上海市能源电力领域碳达峰碳中和路径分析

金 颖 祝毅然 孙 腾

上海市节能减排中心有限公司

1 上海能源电力领域碳排放分析

1.1 电力消费量

上海市电力消费量持续增长，如图1 所示，2010-2020年年均增长2.0%，人均用电6 337 kWh。其中，工业用电量基本持平，三产、生活消费用电量持续增长。

图1 2010-2020年上海市电力消费量

1.2 碳排放量

根据生态环境部《关于印发<省级二氧化碳排放达峰行动方案编制指南>的通知》（环办气候函[2021］85 号）[1］，上海发电碳排放为发电投入能源产生的碳排放，其中，各种能源品种参考各年度《中国能源统计年鉴》折算为标准煤，不同种类化石能源的CO2排放因子，采用最新国家温室气体清单排放因子数据。电力调入蕴含的间接CO2排放量可利用本省（区、市）境内电力调入电量和国家推荐的煤电、气电CO2排放因子计算得到。

“十二五”以来，由于本地煤电发电量和可再生能源发电量一减一增，如图2所示，本市能源电力领域碳排放持续下降，从峰值的近8 300 万t 下降至2020 年的6 720 万t，2020 年全市综合电力排放因子在4.2~4.3 tCO2/万kWh之间。

图2 2010-2020年本市能源电力领域碳排放量

1.3 驱动因素分析

能源电力领域的碳排放量主要取决于社会用电量及电力排放因子情况。

1）全社会用电量

全社会用电量主要受社会经济的发展以及居民生活水平提升的影响。社会经济发展方面，一是目前上海仍处于快速发展阶段，全市社会经济总量的持续增长将需要更多的用电量支撑；二是社会经济发展的绿色转型，将导致全市三产结构的变化，以及工业领域内部的产业结构调整优化，也将影响用电量需求。居民生活水平方面，居民生活水平的提升、人均住宅面积的增加，也将导致居民生活用电需求持续增长。另外，随着各行业领域和居民生活的电气化水平不断提升，其它能耗也在不断向电力领域转化。

2）电力排放因子

电力排放因子主要取决于电源发电量结构，各类电源发展顺序为：优先发展本地非化石能源，其次增加市外来电调入（以非化石能源为主），然后是发展本地天然气发电，最后以燃煤发电作为安全托底保障。

2 其他国家能源电力领域碳达峰碳中和路径

2.1 日本

日本全国于2004 年实现碳排放达峰，达峰年人均GDP 为4.4 万美元（2010 年不变价，下同），能源电力领域碳排放占比为46.5%。全社会碳达峰后，受经济发展及东日本大地震等因素影响，发电量及碳排放量继续上升，由于非水可再生能源2010年后加速发展（2015 年比2009 年翻两番），使得能源电力领域碳排放在2013 年达峰，该年度人均GDP 为4.6 万美元，能源电力领域碳排放占比为53.1%。日本“第6 次能源基本计划”[2］制定了到2030 年温室气体排放量较2013 年减少46%并努力争取减排50%、到2050 年实现碳中和目标的能源政策实施路径，要进一步引进和扩展可再生能源和氢能这两大支柱，同时传统火电行业通过使用清洁电力将稳步实现脱碳，包括通过氢/氨发电和基于碳捕集、利用与封存（CCUS）技术创新火力发电模式，实现传统化石燃料发电的清洁脱碳。计划明确提出了2030年电力结构优化目标：可再生能源占比36%~38%（其中光伏发电约14%~16%、风电约5%、水电约11%、生物质发电5%），核电占比20%~22%，火电占比41%。该计划将火电定位为“实现能源转型和脱碳化目标过渡期的主力电源”，提出淘汰落后低效火力发电技术装备，发展清洁高效火电。

2.2 英国

英国全国于1971 年实现碳排放达峰，该年度人均GDP 为1.8 万美元，能源电力领域碳排放占比为43.1%。英国总发电量在全社会碳达峰后继续上升，1979年至1984年间发电量阶段性下降，随后继续上升直至2003年至2007年期间进入峰值平台期。由于1985 年发电量恢复增长时，煤电逐步被核能等零碳能源替代，占比下降超过电量增幅，使得能源电力领域在1979 年实现碳达峰，该年度人均GDP 为2.9 万美元，能源电力领域碳排放占比为44.8%。2011 年英国宣布2020 年后温室气体减排目标，其后煤电占比快速下降，2015 年降至25%以下，2020 年占比已降至2%以下，风电占比最高，达到30%以上，为2050 年实现净零排放目标奠定了较好基础[3］。

2.3 美国

美国全国碳排放在2000年至2008年间进入达峰平台期，维持在56 亿t 以上，达峰阶段，美国人均GDP 已跨过4.5 万美元大关。同期，能源电力领域碳排放也进入达峰平台期，碳排放占比维持在48.5%左右。2009 年后，全国发电量仍维持在4.3万亿kWh，但由于电力结构进一步低碳化，碳排放平稳下降。美国能源电力领域碳达峰的直接支撑因素是页岩气革命带来的廉价天然气。在此背景下，美国天然气发电快速发展，发电量占比从2008年的21%快速提升至2015 年的32%，成为煤电的主要替代电源。

2.4 德国

德国全国碳排放在1990 年前已达峰，2008 年碳排放较1990 年下降约19%。但由于发电量持续上升，能源电力领域碳排放始终保持在3.6 亿至4.0亿t，碳排放占比从44%升至51%。2008 年后德国发电量进入平台期，加之电力结构优化提速，核能及可再生能源占比显著提升，能源电力领域碳排放达峰，并持续下降。德国电力结构中，可再生能源占比46.4%（其中风电约24%，光伏发电约11%，生物质发电约8%，水电约3%），核电占比5.6%，火电占比45%。根据德国修订的《能源转型法》[4］，提出了到2030 年实现80%可再生能源发电的新目标，最迟到2032 年，德国2%的领土将被指定用于陆上风力发电。

2.5 小结

基于对美欧日等能源电力领域碳达峰碳中和趋势和路径分析，可以得出如下规律：

1）受需求侧和资源侧影响，能源电力领域碳达峰一般晚于全口径碳达峰。一是电量的持续上升，带动能源领域碳排放增长，能源领域碳排放长期保持在全社会碳排放的40%~50%，甚至在全社会碳达峰后进一步上升。二是电力结构优化与资源条件密切相关，正面例子如美国的能源领域碳达峰受益于页岩气革命带来的廉价天然气，在天然气发电大发展前，美国能源领域始终未能达峰；反面例子如日本停用核电后，可再生能源无法迅速填补电力空缺，火电反弹带动能源领域碳排放创新高。

2）经济发展达到较高水平时，能源电力领域才有可能实现碳达峰。英国、德国在人均GDP 3 万美元左右实现能源电力领域碳达峰，美国、日本在人均GDP 4 万美元以上实现能源领域碳达峰。对于发达经济体，至少要达到人均GDP 3 万美元的水平，才可能实现能源领域碳达峰。

3）燃煤发电仍将在较长一段时间存在，但电力清洁化、低碳零碳化为大势所趋。除了英国等少数国家外，美、德、日等主要发达国家在2030 年前仍将使用一定比例的煤电，日本还将发展高效煤电列为能源领域主要降碳举措之一，但总体上火电发展将更加倾向天然气发电，尤其是天然气发电成本低于燃煤发电的美国，煤电占比将更快下降。

3 上海能源电力领域碳中和预测研判

3.1 全社会用电量预测

3.1.1 近期（至2030年）

对标分析法：目前上海正处于人均GDP 2 万美元发展阶段（2020 年2.3 万美元），参考相对较为近期跨过此发展阶段、产业结构较为类似的韩国进行分析预测。韩国2005 年人均GDP 达到2 万美元，10 年间重点发展了电子信息、汽车、造船等产业，2015 年接近人均3 万美元，其间用电量每5 年增长20%（前5 年约30.2%、后5 年约11.3%）。在上海当前大力发展电子信息、造船、汽车等战略新兴产业制造业的背景下，预计用电量变化趋势将较为 接 近 韩 国，2025 年 电 量 约1 890 亿~2 050 亿kWh，2030年电量约2 190亿~2 350亿kWh。

分领域预测法：一产基本在6 亿~7 亿kWh 左右；二产受电子信息、汽车、发电等产业带动，预计“十四五”GDP年均增长4%、电力消费弹性系数维持2015 年以来的平均水平，用电量达到约1 000 亿kWh。三产受疫情反复影响，恢复较慢，随着疫情趋于结束，预计“十四五”GDP 年均增长6.1%，电力消费弹性系数逐步恢复到2015年以来的平均水平，用电量达到670 亿kWh。居民生活用电持续平稳增长，随着居民生活水平进一步提高，人均生活用电量将从约1 000 kWh 继续向1 500 kWh 的国际大都市水平迈进，2025 年用电量达到330 亿kWh。综上，2025 年全市用电量约1 950 亿kWh；考虑“十五五”期间本市GDP 增速降至年均4%，电力弹性系数较“十四五”稳中略降（0.75），2030 年本市总用电量约为2 250 亿kWh。

综合上述对标分析和分产业预测法，预计上海全社 会 用电 量2025 年约1 950 亿kWh、2030 年约2 250 亿kWh。

3.1.2 中远期（至2060年）

对标分析法：本市人均终端能源消费量将在2035 年左右达到甚至超过目前人均GDP 4 万美元以上的主要发达经济体中位数水平（4.1 tce/人，电力为当量值），后续随着产业结构的进一步调整优化，逐步下降至3.5 tce/人。上海当前电气化水平为0.20，对标日本、中国香港等东亚经济体，挪威、瑞典等欧洲经济体，并考虑交通电气化等重大因素影响，预计2050年电气化水平将达到0.35。综上，2050年本市终端用电量约2 900 亿~3 000 亿kWh，2060 年约3 200亿~3 300亿kWh。

趋势外推法：参考近期相关机构发布的2050年全球能源展望报告，对电力需求增速作预测均在2%上下浮动，按此增速，2050年本市终端用电量为2 840 亿kWh。另考虑新能源车大力推广因素增加用电量约120 亿kWh。2050 年本市终端用电量约2 960亿kWh，2060年约3 300亿kWh。

综合上述对标分析和分产业预测法，预计上海全社会用电量2050 年约2 960 亿kWh、2060 年约3 300 亿kWh。

3.2 预测情景设置

3.2.1 本市能源电力领域政策背景

2022 年8 月，上海市印发了《上海市能源电力领域碳达峰实施方案》[5］，明确了在保障能源安全供应基础上，推动能源结构转型，加快用能方式转变，构建清洁低碳、安全高效的能源体系，为实现碳达峰碳中和目标、建设现代经济体系提供坚强保障。

碳达峰阶段（2021-2030 年）：根据《上海市能源电力领域碳达峰实施方案》，该阶段的能源电力绿色低碳发展方向和目标已基本明确，将碳达峰战略导向和目标要求贯穿于能源电力发展的各方面和全过程，在保障能源供应安全的前提下，聚焦可再生能源开发、煤炭消费替代和转型升级、油气消费合理调控、新型电力系统建设等关键环节，组织实施本市能源电力领域碳达峰行动。

碳中和阶段（2031-2060 年）：随着电气化程度提升，能源电力领域排放强度降低难度越来越大，能源电力领域碳中和时间取决于新型电力系统建设进程[6］，通过大规模开发深远海上风电、谋划海岛核电，从理论上可以实现新能源占比的不断提升。未来煤电在确保安全前提条件下逐步转为备用，并通过加装CCUS 系统，在实现碳达峰的基础上逐步实现碳中和[7］。

3.2.2 情景设置和碳排放预测

根据不同的能源工作力度和相关技术发展水平，课题组设置了基准情景、低碳情景及强化情景，并对不同情景下上海市能源电力领域碳排放开展了分析,如图3所示。

图3 上海市能源电力领域碳排放量预测

基准情景：考虑保持现状电力结构，煤电仍为主力托底电源。维持现有可再生能源开发、燃气发电的发展速度，煤电机组装机保持不变，近期新增市外来电中煤电占比50%，远期占比20%。

低碳情景：考虑煤电逐步从主力电源向安全调峰及保障转变，进一步挖掘可再生能源电源潜力，加快新型电力系统的建设，增强燃气发电的调峰功能以及CCUS的应用。

强化情景：在低碳情景的基础上，进一步提升非化石能源的占比。未来重点考虑氢能、核能等多种零碳发电前沿技术的成熟及应用，能源电力领域逐步走向碳中和。

4 结论和建议

1）能源电力是实现全社会碳中和的重点领域。能源电力领域的碳排放量占全社会碳排放的40%-50%，且随着工业、建筑、交通等终端用能领域电气化水平的不断提升，能源电力领域将被传导更多的减碳压力。基于以上规律，从既有发展经验来看，能源电力领域的碳达峰会晚于全社会碳达峰，当能源电力领域能够实现近零排放或者碳中和后，全社会才有条件实现碳中和目标。

2）积极稳妥推进能源革命是实现碳中和的主要路线。大力发展可再生能源等零碳能源电力是实现能源电力领域碳中和的主要手段。要把促进新能源和清洁能源发展放在突出的位置，加快发展有规模有效益的风能、太阳能、生物质能、地热能、海洋能、氢能等新能源。总体发展节奏上要立足能源资源禀赋，传统能源逐步退出必须建立在新能源安全可靠的替代基础上。

3）能源电力领域碳中和需要各类能源技术的支撑。要构筑能源电力领域碳中和场景，需要大容量零碳能源发电技术，以及新能源电力网络输配、储存和消纳体系的建立。一是要强化前沿技术研发和核心技术攻关，加快能源前沿性、颠覆性开发利用技术攻关，聚焦开展可控核聚变技术、海洋能发电及综合利用技术、超大型海上风机研制技术、高效光伏电池技术、氢能和燃料电池技术以及大容量、高密度、高安全、低成本新型储能技术研发。二是要加大新型电力系统关键技术研究应用，创新高比例可再生能源、高比例电力电子装置的电力系统稳定理论、规划方法和运行控制技术，提升系统安全稳定运行水平。研究建立电力应急保障体系，合理配置新型储能，优化系统风光水火储结构，提高多元互济能力。