中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：
摘要：調(diào)節(jié)電源是構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的關(guān)鍵支撐，對(duì)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?xì)獍l(fā)電、抽水蓄能、電化學(xué)儲(chǔ)能等調(diào)節(jié)電源，量化分析了世界主要國(guó)家的各類調(diào)節(jié)電源裝機(jī)容量情況，對(duì)各國(guó)調(diào)節(jié)電源占電力總裝機(jī)容量的比例進(jìn)行了對(duì)比分析。結(jié)果表明，世界主要國(guó)家的調(diào)節(jié)電源裝機(jī)占比中，美國(guó)最高（45%），我國(guó)最低（7%），因此我國(guó)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(diào)節(jié)電源。在調(diào)節(jié)資源分析和國(guó)際能源供應(yīng)形勢(shì)研判的基礎(chǔ)上，全面分析了主要國(guó)家選擇調(diào)節(jié)電源路徑的背景和原因，橫向?qū)Ρ攘宋覈?guó)的能源基礎(chǔ)，最后提出了對(duì)我國(guó)發(fā)展調(diào)節(jié)電源的啟示。
關(guān)鍵詞：調(diào)節(jié)電源；抽水蓄能；燃?xì)獍l(fā)電；電化學(xué)儲(chǔ)能；發(fā)展路徑；對(duì)比分析
0 引言
大力發(fā)展可再生能源已成為能源轉(zhuǎn)型和應(yīng)對(duì)氣候變化的全球共識(shí)。根據(jù)國(guó)際能源署數(shù)據(jù)[1]，2023年全球可再生能源新增裝機(jī)容量比2022年增長(zhǎng)50%；到2025年初，可再生能源將成為全球最主要的電力來(lái)源，未來(lái)5a風(fēng)能和太陽(yáng)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(shù)進(jìn)步等影響下，以風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電為代表的新能源呈現(xiàn)性能快速提高、經(jīng)濟(jì)性持續(xù)提升、應(yīng)用規(guī)模加速擴(kuò)大的態(tài)勢(shì)。風(fēng)電和太陽(yáng)能發(fā)電出力具有隨機(jī)性、波動(dòng)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(diào)節(jié)電源和儲(chǔ)能調(diào)節(jié)措施[2-6]。
燃?xì)獍l(fā)電是比較理想的調(diào)峰電源。燃?xì)獍l(fā)電具有快速響應(yīng)電網(wǎng)調(diào)度信號(hào)、高效燃燒釋放能量并發(fā)電、廣泛適應(yīng)不同的用電端負(fù)荷等優(yōu)點(diǎn)，在歐美某些國(guó)家承擔(dān)主要調(diào)峰電源的角色[7-8]。2022年，烏克蘭危機(jī)使得國(guó)際石油天然氣市場(chǎng)受到劇烈沖擊。從能源安全的角度，對(duì)于天然氣儲(chǔ)備量少、需要大量依靠進(jìn)口的國(guó)家來(lái)說(shuō)，國(guó)際石油天然氣市場(chǎng)的動(dòng)蕩無(wú)疑令依靠燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電來(lái)解決電力系統(tǒng)靈活性問(wèn)題的方案充滿了不確定性[7]。抽水蓄能具有調(diào)峰、填谷、儲(chǔ)能、調(diào)頻、調(diào)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(yùn)行和促進(jìn)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?xì)獍l(fā)電、抽水蓄能、電化學(xué)儲(chǔ)能等調(diào)節(jié)電源，綜合分析了我國(guó)以及美國(guó)、英國(guó)、德國(guó)、日本、瑞士、奧地利、葡萄牙等世界主要國(guó)家的各類調(diào)節(jié)電源裝機(jī)容量情況，對(duì)各國(guó)調(diào)節(jié)電源占電力總裝機(jī)容量的比例進(jìn)行對(duì)比，在調(diào)節(jié)資源分析和國(guó)際能源供應(yīng)形勢(shì)研判的基礎(chǔ)上，全面分析了主要國(guó)家選擇調(diào)節(jié)電源路徑的背景和原因，并橫向?qū)Ρ攘宋覈?guó)的資源基礎(chǔ)，提出了對(duì)我國(guó)發(fā)展調(diào)節(jié)電源的啟示。
1 世界主要國(guó)家調(diào)峰電源現(xiàn)狀
1.1 抽水蓄能裝機(jī)情況
截至2023年底，全球抽水蓄能裝機(jī)容量達(dá)到17 913萬(wàn)kW[11]。其中，我國(guó)抽水蓄能裝機(jī)容量5 094萬(wàn)kW，居世界首位；日本、美國(guó)的抽水蓄能裝機(jī)容量分別為2316萬(wàn)、2189萬(wàn)kW，分列第2位和第3位。全球抽水蓄能裝機(jī)容量排名前十的國(guó)家分別為中國(guó)、日本、美國(guó)、德國(guó)、意大利、西班牙、法國(guó)、韓國(guó)、印度、瑞士，如圖1所示[12]。
1.2 燃?xì)獍l(fā)電裝機(jī)情況
截至2023年底，中國(guó)、美國(guó)、日本、意大利等主要國(guó)家的天然氣發(fā)電裝機(jī)容量如圖2所示[13-14]。其中，奧地利、葡萄牙、法國(guó)、西班牙、德國(guó)、意大利的燃?xì)獍l(fā)電裝機(jī)容量根據(jù)天然氣發(fā)電量估算。
1.3 電化學(xué)儲(chǔ)能發(fā)展情況
截至2023年底，全球電化學(xué)儲(chǔ)能裝機(jī)容量達(dá)到9130萬(wàn)kW。從裝機(jī)容量和儲(chǔ)能量占比來(lái)看，抽水蓄能仍是儲(chǔ)能領(lǐng)域的主力軍，但近年來(lái)新型儲(chǔ)能也得到了較快發(fā)展。2021年，全球新增投運(yùn)新型儲(chǔ)能項(xiàng)目首次突破1000萬(wàn)kW，累計(jì)裝機(jī)達(dá)到2540萬(wàn)kW。2022年，全球新型儲(chǔ)能累計(jì)裝機(jī)規(guī)模達(dá)4570萬(wàn)kW，年增長(zhǎng)率80%，鋰離子電池占據(jù)絕對(duì)主導(dǎo)地位，以用戶側(cè)和電源側(cè)為主[15]。根據(jù)Bp能源統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，截至2023年底，世界主要國(guó)家電網(wǎng)側(cè)電化學(xué)儲(chǔ)能裝機(jī)容量如圖3所示[13]。
1.4 調(diào)節(jié)電源占電力系統(tǒng)總裝機(jī)容量的比例
分析世界主要國(guó)家電力系統(tǒng)總裝機(jī)容量、抽水蓄能裝機(jī)容量、天然氣發(fā)電裝機(jī)容量和電網(wǎng)側(cè)電化學(xué)儲(chǔ)能裝機(jī)容量，世界各國(guó)調(diào)節(jié)電源裝機(jī)容量占電力系統(tǒng)總裝機(jī)容量比例如圖4所示，其中，美國(guó)最高，調(diào)節(jié)電源占比為45%；意大利、英國(guó)、葡萄牙、韓國(guó)次之，調(diào)節(jié)電源占比分別為41%、38%、33%、33%；我國(guó)最低，調(diào)節(jié)電源占比僅為7%，因此，我國(guó)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(diào)節(jié)電源[16-19]。
2 我國(guó)與世界其他國(guó)家調(diào)節(jié)電源發(fā)展路徑的對(duì)比分析
為了促進(jìn)新能源發(fā)電的發(fā)展，世界各國(guó)主要采取增加燃?xì)獍l(fā)電、抽水蓄能、新型儲(chǔ)能等調(diào)節(jié)電源的手段。美國(guó)頁(yè)巖氣儲(chǔ)量巨大、用氣成本低廉，且燃?xì)鈾C(jī)組占比很高，因此發(fā)展抽水蓄能電站的意愿不是十分強(qiáng)烈。俄烏沖突以來(lái)，歐洲的天然氣供應(yīng)不能得到有效保障，能源安全形勢(shì)較為嚴(yán)峻，但由于地形相對(duì)平緩，除葡萄牙、奧地利、瑞士等國(guó)家外，歐洲其他國(guó)家的抽水蓄能資源條件一般，因此歐洲大部分國(guó)家大規(guī)模發(fā)展新能源，除了依靠燃?xì)鈾C(jī)組的調(diào)節(jié)能力外，歐洲各國(guó)電網(wǎng)之間的互相調(diào)劑也發(fā)揮著重要作用。日本天然氣主要依靠進(jìn)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(guó)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(shè)成本高、技術(shù)難度大，因此，日本選擇氫能作為未來(lái)儲(chǔ)能發(fā)展的主要技術(shù)路線，并加大了在氫燃料電池方面的投入。
鑒于我國(guó)“富煤、貧油、少氣”的能源資源稟賦，燃煤發(fā)電仍是我國(guó)當(dāng)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(guó)燃煤發(fā)電總裝機(jī)達(dá)到11.6億kW，占電源總裝機(jī)的比例約為40%。國(guó)家發(fā)展改革委、國(guó)家能源局聯(lián)合印發(fā)的《關(guān)于加強(qiáng)電網(wǎng)調(diào)峰儲(chǔ)能和智能化調(diào)度能力建設(shè)的指導(dǎo)意見》[16]中提出，到2027年存量煤電機(jī)組實(shí)現(xiàn)“應(yīng)改盡改”，最小發(fā)電出力達(dá)到30%額定負(fù)荷。按照“應(yīng)改盡改”的要求，預(yù)計(jì)完成靈活性改造的煤電機(jī)組約7億kW，最大調(diào)節(jié)能力約5億kW。但是，燃煤發(fā)電會(huì)增加溫室氣體排放，不利于碳減排目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，并且低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)會(huì)導(dǎo)致爐膛溫度降低、燃燒不穩(wěn)定，還會(huì)導(dǎo)致煙氣污染物凈化設(shè)備偏離運(yùn)行條件，影響環(huán)保指標(biāo)達(dá)標(biāo)，需要進(jìn)行技術(shù)突破和改造升級(jí)。此外，如何兼顧調(diào)峰能力和經(jīng)濟(jì)性也存在一些問(wèn)題?？梢姡弘姍C(jī)組要承擔(dān)更大比例的調(diào)節(jié)任務(wù)，還有大量技術(shù)難題需要攻克。
燃?xì)獍l(fā)電是比較理想的調(diào)節(jié)電源，在歐美國(guó)家承擔(dān)主要調(diào)節(jié)電源。然而，我國(guó)天然氣儲(chǔ)備量很少，無(wú)法滿足燃?xì)鈾C(jī)組的用氣量需求。我國(guó)作為世界第一大能源消費(fèi)國(guó)，從能源安全的角度，不大可能通過(guò)大量進(jìn)口天然氣滿足用能需求。另外，天然氣產(chǎn)地遠(yuǎn)離消費(fèi)市場(chǎng)，中東部地區(qū)天然氣門站價(jià)格接近2元/Nm3，燃?xì)獍l(fā)電運(yùn)行成本高。我國(guó)燃機(jī)產(chǎn)業(yè)起步并不比歐美發(fā)達(dá)國(guó)家晚，但在很長(zhǎng)一段時(shí)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(zhǎng)期壟斷市場(chǎng)，尤其是重型燃機(jī)領(lǐng)域，全國(guó)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程慢。截至2023年底，我國(guó)氣電總裝機(jī)達(dá)到1.26億kW，約占電源總裝機(jī)的比例為4.3%，理論最大調(diào)節(jié)功率約1億kW，約占?xì)怆娧b機(jī)的80%，但實(shí)際調(diào)節(jié)能力受氣源保障、溫度和海拔影響，與理論調(diào)節(jié)能力有一定偏差[20]。
此外，需求響應(yīng)也能夠提供一定的調(diào)節(jié)能力。國(guó)家發(fā)展改革委等六部門聯(lián)合印發(fā)的《電力需求側(cè)管理辦法（2023年版）》[21]提出，到2025年各省需求響應(yīng)能力達(dá)到最大用電負(fù)荷的3%~5%，其中年度最大用電負(fù)荷峰谷差率超過(guò)40%的省份達(dá)到5%或以上。受產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整影響，第三產(chǎn)業(yè)、居民生活用電占比逐步上升，我國(guó)各省區(qū)負(fù)荷曲線尖峰化、峰谷差拉大。電力市場(chǎng)化改革背景下，價(jià)格機(jī)制可以一定程度上降低尖峰負(fù)荷、減少負(fù)荷峰谷差。然而，我國(guó)幅員遼闊，各省產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、用電結(jié)構(gòu)、電源結(jié)構(gòu)各具特色，用電需求呈現(xiàn)出不同特點(diǎn)。部分省份用電特點(diǎn)為“尖峰高、時(shí)長(zhǎng)短”，有開展需求響應(yīng)的基礎(chǔ)；部分省份用電特點(diǎn)為“最小負(fù)荷率較高，負(fù)荷曲線較平，高峰時(shí)長(zhǎng)較長(zhǎng)”，開展需求響應(yīng)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(jīng)濟(jì)性好，可以在電力系統(tǒng)中發(fā)揮調(diào)峰、填谷、儲(chǔ)能、調(diào)頻、調(diào)相和緊急事故備用等功能，并提供轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；電化學(xué)儲(chǔ)能建設(shè)周期短，可快速調(diào)頻，對(duì)地形地質(zhì)條件的要求不高[9]。在具備資源條件的國(guó)家，抽水蓄能和新型儲(chǔ)能可以發(fā)揮很好的互補(bǔ)作用，尤其是電化學(xué)儲(chǔ)能使用壽命相對(duì)較短，可以和抽水蓄能形成近中遠(yuǎn)期互補(bǔ)發(fā)展格局，共同促進(jìn)新能源大規(guī)模開發(fā)和高比例消納[22-23]。
3 對(duì)于我國(guó)發(fā)展調(diào)節(jié)電源的啟示
（1）抽水蓄能是最經(jīng)濟(jì)、最清潔、最具規(guī)?；l(fā)展?jié)摿Φ恼{(diào)峰電源，各國(guó)均認(rèn)為加快發(fā)展抽水蓄能可有效提升電力系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能力，但受資源條件限制，各國(guó)發(fā)展抽水蓄能電站的潛力不同。例如，美國(guó)的地形、地質(zhì)、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(guó)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(guó)幅員遼闊，地勢(shì)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(shè)條件得天獨(dú)厚，站點(diǎn)豐富且分布范圍廣[22]。綜合歷次選點(diǎn)規(guī)劃、中長(zhǎng)期規(guī)劃及經(jīng)批復(fù)的相關(guān)省份新增納規(guī)申請(qǐng)，截至2023年底，全國(guó)已納入規(guī)劃和儲(chǔ)備的抽水蓄能站點(diǎn)資源總量約8.23億kW，其中已建5094萬(wàn)kW，核準(zhǔn)在建1.79億kW。
（3）我國(guó)缺油、少氣，不具備美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家通過(guò)大規(guī)模建設(shè)燃?xì)鈾C(jī)組提高電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力的資源條件，為了實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)，只要具備建設(shè)條件，發(fā)展抽水蓄能仍是主要的技術(shù)路線。奧地利的調(diào)峰電源即是以抽水蓄能為主，燃?xì)獍l(fā)電為輔。
（4）抽水蓄能是促進(jìn)新能源發(fā)展的新能源基礎(chǔ)設(shè)施，未來(lái)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(guān)。抽水蓄能建設(shè)周期長(zhǎng)，雖然“十四五”以來(lái)得到了快速發(fā)展，但考慮到促進(jìn)未來(lái)新能源大規(guī)模發(fā)展，仍然需要繼續(xù)建設(shè)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(lái)衡量抽水蓄能的需求規(guī)模。應(yīng)因地制宜，將建設(shè)條件和經(jīng)濟(jì)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(dòng)項(xiàng)目實(shí)施。
（5）抽水蓄能將和煤電靈活性改造、新型儲(chǔ)能和需求響應(yīng)等調(diào)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(diào)峰、填谷、儲(chǔ)能、調(diào)頻、調(diào)相和緊急事故備用等功能，可以為電力系統(tǒng)提供轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，并提供大容量較長(zhǎng)時(shí)段的儲(chǔ)能能力；電化學(xué)儲(chǔ)能響應(yīng)速度快，可快速調(diào)節(jié)新能源的瞬時(shí)出力波動(dòng)；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(yīng)可以充分調(diào)動(dòng)負(fù)荷側(cè)參與電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)的積極性，降低系統(tǒng)總成本，也是調(diào)節(jié)手段的重要補(bǔ)充。
4 結(jié)語(yǔ)
本文綜合分析了我國(guó)以及美國(guó)、英國(guó)、德國(guó)、日本、瑞士、奧地利、葡萄牙等世界主要國(guó)家的燃?xì)獍l(fā)電、抽水蓄能、電化學(xué)儲(chǔ)能等調(diào)節(jié)電源的裝機(jī)容量情況，對(duì)各國(guó)調(diào)節(jié)電源占電力總裝機(jī)容量的比例進(jìn)行了對(duì)比。對(duì)比結(jié)果表明，我國(guó)的調(diào)節(jié)電源裝機(jī)占比最低，我國(guó)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(diào)節(jié)電源。在調(diào)節(jié)資源分析和國(guó)際能源供應(yīng)形勢(shì)研判的基礎(chǔ)上，全面分析了主要國(guó)家選擇調(diào)節(jié)電源路徑的背景和原因，并橫向?qū)Ρ攘宋覈?guó)的資源基礎(chǔ)，結(jié)合國(guó)內(nèi)能源資源稟賦，提出了對(duì)我國(guó)發(fā)展調(diào)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(chǔ)能和需求響應(yīng)等調(diào)節(jié)手段共同促進(jìn)未來(lái)新能源大規(guī)模發(fā)展。
