編者按：2022年7月20～21日，由中國能源研究會主辦的第四屆未來能源大會在北京召開，會議圍繞“碳中和與全球產業融合”的主題，探討如何進一步推進能源綠色低碳轉型，構建循環發展經濟體系、提升能源利用效率、提高非化石能源消費比重、降低二氧化碳排放水平、提升生態系統碳匯能力等工作。

中國科學院院士、中國電力科學院名譽院長周孝信在會上作主題發言，他指出，“雙碳”目標將對電力系統帶來很大變化，最主要的變化是可再生能源的比例將大幅度上升，給新型電力系統安全穩定經濟運行帶來新的挑戰，構建清潔、高效、低碳和韌性可靠的電力系統對于新型電力系統建設十分關鍵。

電力系統對推動實現碳達峰、碳中和影響重大

周孝信認為，電力系統與發展根據其技術特征及其他宏觀的一些主要特征，可以分成三個階段：第一階段為上個世紀50年代以前，稱為第一代電網，主要特點是輸電量特別低，電網規模很小;第二階段為上世紀后50年，主要特點是電力快速發展，整個電力系統實現從小規模向大規模跨越發展，技術越來越精密，電壓等級越來越高。大電網也是一樣，總的特點就是大機組、超高壓、大電網、交直流與互聯電網。但實際上它是不可持續的，因為它主要還是以化石能源為主，包括資源問題、環境問題;第三階段為新一代電力系統。從調研結果來看，國外上世紀90年代開始有這樣一個發展趨勢，國內還是新世紀中葉，應該是以可再生能源和石油發電為主，電網應該是骨干電網和局部電網及微電網相結合，電源就是主力電源，對中國來說還是要采取主力電源與分布式電源相結合的方式。“總的來說，基于可再生能源和清潔能源，是一種可再生發展的綜合電力的發展模式。”周孝信指出。

從數據分析看，2025年，我國非化石能源發電裝機占比將超過50%，2035年風光裝機量超過總裝機容量50%，2050～2060年煤電裝機將保持在4億千瓦以上。發電量方面，2030～2035年非化石能源發電量占比超過50%，2045～2050年風、光發電量超過總發電量50%，2050～2060年煤電發電量低，年運行2000小時以下。

周孝信告訴記者，目前，我國新型電力系統的核心目標是要成為能源清潔低碳轉型的關鍵路徑、能力電力安全保供的基本保障、能源電力節能高效的普遍舉措和實現能源普遍服務的主要途徑。其主要特征可概括為六個方面：

一是高比例可再生能源廣泛接入。一次能源消費中非化石能源主要來自一次電力(水電、風電、太陽能發電等可再生能源電力以及核電等)，大幅提高以風、光等新能源為主的可再生能源電力占比，是電力系統升級換代的重要標志，也是實現能源轉型的主要支撐。

二是高比例電力電子裝備大規模應用。與傳統電磁變換裝備相比，電力電子裝備在物理結構、控制方式、動態行為、設備交互等方面都存在顯著差異，伴隨超大規模交直流輸電及大量新能源機組接入系統，電力電子裝備應用數量不斷提升、范圍不斷擴大，將深刻影響電力系統運行特征。

三是多能互補綜合能源利用。隨著多行業多類型技術高度融合，電力系統的內涵和范疇將不斷外延，應充分發揮多元化資源配置的平臺作用，促進風、光、水、煤等協同互補，電、熱、冷、氣綜合利用，實現能源資源的按需、合理、高效開發利用。

四是數字化、智能化智慧能源發展。先進數字化、智能化技術將廣泛滲透在未來能源電力系統各環節設計規劃及調度控制中，形成高效運行、用戶友好的智慧能源系統。

五是向清潔、高效、低碳、零碳轉型。構建新型電力系統作為支撐實現“雙碳”目標的核心手段，應以清潔、高效、低碳為根本發展導向，提升新能源開發利用水平、提高系統總體能源利用效率、降低二氧化碳排放，為整體能源轉型奠定堅實基礎。

六是高韌性本質安全可靠保障。綠色發展和數字革命是新世紀以來推動電力系統發展模式轉換的兩大驅動力。形成以非化石能源為主的電源結構，構建新一代電力系統，是實現能源轉型、建設清潔低碳安全高效能源體系的主要途徑。“預計到2060年，電力系統二氧化碳排放將不到10億噸。所以電力系統做得好不好，對碳達峰、碳中和目標的實現影響重大。”周孝信認為。

新型電力系統安全運行面臨的新挑戰

以預測2050年數據為例，我國電力裝機容量是75億千瓦，非化石能源裝機占比84%，風、光裝機占比72%，發電量占比占58%。2050年，太陽能發電量占比32%，風電電量占比25%，煤電電量占比5.7%，氣電電量占比6.7%。

結合數據，周孝信認為，我國電力系統安全穩定和經濟運行有五項性能要求。一是靈活性，即應對系統中電源出力和負荷需求短期和中長期波動時，保持正常穩態運行的調節能力，這是電力系統源荷平衡保持正常運行的必要條件。對應的挑戰為以風電、太陽能發電為主的高比例可再生能源電力系統對“源網荷儲”互動提供靈活性資源的需求巨大。

二是韌性，即應對極端氣候或外力嚴重干擾下，系統快速恢復電力供應的能力，這是電力系統應對突發事件的必備條件，對應的挑戰為風電、太陽能發電對氣候的敏感性，以及全球氣候變化，使極端氣候條件下快速恢復供電的韌性需求更為頻繁和迫切。

三是穩定性，即系統承受各類擾動后保持暫態和動態穩定的能力，這是電力系統正常和擾動后安全穩定運行的基本條件，對應的挑戰為高比例電力電子裝備電力系統的低慣性、頻率電壓穩定及寬頻振蕩，以及信息物理系統、多能耦合系統的穩定性。

四是可靠性，即系統不間斷地向用戶供電能力的度量，是建立在裝備和系統故障統計基礎上概率分析的結果，這是電力系統安全運行的基礎條件，對應的挑戰為電力電子裝備過載能力弱、低于故障能力低及新能源發電的不確定性，影響風電、太陽能發電入網設備和系統供電的可靠性。

五是經濟性，即建立在市場或非市場基礎上，系統能力損失量最小或經濟社會效益最大化的運行機制體現，這是電力系統為社會提供優質服務的前提條件，對應的挑戰為“雙碳”目標下能源轉型過程中有效化解電力的成本提高，建立有利于系統運行綠色經濟性的市場化機制。

綜合能源生產單元(IEPU)設想

“雙碳”目標下，我國能源電力系統清潔低碳轉型任務艱巨，如何科學推進傳統煤電升級改造及有序退出、同時促進新能源消納成為能源轉型路徑規劃和相關戰略制定的重要議題。周孝信指出，一方面，由于資源稟賦及行業發展歷史等原因，我國仍保有大量燃煤火電機組，且當前大量在役火電廠發電效率已基本達到瓶頸，單純大規模推廣碳捕集及封存技術代價昂貴，若采用簡單關停處理方式，又不利于一定時期內能源平穩供應過渡，同時涉及國有資產保值增值、就業等多方面問題，迫切需要有效手段，有序推進存量煤電機組的升級改造，充分發揮煤炭基礎性保障和調節作用;另一方面，由于以風電、太陽能發電為主的可再生能源具有波動性和間歇性，機組出力不確定性強，抗擾動能力和動態調節能力弱，新能源高比例接入將對電力系統安全穩定運行帶來巨大挑戰，系統靈活調節資源的需求顯著提升。為應對上述問題，周孝信提出關于一種融合火電機組碳捕集、燃煤機組混燒生物質、可再生能源電解水制氫、甲烷/甲醇合成等技術的設想——綜合能源生產單元(Integrated Energy Production Unit, IEPU)的設想。

記者了解到，IEPU將電解制氫、可再生能源發電、甲醇/甲烷/氨合成、二氧化碳捕集等設備集成為一體，通過單元內部各子系統協同運行及單元與外部電網的靈活互動，以及多類型能源的生產、存儲和化工合成等過程耦合，具有以下兩個方面的優點：

一是以電解制氫裝置作為可控負荷，通過與火電、水電等可調機組聯合運行，在綜合能源生產單元內部各子系統協同優化的同時，實現與電網互動，成為具有高靈活性的虛擬能源生產單元，為高比例新能源電力系統提供靈活性支撐，以包含煤電、光伏、電解水制氫制甲醇的方案為例，其可參與電力系統日調度的出力上限為：煤電機組額定功率+光伏發電功率-電解水制氫制甲醇裝置出力下限;出力下限為煤電機組最小出力限制-電解水制氫制甲醇裝置出力上限。可見，若將該系統整體作為一個虛擬發電單元，其靈活性調節范圍較傳統煤電機組顯著提高。

二是通過二氧化碳直接與氫氣合成，生產甲烷、甲醇等便于存儲、運輸的綠色燃料或作為重要化工原料產品，一方面可規避大規模二氧化碳捕集后壓縮及封存的高額成本投入;另一方面形成合理可行的產品收益模式，有利于火電企業推廣應用二氧化碳捕集與利用技術，在促進火電行業碳減排及轉型發展的同時，所生產的氫氣與二氧化碳、氮氣合成，生成綠色燃料化工原料產品，也可為能源相關領域化石燃料和原料替代提供一定的來源補充。

針對儲能領域，周孝信表示：“過去是儲煤、儲天然氣、儲石油，將來作為非化石能源，在完全綠色的情況下，儲氫及利用氫和二氧化碳合成產生一些能源產品和化工原料，我認為這一點非常重要。”

周孝信認為，可再生能源電解水制氫的生產過程，作為電力系統可快速調節負荷，可成為應對風電、太陽能發電波動性、間歇性的有效措施，可部分替代燃料電池的調節作用。綠色能源產品，如甲烷、甲醇、氨等，以其便于運輸、易于儲存的特性，既可作為化工原料，也可作為以新能源為主體的新型電力系統應對中長期能源電力供需不平衡的一種儲能介質。

電力系統的靈活性和韌性

周孝信告訴記者，目前，國內外沒有關于電力系統靈活性統一的定義和定量評價指標。北美電力可靠性協會把電力系統的靈活性定義為：電力系統供需兩側響應系統的不確定性變化的能力，包括儲存能量的能力和高效機組組合及經濟調度的能力。國內有一個更準確、更細化的定義：在所關注時間尺度的有功平衡中，電力系統通過優化調配各類可用資源，以一定的成本適應發電、電網及負荷隨機變化的能力。

同樣，電力系統的韌性也尚無統一的定義和定量評價指標。美國國家工程院的定義是：能夠認識到長時間、大面積停電事故發生的可能性，事故前充分預備，事故發生時使其影響最小化，事故發生后快速回復并且從事故中獲取經驗，從而自我提升的能力。國內在作了詳細地研究后有更加準確的定義：能夠全面、快速、準確感知電網運行態勢，協同電網內外部資源，對各類擾動作出主動預判與積極預備，主動防御，快速恢復重要電力負荷，并能自我學習和持續提升的電網。

2022年6月14日，生態環境部、國家發展改革委、科學技術部門等17個部門聯合印發了《國家適應氣候變化戰略2035》，其中特別提到增強我國經濟社會系統的氣候韌性。“特別是對于基礎設施，包括能源設施，以及設施本身涉及到的關鍵技術，該戰略都提出了很明確的提高韌性的要求。”周孝信說。

如何提高電力系統靈活性和韌性，周孝信進一步指出，一是以氣候變化影響敏感的關鍵領域為抓手，堅持減緩、適應與可持續發展系統理念，增強我國經濟社會系統氣候韌性。二是推動基礎設施與重大工程氣候韌性建設，加強能源基礎設施正常運行保障，提高耐受風暴潮、高溫、冰凍等極端天氣氣候事件的能力;通過“能源+氣象”信息深度融合，提升能源供應安全保障水平。三是突破基礎設施與重大工程關鍵適應技術，能源工程與電網安全設施需要重點提升多電網聯合并網、消納和調度技術;城鄉基礎設施需要重點提升供水、供電、交通和應急通訊等綜合適應能力技術。

電力系統靈活性仿真分析表明，在風電、太陽能裝機占比超過70%的情況下，電力系統正常運行時除要有足夠的煤電、氣電、各類儲能等提供的靈活性資源參與調節外，還需要設置光伏電解水制氫等能源轉換裝置作為負值可調節容量加以配合。在極端氣候條件下，更需要動用長周期綠色能源儲備，如綠氫及甲烷、甲醇、氨等綠色氣體液體燃料參與能源電力供應。

周孝信用數據的形式呈現了電力系統如何為實現碳中和目標作出貢獻：“能源系統和電力系統二氧化碳排放均可實現2030年前達峰，能源系統二氧化碳排放量將在2050年和2060年分別降低為峰值的28%、10.5%，而電力系統分別降低為峰值的25.4%和1.6%，這就為2060年前實現碳中和目標作出了電力系統的貢獻。”

“雙碳”目標下的兩大重要舉措，就是要構建清潔低碳、安全高效的能源體系和構建以新能源為主體的新型能源系統。“雙碳”目標和能源轉型的戰略目標高度一致，兩個構建是實現能源轉型的根本措施。“第三代電力系統是100多年來第一、二代電力系統的傳承和發展，是推動能源轉型發展、構成新一代能源系統核心的新一代電力系統。電力系統由以化石能源為主，向可再生能源為主轉型，將對能源轉型目標的實現起到關鍵作用。”周孝信表示。