碳中和目标下能源体系变革对国土空间规划的挑战与思考

引言

气候应对目标下，全球能源体系将发生深刻变革与重组重塑，能源供应结构更加清洁化，能源开发方式更加分散化，能源终端消费高度电气化，能源服务 络高度智能化。在新的能源体系下，能源生产、输运、存储可能引发新一轮空间资源需求，各层次国土空间规划应前瞻思考，提前谋划国土空间规划的应对和支撑方案。

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能源与碳中和

能源是经济社会发展的基石。工业革命以来，建立在煤炭、石油、天然气等化石燃料基础上的能源体系，极大地推动了人类社会的发展。同时，人类活动导致温室气体浓度上升致使气候变暖成为全球共识，为此，化石能源消费产生的温室气体排放成为全球升温控制及碳中和的重点关注领域。2019年，全球一次能源消费总量约144.10亿吨标准油当量。其中，化石能源消费占比约80.7%，产生的温室气体排放量约占全球温室气体排放总量的64.3%。全球能源消费的碳排放中近一半来自工业领域，其余主要由交通和建筑业平摊。高碳排放的以煤炭为主的能源结构导致我国当前能源消费产生的二氧化碳排放约占全国二氧化碳排放总量的85%，约占全国全部温室气体排放总量的70%（张运洲等），高于全球平均水平。为实现碳中和目标，能源体系将发生根本性变革与重组重塑。

2019年全球一次能源消费占比图

全球温室气体排放图

全球能源使用产生的碳排放（2018年）

我国一次能源消费情况图（单位：亿吨标准煤）

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能源体系的变革与重塑

能源供应结构更加清洁化

能源供给侧结构调整是实现能源减碳甚至脱碳的首要路径。煤炭、石油、天然气等化石能源碳排放系数较高，太阳能、风能、水能、核能等非化石能源的碳排放系数接近于0。联合国政府间气候变化专门委员会（ipcc）在《全球升温1.5℃特别 告》指出，在1.5℃温控路径下，至2050年，全球煤炭消费占比将从现状26%降至1%—7%，石油消费占比将从现状32%降至7％—20%，天然气消费占比将从现状23%降至9％—20%，可再生能源消费占比将从现状10%上升至52％—67%。英国石油公司（bp）通过跟踪世界能源发展轨迹探讨了未来全球能源结构，提出在净零碳排放情景下，至2050年，非化石能源在全球一次能源占比将达到80%，其中，可再生能源在一次能源占比预计达到60%。未来，清洁化的能源供应结构、高比重的可再生能源将成为全球能源体系最为显著的特征。

不同情景下全球一次能源消费情况

能源开发方式更加分散化

随着全球能源的转型发展，分布式能源已成为各国提升能效及可再生能源开发的重要途径。与传统集中式能源开发方式相比，分布式能源开发方式具有以下几个优点：一是能源系统位于用户端，无需建设大电 进行远距离高压输电；二是兼具发电、冷热等多种能源服务功能，能源利用效率高；三是设备启停方便，供能灵活；四是各系统相互独立，可靠性和安全性较高。丹麦分布式能源发电量超过发电总量的50%，其中，风力发电约占其发电总量的46%，且80%以上的风电装机接入20千伏及以下配电 。德国分布式光伏发电量约占其光伏发电总量的80%，90%以上的陆上风电场装机数量小于9台，主要接入6—36千伏或110千伏配电 。我国在《能源生产与消费战略革命（2016-2030）》中明确，坚持分布式和集中式并举、以分布式利用为主推动可再生能源高比例发展。

分布式能源（distributed energy resources，ders），指分布在用户端的、利用小型设备向用户提供能源的新型综合能源供应系统。目前国际上分布式能源以天然气分布式能源系统为主，同时，风力发电、太阳能光伏发电、生物质能发电等可再生能源发电系统也是分布式能源的重要组成部分。

丹麦分布式风电开发情况图

能源终端消费高度电气化

在风力和太阳能等可再生能源发展推动下，电力将在能源终端消费中发挥越来越重要的作用。当前全球终端能源消费中，电力占比约20%左右。联合国政府间气候变化专门委员会（ipcc）在1.5℃温控路径下的分析结论显示，至2050年，电力占最终能源消费比重预计增至34%—71%。英国石油公司（bp）预测在净零碳排放情景下，至2050年，电力在终端能源消费中的占比将增至50%以上。我国在能源发展路径上明确要求拓宽电力使用领域，实施终端用能清洁电能替代，大幅提高城镇终端能源消费电气化水平。我国2018年电能占终端能源消费比重约25.5%。国 能源研究院有限公司对我国未来电力发展进行了多情景模拟，在深度减排情景下，至2060年，我国电能占终端能源消费比重预计提升到70%左右。

全球终端能源中电力消费比重预测

我国终端能源中电力消费比重预测

能源服务 络高度智能化

碳中和目标下，可再生能源发电、分布式供能系统、储能储电、综合能源服务等多种新型业态场景不断涌现，靠传统供给侧的单一调节方式已无法满足能源供应和管理要求，建设覆盖供给侧、传输 、需求侧的新一代智能化能源 络系统迫在眉睫。日本东京在《东京都长期愿景》中明确提出建设智能能源城市，构建地区能源 络，推进地区及建筑用能的智能化。韩国首尔在其城市总体规划中将引进智能能源管理体系作为强化能源危机应对的首要措施。我国在《能源生产与消费战略革命（2016-2030）》中明确，我国能源发展的战略取向之一即为加快建设智慧能源管理系统，增强需求侧响应能力，实现能源生产和消费智能互动。

地区能源管理系统设想图

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对国土空间规划带来的挑战

可再生能源发电引发大量的空间资源需求

太阳能、风能能源密度低，在开发转化为电力等二次能源时，其空间需求将远高于传统能源发电方式。光伏发电工程包括光伏方阵、变电站、运行管理中心、集电线路等，其用地面积根据光伏组件的全面积效率、安装所在地纬度、所在地形区类别、光伏方阵安装排列方式及不同升压等级等确定。同等装机条件下，高纬度地区光伏发电用地面积约为低纬度地区的2—4倍。与传统发电相比，以纬度30°、发电效率30%、固定式光伏方阵光伏发电站为例，其单位装机容量用地约为典型燃煤发电厂的40倍，约为典型燃机发电厂的75倍。风力发电工程包括风电机组、机组变电站及运行管理中心等，单台机组用地需求与传统发电相当，但风力发电除了风电机组本身用地需求外，机组还需满足500—800米不等的间距要求，风电场及其周边一定空间范围的土地使用将受到较大限制。如果从风电场整体占地而言，其单位能源的空间需求也将远大于传统化石能源发电方式。同时，目前陆上风机高度较高的已突破150米，从环境景观而言也将带来不可避免的负面效应。

光伏、传统发电单位装机容量用地指标对比示意图（单位：公顷/10mw）

太阳能发电

风力发电

能源长距离输送引发大量的通道资源需求

我国的可再生能源资源空间分布与能源消费负荷中心呈逆向分布特征。太阳能资源丰富区域集中在青藏高原西部、西藏中部和北部、青海大部、甘肃北部、新疆东部和内蒙古中西部等地区。陆地风力资源富集在内蒙古、甘肃、新疆、青藏高原及我国东北部等地区，东部沿海部分地区虽然风能资源量高，但受人口密度、植被覆盖等因素的限制，可开发空间少，风能开发潜力有限。而我国能源消费中心沿东部沿海地区密集分布。若将我国西北、北部、东北等地区生产的可再生能源输送至东部沿海地区，能源的远距离输送将带来大量输送通道需求。并且，越接近东部、东南沿海的发达城市，能源输送路径越困难，通道资源极其受限。

能源通道困难示意图

新型能源基础设施将重构城市能源细胞 络

在新的能源体系下，新型能源基础设施建设将引发能源基础设施全系统的再布局和全 络的升级改造。传统能源基础设施包括发电站、输电 、变电站、油气输送管线、加油加气站等。在碳中和目标下，智能能源 络将进一步推动传统能源基础设施转型升级；可再生能源发展需要配置大量储能储电设施；氢能、醇醚燃料电池等新的能源利用方式不断加速涌现；能效提升将进一步推动分布式综合能源站建设。不断涌现的新型以及智能化、高效率能源基础设施将对传统城市基础设施 络带来巨大冲击，相应的对地上地下空间资源高度紧张的城市系统带来巨大挑战。

能源基础设施重构示意图

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提前谋划应对及支撑方案

我国的土地利用已进入存量时代，处于用能中心的超大城市、特大城市已经进入建设用地负增长时代。面对碳中和目标下新的能源体系，国土空间规划迎来诸多挑战。国土空间规划需立足当下、谋划长远，提前推进相关研究，做好能源基础设施的支撑落地和空间预留。在全国层面，应统筹规划大型能源生产基地，统筹长距离输电线路、大范围能源 络布局，形成合理高效的全国高等级能源 架。在城市层面，应充分评估能源需求和资源禀赋，规划合理的能源结构；预留能源输送通道，统筹新型能源及大型储能设施布局；集中式与分布式并举，充分挖掘本地可再生能源潜力；并在城市用地布局、产业布局、交通、建筑等领域加强节能增效引导及精细化管理。