能源系統低碳轉型中的氣象風險

范英，姚星*，樊偉

1 北京航空航天大學經濟管理學院，北京 100191

2 北航低碳治理與政策智能教育部文科實驗室，北京 100191

0 引言

在應對全球氣候變化的行動中，能源轉型是最重要和首要的內容，這輪能源轉型的本質是當前以化石能源為主體的能源系統轉向以非化石能源為主體的低碳能源系統[1]。全球能源系統轉型主要依賴于大規模的可再生能源發展，而且終端用能的電氣化程度將逐漸提高[2-3]。在這個過程中，風電和光伏等易受到氣象條件影響的能源技術與氣候氣象等自然現象密切相連，呈現頻繁的波動性和不穩定性，使得能源系統越來越多地暴露于氣象風險下；并且以化石能源為代表的傳統提供能源保供作用的設施規模將逐漸減少，使得能源供應體系的受控程度進一步下降，增加了能源系統在氣象風險中的脆弱性。

另一方面，我國可再生資源稟賦存在空間和時間上的錯配，可能會擴大氣象風險影響范圍并在特定季節產生嚴重后果。盡管我國可再生資源儲量巨大，但在空間分布上與我國主要能源消費中心呈現顯著的逆向分布，未來的能源系統極有可能需要依賴大規模能源傳輸體系，可能導致局部地區的氣象風險外溢向更大的空間范圍。同時，以風電、太陽能發電為代表的主要可再生資源的季節性分布不均，在我國，夏季通常為一年中平均風速最低的季節，而冬季通常為太陽輻射強度最低的季節，與我國“冬夏雙峰”的能源需求特征不符，易導致未來冬、夏季能源供應緊張，在特定不利氣象條件下，可能引發嚴重的能源供應短缺事件。

氣候變化的加劇將使得這一情況進一步惡化。隨著大氣中溫室氣體濃度的持續增加，進一步的氣候變化將不可避免，在這個過程中，全球極端氣象事件發生的頻率和強度都將顯著增加[4]。特定極端事件可能同時作用于能源生產、運輸與消費的多個環節，使得能源需求增加的同時減少能源供應能力，在能源系統內引發級聯效應，極易造成嚴重的災害性后果。

能源系統內的相關基礎設施具有覆蓋范圍廣、環境依附性強、暴露程度高等特點，潛在極端氣象事件會對能源系統薄弱環節造成沖擊，帶來嚴重的氣象風險。從近30年的全球大停電事件來看，自然災害成為了最重要的誘因，相關事件的占比高達56%[5]。在生產方面，災害性天氣會對能源生產設施的正常運行產生威脅，同時，溫度、風速、光照、降水等的可變性，將導致風電、光伏、水電等可再生能源發電能力的可控性較弱。在運輸方面，暴雨、臺風等極端天氣將對煤炭、石油、天然氣、電能的運輸路線、輸送管道、網架結構造成沖擊。在消費方面，消費者的用能結構、用能行為對相關氣象指標，尤其是溫度的變化十分敏感。

本文梳理了極端氣象誘發的能源供應短缺事件并分析其原因，討論能源供給側與需求側潛在的氣象風險，探索氣象風險對能源系統低碳轉型路徑的影響并提出相關建議。

1 近年來的典型能源短缺事件

近年來，氣象因素特別是極端氣象條件對能源供應系統的影響不斷加劇，已成為能源系統轉型中的重要問題之一。

1.1 澳大利亞南部臺風引發停電事件

澳大利亞南部電網典型特征為可再生能源發電占比大，2016年9月28 日，澳大利亞南部電網出現極端天氣導致風電機組大規模脫網，最終引發停電事件，這是世界上首次由極端天氣誘發新能源大規模脫網導致的局部電網大停電事件[6]。事發當日，新能源發電出力占比超過45%，共有14 個風電場并網。臺風、暴雨使得瞬時風速嚴重超出線路的風速承載范圍及風電機組的切出風速，造成六次線路故障，伴隨著9 個風電場脫網，電網面臨25%功率缺額，電網頻率瞬間跌落，致使全網崩潰停電。期間，兩次黑啟動預案均失敗，最終經過7.5 小時搶修，恢復了大部分用電，50 小時后恢復了全部用電。此次事件斷電持續時間長、影響范圍廣[6]。

南澳停電事故發生主要原因有：第一，氣象預測出現偏差。事發前氣象部門已經發布極端天氣預警，但是實際狀況比預測狀況更加惡劣，超出電網承載范圍。第二，電力系統安全可靠性不足。在極端天氣狀況下電網安全裕度有限，一旦更壞情況出現將無法繼續安全運行，調度計劃缺乏魯棒性。第三，系統慣量及備用不足。風電、光伏裝機比例增加，燃煤、燃氣機組退出運行，導致系統慣量下降，缺少備用支撐，氣象風險抵御能力下降。第四，網架結構薄弱。極端天氣情況出現時，線路承載能力較弱，最終喪失輸電能力。

1.2 美國得州極端寒潮引發停電事件

美國得克薩斯州發電裝機以天然氣和新能源為主，與外部電力互聯互濟能力薄弱，相對孤立。2021年2月，由于北極氣團南下，美國中南部地區遭遇低溫寒潮天氣，受數年未遇的持續極寒、暴風雪影響，得州出現了嚴重的大斷電事故。由于天然氣管道冰凍受堵，無法及時提供天然氣，燃氣機組缺乏燃料供應不得不停運。此外，持續多日的極寒天氣增加了用戶取暖需求，電采暖負荷急劇上升。加之，風電機組由于葉片覆冰，發電能力大幅下降。極寒天氣迫使得州電網超過40%的發電容量停運，疊加迅速增加的電能負荷，并且缺乏外部電網支援，最終電力供需嚴重失衡，實時市場電力價格一度超過9 000 美元/MWh，停電人口達450 萬[7-8]。

得州停電事故發生主要原因有：第一，天然氣系統抵御極寒天氣能力薄弱。由于未采取有效的抗凍防護措施，天然氣井、管道被寒流凍結，在生產、加工和運輸等多個環節出現故障，裝機占比較高的燃氣機組停機導致較大的電能缺口。第二，電力系統安全可靠性不足。風電等可再生能源滲透率不斷提高，當風電受冰凍影響發電能力下降時，由于電力系統備用不足，沒有足夠的保供電源作為支撐。第三，獨立的市場機制缺乏互?；芰?。在美國，得州是唯一一個擁有獨立于全國的電網系統，當該地區電網超負荷運行、供電不足時，無法從其他地區獲得有力的電力支援。第四，需求響應機制不完善。出現電能缺口后，調度機構通過號召節電、輪流停電、強制限電等方式管控居民、商業等用電行為，但是可響應容量規模較小。另外，天然氣缺失需求響應機制的輔助調節，沒有實質性的激勵措施來有效地削減天然氣負荷需求。

1.3 我國四川夏季極端高溫引發有序用電事件

我國四川省水力資源豐富，發電結構以水電為主，2022年四川省水力發電裝機容量達到9749 萬kW，發電量占全省總發電量的80%以上。2022年8月，遭遇有完整氣象觀測記錄以來最強的高溫天氣，高溫帶來空調用電需求激增，電負荷創歷史新高。并且入汛以來，四川省主要流域來水嚴重偏枯，多個水庫水位線嚴重下降逼近死水線，部分中小水庫幾近干涸，水電發電能力銳減，即使全部火電滿負荷運行，仍存在較大的電力缺口，電力供需嚴重失衡。四川省面臨歷史同期最高氣溫、最少降雨、最高負荷、最大缺口的疊加局面，為此，四川啟動三級保供電調控措施，緊急下達有序用電方案，“對四川電網有序用電方案中所有工業電力用戶(含白名單重點保障企業)實施生產全停(保安負荷除外)”，經濟社會發展受到較大沖擊。

四川應急限電事件發生主要原因有：第一，電源裝機結構單一有待優化。四川省水電裝機占比在80%左右，缺乏充足的常規電源作為支撐，無法形成有效保供能力。第二，具有調節性能的水電裝機比例較低。四川省水電裝機主要為徑流式水電，徑流式水電按照來水量實時發電，不具備儲存、調節功能，無法提前蓄水為以后可能出現的枯期做準備。第三，跨省跨區雙向互濟互備能力弱。四川省長期承擔著“西電東送”任務，已建成的“六直八交”通道主要用于電力單向外送，省外受電通道容量有限，不能雙向互濟互保、互供互備，當出現較大電能缺口時電力穩定供應面臨較大壓力。第四，負荷側需求響應機制不完善。由于需求響應實施效果不佳，用戶負荷調節潛力尚未充分挖掘，在高溫天氣下負荷激增，但是未得到有效削減，負荷過載引起線路及設備故障。

1.4 我國山西暴雨引發煤礦停產事件

山西長期以來是我國煤炭生產的重要基地，截至2020年，山西省原煤產量占全國原煤產量的27.7%，超過內蒙古重回產煤第一大省份。2021年10月2 日20 時至7 日8 時，山西大部分地區出現極端強降水天氣，全省最大降水量超過250 mm，是有氣象記錄以來當地10月平均降水量的10 倍以上。此次暴雨累計降雨量大、持續時間長、降水極端性突出并伴有雷電、強對流和降溫，引發山洪和地質災害，部分河流出現險情，防汛壓力較大。作為煤炭大省，多個煤礦處于受災范圍之內。

此次煤礦停產事件發生主要原因有：第一，連續降水和地質災害對當地煤炭生產帶來影響，煤礦涌水量增大且地下水位升高，為防止發生積水灌井和突水淹井等情況，煤礦不得不停產。第二，強降雨引發洪澇災害，使得山西南部地區的煤礦外運線路受阻，出現了頂倉現象，對全國的煤炭保供以及電力供給方面造成短期沖擊。相關研究指出，此類強降雨事件與氣候變化的關系密切，隨著氣候變暖，大氣可容納水汽能力增加，導致極端強降水和極端干旱發生的可能性增大[9]。

2 碳中和轉型中的氣象風險

在能源系統的碳中和轉型中，供給側和需求側都存在較大的氣象風險。

2.1 能源供給側的氣象風險

極端的氣象條件將對能源供給側產生重大影響，從影響機理來看具體表現為以下幾個方面：

1)風力發電能力主要受風速水平影響，風電機組發電需要風速水平介于切入風速與切出風速之間。當出現大氣靜穩時，風速低于切入風速，風機無法正常運轉；而當大風天氣風速超過切出風速時，為了保護風機安全，風機需要收漿停機。同時，冰凍雨雪天氣易導致風機結冰脫網，上述氣象條件均有可能導致風力發電的出力能力嚴重受限。

2)光伏發電能力主要受輻射強度和溫度影響，在雨雪天氣與陰霾天氣條件下地表接收的太陽輻射水平較低，積雪還有可能遮蔽光伏面板導致光伏發電能力受限。同時極端高溫將使得光伏組件效率下降，極端低溫也容易導致相關元器件故障損壞。

3)水力發電主要受流域徑流量影響，由高溫引發的干旱事件通常會導致降水量與徑流量的減少，從而影響水力發電能力，尤其對我國而言，夏季通常為汛期，一旦發生干旱事件對能源供給側影響更為嚴重。

4)氣象條件還將影響煤炭等主要化石能源的生產和運輸，干旱將引起內陸河水位下降，不利于煤炭水路運輸，同時也增加了火力發電的取水難度。冬季的極端低溫也可能引發港口結冰，限制航運、港口正常作業，影響煤炭運輸。

5)變壓器、輸電線等能源基礎設施也同樣容易遭受惡劣天氣的影響，酸性雨水將造成此類設備金屬構架表面腐蝕，冰凍凝結在輸電線路上將引起冰閃、脫冰跳躍等現象，臺風、洪澇等災害事件可能造成相關設施的永久性損壞，雷電不僅會對電氣設備產生電磁干擾，而且容易出現雷擊跳閘事故。

2.2 能源需求側的氣象風險

當前，供暖與制冷能耗占全球能源消耗的50%左右，造成約40%的能源相關碳排放。這類能源消費會直接受到氣象因素的影響，尤其受溫度的影響較大。氣象風險會通過影響晝夜交替和季節變更的供暖和制冷持續時間和需求規模來影響能源需求。大量文獻研究了氣象對全球或區域范圍內供暖和制冷能源需求的影響，研究發現能源需求與溫度之間呈現顯著的“U”型關系，即當溫度低于7 ℃時，每降低1 ℃能源需求將增加2.8%，當溫度高于25 ℃時，每增加1 ℃能源需求將增加14.5%[10]。其中，居民用能受氣溫的影響最大，用能高峰期主要集中于夏季和冬季[11]，且這類用能需求的彈性較低[10]。

受到這一特征的影響，近年來，在能源供需過程中，滿足峰值需求的矛盾愈加突出。以電力部門為例，近年來最高用電負荷增長率普遍高于全社會用電量的增長率，相關研究指出，年均溫度每增加1 ℃將導致年電量增加9.2%，但峰值負荷將增加36.1%[10]。隨著未來終端用能電氣化率的逐漸提升，這一矛盾將進一步凸顯。疊加氣候變化加劇的影響，即使能夠順利實現1.5 度目標，極端高溫事件、強降水事件、干旱事件等發生的強度和頻率都將明顯增加[4]。極端氣象事件的級聯效應，可能將能源供給與能源需求推至兩個極限，一方面造成能源供給能力的大幅受限，另一方面造成能源需求的急劇增加，給能源系統安全穩定運行帶來重大挑戰。

3 氣象風險對我國能源系統低碳轉型的影響分析

可再生能源的利用方式以發電為主，因此能源系統低碳轉型的核心是電力部門的發電能源結構向高比例可再生能源過渡。

3.1 我國電力系統低碳轉型的路徑

國際國內多家權威機構都對我國電力系統低碳轉型進行了預測分析[12-21]，本研究整理分析如表1 和表2 所示。

表1 我國能源低碳轉型的發電量構成(1012 kWh)Table 1 Composition of electricity generation for China’s low-carbon energy transition(trillion kWh)

表2 我國能源低碳轉型的發電裝機構成(108 kW)Table 2 Composition of installed power generation capacity for low-carbon energy transition in China (100 million kW)

雖然各個文獻對面向碳中和的電力系統低碳轉型路徑有所差異，但基本上都有以下共識。

首先，風電與太陽能發電將迎來快速發展，逐漸成為裝機量與發電量的主體。盡管當前我國風電與太陽能發電占發電量結構中的比重不足14%，但隨著未來風電和太陽能發電的持續高速增長，這一比重將升高到53.0%~72.0%，成為電力供應體系的主體電源形式。其中，不同研究對于風電和光伏未來具體的技術規模預計區間較大，存在一定分歧，相關研究預計未來電力系統中的風電裝機規模為(12.4~28.0)×108kW，年發電量(4.8~7.3)×1012kWh，太陽能發電裝機規模為(14.1~45.0)×108kW，年發電量(2.2~6.1)×1012kWh。這類波動性電源規模的增加擴大了電力系統對儲能技術的需求，相關研究受建模視角、技術參數的差異影響，不同轉型方案認為，儲能裝機規模介于(2.7~15.9)×108kW。

其次，化石能源的角色定位將發生深刻變化，由基荷能源向調峰備用電源轉變[22]。當前化石能源電力仍是我國電力供應體系的主體電源，占總發電量比重超過60%，裝機規模超過12×108kW。未來化石能源占發電量的比重將大幅下降至3.7%~16.0%，并且機組利用率將大幅下降。然而，關于未來電力系統中所保留化石能源機組規模則存在一定分歧，一部分觀點認為僅需保留4×108kW以下的化石能源機組，另一部分觀點則認為仍需保留12×108kW以上的化石能源機組提供備用能力。

再次，未來水電、核電、生物質發電等受限于資源潛力或建設條件約束，進一步增長空間有限。綜合上述研究，未來水電的裝機增量空間不超過3.9×108kW，在未來電力系統中的年發電規模不超過2.2×1012kWh，占總發電量比重小于14%。核電的裝機增量空間不超過3.7×108kW，在未來電力系統中的年發電規模不超過2.7×1012kWh，占總發電量比重小于18%。未來生物質發電的裝機規模將維持在2.2×108kW以下，年發電規模不超過1.1×1012kWh，占總發電量比重小于6%。

最后， 以CCS (碳捕集與封存技術，Carbon Capture and Storage)技術為代表的碳移除技術成為電力系統低碳轉型的重要補充。以CCS技術為代表的碳移除技術是目前實現化石能源低碳化利用的唯一技術選擇，盡管部分研究未針對CCS技術進行具體討論，但不可否認在碳約束的目標下，化石能源電力的持續使用與CCS技術密切相關，在不同轉型方案中，化石能源機組的CCS改造規模介于(0.1~8.3)×108kW。同時，CCS技術與生物質發電結合后的BECCS (生物質能源碳捕集與封存，Bio-Energy with CCS)技術，是電力部門實現凈負碳排放的重要來源。

綜合上述研究，在實現低碳轉型的過程中，“可再生能源+儲能”與“化石能源+CCS”是兩條重要的技術路徑，具有一定的競爭關系。不同研究規劃的轉型方案對于這兩條技術路徑選擇存在一定的擠出效應，即往往當轉型方案中可再生能源部署較多的情況下，儲能裝機規模也更大，反之，當轉型方案中保留的化石能源規模較大時，完成CCS改造的機組規模也較大。這意味著，未來儲能和CCS技術的成本與技術適用性將決定轉型過程中這兩條技術路徑的競爭力水平，從而影響整體能源系統的轉型路徑選擇。

3.2 低碳轉型方案的可信容量評估

氣象風險將大幅降低可再生能源機組的可信容量?？尚湃萘恐傅瓤煽啃郧疤嵯?，各類電源可以視為常規機組的容量大小。容量可信度指可信容量占電源裝機容量的比例[23]?？尚湃萘颗c電力技術出力的時序特性、滲透率、容量需求等相關，可通過有效帶載能力(effective load carrying capacity，ELCC)、等效可靠容量(equivalent firm capacity，EFC)等方式量化各電力技術的可信容量。隨著能源系統碳中和轉型，電力系統中風電和光伏等可再生能源逐漸成為主體電源。風電和光伏具有波動性、隨機性、間歇性，其發電功率和并網特性會對電力系統安全穩定運行產生影響，同等容量的風電和光伏在可靠性方面無法與傳統火電相比。因此，非常有必要度量裝機規劃中各類電源對電力系統充裕性的貢獻度?？尚湃萘繉稍偕茉礊橹黧w的電力系統規劃具有指導意義，是電力系統確定應急電源規模，評估抗氣象風險能力的重要依據。

可再生能源為主導的布局增加了電力系統在氣象風險中的脆弱性，正確評估電力系統可信容量是有效應對極端氣象的關鍵。從氣象風險角度來看，低碳轉型要求風電、光伏的部署規模非常大，但由于其發電出力的不確定性，在可靠性分析中無法與相同容量的常規機組同等對待，導致系統總容量的可信度降低，在面臨極端氣象時容易出現能源供應短缺問題。正確評估電力系統可信容量，特別是可再生能源可信容量，是有效應對極端天氣的關鍵。本文參考了文獻16、24-26 中關于各技術的可信容量系數計算了表2 中各轉型方案的可信容量，并結合文獻16、20-21、27-28關于未來高峰負荷需求的預測結果，根據可信容量和負荷下限評估了電力盈余情況，結果如圖1 所示。

圖1 不同規劃方案的電力盈余情況Fig.1 Power surplus situation of different planning schemes

上述方案的可信容量可能無法滿足未來的高峰負荷需求，當氣象風險出現后，系統將面臨電力平衡缺額。根據表2 的裝機規劃結果，各類電源實際裝機容量遠高于最大高峰負荷需求，整體約為3 倍左右，但是容量可信度較低。風電、光伏裝機規模普遍占總發電裝機容量的60%以上，但能提供的可信容量不足20%，對電力系統充裕性的貢獻遠小于相同容量的常規機組。雖然儲能技術的部署可以一定程度上提高風電、光伏的等效可靠容量，但總體增量有限。所以除了方案7 外，大部分規劃方案的可信容量難以滿足電力高峰負荷需求。從圖1 可以看出，2050年和2060年電力系統面臨的可信容量缺口為(1.1~4.7)×108kW左右。如果再按照《電力系統技術導則》，裝機增加2%~5%的負荷備用、10%的事故備用、5%檢修備用，電力平衡的缺口更大，因此方案7 保留了7×108kW以上的化石能源應急機組。應急電源在日常情況下停機作為備用，當高溫、嚴寒、干旱等氣象風險導致高峰負荷供電出現缺口時，應急電源啟動進行保供，保供結束后仍恢復到停機備用狀態，能夠有效提升電力系統韌性。

3.3 提升應對氣象風險能力的措施

能否抵御潛在氣象風險是能源系統低碳轉型中面臨的嚴峻考驗，確保電力系統供應能力安全可靠是能源碳中和轉型核心環節。

儲能成為提升風電和光伏容量可信度的關鍵，需要推動技術創新和完善商業模式。電力系統低碳轉型的顯著特征是新能源在裝機結構中占據主導地位，增加了系統大范圍和長周期電力電量平衡難度，對電網安全構成嚴重威脅。新能源與氣象強相關的出力特性導致容量可信度較低，風電為8%~12%，光伏低于3%，若僅依賴風電和光伏彌補可信容量缺口，將需要新增數十甚至數百億千瓦機組部署。儲能作為一種優質的靈活性調節資源可以平抑功率波動，能夠有效提升風電和光伏的可信容量，若依賴儲能彌補可信容量缺口，將需要增加(3~14)×108kW儲能裝機而不需要新增額外的風光機組。因此，要根據風電和光伏發展速度配套相應規模的儲能設施，推動儲能技術低成本、高安全、長壽命的發展，建立健全儲能的標準體系、市場機制、商業模式，促進儲能與電力系統發電側、電網側、用戶側等各個環節的深度融合發展，發揮儲能在提升風電光伏容量可信度和保障電力系統安全低碳轉型等方面的獨特優勢。

加快常規機組低碳化改造和靈活性改造，發揮其應急備用作用，并需要同步調整價格機制和推動低碳技術應用。常規機組是提供可信容量的重要來源，增加(1.1~4.7)×108裝機即可彌補可信容量缺口，同時也是電力系統碳排放的主要來源，控制常規機組的發電量是實現能源系統碳中和轉型的關鍵。但是，必要的煤電裝機是電力系統低碳轉型的重要保障，承擔著保障供電、調節頻率、支撐電壓的重任，特別是極端氣象出現，風電、光伏、水電等出力水平較低情況下。煤電在短期內難以被完全替代，因此需要加快高煤耗、高排放、難調節煤電機組的低碳化改造和靈活性改造，并控制發電量。煤電將逐步由提供電能向提供輔助服務轉變，發揮兜底保供、備用應急的作用。煤電角色轉變導致利用小時數下降，單一電量的上網電價機制無法覆蓋裝機成本，無法體現容量價值，需要推動建立電量電價+容量電價的兩部制電價機制。同時，受碳中和目標約束，需要擴大CCUS規模并降低成本，發揮CCUS對煤電機組的降碳潛力。

水電、核電、生物質能有效提高電力系統可信容量，但受可開發規模有限需要技術的攻關突破。水電、核電、生物質與火電相比等具有清潔、低碳優勢，并且有一定的調節能力，在提供系統可信容量方面具有重要的價值。若通過其中某一種電源彌補可信容量缺口，水電、核電、生物質裝機分別需要增加(1.3~5.8)×108kW、(1.1~4.7)×108kW、(1.1~4.7)×108kW。但是，水電、核電、生物質未來可開發規模有限。水電隨著逐步開發，剩余可開發工程逐步向河流上游、高海拔地區深入，面臨位置偏遠、條件惡劣、地址復雜、交通不便、施工困難、成本昂貴等問題。核電受泄露后果嚴重、選址條件嚴格、退役處置復雜等限制，其發展空間相對有限。生物質發電建設和運營成本相對較高，產業體系薄弱，發電技術尚不成熟，難以形成規模效應。因此，需要加快水電、核電、生物質的技術攻關突破，增加電源結構多元化，實現不同能源優勢互補，增強能源系統對風險抵御能力。

3.4 能源低碳轉型過程中的化石能源

雖然本輪能源轉型的目標是非化石能源全面取代化石能源，但在轉型過程中，化石能源仍將發揮關鍵作用。

煤炭是降幅最大的化石能源，但在能源轉型過程中將發揮重要的調峰和備用的作用。長期以來煤炭一直是我國的主體能源，我國也是全球煤炭生產和消費量最大的國家。2020年，我國煤炭消費量約占世界總量一半，其中大部分用于發電，僅燃煤發電帶來的碳排放量就占能源相關碳排放總量的45%以上。隨著能源低碳轉型進程的推進，到2060年煤炭消費量將驟減80%以上，是轉型過程中降幅最大的化石能源，剩余煤炭用量中約有60%用于發電廠，屆時，風電、太陽能發電、生物能源、氫能等低碳能源技術及電氣化的大規模推廣，使得未采用減排措施的燃煤電廠和基于煤的工業過程基本被淘汰[21]。同時，值得注意的是，雖然燃煤發電大幅度下降，但考慮到氣象風險的存在，燃煤電廠在能源系統中保留的時間將長于多數預測分析結果，在CCUS技術的協助下，煤炭將實現低碳化利用，對于支撐電力系統安全穩定運行，增強極端天氣應對能力，提高國家能源戰略安全保障能力具有積極的作用。

石油的能源屬性將被逐漸弱化，其進程取決于液體替代燃料和電驅動技術的進步速度。當前，我國是全球第二大石油消費國，石油約占能源消費總量的19%左右，由石油消費引起的碳排放占能源相關碳排放總量的12%左右。隨著低碳轉型進程的推進，終端用能的電氣化以及氫能、生物燃料等清潔能源的普及將使得作為能源的石油需求量逐漸下降，未來大部分石油將主要用于石化生產的原料。ⅠEA預測，到2060年我國的石油需求將下降約60%，屆時，液體生物燃料、氫基燃料和電力將分別滿足9%、25%和66%左右的交通運輸能源需求[21]。

天然氣將扮演重要的過渡能源角色。自2000年后，我國天然氣需求量穩步增加，截至2021年占能源消費量總量的比重近9%，由天然氣消費引起的碳排放占能源相關碳排放總量的6%左右。得益于較低的碳排放強度，天然氣將在能源轉型過程中成為重要的過渡能源，其消費量將呈現緩慢上升后穩步下降的趨勢。ⅠEA預測，我國天然氣消費量將在2035年左右達峰，到2060年的消費量將比當前減少近45%[21]。屆時，天然氣將主要應用于發電生產、水泥生產和制氫工業，在配合CCUS技術使用后，不會產生額外碳排放。尤其在電力系統中，天然氣機組是一種理想的備用機組，一定規模的天然氣機組部署可以提升電力系統應對潛在氣象風險的能力。

4 啟示與建議

本文立足我國實際情況，從氣象風險角度重新審視我國的低碳能源系統轉型路徑，對部分碳中和轉型方案進行評估分析，為有效防范潛在的氣象風險，避免轉型過程中可能出現的能源短缺情況，建議從以下5 個方面采取相應措施。

(1) 強化氣候氣象預測能力，提高中長期預測精度。目前，針對短期的氣象預測精度較高，但中長期氣候氣象預測能力尚不足以滿足應對能源體系氣象風險的需求。提高中長期氣候氣象預測的精度，有利于政府提前根據災害特征做好應急預案，對潛在風險進行精細化管理與控制，削弱氣象因素對能源體系造成的不利影響。

(2) 確保相關能源設施的適度冗余，重視化石能源地位。在能源轉型規劃中，需要充分考慮潛在極端氣象事件中的供需矛盾，因地制宜地部署一定規模的備用能源設施，允許適度的能源設施冗余及可再生能源棄電率。轉型過程中充分重視化石能源在碳中和轉型過程中的托底保供作用，建議對特定地區退役的化石能源機組“關而不拆”，以較小的經濟代價發揮化石能源技術在應對氣象風險中的兜底保障作用。

(3) 建設完善的能源傳輸體系，形成靈活的智能調度能力。受到可再生資源逆向分布的影響，更大規模的能量傳輸體系是我國未來能源系統的重要組成部分，因此局部地區的氣象風險將有可能波及更大的空間范圍。需要構建完善的能源傳輸體系，形成更大范圍內能源傳輸網絡的互聯互通。同時，全國范圍內的能量傳輸過程需要有能力實現隨潛在氣象風險特征而實時變化的智能調度決策，從而利用區域互濟來應對潛在的氣象風險。

(4) 促進能源技術多樣化發展，挖掘多能互補潛力。除少數災害性氣象事件外，各類氣象風險往往僅對特定的能源技術過程產生影響，因此，在能源系統規劃中，不能僅以經濟性為唯一目標進行能源技術的部署決策，應當充分考慮到潛在的氣象風險影響，給多種能源技術一定的發展空間，充分挖掘多能互補在應對氣象風險中的潛力。例如對待光熱、氫儲能、CCUS等當前成本相對過高的能源技術，應當在政策層面給予一定程度的支持，鼓勵技術研發與小規模試點示范。

(5) 形成適應新型能源體系特征的價格機制。未來，價格機制在引導能源生產、消費過程中將發揮關鍵作用，需要盡快研究出臺適應新型能源體系特征的價格機制。例如形成能源上下游價格信號傳導的合理機制，通過明確的價格信號鼓勵V2G (車網融合，vehicle-to-grid)、用戶側儲能、虛擬電廠等新興業態的良性發展，加快推動電能量市場、輔助服務市場和容量市場等電力市場機制建設與銜接，保障火電機組由基荷電源向調峰輔助和容量備用電源的角色轉變，形成具備快速響應能力的價格引導機制，價格機制可以作為應對潛在氣象風險中，挖掘能源供需兩側的響應能力及引導相關技術定位逐漸轉變的重要手段。