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雙碳目標(biāo)下我國能源電力系統(tǒng)發(fā)展前景和關(guān)鍵技術(shù)
日期:2022-04-13   [復(fù)制鏈接]
責(zé)任編輯:chengling 打印收藏評論(0)[訂閱到郵箱]
為應(yīng)對能源供需矛盾、生態(tài)環(huán)境保護、經(jīng)濟社會高質(zhì)量發(fā)展帶來的挑戰(zhàn),我國始終堅持能源轉(zhuǎn)型戰(zhàn)略。站在新的歷史方位,面對日益復(fù)雜的國際形勢和日益嚴(yán)峻的氣候變化挑戰(zhàn),2020年9月,我國提出碳達峰、碳中和戰(zhàn)略目標(biāo);2021年3月,中央財經(jīng)委員會第九次會議上明確了“十四五”是碳達峰的關(guān)鍵期、窗口期,明確了“構(gòu)建清潔低碳安全高效的能源體系”“構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)”的重點工作任務(wù);2021年3月和10月分別發(fā)布的《中華人民共和國國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和2035年遠景目標(biāo)綱要》和《2030年前碳達峰行動方案》均提出,到2025年,非化石能源消費比重達到20%左右,單位國內(nèi)生產(chǎn)總值能源消耗比2020年下降13.5%,單位國內(nèi)生產(chǎn)總值二氧化碳排放比2020年下降18%,為“十四五”期間我國能源發(fā)展提出了具體要求。

在這一系列國家戰(zhàn)略規(guī)劃指導(dǎo)下,我國未來能源電力系統(tǒng)的發(fā)展藍圖和關(guān)鍵技術(shù)途徑有了明確的導(dǎo)向性,即以“2030年前碳達峰、2060年前碳中和”為戰(zhàn)略目標(biāo),以落實“構(gòu)建清潔低碳安全高效的能源體系、構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)”為實施路徑。本文從新型電力系統(tǒng)主要特征和核心指標(biāo)出發(fā),構(gòu)建雙碳目標(biāo)下我國能源電力系統(tǒng)發(fā)展情景,分析我國能源電力轉(zhuǎn)型實現(xiàn)路徑和關(guān)鍵技術(shù)需求,提出綜合能源生產(chǎn)單元設(shè)想,為能源轉(zhuǎn)型路徑規(guī)劃及戰(zhàn)略制定提供一定的參考。

一、新型電力系統(tǒng)主要特征和核心指標(biāo)

新型電力系統(tǒng)作為未來我國能源體系的核心組成部分,具有5個主要特征:一是高比例可再生能源廣泛接入。一次能源消費中非化石能源主要來自一次電力(水電、風(fēng)電、太陽能發(fā)電等可再生能源電力以及核電等),大幅提高以風(fēng)、光等新能源為主的可再生能源電力占比,是電力系統(tǒng)升級換代的重要標(biāo)志,也是實現(xiàn)能源轉(zhuǎn)型的主要支撐。二是高比例電力電子裝備大規(guī)模應(yīng)用。與傳統(tǒng)電磁變換裝備相比,電力電子裝備在物理結(jié)構(gòu)、控制方式、動態(tài)行為、設(shè)備交互等方面都存在顯著差異,伴隨超大規(guī)模交直流輸電及大量新能源機組接入系統(tǒng),電力電子裝備應(yīng)用數(shù)量不斷提升、范圍不斷擴大,將深刻影響電力系統(tǒng)運行特征。三是多能互補綜合能源利用。隨著多行業(yè)多類型技術(shù)高度融合,電力系統(tǒng)的內(nèi)涵和范疇將不斷外延,充分發(fā)揮多元資源配置的平臺作用,促進風(fēng)、光、水、煤等協(xié)同互補,電、熱、冷、氣綜合利用,實現(xiàn)能源資源的按需、合理、高效開發(fā)利用;四是數(shù)字化智能化智慧能源發(fā)展。先進數(shù)字化、智能化技術(shù)將廣泛滲透在未來能源電力系統(tǒng)各環(huán)節(jié)設(shè)計規(guī)劃及調(diào)度控制中,形成高效運行、用戶友好的智慧能源系統(tǒng)。五是清潔高效低碳零碳轉(zhuǎn)型。構(gòu)建新型電力系統(tǒng)作為支撐實現(xiàn)雙碳目標(biāo)的核心手段,應(yīng)以清潔、高效、低碳為根本發(fā)展導(dǎo)向,提升新能源開發(fā)利用水平、提高系統(tǒng)總體能源利用效率、降低二氧化碳排放,為整體能源轉(zhuǎn)型奠定堅實基礎(chǔ)。

為進一步量化描述上述特征,體現(xiàn)新型電力系統(tǒng)在能源轉(zhuǎn)型中的重要作用,提出以下5項核心指標(biāo):非化石能源在一次能源消費中比重、非化石能源發(fā)電量在發(fā)電量中比重、電能在終端能源消費中比重、系統(tǒng)總體能源利用效率、能源電力系統(tǒng)CO2排放總量。

二、雙碳目標(biāo)下我國能源電力系統(tǒng)發(fā)展情景分析

科學(xué)合理的電源結(jié)構(gòu)是電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型路徑規(guī)劃的核心框架,也是系統(tǒng)分析認(rèn)知、運行調(diào)度、技術(shù)布局的基礎(chǔ)。基于我國能源轉(zhuǎn)型戰(zhàn)略,構(gòu)建雙碳目標(biāo)下我國能源電力系統(tǒng)發(fā)展情景,針對2021-2060年我國能源電力結(jié)構(gòu)演變趨勢進行預(yù)估分析。

將2021-2060年40年期,劃分為2020-2030年、2030-2050年、2050-2060年三個時間段,分別為前、中、后3個時間段,預(yù)估雙碳目標(biāo)下能源電力總體發(fā)展需求:

一次能源消費總量指標(biāo)方面,2020-2030年(前段),考慮經(jīng)濟社會發(fā)展水平的剛性增長需求,仍將保持每5年4-5億tce的增長速度,至“十四五”末達到55億tce左右,2030年左右達到峰值59億tce,此后呈現(xiàn)下降趨勢;2030-2050年(中段),前15年間每5年下降1億tce,2045年降至56億tce后基本保持穩(wěn)定;2050-2060年(后段),仍具有小幅下降空間,2060年保持在55億tce左右水平。

非化石能源消費占比指標(biāo)方面,總體呈現(xiàn)前后兩段穩(wěn)定增長,中段加速增長的趨勢,2030年前(前段),考慮目前新能源發(fā)電、電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行控制、儲能等方面技術(shù)發(fā)展水平尚未取得突破性進展,靈活調(diào)節(jié)資源和技術(shù)手段仍較為緊缺,無法全面支撐可再生能源高比例接入和大規(guī)模應(yīng)用,仍需要煤電等傳統(tǒng)發(fā)電機組提供重要的基礎(chǔ)保障作用,而非化石能源以一次電力為主要消費形式,故這一時段非化石能源消費在一次能源消費總量中的占比應(yīng)保持相對穩(wěn)定的增長速度,避免過快增長對電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定帶來的沖擊,以保證能源供應(yīng)平穩(wěn)過渡,該指標(biāo)于“十四五”末達到20%,2030年達到25%,滿足國家最新提出的目標(biāo)要求;2030-2050年(中段),非化石能源加速發(fā)展,在一次能源消費中的占比快速提高,二十年間由25%提高至75%,力爭2050年為2060年實現(xiàn)碳中和創(chuàng)造基礎(chǔ)條件;2050-2060年(后段),仍將在較高水平基礎(chǔ)上保持一定速度的平穩(wěn)增長,2060年達到90%,為碳中和目標(biāo)實現(xiàn)提供重要支撐。

全社會用電總量指標(biāo)方面,綜合電氣化等因素,總體保持增長且速度呈現(xiàn)“前高后低”趨勢,在“十四五”和“十五五”期間(前段),分別以4.5%和3.5%年均增速保持穩(wěn)定增長,至2030年達到11.1萬億kWh的水平;2030-2050年(中段),年均增長率逐步下降,2050年全社會用電量超過當(dāng)前水平的2倍,約為16萬億kWh;2050-2060年(后段),增速進一步放緩,2050-2055年間年均增速僅為1%,2055年后基本保持穩(wěn)定不再增長。

基于上述能源電力發(fā)展需求,預(yù)估2020-2060年我國電力裝機及發(fā)電結(jié)構(gòu),由此得到風(fēng)光發(fā)電量、煤電發(fā)電量、非化石能源發(fā)電量占比等關(guān)鍵參數(shù)演化趨勢:

電力裝機方面,隨著風(fēng)光等新能源發(fā)電快速發(fā)展,非化石能源發(fā)電在電力裝機總量中的占比持續(xù)提高,“十四五”末將超過50%。新能源發(fā)電裝機不斷增加,2025-2030年間,風(fēng)光裝機總量超過煤電,2030年將達到16.1億kW,占裝機總量41.5%;2035年達到24.3億kW,超過電力裝機總量的50%,成為裝機主體;2060年達到70.1億kW,在電力裝機總量中的占比超過85%。

發(fā)電量方面,2030-2035年間非化石能源年發(fā)電量超過50%,形成非化石能源發(fā)電為主體的電力系統(tǒng);風(fēng)光發(fā)電量快速提升是非化石能源發(fā)電量占比提高的主要原因,2030年風(fēng)光發(fā)電量達到2.3萬億kWh,占總發(fā)電量20%;2035-2040年間風(fēng)光發(fā)電量開始超過煤電,之后煤電進一步加速退役,風(fēng)光發(fā)電量在總發(fā)電量中占比加速提高,2045-2050年間超過50%,成為發(fā)電主體;2060年風(fēng)光發(fā)電量11.9萬億kWh,占總發(fā)電量69.2%,為構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)創(chuàng)造必要條件。

針對上述我國能源電力發(fā)展場景,初步測算能源電力系統(tǒng)年CO2排放指標(biāo),可得到以下結(jié)論:能源系統(tǒng)和電力系統(tǒng)的年CO2排放均可實現(xiàn)2030年前達峰,2050年和2060年,能源系統(tǒng)年CO2排放分別降低為峰值的28.0%、10.5%,電力系統(tǒng)CO2排放分別降低為峰值的25.4%、1.6%,為實現(xiàn)2060年前碳中和目標(biāo)奠定基礎(chǔ)。

三、我國能源電力轉(zhuǎn)型實現(xiàn)路徑和關(guān)鍵技術(shù)

“十四五”是“兩個一百年”奮斗目標(biāo)的歷史交匯期,是加快推進能源技術(shù)革命的關(guān)鍵時期。能源領(lǐng)域技術(shù)創(chuàng)新規(guī)劃,是部署和落實能源行業(yè)“十四五”科技研發(fā)工作的綱領(lǐng)性文件,是能源科技戰(zhàn)線落實碳達峰、碳中和行動方案、貫徹國家“十四五”規(guī)劃的具體技術(shù)指南。需緊密圍繞國家能源發(fā)展重大需求和能源技術(shù)革命重大趨勢,結(jié)合我國能源電力基礎(chǔ)條件和高質(zhì)量發(fā)展需求,統(tǒng)籌規(guī)劃,開展系統(tǒng)性、戰(zhàn)略性、前瞻性的技術(shù)布局。

為推動我國能源電力轉(zhuǎn)型、落實“兩個構(gòu)建”,需考慮5個方面實現(xiàn)路徑。一是大力開發(fā)利用可再生能源,發(fā)展核能、生物質(zhì)能、地?zé)崮艿确腔茉淳C合利用,在電力系統(tǒng)中形成以非化石能源為主的電源結(jié)構(gòu),是實現(xiàn)能源轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵;二是積極推動煤電靈活性改造,為高比例可再生能源電力系統(tǒng)運行提供緊急備用和靈活調(diào)節(jié)能力,探索煤電碳資源綜合利用,以有助于煤電實現(xiàn)低碳無碳轉(zhuǎn)型;三是持續(xù)推進終端用能的電氣化,實現(xiàn)以電為中心的多能互補用能結(jié)構(gòu),大幅提高電能在終端能源消費中比重,提高能源綜合利用效率;四是加強電力電子和儲能等關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新,通過數(shù)字化轉(zhuǎn)型,推動新一代輸配電網(wǎng)和能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè),促進高比例可再生能源電力消納,確保電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行;五是完善能源轉(zhuǎn)型各項政策,堅持市場化改革方向,加快完善推動綠色電力、碳交易市場建設(shè),助力國家應(yīng)對氣候變化碳中和目標(biāo)的實現(xiàn)。

技術(shù)進步是構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的根本動力,圍繞未來電力系統(tǒng)以新能源為主體的發(fā)展需求,筆者綜合考慮新能源開發(fā)、傳統(tǒng)能源轉(zhuǎn)型兩個角度,從系統(tǒng)安全、低碳減排、綜合能源、靈活性需求等多個方面,提出以下10類關(guān)鍵技術(shù)需求:1)高效低成本電網(wǎng)支持型可再生能源發(fā)電和綜合利用技術(shù);2)燃煤發(fā)電提高靈活性低碳排放和碳資源利用技術(shù);3)高可靠性低損耗新型電力電子元器件裝置和系統(tǒng)技術(shù);4)安全高效低成本長壽命新型儲能技術(shù);5)清潔高效低成本氫能生產(chǎn)儲運轉(zhuǎn)化和應(yīng)用技術(shù);6)超導(dǎo)輸電和新型綜合輸能技術(shù);7)新型電力系統(tǒng)規(guī)劃運行調(diào)度和仿真控制保護技術(shù);8)數(shù)字化智能化綜合能源電力系統(tǒng)技術(shù);9)信息物理融合的能源互聯(lián)網(wǎng)/物聯(lián)網(wǎng)技術(shù);10)綜合能源電力市場技術(shù)。

四、綜合能源生產(chǎn)單元(IEPU)設(shè)想


“雙碳”目標(biāo)下,我國能源電力系統(tǒng)清潔低碳轉(zhuǎn)型任務(wù)艱巨,如何科學(xué)推進傳統(tǒng)煤電升級改造及有序退出、同時促進新能源消納成為能源轉(zhuǎn)型路徑規(guī)劃和相關(guān)戰(zhàn)略制定的重要議題。一方面,由于資源稟賦及行業(yè)發(fā)展歷史等原因,我國仍保有大量燃煤火電機組,且當(dāng)前大量在役火電廠發(fā)電效率已基本達到瓶頸,單純大規(guī)模推廣碳捕集及封存技術(shù)代價昂貴,若采用簡單關(guān)停處理方式,又不利于一定時期內(nèi)能源供應(yīng)平穩(wěn)過渡,同時涉及國有資產(chǎn)保值增值、就業(yè)等多方面問題,迫切需要有效手段,有序推進存量煤電機組的升級改造,充分發(fā)揮其基礎(chǔ)性保障和調(diào)節(jié)作用;另一方面,由于以風(fēng)光發(fā)電為主的可再生能源,具有波動性和間歇性,機組出力不確定性強,抗擾動能力和動態(tài)調(diào)節(jié)能力弱,新能源高比例接入將對電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行帶來巨大挑戰(zhàn),系統(tǒng)靈活調(diào)節(jié)資源的需求顯著提升。為應(yīng)對上述問題,本文提出一種融合火電機組碳捕集、燃煤機組混燒生物質(zhì)、可再生能源電解水制氫、甲烷/甲醇合成等技術(shù)的設(shè)想——綜合能源生產(chǎn)單元(Integrated Energy Production Unit,IEPU),期望能作為火電低碳/無碳轉(zhuǎn)型路徑方案的一種選擇。

綜合能源生產(chǎn)單元基本結(jié)構(gòu)如圖 1所示,其基本工作方式為:白天利用低成本的光伏發(fā)電制取綠氫,夜間利用低谷時段電網(wǎng)供電或火電機組發(fā)電,利于電解制氫系統(tǒng)持續(xù)穩(wěn)定工作,產(chǎn)出的氫氣與煤電機組捕集的CO2進一步合成生產(chǎn)甲烷/甲醇等綠色燃料或化工產(chǎn)品。

圖 1 綜合能源生產(chǎn)單元典型結(jié)構(gòu)示意圖

不限于圖 1所示的一種典型結(jié)構(gòu),IEPU可有不同類型的結(jié)構(gòu)方案:IEPU所需的CO2可由火電廠碳捕集,未來也可從空氣中捕集;IEPU可由風(fēng)光發(fā)電與電解水制氫裝置、水電廠與電解水制氫裝置組成,生產(chǎn)的綠氫與空氣中氮氣耦合制氨;IEPU可由燃?xì)怆姀S與風(fēng)光發(fā)電及電解水制氫、儲氫耦合組成,未來燃?xì)怆姀S的燃料將由綠氫提供,成為應(yīng)對長周期能源不平衡的綠色重要措施。IEPU本身可以是實體的也可以是虛擬的。

IEPU將電解制氫、可再生能源發(fā)電、甲醇/甲烷/氨合成、二氧化碳捕集等設(shè)備集成為一體,具有以下兩個方面的優(yōu)點:一是以電解制氫裝置作為可控負(fù)荷,通過與火電、水電等可調(diào)機組聯(lián)合運行,在單元內(nèi)部各子系統(tǒng)協(xié)同優(yōu)化的同時,實現(xiàn)與電網(wǎng)互動,成為具有高靈活性的虛擬發(fā)電單元,為高比例新能源電力系統(tǒng)應(yīng)對長周期能源供需不平衡提供靈活性支撐;二是通過二氧化碳直接與氫氣合成,生產(chǎn)甲烷、甲醇等便于存儲、運輸?shù)木G色燃料或作為重要化工原料產(chǎn)品,一方面可規(guī)避大規(guī)模二氧化碳捕集后壓縮及封存的高額成本投入,另一方面借助合理可行的產(chǎn)品收益模式,有利于火電企業(yè)推廣應(yīng)用二氧化碳捕集與利用技術(shù),在促進火電行業(yè)碳減排及轉(zhuǎn)型發(fā)展的同時,所生產(chǎn)的氫氣本身及與二氧化碳、氮氣合成生成的綠色燃料化工原料產(chǎn)品,也可為能源相關(guān)領(lǐng)域化石燃料和原料替代提供一定的來源補充。

綜合能源生產(chǎn)單元解決方案與數(shù)字化智能化技術(shù)相結(jié)合,可構(gòu)成未來能源供應(yīng)側(cè)的智慧型基本單元,與預(yù)想的能源消費側(cè)智慧型基本單元一起,組成未來新型電力系統(tǒng)能源生產(chǎn)消費的基礎(chǔ)單元結(jié)構(gòu),可能對電網(wǎng)的儲能需求、靈活性供應(yīng)及調(diào)控模式產(chǎn)生重要影響。該發(fā)展模式的實現(xiàn)將會促進能源領(lǐng)域不同行業(yè)之間的融合,對此需要體制機制的突破和創(chuàng)新。

原標(biāo)題:雙碳目標(biāo)下我國能源電力系統(tǒng)發(fā)展前景和關(guān)鍵技術(shù)
 
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