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摘要：調節(jié)電源是構建新型電力系統(tǒng)的關鍵支撐，對保障新能源大規(guī)模開發(fā)和高比例消納發(fā)揮著重要作用。圍繞燃氣發(fā)電、抽水蓄能、電化學儲能等調節(jié)電源，量化分析了世界主要國家的各類調節(jié)電源裝機容量情況，對各國調節(jié)電源占電力總裝機容量的比例進行了對比分析。結果表明，世界主要國家的調節(jié)電源裝機占比中，美國最高（45%），我國最低（7%），因此我國新能源消納能力受到很大限制。為了支撐新能源大規(guī)模發(fā)展和高比例消納，需要大力發(fā)展調節(jié)電源。在調節(jié)資源分析和國際能源供應形勢研判的基礎上，全面分析了主要國家選擇調節(jié)電源路徑的背景和原因，橫向對比了我國的能源基礎，最后提出了對我國發(fā)展調節(jié)電源的啟示。
關鍵詞：調節(jié)電源；抽水蓄能；燃氣發(fā)電；電化學儲能；發(fā)展路徑；對比分析
0 引言
大力發(fā)展可再生能源已成為能源轉型和應對氣候變化的全球共識。根據國際能源署數據[1]，2023年全球可再生能源新增裝機容量比2022年增長50%；到2025年初，可再生能源將成為全球最主要的電力來源，未來5a風能和太陽能發(fā)電將占新增可再生能源發(fā)電量的95%。在政策支持及技術進步等影響下，以風電、太陽能發(fā)電為代表的新能源呈現性能快速提高、經濟性持續(xù)提升、應用規(guī)模加速擴大的態(tài)勢。風電和太陽能發(fā)電出力具有隨機性、波動性、間歇性，其大規(guī)模開發(fā)和高比例消納需要電力系統(tǒng)配備靈活調節(jié)電源和儲能調節(jié)措施[2-6]。
燃氣發(fā)電是比較理想的調峰電源。燃氣發(fā)電具有快速響應電網調度信號、高效燃燒釋放能量并發(fā)電、廣泛適應不同的用電端負荷等優(yōu)點，在歐美某些國家承擔主要調峰電源的角色[7-8]。2022年，烏克蘭危機使得國際石油天然氣市場受到劇烈沖擊。從能源安全的角度，對于天然氣儲備量少、需要大量依靠進口的國家來說，國際石油天然氣市場的動蕩無疑令依靠燃氣輪機發(fā)電來解決電力系統(tǒng)靈活性問題的方案充滿了不確定性[7]。抽水蓄能具有調峰、填谷、儲能、調頻、調相和備用等多種功能，在煤電發(fā)展受限和氣源保障困難的情況下，其在保障全球電力系統(tǒng)安全運行和促進新能源大規(guī)模發(fā)展方面的重要性日益突出[2-6，9-11]。
本文圍繞燃氣發(fā)電、抽水蓄能、電化學儲能等調節(jié)電源，綜合分析了我國以及美國、英國、德國、日本、瑞士、奧地利、葡萄牙等世界主要國家的各類調節(jié)電源裝機容量情況，對各國調節(jié)電源占電力總裝機容量的比例進行對比，在調節(jié)資源分析和國際能源供應形勢研判的基礎上，全面分析了主要國家選擇調節(jié)電源路徑的背景和原因，并橫向對比了我國的資源基礎，提出了對我國發(fā)展調節(jié)電源的啟示。
1 世界主要國家調峰電源現狀
1.1 抽水蓄能裝機情況
截至2023年底，全球抽水蓄能裝機容量達到17 913萬kW[11]。其中，我國抽水蓄能裝機容量5 094萬kW，居世界首位；日本、美國的抽水蓄能裝機容量分別為2316萬、2189萬kW，分列第2位和第3位。全球抽水蓄能裝機容量排名前十的國家分別為中國、日本、美國、德國、意大利、西班牙、法國、韓國、印度、瑞士，如圖1所示[12]。
1.2 燃氣發(fā)電裝機情況
截至2023年底，中國、美國、日本、意大利等主要國家的天然氣發(fā)電裝機容量如圖2所示[13-14]。其中，奧地利、葡萄牙、法國、西班牙、德國、意大利的燃氣發(fā)電裝機容量根據天然氣發(fā)電量估算。
1.3 電化學儲能發(fā)展情況
截至2023年底，全球電化學儲能裝機容量達到9130萬kW。從裝機容量和儲能量占比來看，抽水蓄能仍是儲能領域的主力軍，但近年來新型儲能也得到了較快發(fā)展。2021年，全球新增投運新型儲能項目首次突破1000萬kW，累計裝機達到2540萬kW。2022年，全球新型儲能累計裝機規(guī)模達4570萬kW，年增長率80%，鋰離子電池占據絕對主導地位，以用戶側和電源側為主[15]。根據Bp能源統(tǒng)計數據，截至2023年底，世界主要國家電網側電化學儲能裝機容量如圖3所示[13]。
1.4 調節(jié)電源占電力系統(tǒng)總裝機容量的比例
分析世界主要國家電力系統(tǒng)總裝機容量、抽水蓄能裝機容量、天然氣發(fā)電裝機容量和電網側電化學儲能裝機容量，世界各國調節(jié)電源裝機容量占電力系統(tǒng)總裝機容量比例如圖4所示，其中，美國最高，調節(jié)電源占比為45%；意大利、英國、葡萄牙、韓國次之，調節(jié)電源占比分別為41%、38%、33%、33%；我國最低，調節(jié)電源占比僅為7%，因此，我國新能源消納能力受到很大限制，為了支撐新能源大規(guī)模發(fā)展和高比例消納需要大力發(fā)展調節(jié)電源[16-19]。
2 我國與世界其他國家調節(jié)電源發(fā)展路徑的對比分析
為了促進新能源發(fā)電的發(fā)展，世界各國主要采取增加燃氣發(fā)電、抽水蓄能、新型儲能等調節(jié)電源的手段。美國頁巖氣儲量巨大、用氣成本低廉，且燃氣機組占比很高，因此發(fā)展抽水蓄能電站的意愿不是十分強烈。俄烏沖突以來，歐洲的天然氣供應不能得到有效保障，能源安全形勢較為嚴峻，但由于地形相對平緩，除葡萄牙、奧地利、瑞士等國家外，歐洲其他國家的抽水蓄能資源條件一般，因此歐洲大部分國家大規(guī)模發(fā)展新能源，除了依靠燃氣機組的調節(jié)能力外，歐洲各國電網之間的互相調劑也發(fā)揮著重要作用。日本天然氣主要依靠進口，能源安全受制于人，因此，日本發(fā)展抽水蓄能的意愿最高。但日本受限于國土空間狹小，陸地抽水蓄能的資源條件有限，海水抽水蓄能建設成本高、技術難度大，因此，日本選擇氫能作為未來儲能發(fā)展的主要技術路線，并加大了在氫燃料電池方面的投入。
鑒于我國“富煤、貧油、少氣”的能源資源稟賦，燃煤發(fā)電仍是我國當前的主要支撐能源，在電力系統(tǒng)中發(fā)揮著兜底保障作用。2023年我國燃煤發(fā)電總裝機達到11.6億kW，占電源總裝機的比例約為40%。國家發(fā)展改革委、國家能源局聯合印發(fā)的《關于加強電網調峰儲能和智能化調度能力建設的指導意見》[16]中提出，到2027年存量煤電機組實現“應改盡改”，最小發(fā)電出力達到30%額定負荷。按照“應改盡改”的要求，預計完成靈活性改造的煤電機組約7億kW，最大調節(jié)能力約5億kW。但是，燃煤發(fā)電會增加溫室氣體排放，不利于碳減排目標的實現，并且低負荷運行時會導致爐膛溫度降低、燃燒不穩(wěn)定，還會導致煙氣污染物凈化設備偏離運行條件，影響環(huán)保指標達標，需要進行技術突破和改造升級。此外，如何兼顧調峰能力和經濟性也存在一些問題。可見，煤電機組要承擔更大比例的調節(jié)任務，還有大量技術難題需要攻克。
燃氣發(fā)電是比較理想的調節(jié)電源，在歐美國家承擔主要調節(jié)電源。然而，我國天然氣儲備量很少，無法滿足燃氣機組的用氣量需求。我國作為世界第一大能源消費國，從能源安全的角度，不大可能通過大量進口天然氣滿足用能需求。另外，天然氣產地遠離消費市場，中東部地區(qū)天然氣門站價格接近2元/Nm3，燃氣發(fā)電運行成本高。我國燃機產業(yè)起步并不比歐美發(fā)達國家晚，但在很長一段時期都沒有取得重大突破，通用電氣、西門子、三菱重工等巨頭企業(yè)長期壟斷市場，尤其是重型燃機領域，全國產業(yè)化進程慢。截至2023年底，我國氣電總裝機達到1.26億kW，約占電源總裝機的比例為4.3%，理論最大調節(jié)功率約1億kW，約占氣電裝機的80%，但實際調節(jié)能力受氣源保障、溫度和海拔影響，與理論調節(jié)能力有一定偏差[20]。
此外，需求響應也能夠提供一定的調節(jié)能力。國家發(fā)展改革委等六部門聯合印發(fā)的《電力需求側管理辦法（2023年版）》[21]提出，到2025年各省需求響應能力達到最大用電負荷的3%~5%，其中年度最大用電負荷峰谷差率超過40%的省份達到5%或以上。受產業(yè)結構調整影響，第三產業(yè)、居民生活用電占比逐步上升，我國各省區(qū)負荷曲線尖峰化、峰谷差拉大。電力市場化改革背景下，價格機制可以一定程度上降低尖峰負荷、減少負荷峰谷差。然而，我國幅員遼闊，各省產業(yè)結構、用電結構、電源結構各具特色，用電需求呈現出不同特點。部分省份用電特點為“尖峰高、時長短”，有開展需求響應的基礎；部分省份用電特點為“最小負荷率較高，負荷曲線較平，高峰時長較長”，開展需求響應難度較高，且效果不明顯。
抽水蓄能具備大規(guī)模開發(fā)的條件，經濟性好，可以在電力系統(tǒng)中發(fā)揮調峰、填谷、儲能、調頻、調相和緊急事故備用等功能，并提供轉動慣量；電化學儲能建設周期短，可快速調頻，對地形地質條件的要求不高[9]。在具備資源條件的國家，抽水蓄能和新型儲能可以發(fā)揮很好的互補作用，尤其是電化學儲能使用壽命相對較短，可以和抽水蓄能形成近中遠期互補發(fā)展格局，共同促進新能源大規(guī)模開發(fā)和高比例消納[22-23]。
3 對于我國發(fā)展調節(jié)電源的啟示
（1）抽水蓄能是最經濟、最清潔、最具規(guī)模化發(fā)展?jié)摿Φ恼{峰電源，各國均認為加快發(fā)展抽水蓄能可有效提升電力系統(tǒng)的調節(jié)能力，但受資源條件限制，各國發(fā)展抽水蓄能電站的潛力不同。例如，美國的地形、地質、水源等自然條件較好，發(fā)展抽水蓄能的潛力較大；而日本國土狹窄，可利用的土地面積少，發(fā)展抽水蓄能的潛力有限。
（2）我國幅員遼闊，地勢高低起伏，山地、高原和丘陵約占陸地面積的67%，抽水蓄能電站的建設條件得天獨厚，站點豐富且分布范圍廣[22]。綜合歷次選點規(guī)劃、中長期規(guī)劃及經批復的相關省份新增納規(guī)申請，截至2023年底，全國已納入規(guī)劃和儲備的抽水蓄能站點資源總量約8.23億kW，其中已建5094萬kW，核準在建1.79億kW。
（3）我國缺油、少氣，不具備美國等發(fā)達國家通過大規(guī)模建設燃氣機組提高電力系統(tǒng)調節(jié)能力的資源條件，為了實現雙碳目標，只要具備建設條件，發(fā)展抽水蓄能仍是主要的技術路線。奧地利的調峰電源即是以抽水蓄能為主，燃氣發(fā)電為輔。
（4）抽水蓄能是促進新能源發(fā)展的新能源基礎設施，未來抽水蓄能的需求規(guī)模和新能源的發(fā)展規(guī)模息息相關。抽水蓄能建設周期長，雖然“十四五”以來得到了快速發(fā)展，但考慮到促進未來新能源大規(guī)模發(fā)展，仍然需要繼續(xù)建設大量的抽水蓄能電站。抽水蓄能可以發(fā)揮保供的作用，但不能只以保供來衡量抽水蓄能的需求規(guī)模。應因地制宜，將建設條件和經濟性較好的抽水蓄能電站納入發(fā)展規(guī)劃之中，并積極推動項目實施。
（5）抽水蓄能將和煤電靈活性改造、新型儲能和需求響應等調節(jié)手段共同發(fā)揮支撐新能源發(fā)展的作用，發(fā)展前景均十分廣闊。抽水蓄能在電力系統(tǒng)中發(fā)揮調峰、填谷、儲能、調頻、調相和緊急事故備用等功能，可以為電力系統(tǒng)提供轉動慣量，并提供大容量較長時段的儲能能力；電化學儲能響應速度快，可快速調節(jié)新能源的瞬時出力波動；煤電靈活性改造能夠發(fā)揮電力系統(tǒng)兜底保障作用，起到“壓艙石”的作用；需求響應可以充分調動負荷側參與電力系統(tǒng)調節(jié)的積極性，降低系統(tǒng)總成本，也是調節(jié)手段的重要補充。
4 結語
本文綜合分析了我國以及美國、英國、德國、日本、瑞士、奧地利、葡萄牙等世界主要國家的燃氣發(fā)電、抽水蓄能、電化學儲能等調節(jié)電源的裝機容量情況，對各國調節(jié)電源占電力總裝機容量的比例進行了對比。對比結果表明，我國的調節(jié)電源裝機占比最低，我國新能源消納能力受到很大限制，為了支撐新能源大規(guī)模發(fā)展和高比例消納，需要大力發(fā)展調節(jié)電源。在調節(jié)資源分析和國際能源供應形勢研判的基礎上，全面分析了主要國家選擇調節(jié)電源路徑的背景和原因，并橫向對比了我國的資源基礎，結合國內能源資源稟賦，提出了對我國發(fā)展調節(jié)電源的啟示，即立足資源稟賦，發(fā)展抽水蓄能，與煤電靈活性改造、新型儲能和需求響應等調節(jié)手段共同促進未來新能源大規(guī)模發(fā)展。
