環境學院王燦教授課題組研究揭示煤電在中國電力系統碳中和轉型路徑中的關鍵作用
科研速遞
Scientific Research News
清華大學環境學院王燦教授課題組研究評估了燃煤電廠從基礎負荷轉向靈活性電源在加速中國電力系統實現碳中和目標上的三方面關鍵作用，即減少煤電資產擱淺風險、促進中短期可再生能源消納、降低電力系統碳中和轉型成本，為煤炭依賴型經濟體探索公正有序的能源轉型路徑提供科學支撐。
《聯合國氣候變化框架公約》第二十八次締約方大會達成的《阿聯酋共識》強調以公正、有序、平等的方式從能源系統中擺脫化石燃料，但各國路徑仍不明確。電力系統凈零轉型是實現碳中和目標的核心支柱，以風、光為代表的波動性可再生能源大規模并網在快速減排的同時帶來調峰需求激增，因此，轉型仍受到天然氣資源匱乏、儲能技術成本高昂的制約。與此同時，中國作為煤炭消費大國，面臨碳達峰碳中和目標下緊迫的時間窗口，快速退出煤電會導致巨大的資產擱淺和社會政治風險。亟需探索既能減輕煤電擱淺風險、又能以低成本支撐高比例可再生能源發展和電力系統碳中和的轉型路徑。
為此，本研究在中國省級電力系統優化模型中內生了煤電提前退役、詳細的碳捕集與封存技術改造和小時級調度的跨期決策，模擬2025年至2060年不同情景的電力系統低碳轉型路徑。研究交叉設置碳排放約束與煤電角色兩類變量構建六種轉型情景：在碳排放約束上，劃分參考情景（REF，無額外碳減排政策）、溫和減排（MOD，2030年達峰、2060年中和）和嚴格減排（STR，2025年達峰、2050年中和）；在煤電角色上，區分基荷情景（Base，年利用小時數>5000h、最低出力70%）與靈活調度情景（Flex，無利用小時數限制、最低出力40%）。
研究結果顯示，在實現相同氣候目標基礎上，煤電從基礎負荷轉向靈活性電源具有三方面關鍵作用。首先，煤電靈活調度顯著降低提前退役壓力，可避免的提前退役容量高達617.8GW-651.2GW，現有煤電機組的平均壽命損失減少7.9-9.6年；其次，煤電靈活調度將提高煤電的系統價值，降低更昂貴的燃氣發電和儲能需求，加速波動性可再生能源的短期發展，使得2030年風電光伏發電的容量增加194.0GW-244.8GW，上述效益在不同區域的差異明顯；最后，煤電靈活調度將顯著降低電力系統低碳轉型成本約1760億美元，主要來源于燃料成本節約和降低氣電儲能的投資需求。
圖1 煤電提前退役、利用小時數和預期壽命損失（a-d分別為MOD-Flex、STR-Flex、MOD-Base和STR-Base情景的提前退役容量熱力圖，e為不同運行期的平均利用小時數，f為不同時期建設的煤電平均壽命損失）
圖2 不同情景和時期的中國電力系統裝機容量和發電結構（a-c分別為2030年、2045年和2060年的分情景裝機結構；d-e分別為2030年、2045年和2060年的分情景發電結構）
研究指出，煤電轉型戰略必須與整個電力系統的碳中和路徑相一致，有序的煤電轉型策略在防風險、促減排、降成本等方面發展著關鍵作用，必須重視考慮煤炭、風光和碳封存資源稟賦的差異確定因地制宜的煤電轉型策略，并采用有效的政策組合應對電力系統各主體激勵不足的挑戰，包括電力市場、容量電價機制、碳排放權交易市場等，確保激勵相容并不斷發揮煤電在提供靈活資源的價值。
圖3 電力系統轉型成本動態及其構成（a為電力系統轉型成本占REF-Flex情景系統總成本的比重；b為電力系統轉型貼現的總成本構成；c和d分別為MOD和STR排放情景下煤電靈活調度帶來的各期成本節約構成）
3月8日，該項研究成果以“重新定位煤電以加速中國電力系統凈零轉型”（Repositioning coal power to accelerate net-zero transition of China’s power system）為題在線發表在《自然·通訊》（Nature Communications）中。清華大學環境學院2021級博士生安康欣為論文第一作者，中國石油大學（北京）經管學院教授鄭馨竺、清華大學地學系教授蔡聞佳等為論文合作者，環境學院教授王燦為論文通訊作者。本研究得到了國家自然科學基金委員會專項項目等項目支持。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1038/s41467-025-57559-2
供稿 | 環境系統分析教研所
通訊員 | 安康欣
編輯 | 張楠楠
審核 | 徐明
責編 | 陳超
