中國儲能網訊：在碳達峰、碳中和目標背景下,國內外學者對于構建新型電力系統開展了相關研究,但尚未形成明確的新型電力系統的演進趨勢分析、支撐技術體系和發(fā)展路線圖。本文探討能源革命趨勢,創(chuàng)新闡述電力系統演進,并結合新型電力系統特點提出支撐技術體系,從而為構建新型電力系統指明發(fā)展路線圖,以期為碳達峰、碳中和目標下的能源電力行業(yè)發(fā)展提供參考與借鑒。
01、能源革命趨勢
新一輪的能源革命背景來自于三方面形勢:一是傳統化石能源日益短缺;二是能源相關的排放和污染問題日益嚴重;三是能源安全問題日益突出。
傳統化石能源短缺是全世界面臨的長期問題,化石能源消費量增長持續(xù)超過化石能源新增儲量,造成煤炭、石油、天然氣等化石能源儲采比在過去30年中持續(xù)下降。
結合自然資源部發(fā)布的《中國礦產資源報告2021》與國家能源局對于化石能源消費量的統計數據,以及學者對于我國化石能源儲采比的分析,粗略估計我國石油、天然氣和煤炭儲采比分別處于10、25~30和30~35。其中,我國石油的儲采比預計將長期處于10左右。
能源相關的排放和污染問題也日益嚴重。2020年,我國二氧化碳排放總量約110億t,其中能源行業(yè)約占80%,而電力行業(yè)碳排放占能源行業(yè)的比重超過40%,能源電力行業(yè)已經成為碳達峰、碳中和的主戰(zhàn)場,大規(guī)模發(fā)展新能源已經成為碳中和的必經之路。同時我國二氧化硫、氮氧化物、顆粒物等大氣污染物排放近年有所下降,但仍然處于較高水平,每年由于空氣污染造成外部成本超過2000億元,進一步推動著能源行業(yè)的轉型減排。
能源的安全問題也是新一輪能源革命必須解決的重要問題。2020年我國石油對外依存度為73%,天然氣對外依存度43%,安全問題迫在眉睫。構建以新能源為主體的新型電力系統,有助于實國家能源安全新戰(zhàn)略,降低油氣對外依存度,增強我國能源供應的韌性和彈性。
總體來看,新一輪能源革命的使命,就是解決傳統能源體系面臨的短缺、污染與安全三大問題,構建清潔、低碳、安全、高效的能源體系,推動碳達峰、碳中和國家戰(zhàn)略落實。新一輪能源革命是我國積極應對全球氣候變化挑戰(zhàn),構建人類命運共同體的大國擔當,也是構建“雙循環(huán)”的新發(fā)展格局,提升國家競爭力的戰(zhàn)略部署。根據國家政策部署,新一輪能源革命的趨勢與節(jié)點如下:
2025年綠色低碳循環(huán)發(fā)展的經濟體系初步形成,重點行業(yè)能源利用效率大幅提升。單位國內生產總值能耗比2020年(1.28t/萬元)下降13.5%;單位國內生產總值二氧化碳排放比2020年下降18%;非化石能源消費比重達到20%左右;森林覆蓋率達到24.1%,森林蓄積量達到180億m3。
2030年,經濟社會發(fā)展全面綠色轉型取得顯著成效,重點耗能行業(yè)能源利用效率達到國際先進水平。單位國內生產總值二氧化碳排放比2005年下降65%以上,非化石能源消費比重達到25%左右,風電、太陽能發(fā)電總裝機容量達到12億kW以上。森林覆蓋率達到25%左右,森林蓄積量達到190億m3,二氧化碳排放量達到峰值并實現穩(wěn)中有降。
2060年,綠色低碳循環(huán)發(fā)展的經濟體系和清潔低碳安全高效的能源體系全面建立,能源利用效率達到國際先進水平,非化石能源消費比重達到80%以上。
綜上所述,在能源面臨的三大問題和國家政策推動下,能源行業(yè)正在迎來新一輪革命,能源發(fā)展將呈現以下趨勢:(1)一次能源由化石能源為主逐步向以可再生能源為主轉變;(2)二次能源由以電為主向電氫結合為主轉變;(3)能源產業(yè)由“產、供、用”相對獨立向綜合服務系統轉變;(4)能源行業(yè)由自成一體向與其他行業(yè)深度融合轉變。
02、電力系統演進
在新一輪能源革命的浪潮中,電力系統也在逐步演進轉型。傳統電力系統的特點主要有:一是以火電等化石能源發(fā)電為主體;二是即發(fā)即用,調節(jié)能力薄弱,造成棄風棄光棄水現象嚴重;三是發(fā)電、輸電、用電分離。
根據國際能源署對于電力系統的可再生能源占比階段劃分,我國正在邁向高比例可再生能源階段,不僅需要引入需求側管理與儲能技術,更要突出新能源的主體地位并引入支撐技術體系。
在“雙碳”目標的背景下,舊有的電力系統已經不能滿足碳排放要求,構建新型電力系統已經成為必然趨勢。新型電力系統應盡快明確新能源主體地位,實施可再生能源替代行動,大力發(fā)展風能、太陽能、生物質能、海洋能、地熱能等。
以新能源為主體的新型電力系統的使命,是適應大規(guī)?？稍偕茉撮_發(fā),解決現有能源電力的短缺、污染與安全的三大問題。新型電力系統相對于傳統電力系統,不是簡單的替代更新,而是一場革命。
在新型電力系統的構建中,不是要新能源適應電網,而是要電網適應新能源,讓電網回歸到使用能源手段的定位,讓電力系統回歸到更好滿足經濟社會的用能需求的這個根本目的。
構建以新能源為主體的新型電力系統,不能單一延續(xù)以往的大電網思維,追求大而全的電網來實現新型電力系統是低效率和行不通的。構建新型電力系統,還要發(fā)展其他電力傳輸手段,要堅持集中式與分布式共同發(fā)展,在提高電網對高比例可再生能源的消納和調控能力的同時,大力發(fā)展局域電網、智能微網等技術手段,推動風能、太陽能就地就近消納利用。采用“低碳化、數字化、去中心化”等創(chuàng)新思路,擺脫對傳統的大電網、大電廠模式的依賴,明確路徑和目標,將推進電網體制改革、發(fā)展新型電網作為重要路徑。
因此,在新型電力系統的演進中,按照可再生能源比例將演進過程分為三個層面,并最終通過“三步走”建成新型電力系統并實現“雙碳”目標:
(1)可再生能源發(fā)電占比達25%~50%,占比首次超過火電,達到相對多數地位,即各類發(fā)電中占比最多的形式。
(2)可再生能源發(fā)電占比達50%~80%,占比超過一半,達到絕對多數地位,即確立主體地位,不僅是電力供應數量的主體,而且是能夠保障新型電力系統安全穩(wěn)定運行的功能主體與責任主體。
(3)可再生能源發(fā)電占比達80%~90%,主體地位顯著,傳統發(fā)電形式僅作為補充和從屬,配合氫電互補、生物能源與碳捕獲和儲存(bioenergy with carbon capture and storage, BECCS)、植樹造林等其他手段,實現碳中和目標。新能源與工業(yè)、交通等其他行業(yè)的用能方式深度耦合,“新能源+”、能源互聯網等新業(yè)態(tài)高度完善,有力支撐電氣化、低碳化、數字化、智能化、交互化的未來社會能源愿景。
構建新型電力系統的三個層面,是一個動態(tài)的演進過程,如圖1,在不同層面都需要充分關注和妥善處理以下兩個問題:
(1)針對性的政策扶持。第一層面的演進過程中,需要針對性地采取風光火儲一體化、光伏整縣開發(fā)、隔墻售電、東數西算等扶持政策。同樣的,在未來更高層面的演進過程中,也需要根據新能源開發(fā)的技術特征與成本特性變化,不斷迭代優(yōu)化新能源發(fā)展模式和扶持政策。
(2)需要兼顧社會用能的承受能力、安全約束和經濟成本。構建新型電力系統不能一蹴而就,需要充分與社會用能進行溝通協調。新型電力系統要做到“三平衡”,即電力平衡、能量平衡[23]和價值平衡,而其中的價值平衡需要充分與社會用能需求進行溝通協調。不同層面的新型電力系統,需要充分考慮社會相應發(fā)展階段新建系統成本、火電退出成本、低碳用能成本的承受能力。
03、新型電力系統的特征與趨勢
以新能源為主體的新型電力系統的概念進一步延伸,即以新能源為主體的新型能源系統,具備以下重要特征:(1)可再生能源占據主體;(2)電網調節(jié)能力顯著增強;(3)電網由集中為主,向集中與分散并重轉型;(4)氫能在二次能源比重不斷增加。明確以上新型能源系統的四大重要特征,我們就可以得出新型電力系統演進過程的四個階段。
(1)大規(guī)?？稍偕茉窗l(fā)電接入電網。
隨著近十年來新能源的產業(yè)政策扶持、技術資源聚集和資本持續(xù)投入,新能源發(fā)電成本呈現快速下降趨勢。電力系統的可再生能源占比從小于15%,將逐步上升,這一階段中電網開始加強需求側管理和智能調控。
(2)大規(guī)模調峰調頻技術應用。
在這一階段趨勢中,可再生能源占比達到15%~50%,可再生能源發(fā)電成本持續(xù)降低,學者普遍預計2026年前后我國陸上風電、光伏的平準化度電成本(levelized cost of energy, LCOE)將低于燃煤發(fā)電。
在這一階段趨勢下,電網開始發(fā)展大規(guī)模儲能及輔助調峰調頻配置,抽水蓄能、壓縮空氣儲能、電化學儲能等電力靈活性資源受到重視,以儲能和調峰能力為基礎支撐的新增電力裝機發(fā)展機制逐步形成。
然而新能源接入電網節(jié)點時的成本,并不代表終端用戶電能成本。當新能源電量滲透率超過15%后,電網系統成本將顯著上升,削減煤電帶來的系統成本也將顯現,最終造成大電網的成本優(yōu)勢在這一階段中逐漸喪失。
(3)電網呈分散趨勢。
在這一階段趨勢中,可再生能源占比達到50%~80%,新能源獲得主體地位,大電網出現成本、效率方面的不足,而區(qū)域電網、智能微網快速發(fā)展,能源供給與能源消費一體化、就地化、智慧化的趨勢愈發(fā)顯著。
能源電力與產業(yè)系統逐步呈現高度耦合,能源品種價格逐步走向市場化,節(jié)能、高效、低價成為準繩,競爭性環(huán)節(jié)電價全面放開。能源開發(fā)呈現分布式與集中式并重,智慧能源響應技術快速發(fā)展。
以數字電網為樞紐,數據流和信息流實現有序流動,電力流和能源流充分打通。5G、大數據、云計算等數字基礎設施,碳足跡、電足跡等計量基礎設施走向完備。區(qū)塊鏈等去中心化技術支撐的碳市場、電力市場基本成型,形成能源電力與社會資源的優(yōu)化配置。
新能源主體帶來的系統平衡成本、安全保障成本等逐漸降低,新型電力系統安全韌性增強,應對極端天氣、自然災害、襲擊破壞、網絡攻擊的電力安全理論和防范風險體系走向完善。
(4)電氫結合的二次能源體系形成。
在這一階段趨勢中,可再生能源占比達到80%以上,氫能社會與電氣社會呈現并存態(tài)勢,新能源為主體的新型電力系統完全建成,并實現2060碳中和目標。
在這一階段中電力系統“三平衡”手段,走向電氫耦合、綜合能源、跨網互濟。“大云物移智鏈”等數字化支撐技術高度發(fā)達,源網荷儲各個環(huán)節(jié)市場交易高度發(fā)展,工業(yè)、交通、建筑等跨行業(yè)交互頻繁,能源流、電力流、資源流、信息流、碳流、資金流高度耦合,經濟社會的碳中和轉型全面實現。
04、支撐技術體系
新型電力系統發(fā)展離不開支撐技術體系的進步,新型電力系統的支撐技術體系可歸納為四大體系,分別是大規(guī)模可再生能源開發(fā)技術體系、電網調峰調頻技術體系、局域網及微網構建技術體系、氫能及其綜合利用技術體系,如圖2所示。
中國大唐集團結合戰(zhàn)略需求,在四大體系中精準部署了各項研發(fā)重點。其中大規(guī)?？稍偕茉撮_發(fā)技術體系方面,太陽能板塊重點布局新型高效光伏發(fā)電技術,包括新材料及新型組件,以及先進光熱發(fā)電與熔鹽儲熱技術。在風能板塊,重點開展漂浮式深遠海發(fā)電技術和海上風電評價技術研究,同時積極探索高空發(fā)電技術(高空風箏等)和高原風力發(fā)電技術。
預計我國2030年風光裝機容量將達到17億kW以上,發(fā)電量占比約24%,2060年風光裝機容量將達到50億kW以上,發(fā)電量占比約67%,大規(guī)?？稍偕茉撮_發(fā)技術體系應當盡快建立。隨著新能源滲透率的提高,電力平衡、能量平衡和價值平衡等“三平衡”問題也將日益凸顯,在大規(guī)?？稍偕茉撮_發(fā)技術體系下攻關高效率、低成本的先進風光發(fā)電技術,探索“整縣開發(fā)”、“隔墻售電”、“東數西算”就地消納等新模式,也是提升電力系統韌性、降低社會用電成本的關鍵舉措。
以新能源為主體的新型電力系統將呈現“一低、兩高、雙峰、雙隨機”特點,即低系統轉動慣量、高比例新能源與高比例電力電子裝備、夏冬負荷雙高峰、發(fā)電出力和用電負荷雙側隨機波動,對于電網調峰調頻技術體系的需求日益強烈。
在電網調峰調頻技術體系方面,中國大唐集團系統開展了電力電子、智能調度、調相技術、需求側管理等核心技術攻關,推動虛擬電廠建設和主動需求響應,構建源網荷儲協調運行的新模式、新業(yè)態(tài)。
與此同時,中國大唐集團大力發(fā)展各類儲能技術,包括抽水蓄能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能等物理儲能,鈉離子電池、鋁離子電池、液流電池等化學能,攻關多種儲能形式的耦合技術。
依托國家級科技項目支撐,以壓縮空氣儲能技術為抓手,中國大唐集團著力突破大規(guī)模、長周期、高安全、低成本的儲能技術,力爭改變電能難以存儲的傳統認知,依托共享儲能、獨立儲能等新模式推動新型電力系統中儲能資源的市場化。
發(fā)展局域網及微網構建技術體系,是暢通能源在傳統電力系統中生產、流動、分配和消費等各環(huán)節(jié)堵點,加快數字化、智慧化、市場化的重要路徑。我們認為,分布式與集中式并舉將成為未來能源的主流供需模式,大電網與配電網、微網的互動模式都將在綜合能源、數字孿生、人工智能等技術支撐下迎來重大突破。
在局域網及微網構建技術體系方面,中國大唐集團積極推動綜合能源、能量管理、能源管家、智能微網等前沿方向研發(fā),在電動汽車入網技術(vehicle to grid, V2G)、光伏建筑一體化(building integrated photovoltaics, BIPV)、智能用電、機器學習、負荷預測、數據中臺等核心支撐技術上著力突破。
同時大力推動局域網及微網構建技術體系在零碳新城、低碳小鎮(zhèn)、智慧園區(qū)、智慧樓宇等不同規(guī)模場景的落地應用,加速新型電力系統向多市場主體互動、多能互補、資源互濟、生態(tài)化共存的共贏模式轉變。
氫能及其綜合利用技術體系,是支撐電氫結合的二次能源體系形成的重要技術路徑,也是構建氫能社會與電氣社會并存的碳中和愿景的重要技術手段。氫能將是新型電力系統“三平衡”的重要手段,在長時間尺度下綠氫將成為重要的化學儲能方式、就地消納方式和綜合利用方式。
2021年6月發(fā)布的《中國大唐集團有限公司碳達峰碳中和行動綱要》提出,在氫能及其綜合利用技術體系中重點布局綠氫制備、儲氫儲能等技術研究,在質子交換膜(proton exchange membrane, PEM)電解水制氫裝備、孤網制氫產業(yè)鏈“鏈長”等關鍵裝備和產業(yè)鏈建設方面持續(xù)發(fā)力,推動吉林白城孤網制氫基地建設,探索天然氣摻氫、輸氫管道、固體氧化物燃料電池(solid oxide fuel cell, SOFC)、海水制氫等電氫結合支撐技術。
同時我們高度重視氫能的綜合利用,創(chuàng)新提出“東碳西匯”概念,持續(xù)攻關“清潔制氫+綠色化工”能源化工耦合體系,服務集團煤化工脫困與低碳化轉型,進而推動綠氫交通、綠色化工氫能冶金、氫進萬家等綜合應用。
05、結 論
(1)結合電力系統的演進階段劃分,各省可以研判目前所處的發(fā)展階段,確定自身發(fā)展策略,即“一省一策”。沿海地區(qū)目前處于第一階段,重點在于推進新能源資源開發(fā),取得“量”的突破,而“三北”地區(qū)開始步入第二階段,需要發(fā)力新能源大基地建設,并推動科技項目策劃,取得新能源資源開發(fā)“質”的突破。
(2)共享儲能已經成為調峰調頻技術的新趨勢、新模式,現有發(fā)電側強配儲能模式將會逐步優(yōu)化過渡到數字化、智慧化和市場化的儲能市場交易模式。在儲能發(fā)展新模式下,抽水蓄能、壓縮空氣儲能等大規(guī)模儲能將成為新型電力系統發(fā)展的剛需,各類儲能技術的耦合互補“組合拳”也將成為新趨勢,建議及時啟動政策保障和監(jiān)管。
(3)電力系統演進至第三階段時,可再生能源占比達到50%~80%,具有轉動慣量及調峰調頻功能的煤電、氣電、水電將在局域網、微網構建中顯現優(yōu)勢,形成局域網的核心。光熱技術、超臨界二氧化碳發(fā)電技術、壓縮空氣儲能技術等,也將在這一階段的局域網及智能微網構建中得到廣泛應用。需求決定生產也是這一階段的重要特點,客戶資源將成為各類能源供應商的競爭重點。
(4)邁向碳中和時代,氫能是能源產業(yè)轉型的重要路徑,也是經濟社會和工業(yè)體系重構的重要抓手。雖然電力系統演進具有階段性,但氫能既是二次能源,又有儲能優(yōu)勢,不只是在電力系統演進的第四階段才走上舞臺,而是從第二階段開始氫能及綜合利用技術就逐步應用于新型電力系統建設和與其他行業(yè)的深度融合。因此,氫能及其綜合利用技術體系的研發(fā)攻關應當盡早啟動并大力推進。
本文受海南省重大科技計劃項目(ZDKJ2020013)資助。
原文發(fā)表在《分布式能源》2021年第6卷第6期，歡迎品讀！
引用本文：
張勛奎. 以新能源為主體的新型電力系統發(fā)展路線圖[J]. 分布式能源，2021，6（6）：1-8.
ZHANG Xunkui . A Roadmap for Developing a New Power System With New Energy as the Main Body[J]. Distributed Energy, 2021，6（6）：1-8.
作者簡介
張勛奎：中國大唐集團新能源科學技術研究院董事長、黨委書記，正高級工程師，國家發(fā)改委“揭榜掛帥”項目首席專家，海南省重大科技項目首席專家，中國電機工程學會理事，東南大學客座研究員，主要從事新能源規(guī)劃、新型電力系統研究。
