碳中和背景下我國(guó)新型電力系統(tǒng)構(gòu)建過(guò)程中的問(wèn)題與建議

田江南，安 源，常德生，賈 瀟，李紅軍

(1.中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)華北電力設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100120；2.大唐國(guó)際發(fā)電股份有限公司，北京 100033；3.龍?jiān)措娏瘓F(tuán)股份有限公司，北京 100034)

0 引言

2020年9月，習(xí)近平主席首次在聯(lián)合國(guó)第75屆一般性辯論大會(huì)上提出“中國(guó)將于2030年前努力實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，于2060年前努力實(shí)現(xiàn)碳中和”。在2020年12月份習(xí)近平主席在氣候雄心大會(huì)上重申“3060”目標(biāo)，并作出進(jìn)一步承諾“到2030年，我國(guó)一次能源消費(fèi)中非化石能源比重將達(dá)到25%左右，風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電總裝機(jī)容量將達(dá)到12億kW以上”。隨著我國(guó)新能源(風(fēng)電、光伏)技術(shù)的發(fā)展以及新能源裝機(jī)容量的擴(kuò)大，國(guó)家逐漸取消了新能源的上網(wǎng)電價(jià)補(bǔ)貼，實(shí)施平價(jià)上網(wǎng)政策[1]。

在我國(guó)電力結(jié)構(gòu)中，新能源主要指風(fēng)電和光伏。在2018年5月出臺(tái)《關(guān)于2018年光伏發(fā)電有關(guān)事項(xiàng)的通知》之后，2019年1月份出臺(tái)《關(guān)于積極推進(jìn)風(fēng)電、光伏發(fā)電無(wú)補(bǔ)貼平價(jià)上網(wǎng)有關(guān)工作的通知》。這兩個(gè)文件明確了我國(guó)的光伏、風(fēng)電發(fā)電平價(jià)上網(wǎng)的目標(biāo)。

煤電發(fā)電量目前在我國(guó)發(fā)電量結(jié)構(gòu)中占比最高；風(fēng)電、光伏裝機(jī)容量在近幾年發(fā)展較為迅猛。文章針對(duì)“3060”目標(biāo)提出初期出現(xiàn)的新能源電源裝機(jī)不景氣、全國(guó)多地區(qū)實(shí)行有序用電、煤電倒掛導(dǎo)致的煤電出力不足等現(xiàn)象[2-3]，從煤電和可再生能源發(fā)電兩個(gè)角度展開(kāi)論述。

1 煤電的發(fā)展

“雙碳”目標(biāo)提出以來(lái)，人們的目光都集中到了碳排放大戶(hù)——電力行業(yè)。電力行業(yè)碳排放占全國(guó)碳排放總量的40%左右。煤電從起步之初歷經(jīng)了電荒、煤荒、煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電等過(guò)程再到二十世紀(jì)初期的快速發(fā)展，歷經(jīng)百年。今天，肩負(fù)著巨大減排任務(wù)的煤電又一次成為了社會(huì)輿論的焦點(diǎn)。

1.1 煤電發(fā)展現(xiàn)狀

為了優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，推動(dòng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式的轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)我國(guó)產(chǎn)業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展，我國(guó)于2015年黨的十八屆五中全會(huì)提出能耗“雙控”行動(dòng)。能耗雙控指的是控制能耗總量和能耗 強(qiáng)度[4]。

從“十二五”到“十三五”，我國(guó)煤電裝機(jī)容量增速?gòu)?.8%降至3.7%。由于電煤價(jià)格上漲、發(fā)電利用小時(shí)數(shù)下降、環(huán)保成本增加等原因，煤電企業(yè)虧損嚴(yán)重。2019年除國(guó)家能源集團(tuán)之外的四大電力集團(tuán)的煤電企業(yè)有50%左右處于虧損狀態(tài)，其煤電版塊的虧損額達(dá)到了150億元[5]。

1.2 煤電發(fā)展建議

2020年我國(guó)煤電裝機(jī)容量占總電源裝機(jī)容量的49.1%，煤電的發(fā)電量卻占全口徑發(fā)電量的65%。發(fā)電量與裝機(jī)容量的差距說(shuō)明了煤電不可或缺的地位，其強(qiáng)勁的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量給電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供了保障[6]。2021年 11月份國(guó)家發(fā)展改革委和國(guó)家能源局聯(lián)合發(fā)布《全國(guó)煤電機(jī)組改造升級(jí)實(shí)施方案》，方案指出淘汰關(guān)停的煤電機(jī)組“關(guān)而不拆”，在“退城進(jìn)郊”異地建設(shè)等情況下，作為應(yīng)急備用電源發(fā)揮作用?！疤蕴P(guān)停的煤電機(jī)組，可用于容量替代新建清潔高效煤電機(jī)組”[7]。

通過(guò)分析可以看出，煤電“退出”不可一蹴而就。煤電的壓艙石、穩(wěn)定器的作用是目前技術(shù)條件下新能源電源不可替代的?！笆奈濉逼陂g，我國(guó)全口徑用電年均增量為5%左右，僅依靠新能源發(fā)電填補(bǔ)這個(gè)增量缺口是不現(xiàn)實(shí)的[8]。在我國(guó)大電網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)沒(méi)有實(shí)現(xiàn)根本性的技術(shù)突破之前，還需要依靠煤電起到保供托底的作用。

1)煤電企業(yè)需提升運(yùn)行質(zhì)量和發(fā)電效率，實(shí)現(xiàn)精細(xì)化管理。通過(guò)技術(shù)改造等方式實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗，在不降低容量的條件下盡可能減碳。

2)煤電企業(yè)需要調(diào)整工作目標(biāo)，充分利用其靈活性的優(yōu)勢(shì)，保證不發(fā)生大規(guī)模停電事故，起到新型電力系統(tǒng)的強(qiáng)有力的支撐作用。

3)存量的煤電企業(yè)為適應(yīng)現(xiàn)代電力系統(tǒng)的要求，需要進(jìn)行一系列改造，如：靈活性改造、提質(zhì)增效改造和環(huán)保改造等。

第五，RT檢測(cè)：理論、實(shí)際可行。①RT理論可行：檢測(cè)可覆蓋整條焊縫，可以觀察內(nèi)、外部缺陷。況且角度好設(shè)置，垂直拍攝，現(xiàn)場(chǎng)采用雙壁單影分段透照技術(shù)。②實(shí)際拍攝：布片簡(jiǎn)單、射線(xiàn)源能量固定，現(xiàn)場(chǎng)可操作性及成本較低，推薦使用。

4)推進(jìn)特高壓輸電統(tǒng)籌進(jìn)程，避免輸電與輸煤同時(shí)進(jìn)行。通過(guò)特高壓輸電打破省間、地區(qū)間的電網(wǎng)壁壘，發(fā)揮西南大水電、西北大火電的優(yōu)勢(shì)，避免在電力受端大規(guī)模搞電力基建。

5)煤電規(guī)模不宜盲目擴(kuò)張，煤電企業(yè)可通過(guò)提高發(fā)電利用小時(shí)數(shù)來(lái)提升設(shè)備的利用效率，避免設(shè)備閑置造成的資源浪費(fèi)。提高發(fā)電利用小時(shí)數(shù)的前提是有煤可燒、發(fā)電有收益，因此保障電煤的供應(yīng)是前提條件。

2 可再生能源的發(fā)展

由于碳捕獲與封存技術(shù)(carbon capture and storage, CCS)的成本較高(二氧化碳處理成本約300元/t)，因此增加CCS裝置后煤電的綜合發(fā)電成本增加了70%左右，所以在目前的技術(shù)階段依靠CCS使煤電行業(yè)脫碳不太現(xiàn)實(shí)[9]。

表1為各地區(qū)可再生能源的定義，水力發(fā)電、海洋能和地?zé)岬睦檬艿降乩韰^(qū)域的限制，限制了其大范圍發(fā)展[10]。我國(guó)的風(fēng)、光資源整體較好，是重點(diǎn)開(kāi)發(fā)的新能源品類(lèi)。

表1 可再生能源定義

2.1 可再生能源發(fā)展現(xiàn)狀

當(dāng)風(fēng)電、光伏等新能源比例擴(kuò)張到一定規(guī)模，而作為調(diào)蓄功能的儲(chǔ)能比例較小時(shí)，電網(wǎng)比較容易出現(xiàn)事故風(fēng)險(xiǎn)導(dǎo)致拉閘限電。特別是在東北、西北等北方地區(qū)，在冬季采暖用電量大的時(shí)候，容易出現(xiàn)寒潮降雪導(dǎo)致風(fēng)電、光伏出力受限，甚至新能源電力無(wú)序脫網(wǎng)的現(xiàn)象。再加上地區(qū)之間的電網(wǎng)通道調(diào)配空間不足，就更容易出現(xiàn)拉閘限電甚至發(fā)生大范圍電網(wǎng)解列崩潰事故。

預(yù)計(jì)2030年，我國(guó)的風(fēng)電和光伏總裝機(jī)容量將達(dá)到20億kW，電化學(xué)儲(chǔ)能規(guī)模將達(dá)到 1.5億kW。據(jù)估計(jì)屆時(shí)新型儲(chǔ)能規(guī)模也將達(dá)到1億kW[11]。據(jù)此分析，屆時(shí)各類(lèi)配套儲(chǔ)能占風(fēng)電、光伏的比例為12.5%，因此，僅靠電化學(xué)儲(chǔ)能仍不能滿(mǎn)足風(fēng)電、光伏的靈活性需求。在建成高比例風(fēng)電、光伏體系的同時(shí)必須大力發(fā)展與新能源配套的大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)。

大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)按能量的轉(zhuǎn)化方式可分為三類(lèi)：機(jī)械儲(chǔ)能、電化學(xué)儲(chǔ)能和電磁儲(chǔ)能。機(jī)械儲(chǔ)能包括飛輪儲(chǔ)能、壓縮空氣儲(chǔ)能和抽水蓄能；電化學(xué)儲(chǔ)能包括鉛酸電池、鋰離子電池、鈉硫電池、全釩液流電池等電池儲(chǔ)能；電磁儲(chǔ)能包括超導(dǎo)磁儲(chǔ)能和超級(jí)電容器儲(chǔ)能。其他儲(chǔ)能方式包括相變儲(chǔ)能和氫儲(chǔ)能等。氫儲(chǔ)能在所有的儲(chǔ)能種類(lèi)中有一個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)就是質(zhì)量能量密度高。從表1中也可以看出，我國(guó)的可再生能源的定義主要不同點(diǎn)在于氫能?？梢岳秒娊馑茪湓O(shè)備將風(fēng)電、光伏發(fā)出的波動(dòng)的、間歇的、隨機(jī)的電能轉(zhuǎn)化為氫能儲(chǔ)存起來(lái)，待到需要電能的時(shí)候再將氫能通過(guò)燃料電池、內(nèi)燃機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)等方式轉(zhuǎn)化為電能。在電—?dú)洹娹D(zhuǎn)化的過(guò)程中只有水的消耗和生成，沒(méi)有其他的廢棄物產(chǎn)生，這是一種綠色的、可持續(xù)的過(guò)程。

電解水制氫設(shè)備可分為電解堿水制氫設(shè)備、質(zhì)子交換膜制氫設(shè)備、固態(tài)氧化物電解水制氫設(shè)備等，目前工業(yè)化應(yīng)用最廣泛的是電解堿水制氫設(shè)備[12]。由于氫燃料電池不受卡諾循環(huán)能量轉(zhuǎn)換效率的限制，從這個(gè)角度看氫燃料電池是未來(lái)發(fā)展的一個(gè)重要方向。氫燃料電池目前在交通領(lǐng)域應(yīng)用較多，未來(lái)也可在工業(yè)中大規(guī)模應(yīng)用。目前的技術(shù)條件下，電—?dú)洹姷霓D(zhuǎn)化效率并不高，僅為30%～50%左右。若考慮氫燃料電池的熱電聯(lián)供作用，電—?dú)洹姷霓D(zhuǎn)化效率可提高至60%～80%左右[13]。

2.2 可再生能源發(fā)展建議

風(fēng)電、光伏的主要消納手段為大電網(wǎng)消納。隨著“源網(wǎng)荷儲(chǔ)一體化”政策的出臺(tái)，風(fēng)電、光伏的微網(wǎng)消納也成為了另一種選擇，但是由于各方面限制因素，“源網(wǎng)荷儲(chǔ)一體化”項(xiàng)目的落地難度較大。根據(jù)技術(shù)要求或者地方要求，風(fēng)電光伏上網(wǎng)的配套儲(chǔ)能的比例為電源規(guī)模的5%～30%不等。如此高比例的儲(chǔ)能，使得本來(lái)收益甚微的新能源電站雪上加霜。

氫有兩種屬性：一是能源，二是化學(xué)原料。如果將思路打開(kāi)，不僅將氫能局限于“電—?dú)洹姟钡倪^(guò)程，氫具有更廣闊的應(yīng)用場(chǎng)景。廣義上的氫儲(chǔ)能是可再生能源電解水制氫，制得的氫氣可用于交通領(lǐng)域、冶金、化工合成氨、化工合成甲醇等場(chǎng)景[14]。在現(xiàn)今的“雙碳”目標(biāo)時(shí)代，氫能在某些無(wú)法被電氣化過(guò)程替代的領(lǐng)域具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。比如火車(chē)的進(jìn)化過(guò)程，由燃煤火車(chē)發(fā)展到燃油火車(chē)再發(fā)展到如今的電動(dòng)高鐵，這就是火車(chē)的電氣化的實(shí)現(xiàn)。但是冶金領(lǐng)域是無(wú)法完全實(shí)現(xiàn)電氣化的，冶金領(lǐng)域的主要原材料是焦炭。焦炭在其中起到了還原的作用，這個(gè)作用可以由氫能替代。因此，在某些難以脫碳、難以實(shí)現(xiàn)電氣化的領(lǐng)域上，氫能可以大有作為。從這個(gè)角度看，氫能的普及可以助力實(shí)現(xiàn)碳中和[15]。

目前全球范圍內(nèi)，低轉(zhuǎn)動(dòng)慣量或無(wú)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的電網(wǎng)系統(tǒng)是沒(méi)有運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的。未來(lái)高比例的風(fēng)電、光伏電源勢(shì)必會(huì)影響系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。從這個(gè)角度講，為保障電網(wǎng)系統(tǒng)的安全，需增加接入過(guò)程的費(fèi)用。比如增加調(diào)節(jié)電源啟停的費(fèi)用、增加調(diào)頻和備用輔助服務(wù)費(fèi)用、增加穩(wěn)定電源的容量補(bǔ)償費(fèi)用等。

目前我國(guó)統(tǒng)一電力市場(chǎng)體系還未建成，跨省跨區(qū)綠色電力市場(chǎng)化配置和交易機(jī)制尚未形成，可再生能源發(fā)電場(chǎng)站的建設(shè)和運(yùn)營(yíng)成本雖然有下降的趨勢(shì)，但是可再生能源的電能利用成本卻不一定是下降的。正如前所述，可再生能源電能的利用成本除了發(fā)電成本以外還包括電網(wǎng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)與運(yùn)行成本、電源靈活性成本、配網(wǎng)成本、接網(wǎng)及電網(wǎng)擴(kuò)展等成本。對(duì)于目前的可再生能源發(fā)電有以下建議：

1)在未來(lái)的電力系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)中，統(tǒng)籌考慮電網(wǎng)、儲(chǔ)能、傳統(tǒng)能源電力的退出和高比例新能源發(fā)電的發(fā)展問(wèn)題。實(shí)現(xiàn)我國(guó)電力向清潔、可再生電力安全、平穩(wěn)過(guò)渡。

2)出臺(tái)儲(chǔ)能補(bǔ)貼政策，進(jìn)一步降低儲(chǔ)能 成本。

3)光伏發(fā)電平價(jià)上網(wǎng)并不等于按照煤電的標(biāo)桿電價(jià)上網(wǎng)，建議根據(jù)實(shí)際情況上調(diào)光伏發(fā)電上網(wǎng)價(jià)格。按照電力系統(tǒng)“誰(shuí)受益，誰(shuí)承擔(dān)”的原則，合理分?jǐn)傂履茉窗l(fā)電成本。

4)由于氫能具備脫碳、可再生、單位質(zhì)量能量密度高等優(yōu)點(diǎn)，建議在難以進(jìn)行電氣化替代的場(chǎng)合用綠氫進(jìn)行終端用能替代；利用氫儲(chǔ)能的“長(zhǎng)周期、大容量”的特點(diǎn)，進(jìn)一步提升氫儲(chǔ)能在儲(chǔ)能領(lǐng)域的應(yīng)用。

3 結(jié)語(yǔ)

為了踐行“雙碳”目標(biāo)，我國(guó)目前的能源結(jié)構(gòu)和電力結(jié)構(gòu)必須要調(diào)整。能源結(jié)構(gòu)方面，在用戶(hù)側(cè)需推廣實(shí)行電氣化或者電能替代；電力結(jié)構(gòu)方面，在電源側(cè)需增加清潔電源的比例。在大力推進(jìn)清潔能源電力的同時(shí)，制定煤電的合理退出機(jī)制，防止給電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)沖擊。通過(guò)市場(chǎng)或者電價(jià)定價(jià)調(diào)節(jié)機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)引導(dǎo)新能源投資、實(shí)現(xiàn)能耗雙控的目的。在冶金、化工、水泥難以實(shí)施電氣化或者電能替代的行業(yè)積極引入氫能，利用氫能的清潔、質(zhì)量能量密度高、靈活的優(yōu)勢(shì)加快這些行業(yè)的脫碳 進(jìn)程。