

Vc——电力能源相关的可变成本；

S——电力能源相关技术装置淘汰时的残值。

(2)各技术环节的能源载体平衡，即技术各环节的能源转换要大于等于下一环节的消费：

EiXi-Xi+1≥0

(3)

(3)电力部门各技术的生产运行限制和容量限制，能源的生产量不超过电力技术的容量或生产运行限制：

EiXi≤CAPi

(4)

式中：CAPi——电力系统使用技术的工艺容量向量。

3 情景设计及数据来源

本文根据国家碳中和目标的提出设置3类情景：基准情景、碳达峰情景和碳中和情景。碳中和情景又分为阶梯碳中和情景和直接碳中和情景。经济模块中，山西电力系统对可再生能源电力的补贴主要包括对风电、光伏发电和生物质能发电的补贴，补贴的标准参考国家发改委2015年发布的《关于完善陆上风电光伏发电上网标杆电价政策的通知》《可再生能源法》[13]。其余经济及能源技术模块参数主要来自于《山西省“十三五”能源发展规划》《中国电力统计年鉴2016》《电力工业统计资料汇编2016》及相关文献[16-20]。环境模块中，本文设定的减排目标是碳达峰及碳中和，因此除碳总量目标设置外，模型中环境模块对污染物的排放不加其他减排政策。环境参数来自山西省本地企业实地调研、行业报告和相关文献[21-23]。

3.1 基准情景

模型以2015年为基年，基准情景的设置与山西省现有发电系统情景相一致，碳排放模块不设定限制。在此情景下，模型仅仅在满足经济社会发展目标及电力系统需求的情况下，以系统成本最小为目标对发电技术组合及发电结构进行选择。

3.2 碳达峰情景

模型中碳排放模块只设定达峰目标，即运行模型得到山西省电力系统2030年碳排放值，并在2030-2060年期间，将该排放值作为碳排放上限值。在此情景下，模型2030-2060年的碳排放将不能超过2030年的排放值，该情景反映山西省仅设置碳排放达峰而未设置碳中和目标下的电力系统结构变化情况。

3.3 碳中和情景

参照YANG C等[24]对温室气体减排的约束设置，碳中和情景主要考虑长期目标导向下的“倒逼”减排路径，分为直接碳中和情景和阶梯碳中和情景。直接碳中和情景即在2030-2060年期间，排放上限保持在2030年达峰的水平，然后在2060年将碳排放总量降至碳中和水平。阶梯碳中和情景为电力系统设置从2030-2060年的线性减排目标，可代表为电力系统设置中期目标或阶段性目标的政策路线，第二种约束是递减的碳排放上限，具体来说，假设2030-2060年的排放量为直线轨迹。碳排放约束设置如图2所示。

二氧化碳排放总量约束(即各环节的二氧化碳排放量之和不应超过某个总量限制)的表达式如下：

ENVi,y=hXi,y=h≤ENV(y=h)

(5)

式中：h——设定碳排放目标的年份，取2030、2035、2040、2045、2050、2055、2060；

ENVi,y=h——h年份各环节的二氧化碳排放量；

ENV(y=h) ——h年份二氧化碳排放总量控制指标。

4 结果分析与讨论

4.1 碳排放约束设置

通过运行基准情景，得到2030年山西省电力系统的碳排放值为111 040.7万t，对3种情景设置的碳排放限制见表1。

4.2 模型结果分析

基年2015年的山西省电力供给结构在模型预测结果中与实际情况符合度较高，说明文章所建立的模型具有可信度。2020-2030年期间，山西省的电力供给以火电为主，2030年火电比例较2020年略有下降，从78%降至75%，其中装有CCS设备的清洁火电(以下简称为清洁火电)占比从3%增至7%，传统火电技术发电量占比有较大降幅；生物质发电及可再生能源发电占比增长均较小，其中，光伏发电占比超越风电，成为发电量最大的可再生能源发电技术，伴随风电和光伏的发电占比增长，储能发电占比也有小幅增长，水电占比增幅较小。为使图表更加清晰，将传统火电、清洁火电、可再生能源占比及各种可再生能源发电技术占比分别呈现，2020-2030年发电结构如图3所示。

除基准情景外的3种场景均为2030年后对山西省电力系统碳排放总量进行限制，4种场景2020年及2030年发电结构基本相同，故2020年及2030年的发电结构在下文的结果展示中不再赘述。

4.2.1 基准情景结果分析

在基准情景下，2030-2060年期间，山西省的电力供给一直以火电为主，发电占比整体变化较小，稳定在70%～75%，其中清洁火电占比略微减少；可再生能源发电结构也相对稳定，在25%～30%之间浮动，其中光伏发电占比逐年上升，从8%增至15%，风电、水电占比变化较小，分别稳定在7%及4%附近；储能及生物质发电则占据较小的发电比例。2030-2060年期间，具有负碳排放功能的BECCS技术未能引进。基准情景下2030-2060年发电结构如图4所示。

综上，基准情景下，2030-2060年期间，山西省发电结构整体变化较小，火电占据发电主力地位，清洁火电占比略微减少，可再生能源中具有发展潜力的主要为光伏发电，其次为风电、水电，储能与生物质能则具有较小的发展空间。

4.2.2 碳达峰情景结果分析

在碳达峰情景下，2040年山西省的电力供给结构以火电为主，但占比较2030年有所下降，其中清洁火电发电量占总发电量的21%；可再生能源发电量占比为36%，风电和光伏发电量占比较大且均有较大增长，其余发电技术占比较小。2040-2050年期间，电力供给结构产生较大变化，可再生能源发电量超越火电，光伏发电快速发展，占比增至26%，风电、水电、储能占比均有所增长，生物质发电占比保持不变；火电占比下降至46%，其中传统火电下降至24%。2060年山西省电力供给结构仍以可再生能源为主，其中光伏发电量最大，占比增至30%，与火电持平，其次为风电，储能及水电均有小幅增长，总体占比较小，生物质发电由于BECCS技术的引进，占比增至7%。碳达峰情景下2030-2060年发电结构如图5所示。

综上，2030-2060年碳达峰情景下，在碳排放达峰目标的限制下，火电占比从2030年的75%减少至2060年的30%，其中清洁火电占比呈上升趋势；可再生能源发电量占比从25%增长至69%，2040-2050年期间，可再生能源发电量首次超越火电，光伏发展最快，其次为风电，水电及储能发电量占比也呈现逐年上升趋势，但总体占比较小；在2030-2050年期间生物质发电量一直较小；2050-2060年期间，为维持小于等于达峰碳排放量的减排目标，BECCS技术在2050-2060年期间开始出现，但占比较小，仅占总发电量的4%。

4.2.3 阶梯碳中和情景结果分析

在阶梯碳中和情景下，2030-2040年，电力供给结构以火电为主，占比达57%，其中清洁火电占比达36%；可再生能源发电量占比为43%，除光伏风电外，其余发电技术发电量占比较小；2040-2050年期间可再生能源发电量超越火电，占比为66%，其中光伏发电量最大，其次为风电，储能、水电发电占比均有小幅增长，期间伴随BECCS技术的引入，生物质发电占比增至4%；火电占比下降至34%，其中清洁火电占比较2040年有所下降；2050-2060年，可再生能源发电占比增至80%，光伏发电发展迅速，占比增至34%，发电量超过火电。风电、水电、储能发电占比基本稳定，生物质发电增长迅速，由4%增长至11%，其中BECCS占比为9%。阶梯碳中和情景下2030-2060年发电结构如图6所示。

综上，2030-2060年，在阶梯碳中和情景下，火电占比大幅下降，清洁火电占比从7%增长至17%，到2060年火电技术已大部分配备CCS装置；可再生能源发电量占比大幅上升，从2030年的25%增长至80%，在2040-2050年期间可再生能源发电量首次超越火电，其中光伏发电量发展最快，风电、水电及储能发电量占比逐年增加，在2030-2040年期间生物质发电量占比较小；BECCS在2040-2050年期间开始出现，呈快速上升趋势。

4.2.4 直接碳中和情景结果分析

直接碳中和情景中，2030-2040年期间，山西省电力系统的发电结构以火电为主，达到60%，其中清洁火电发展迅速，传统火电的占比则有所减少；可再生能源发电量占比为40%，风电和光伏发电增长较快，其余可再生能源占比变化较小。2040-2050年期间，可再生能源发电量超越火电，占比达60%，光伏发电在此期间发展迅速，占比增至27%，风电、水电、储能占比均有小幅增长，生物质发电占比则略有减少；火电仍为发电量最大的技术，占比达40%，清洁火电占比达26%，较2040年略有减少。2050-2060年期间，可再生能源发电发展迅速，占比增至77%，其中，光伏发电超越火电成为发电量最大的技术，风电、水电、储能占比也有小幅增长，由于具有负排放技术的BECCS技术引入，生物质发电占比由1%增至12%，BECCS占比为10%。直接碳中和情景下2030-2060年发电结构如图7所示。

综上，2030-2060年直接碳中和情景下，传统火电逐渐被清洁火电取代。可再生能源发电量占比从2030年的25%增长至77%，且在2040-2050年期间首次超过火电，其中，光伏发电发展最为迅速；生物质发电在2030-2050年期间占比较小，伴随BECCS技术在2050-2060年期间的加入，生物质发电技术发电量在2050-2060年期间大幅上升，在2060年实现碳中和的情况下BECCS技术发电量占比达10%。

4.3 各种情景发电技术增速分析

根据模型计算结果，对4种情景下2030-2060年期间各种发电技术的增长率进行计算，增长率如下式所示：

(6)

式中：εi——i技术在2030-2060年期间的增长率；

ωi,2030——i技术在2030年的模型计算发电量；

ωi,2060——i技术在2060年的模型计算发电量。

不同情景下2030-2060年期间各种发电技术增长率具体结果见表2。

2030-2060年期间，在基准情景中，由于发电结构基本稳定，增长率普遍较小；碳达峰情景由于设定了一定强度的碳排放总量控制目标，导致电力供给结构发生了较大程度的变化，其中增长率较大的发电技术有光伏发电、风电及储能发电，对比基准情景，传统火电技术成为增长率最小的发电技术；由于相对前两种情景设定了更为严格的碳排放总量控制目标，两种碳中和情景发电技术增长率普遍较大，火电技术均呈现负增长率，伴随后期BECCS技术的大规模引入，两种碳中和情景中，生物质发电增长率最大，除生物质发电外，碳中和情景中增长率较大的发电技术依次为光伏发电、储能发电、风电。传统火电除了在基准情景有较大增长率外，在另外3种情景增长率很小或呈现负增长；清洁火电、生物质发电、水电在直接碳中和场景中发展潜力大于另外3种情景，光伏发电、储能、风电则在阶梯碳中和情景中发展潜力最大。

5 结论和建议

文章通过建立山西省电力部门TIMES模型，分析了山西省电力部门碳中和目标的实现路径，得到以下主要结论。

(1)合理推进清洁高效煤电的发展，保障电力部门碳中和目标实现的安全性。基准情景下，山西省电源结构整体相对稳定，火电仍然在电力行业占据主导地位，清洁火电占比略微减少。在碳达峰情景下，火电在2030-2060年期间发电比例持续下降，但清洁火电占比呈上升趋势。在碳中和情景下，火电占比迅速下降，在2030-2040年期间，火电占据发电供给主力地位，2040-2060年，火电占比大幅减少，传统火电逐步被清洁火电替代。

(2)大力发展可再生能源，是山西省电力部门实现碳中和的主要路径。碳达峰及碳中和情景中，可再生能源发电增长较快，其中碳中和情景中可再生能源电力发展更为迅速。随着碳中和目标的趋近迅速增加，光伏发电在2050-2060年期间发电量超越火电，且发电量远大于其他可再生能源电力。风电在2030-2060期间发电量也呈快速增长趋势，但与光伏相比较慢，水力发电与储能发电量稳步上升但发电量占比变化较小，生物质发电在2030-2050年期间占比较小，但随着BECCS技术的加入，其发电量在2050-2060年期间快速上升。

(3)因地制宜发展或引进有潜力的技术。在发电技术发展潜力方面，光伏与风电在4种情景下均具有较大发展潜力，在碳中和情景中增长率最大；传统火电技术除了在基准情景中增长率较大外，在另外3个情景中所占份额逐步被可再生能源发电及清洁火电所取代，清洁火电在碳达峰、碳中和情景下均有较大发展潜力；生物质发电由于BECCS技术的后期大规模应用，在碳中和情景中体现较大发展潜力。

对于山西省电力部门实现2060年完全脱碳，由以上的研究结论得出如下政策建议。

(1)煤电行业要将重点放在优化存量上，向清洁低碳的方向发展。山西省内火电企业应加大工作力度，深入推动落实“节能降耗、安全环保”等各项举措，积极推动“清洁、高效、绿色”发展。按照碳中和目标倒推，火电增长空间十分有限，其中清洁火电将逐步替代传统火电，应加大对火电清洁生产的技术投入，积极部署CCS等清洁发电技术，实现火电的清洁生产。

(2)加大山西省可再生能源的发电占比，在保证电力供给安全的情况下，结合屋顶光伏、光热发电等项目，鼓励可再生能源发电的多样化和规模化使用，从供应侧减少碳排放。发挥山西省太阳能资源优势，优先开发光伏发电，同时积极发展风电。在大规模发展可再生能源发电的同时，积极配置储能电站，确保可再生能源电量可以被电网消化。

(3)在考虑成本情况下，山西省应当为碳中和目标下最具发展潜力的发电技术，如光伏、风电、BECCS技术等设置补贴。其中，具有负碳排放功能的BECCS技术可能在2050年前后开始快速发展，政策制定者应当更早的部署负碳排放技术的引入与发展，增加其缓解气候变化的潜力。

本研究对于山西省及类似煤炭资源型地区电力部门实现碳中和具有一定的现实意义。同时，由于现实研究难点和数据资料获取的局限性，仍有相关的议题需要进一步挖掘。在未来，可再生能源电力技术必定会与储能技术的发展相辅相成，研究重点应细化储能技术，关注风、光、水、火、储等联动发展的综合能源体系。

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Study on the realizing path of carbon neutrality in power sector of Shanxi province

LIU Rui, YAO Xilong

(School of Economics and Management, Taiyuan University of Technology, Jinzhong, Shanxi 030600, China)

Abstract Taking Shanxi province, a typical coal resource-based region, as an example, the TIMES model was used to set three scenarios: baseline scenario, carbon peak scenario and carbon neutrality scenario, and the carbon peak and carbon neutrality paths of the power sector of Shanxi province from 2030 to 2060 under different scenarios were analyzed. The study results showed that from 2030 to 2060, under the baseline scenario, the power generation structure in Shanxi would be relatively stable, the proportion of thermal power would be stable at 70%～75%; under the scenario of carbon peak, the proportion of thermal power would continue to decline, and the thermal power would still be the largest generating power by 2060, accounting for 30%; compared with the carbon peak scenario, the carbon neutrality scenario would require a larger reduction in the share of thermal power, with renewables accounting for more than 75% and the photovoltaic power generation would account for the largest proportion. In order to achieve the goal of carbon neutrality of power system, Shanxi's power generation system should vigorously develop clean thermal power technology with CCS device, wind power and photovoltaic power generation technology, deploy negative carbon emission technology as soon as possible, and set phased carbon emission reduction target after carbon emission peak.

Key words power sector of Shanxi province; carbon peak; carbon neutrality; coal resource-based region; TIMES model

中图分类号 F426

文献标志码 A

引用格式：刘睿，姚西龙. 山西省电力部门实现碳中和的路径研究[J]. 中国煤炭，2021, 47(8)：8-16. doi: 10.19880/j.cnki.ccm.2021.08.002

LIU Rui, YAO Xilong. Study on the realizing path of carbon neutrality in power sector of Shanxi province[J]. China Coal，2021, 47(8)：8-16. doi: 10.19880/j.cnki.ccm.2021.08.002

作者简介：刘睿(1997-)，女，汉族，山西长治人，研究生，主要研究方向为能源工程管理。E-mail：1403893461@qq.com

(责任编辑 郭东芝)