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碳減排已成為全球各國的共識。在此背景下，中國在第75屆聯(lián)合國大會上首次提出 “碳達峰、碳中和”目標；日本提出在2013年水平上，至2030年減排45%~50%；歐盟承諾到2030年，在1990年的水平上減排55%；美國承諾到2030年，在2005年的水平上減排50%~52%，并計劃在2050年前實現(xiàn)凈零排放。

電力行業(yè)是碳減排的關(guān)鍵所在。基于麥肯錫全球碳中和模型的測算，為達成1.5攝氏度控溫目標，全球電力行業(yè)需要在2050年前減少99%以上的碳排放，相當于幾乎要達到零碳排放。為實現(xiàn)減排目標，各大碳排放主體相繼制定了能源轉(zhuǎn)型與電力行業(yè)改革的目標與方案。

值得一提的是，美國2021年4月提出 “到2035年實現(xiàn)零碳污染電力系統(tǒng)”的目標。本文將重點關(guān)注美國為實現(xiàn)這一目標所采取的戰(zhàn)略行動，以及它對中國電力行業(yè)低碳化轉(zhuǎn)型的借鑒意義。

作者：Rory Clune、Evan Polymeneas、Humayun Tai、汪小帆、廖緒昌 和 吉雅圖

中國電力行業(yè)碳減排的潛在挑戰(zhàn)與應(yīng)對措施

電力行業(yè)是中國碳減排的關(guān)鍵所在。在麥肯錫之前的專題文章《“中國加速邁向碳中和”電力篇：電力行業(yè)碳減排路徑》中，我們重點分析了中國在積極推進電力行業(yè)低碳轉(zhuǎn)型過程中，需要做好三件事，即提升電力系統(tǒng)靈活性，加快煤電退役，以及解決可再生能源成本偏高的問題。同時我們也探討了可行的解題思路：

1、三管齊下提升電力系統(tǒng)靈活性

具體來說，通過大力擴增跨省輸電容量、加快增量配電網(wǎng)建設(shè)來提升電網(wǎng)輸配能力；通過降低電化學儲能成本、提升安全性，最大程度實現(xiàn)電池的回收利用，發(fā)展電池技術(shù)優(yōu)化電力儲能技術(shù)；通過政府、企業(yè)和其他利益相關(guān)方共同發(fā)力，加強需求側(cè)管理與響應(yīng)體系建設(shè)。

2、根據(jù)中國各省煤炭依賴程度和可再生能源豐富度不同，設(shè)計針對性的煤電退役路徑

對煤炭依賴度高，可再生資源豐富度低的區(qū)域，穩(wěn)步退役不盈利的落后煤電產(chǎn)能，同步投資CCUS技術(shù)及其基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，促進煤電清潔化，優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)；對煤炭依賴度高，可再生資源豐富度高的區(qū)域，加速轉(zhuǎn)型，用可再生能源替代退役的煤電產(chǎn)能，并投資儲能技術(shù)；對煤炭依賴度低，可再生資源豐富度高的區(qū)域，加快可再生能源建設(shè)，與政府和電網(wǎng)公司協(xié)作促進跨區(qū)域的電力運輸；對煤炭依賴度低，可再生資源豐富度低的區(qū)域，著眼未來，積極轉(zhuǎn)向可再生能源電力，并因地制宜，制定符合當?shù)亟?jīng)濟發(fā)展規(guī)劃的能源戰(zhàn)略。

3、運用市場化手段解決可再生能源成本偏高的問題

可再生能源企業(yè)可借助綠色電力交易和碳交易，增加項目收益，同時借助債券等金融手段，提升其資產(chǎn)的盈利能力，從而提高可再生能源的整體回報。

現(xiàn)在讓我們來看看美國電力低碳化的思路。他山之石，可以攻玉，希望多維度可以為我國電力行業(yè)脫碳提供有益的參考。

美國電力行業(yè)的脫碳路線圖

2021年4月，美國制定了“到2035年實現(xiàn)零碳污染電力系統(tǒng)”的目標，這是美國實現(xiàn)到2030年碳減排50%~52%、2050年凈零排放的重要內(nèi)容?！?】 麥肯錫研究發(fā)現(xiàn)，電力行業(yè)早日實現(xiàn)大幅碳減排，是通往脫碳經(jīng)濟眾多路徑的一個關(guān)鍵因素。【2】在美國大部分市場，太陽能、風能等可再生能源相比煤和天然氣已經(jīng)具備成本競爭力，而且電力減排是推動如交通運輸（電動汽車）、建筑（電力供暖）等其它行業(yè)綠色低碳轉(zhuǎn)型的必備基礎(chǔ)。

本文將基于“2035年凈零排放”脫碳情景展開闡述，在該情景下，各地區(qū)電力市場將無需其它行業(yè)的碳抵消就可實現(xiàn)2035年溫室氣體（GHG）凈零排放。該模型還考慮了由于交通運輸、建筑供暖電氣化以及工業(yè)部門支撐整個經(jīng)濟實現(xiàn)2030年碳減排50%~52%和2050年凈零排放目標而增加的電力需求。本質(zhì)上，這一情景所代表的是在保障電網(wǎng)可靠性和韌性的前提下，實現(xiàn)電力行業(yè)碳減排的最低成本路徑?！?】

本文所分析的美國電力系統(tǒng)碳減排的關(guān)鍵理念和戰(zhàn)略舉措，是從美國實際情況出發(fā)的一種可能路徑。我們相信也有其它可行路線圖，并且隨著大家認知的提高和技術(shù)的進步，不論是電力行業(yè)還是整體經(jīng)濟，新思路將陸續(xù)出現(xiàn)。對比之下，“維持現(xiàn)狀情景”是指如果聯(lián)邦政府不加大減排力度，那么技術(shù)的持續(xù)進步和現(xiàn)有各州的減排承諾，很可能出現(xiàn)減碳遲緩乏力的情形。我們估計，“維持現(xiàn)狀情景”下美國電力系統(tǒng)到2040年的碳排放水平相較2005年降低59%。

電力行業(yè)對于脫碳化所發(fā)揮的核心作用

美國碳減排的一個關(guān)鍵抓手，在于交通運輸和采暖要從使用化石燃料轉(zhuǎn)為“清潔”的可再生能源。要實現(xiàn)這一轉(zhuǎn)型，電力行業(yè)在減排的同時還要滿足2035年電網(wǎng)負荷增加約40%的要求（見圖1）。這相當于在未來十年用電負荷年增速將達到2%，而在基準情景下年增速僅為0.5%（作為參照，過去15年美國電力負荷增速接近于零）。


隨著住宅電氣化及水暖電氣化的加速普及，用電負荷曲線可能會發(fā)生顯著改變，冬季用電高峰或?qū)㈩l頻出現(xiàn)。在氣候寒冷的新英格蘭等地區(qū)，部分本地電網(wǎng)的負荷高峰已經(jīng)轉(zhuǎn)向冬季。我們的分析顯示，隨著熱泵使用量的增加，可能幾乎所有寒冷地區(qū)的市場都會在2035年完成這一轉(zhuǎn)變。與此同時，氣候比較溫暖的加利福尼亞、德克薩斯州等大型市場將維持夏季負荷高峰，但是由于采暖的增加，冬季用電需求也將出現(xiàn)顯著上升。

2035年凈零排放情景預(yù)計聯(lián)邦政府的減排計劃將快步走在各州前面?？紤]到電力行業(yè)所起到的關(guān)鍵作用，電力用戶、倡議人士和監(jiān)管部門對其減排速度和各州的最終目標抱以更高的期望。五年前，鮮見電力公司做出全面減排承諾。如今美國23個州制定了規(guī)劃，力爭電力行業(yè)或是整體經(jīng)濟在2050年前實現(xiàn)至少80%的碳減排，許多電力公司還設(shè)立了比各州更加激進的減排目標。

到2035年，將需要投資2.5萬億美元用于新建電站、輸電設(shè)施、部署靈活性資源以應(yīng)對電力系統(tǒng)持續(xù)增加的不確定性，而升級配電網(wǎng)、擴大和加強輸電網(wǎng)絡(luò)、投資下游應(yīng)用的額外成本也將進一步推高整體成本。所有這些成本可能最終還是會由終端用戶和納稅人承擔，而成本如何分配還有待進一步研究。

十大舉措助力實現(xiàn)2035年凈零排放

雖然各州及聯(lián)邦層面的碳減排路徑或有不確定性，電力和天然氣行業(yè)的領(lǐng)先企業(yè)現(xiàn)在也應(yīng)制定相關(guān)的戰(zhàn)略決策。如前所述，實現(xiàn)2035年溫室氣體凈零排放存在多種可行路徑（參見附文“百分百電力減排的可行選擇”）。下面是一些可供項目開發(fā)商及運營商、電力公司、科技企業(yè)、政府和其它相關(guān)方參考的舉措，這些可能是目前電力行業(yè)低碳轉(zhuǎn)型討論中所缺失的。我們希望，這些具體做法可以幫助利益相關(guān)者綜合考量資本分配、技術(shù)升級、降低風險等因素，而后找到更優(yōu)的解決方案。

附文：百分百電力碳減排的可行選擇

本文以2035年實現(xiàn)電力行業(yè)凈零排放為假設(shè)情景。然而，我們討論的一些最嚴峻的挑戰(zhàn)在于如何實現(xiàn)最后10%~20%的碳減排。假如電力行業(yè)到2035年能實現(xiàn)80%~90%的減排目標，再用十年左右的時間彌補剩余差距，那將有助于消除資本項目配置風險，同時為包括新型太陽能和儲能方案（如鈣鈦礦及長時儲能）、商業(yè)驗證可行的SMR或聚變、漂浮式海上風電、直接空氣捕碳等多種新技術(shù)的推廣提供加速跑道。

著眼長遠的減排計劃還能降低總體系統(tǒng)成本。按照預(yù)測的技術(shù)學習曲線，成熟的可再生能源技術(shù)將在2035到2045年間額外降本10%~20%（美元/千瓦）。還可降低由供應(yīng)鏈緊張引起的漲價風險，為建筑節(jié)能改造提供額外的時間。如果電力以外的其他部門也想遵循同樣的減排路線，可能需要加快脫碳步伐。但是，全局考量減排、成本、可靠性會帶來更好的結(jié)果。

1. 通過改善選址和提效審批流程、擴展供應(yīng)鏈，跨越風能和太陽能裝機容量的S型曲線。在該情景下，到2035年，新的太陽能、陸上和海上風能將占到總裝機容量的60%，這就意味著太陽能和風能行業(yè)的年均裝機增速需要提高近七倍，才能實現(xiàn)在未來15年內(nèi)部署1,500吉瓦可再生能源裝機容量的目標。這就要求更多高技能的勞動力、更充裕的供應(yīng)鏈產(chǎn)能和新建的海上風能港口設(shè)施。盡管可再生能源需要的土地不到美國本土陸地總面積的1%，但因為土地有限且利用較為分散，加上建設(shè)輸電線路的所需的路權(quán)較難獲批，使得新建經(jīng)濟可行的新能源項目困難重重。紐約可再生能源選址辦公室提供了一個克服種種挑戰(zhàn)的早期參考樣本，【4】其宗旨是通過標準化申請許可和其它流程的改善大幅加快新項目部署。然而，要在全國范圍內(nèi)推廣并取得大范圍的成功仍需全方位的不懈努力?！?】

2. 擴展跨州輸電通道。在可再生能源滲透率較高的地區(qū)，輸電擁堵情況日益頻繁，導致互連成本高昂，許多可再生能源項目也因此止步。事實上， 2014年以來，美國僅開發(fā)了3吉瓦跨州輸電網(wǎng)絡(luò)，而中國開發(fā)了近260吉瓦的跨省和遠距輸電網(wǎng)絡(luò)。【6】放眼未來，輸電能力的受限還會增加對當?shù)匕l(fā)電的依賴，即使當?shù)匕l(fā)電可能成本更高。例如，模型顯示，擴展新英格蘭地區(qū)與加拿大之間的輸電網(wǎng)絡(luò)有利于美國進口低成本水電，而不用新建15吉瓦成本更高的風能和太陽能。聯(lián)邦及各州政府機構(gòu)正采取一系列舉措努力將這一解決方案加以推廣，如近期達成的聯(lián)邦基礎(chǔ)設(shè)施法案，包括730億美元清潔能源輸電撥款以及聯(lián)邦政府機構(gòu)州際項目提速的新措施和工具。【7】

3. 提高電網(wǎng)日內(nèi)靈活性。低碳電力行業(yè)的發(fā)電將主要依靠間歇性可再生能源。按每小時匹配電力供應(yīng)與需求，靈活性資源的部署應(yīng)與低成本可再生能源形成互補（見圖2）。建立300吉瓦以上的短時響應(yīng)能力才能滿足日內(nèi)電力需求。電網(wǎng)級儲能，例如鋰電池儲能，在整合可再生能源的同時還能提高輸電基建設(shè)的利用率。幸運的是，截至2020年底，美國電網(wǎng)互連隊列中電池儲能已超過200吉瓦，標志著市場正快速增長?！?】在配電系統(tǒng)內(nèi)周密部署電池儲能，不僅有助于管理電氣化帶來的電力負荷大幅波動，還能強化老舊配電網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的韌性和可靠性。此外，需求端抓手的重要性與日俱增，包括實現(xiàn)交通運輸電氣化的充電管理以及采暖及熱水蓄能中的智能建筑能源管理，這兩種做法越來越受到歡迎?！?】最后，商業(yè)及工業(yè)電力需求響應(yīng)也能發(fā)揮關(guān)鍵作用，可調(diào)度負荷如雙燃料工業(yè)供熱、高延時數(shù)據(jù)中心、低谷期抽水蓄能，以及靈活電解制氫等，具有顯著的平衡潛力，同時又對終端用戶的財務(wù)（或?qū)嶋H）影響很小，基本可忽略不計。


4. 加快煤電退役。由于排放限制和經(jīng)濟效益不佳，在2035年凈零排放情景下，煤基發(fā)電將會快速退役（未來15年退役245吉瓦以上裝機容量）。近年來，煤電裝機退役的聲音有增無減。按照目前規(guī)劃，2035年產(chǎn)能較2015年基準線將削減45%（疫情前計劃削減30%）。不過余下的煤電廠中有相當一部分決定著受監(jiān)管電力公司的費率基準，在資產(chǎn)負債表上保有大量的價值，因此一個可行的退役方案必須將這些價值考慮其中。

目前已制定的方案包括煤電廠用戶電費價值的證券化、加快退役以及資產(chǎn)減記等，證券化可激勵電力公司將資本重新部署到可再生能源。例如，2020年密歇根公共服務(wù)委員會批準了Consumers Energy公司的提案，準許其以發(fā)行6.88億美元債券的方式完成D. E. Karn煤電廠的退役。此舉預(yù)計可為用戶節(jié)省1.24億美元，且可為新的低碳投資籌措資本?！?0】整體的煤電退役計劃也需要考慮煤電廠下崗員工的過渡安置。

5. 繼續(xù)運營現(xiàn)存核電設(shè)備。根據(jù)已公布的退役計劃以及現(xiàn)有許可證到期情況，我們估計到2035年將有超過20吉瓦的核電裝機退役。盡管如此，模型顯示保留剩余的60吉瓦產(chǎn)能仍具有經(jīng)濟、減排和可靠性效益，目前許多核電廠因為低電價和高固定成本面臨經(jīng)營困難?！?1】各州和聯(lián)邦政府正就提供額外財務(wù)援助以保證部分核電廠正常運轉(zhuǎn)開展討論。例如，伊利諾伊州在宣布關(guān)閉拜倫和德雷斯頓兩家核電站后，又批準了新的財務(wù)支持以維持其運營。最低成本分析顯示，保持這些核電廠的正常運營能帶來整體系統(tǒng)效益，同時也印證了關(guān)于核電的討論往往十分棘手。

6. 部署可調(diào)度的零碳發(fā)電，包括明確天然氣的角色。在2035年凈零排放情景下，天然氣發(fā)電裝機量有望持續(xù)增加。這部分增長既可提供季節(jié)靈活性，又能補齊區(qū)域可再生能源產(chǎn)量較低時期的缺口，到2035年運營裝機將從目前的414吉瓦增加到590吉瓦（見圖3）。只不過按照凈零排放趨勢，這些燃氣電廠可能無法像現(xiàn)在這樣運營。因此，我們可能需要對氫、生物甲烷、可再生天然氣和氨等零碳或低碳燃料進行組合利用，提供調(diào)峰產(chǎn)能，應(yīng)對極端天氣下的電力短缺。同時，那些發(fā)電設(shè)備利用小時數(shù)較高，解決結(jié)構(gòu)性不均衡或季節(jié)性失配的氣電企業(yè)，則需要進行碳捕集改造。再者，生物能源與碳捕集和封存相結(jié)合（BECCS）可形成負排放資產(chǎn)，雖然運營成本不菲，但也能為實現(xiàn)電力凈零排放做出重要貢獻。


成本最優(yōu)情景顯示，只要部署得當是有可能將以上三種選項有機結(jié)合的。例如，加利福尼亞計劃建造燃氣調(diào)峰電廠，以解決近期出現(xiàn)的電力短缺問題。另外，長時儲能或小型模塊化核反應(yīng)堆（SMR）也能起到同樣的作用，不過推廣這類技術(shù)以實現(xiàn)2035年凈零目標，可能會比利用已有天然氣基礎(chǔ)設(shè)施和已驗證技術(shù)更具挑戰(zhàn)性。

7. 簡化表后發(fā)電 (用戶側(cè)或分布式發(fā)電)并推廣應(yīng)用。分布式太陽能和儲能、家電電氣化、以及建筑能效升級等只有大規(guī)模推廣才能實現(xiàn)碳減排目標。然而太陽能的普及面臨多重挑戰(zhàn)，包括互連和許可方面的復雜性。實際上，截至2021年美國已安裝300萬套住宅太陽能系統(tǒng)（家庭滲透率約為2.4%），德國約為200萬套（家庭滲透率為6.0%）?！?2】表后解決方案還能減少升級輸電網(wǎng)絡(luò)的必要性，降低大規(guī)模可再生能源項目帶來的挑戰(zhàn)及風險。而且，住宅太陽能系統(tǒng)可讓用戶和相關(guān)運營商自主管理，有利于增強大眾對能源轉(zhuǎn)型的參與意識?！?3】這些解決方案可能需要各州做出切實承諾，以釋放資本、擴充人力、設(shè)計合適的激勵措施。

8. 強化電網(wǎng)韌性。過去兩年來，電網(wǎng)運營商一直在努力解決因極端天氣、現(xiàn)代歷史上最大的山火噴發(fā)、以及有記錄以來最活躍颶風等自然災(zāi)害造成的大規(guī)模斷電問題。最突出的兩個例子是2021年2月德克薩斯州電力和天然氣服務(wù)大面積中斷，以及新奧爾良州受颶風艾達襲擊后持續(xù)斷電。氣候變化導致的極端天氣現(xiàn)象還會發(fā)生，同時將有更大比例的經(jīng)濟活動要依靠電網(wǎng)。這意味著需要強化電網(wǎng)韌性，不論是通過打造新的預(yù)測能力、制定更嚴格的電氣設(shè)計標準，還是大力加強網(wǎng)絡(luò)安全。這方面值得關(guān)注的項目包括2012年以來聯(lián)合愛迪生電力公司新增的10億美元投入【14】、以及佛羅里達電力照明公司進行中的電網(wǎng)韌性項目。【15】

9. 重建市場和監(jiān)管機制。各州、各區(qū)域電力市場以及聯(lián)邦政府可以考慮以下幾種新工具推動大幅減碳。第一，監(jiān)管層面對排放的限制有助于確保減排進度符合預(yù)期；第二，政府層面的支持有利于降低技術(shù)成本（如研發(fā)和部署資本）、推動普及（通過加快許可）、確保核心配套基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)到位；第三，出臺針對性計劃，如低收入家庭能源援助計劃（LIHEAP）等可為弱勢家庭提供針對性支持；【16】 第四，許多大型工商業(yè)客戶的電價已經(jīng)從電度電價改為容量電價，有助于刺激發(fā)展需求響應(yīng)，減少對確定發(fā)電的需求（從智能汽車充電裝置到熱水器，已有多種產(chǎn)品通過技術(shù)驗證并可快速推廣）；第五，能源市場可能需要探索新的定價機制，應(yīng)能充分補償電力邊際成本接近于零的電力系統(tǒng)內(nèi)的可調(diào)度裝機；最后，建立基于績效的、旨在協(xié)調(diào)商業(yè)激勵與用戶服務(wù)目標的監(jiān)管框架，也能為應(yīng)用可再生能源及其它新技術(shù)的電力公司提供路線圖。隨著這些變革的推進，各州與獨立系統(tǒng)運營商之間或者在多州市場運營的區(qū)域輸電組織之間的各種拉鋸可能會持續(xù)存在甚至有所加劇。

10. 打造一個全國性的氫能和碳捕集輸送網(wǎng)絡(luò)。部署新型氫燃料和碳捕集基礎(chǔ)設(shè)施十分關(guān)鍵 ——對于實現(xiàn)可調(diào)度的低碳發(fā)電如此，對于其它行業(yè)采用電氣化以外的低碳替代方案亦是如此，特別是在電氣化遭遇技術(shù)挑戰(zhàn)（如高溫工業(yè)用熱或清潔交通的燃料密度），或者天然氣作為工業(yè)過程中的一種原料可被替代（如水泥和肥料）的情況下?！?7】例如，美國低成本天然氣和地質(zhì)碳封存的出現(xiàn)，意味著與世界其它大部分地區(qū)采用的綠色電解氫技術(shù)相比，低碳甲烷制氫或“藍氫”（通過蒸汽甲烷重整或自發(fā)性熱重整）的經(jīng)濟效益從短期來看可能更加有利。根據(jù)分析，直到2040年綠氫才將在以經(jīng)濟為主要驅(qū)動的新建項目中“勝出”，并將繼續(xù)利用已有的管道網(wǎng)絡(luò)，同時實現(xiàn)需求靈活性，以推動更高水平的間歇性可再生能源發(fā)電（見圖4）。歐洲正積極討論建立廣泛的氫能網(wǎng)絡(luò)，有力地支持了價值鏈各環(huán)節(jié)企業(yè)采取戰(zhàn)略行動以擴大投資?！?8】


本文著重闡述了美國實現(xiàn)2035年電力系統(tǒng)零碳污染應(yīng)具備的條件，其中資本部署規(guī)模、電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型與升級、政策引導與演變都將是巨大的。我們希望這篇文章能激發(fā)市場參與各方的討論，思考如何達到所設(shè)定的碳減排目標，探索其間蘊藏的商業(yè)機遇。也希望為中國電力行業(yè)的綠色低碳轉(zhuǎn)型提供有益的參考。

原標題：電力行業(yè)凈零排放：解析美國脫碳路線圖