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实现我国碳中和目标的关键路径:新能源替代煤电

来源:中国电力企业管理   作者:刘自敏等   时间:2020-12-17

2020年9月22日,国家主席习近平在联合国大会上的讲话明确指出:“《巴黎协定》是保护地球家园需要采取的最低限度行动,各国必须迈出决定性步伐。中国将提高国家自主贡献力度,采取更加有力的政策和措施,力争二氧化碳排放于2030年前达到峰值,努力争取于2060年前实现碳中和。”

根据统计,中国碳排放已经达到约100亿吨/年,当前碳排放量位列全球第一,占全球总排放量的1/4以上。碳中和意味着碳排放和碳汇相等,根据估计,要实现碳中和,要求最终碳排放量低至15亿吨左右。因此未来碳排放量需要比目前大量减少才能实现碳中和,这将是未来我国在国际社会责任领域最大的挑战之一。同时,经济增长与社会发展需要能源支撑,能源消费促进经济社会发展的同时带来的副作用之一就是将导致碳排放增加,目前我国一次能源中化石能源占85%。在碳中和目标约束下,碳减排就是要不断优化能耗结构,以低排放能源替代高排放能源。那么,在电力行业中,基于技术进步,光伏、风电、水电等新能源替代煤电,提高新能源的渗透率,将是实现我国碳中和目标的关键路径。

挑战:全国碳市场及碳中和

对发电行业提出了更高要求

当前全世界主要国家和地区的碳减排政策处于深化过程中。2020年9月,欧盟再次加大节能减排政策力度,将2030年温室气体减排目标由原有的40%提升至55%,实现措施包括提升可再生能源发电份额等。而在美国,拜登在其《清洁能源革命和环境正义计划》中,拟确保美国在2035年前实现无碳发电,在2050年前达到碳“净零排放”,实现“100%清洁能源消费”。由此,国外的强化能源减排政策将对我国造成更大的碳减排压力,尤其是对碳排放大户——传统煤电行业产生巨大影响。

为了早日实现碳减排与碳排放达峰目标,中国政府于2011年批准北京、天津、上海、湖北、重庆、广东和深圳七省市实施碳交易试点工作,并于2017年正式启动全国碳排放权交易市场。《国家应对气候变化规划(2014-2020年)》中也明确提出,要借鉴国际碳排放交易市场建设经验,结合我国国情,逐步建立覆盖全国的碳排放交易市场。目前全球范围内共有21个区域碳市场已经运行,涵盖了51个国家、州和省。这些碳市场覆盖了全球碳排放总量的15%,世界经济总量的50%。当前中国碳排放已经占到全球的29%,电力生产碳排放已经占到中国碳排放总量40%。因此,中国碳排放交易市场中首先纳入其中的即为发电行业。

2016年4月,中国政府正式签署了《巴黎气候变化协定》,向全世界做出了自愿减排承诺,随后我国于2017年12月启动了全国碳排放权交易市场(发电行业)的建设。2020年11月,环境保护部发布了关于公开征求《全国碳排放权交易管理办法(试行)》(征求意见稿)和《全国碳排放权登记交易结算管理办法(试行)》(征求意见稿)意见的通知,紧锣密鼓地部署在发电行业全国范围内的碳排放交易运行。并考虑未来将其他行业(如水泥、钢铁、石化、造纸、航空、化工、玻璃、冶炼等)纳入全国统一碳市场中。

由于发展阶段的差异以及我国巨大的碳排放基数,全国统一碳市场的建立及碳中和目标的实现对我国发电行业提出了更高要求。尤其是碳中和目标意味着节能减排路径更加陡峭,实现难度增加。而同时,欧盟提出将在2050年实现碳中和,且欧美早在2010年前就已实现了碳达峰,而我国仍处于经济快速发展阶段,经济发展过程中的碳排放量仍在上升。因此从碳排放达峰到实现碳中和的时间对比来看,相较于欧美发达国家从碳达峰到碳中和之间较长的50~70年,我国从碳排放达峰到碳中和之间的时间窗口仅为30多年。故可以明确地看到,全国统一碳市场及碳中和对发电行业提出了更高要求,2020年后的电力行业碳减排部署将会进一步加强。

机遇:全国碳市场及碳中和

进一步推动了能源的清洁技术进步偏向

随着全国范围碳市场的推进,碳排放权交易也在逐步完善。碳排放权交易价格实质就是碳市场控排行业中企业排放的外部性定价,提高了企业的能源使用成本(尤其是非清洁能源的使用成本),加之我国从碳排放达峰到碳中和之间的时间窗口较窄,使得企业所面临的碳排放成本更加高昂。故全国碳市场的建立与碳中和推动了企业的能源清洁技术进步偏向,进而使得地区乃至全国技术进步都偏向清洁能源的使用。

早期的技术进步理论均认为技术进步是中性的,即资本与劳动等投入要素的生产效率是同比例增加的。但实际中技术进步并非均为中性,它可能更偏向于提高某一种要素的生产效率,抑或是偏向减少某种要素使用。Hicks(1932)提出了偏向型技术进步思想,即技术进步是为了节约昂贵投入要素的使用,后来理论界出现的创新可能性边界理论(Kennedy,1964)、技术搜寻理论等对Hicks的理论进行了扩展。当前最有代表性的理论由Acemoglu(2002、2003a、2003b、2012)提出,他夯实了偏向型技术进步的微观基础,明确了技术进步要素偏向、要素增进的定义。下面以企业为例来说明偏向型技术进步引致节能减排的路径。假设企业在生产时使用两种能源,即清洁能源与非清洁能源。在没有碳排放权约束与强制减排约束的情况下,企业偏向使用非清洁能源,因为此时企业不必为较高的碳排放量负担任何直接成本。在存在碳排放权交易时,企业的碳排放成本将大幅度提高,即使企业使用非清洁能源进行生产也会大幅度提高成本。此时过高的成本就会给企业以改进与开发清洁技术的激励,企业的技术进步偏向清洁能源的使用,减少非清洁能源的使用。

图为传统情景与碳中和情景下电力市场交易价格的对比。左图代表在传统情景下,煤电发电比例较大。可再生能源发电价格高于煤电,即使政府实施新能源补贴政策,可再生能源发电价格也可能较高并处在电力市场均衡交易价格之上。从价格角度,传统化石能源仍然更具竞争力。右图代表在碳中和情景下,可再生能源发电市场比例高于煤电发电市场比例,可再生能源占比变大,可再生能源发电价格略低于煤电发电价格。碳中和目标会推动技术进步偏向可再生能源,使得可再生能源的边际产出增加成本降低,进而使得可再生能源发电价格低于电力市场的均衡交易价格,从价格角度,可再生能源更具竞争力。

在碳排放存在约束的目标下,电力市场将与碳市场高度关联,传统煤电企业的电力成本将逐步高企,而清洁能源将具有比较优势,由此也进一步需要两个市场协调发展。在碳价设计与电价设计之间进行权衡,而这其中输配电价的设计将起到关键枢纽作用。目前中国仍以燃煤发电作为主要发电方式,电力行业成为二氧化碳排放的主要行业。2017年以来,煤炭消费量有反弹趋势,“十四五”期间,必须严控化石能源。基于“中国要积极参与全球环境治理,落实减排承诺”,并“构建市场导向的绿色技术创新体系”的背景,在经济发展与更高的碳排放双重约束下,能源使用量不能下降,而碳排放量不能增加太多,这必然要求清洁能源承担更大的责任,而这其中的重中之重就是能源的清洁技术偏向,这必然导致将更多的研发投入投放至清洁能源,在电力市场中对于高比例清洁能源的更合理消纳,以及碳市场中发电企业碳价格的进一步提高。

机遇:能源的清洁技术技术进步偏向

为电价改革提供了空间

因此可以看到,在碳中和政策下,能源的清洁技术进步偏向为我国的电价改革以及激励型输配电价设计提供了更为广阔的空间,主要包括以下两个方面:

首先,碳中和政策及其引致的能源清洁技术进步偏向推动了清洁能源的价格下降,为电价与输配电价改革提供了空间。具体而言,碳中和政策会从两个方面推动清洁能源的价格的下降。一方面,碳中和政策增加了传统的化石能源的发电成本,在更紧密的碳排放目标约束下,必然推高化石能源电力价格,使得清洁能源价格在即使不下降的情况下也很具有竞争优势。另一方面,碳中和政策会引致能源技术进步更偏向于清洁能源技术,从而推动清洁技术的更快发展,由此带来清洁能源成本的进一步下降,推动清洁能源价格下降,从而增大清洁能源的价格竞争优势。2020年10月生态环境部、国家发改委、央行、银保监会、证监会等五部门发布的《关于促进应对气候变化投融资的指导意见》,也为能源行业的清洁技术进步偏向提供了资金保障,并激励清洁技术创新与发展。由此,为实现上述两方面的政策效果,国家可以考虑将当前对清洁能源(如风能、太阳能)的不可持续补贴前移至前段清洁能源的研发投入,以实现激励相容的输配电价核算。

其次,全国统一碳市场与碳中和目标为电力总量中的高比例可再生能源提供了政策支持。我们需要改变目前以化石能源燃烧为主的发电结构,提升光伏、风能、生物质能等清洁能源发电的占比,一些模型和情景研究表明,2050年左右中国非化石能源比重在一次能源消费中的比重将达到80%左右。在技术进步与清洁能源发电成本下降的基础上,用户的平均用电成本有望继续下降,这可以为我国2018、2019年两年实施的一般工商业电价下降10%,2020年下降5%政策的可持续性提供支持。在此基础上,也为扭转随着中国居民用电比例逐步提高而引致的电力交叉补贴居高不下、难以为继提供解决方案。并且只有当发电侧与用户侧之间的价格空间足够大,设计各方接受、合理有效、激励相容的输配电价体系才会成为可能。

当然,也需要说明,在电力行业高比例可再生能源系统构建过程中,必须充分考虑我国电力建设实际情况与电力技术经济特征。当前我国的可再生能源消纳还存在电网配套建设不足严重影响送出能力、可再生能源出力波动性较大、各利益博弈方矛盾影响可再生能源消纳等诸多需要逐步解决的问题和矛盾。但在全国统一碳市场与碳中和目标的指引下,构建高比例可再生能源系统是一个明确的方向。

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