當前，積極應對氣候變化、推動綠色低碳發(fā)展成為全球共識。隨著新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)革命深入發(fā)展，能源電力系統(tǒng)的安全高效、綠色低碳轉(zhuǎn)型及數(shù)字化智能化技術(shù)創(chuàng)新已成為全球發(fā)展趨勢。黨的二十大報告就深入推進能源革命、加快構(gòu)建新型能源體系、確保能源安全等作出明確部署。
隨著新能源的高速發(fā)展，新能源滲透率上升對電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行提出了眾多技術(shù)上、體制機制上的新挑戰(zhàn)，電力發(fā)輸配用系統(tǒng)的傳統(tǒng)邏輯也迎來顛覆性變革。近日，中國工程院院士、國家電網(wǎng)有限公司一級顧問、國家能源集團電力領(lǐng)域首席科學家黃其勵圍繞能源生產(chǎn)消費利用場景的變化趨勢、電力系統(tǒng)發(fā)展的新方向、氫能的角色定位和發(fā)展，系統(tǒng)闡述了關(guān)于新型電力系統(tǒng)建設(shè)的關(guān)鍵問題與破題路徑。
電力發(fā)展成果豐碩但仍任重而道遠
黃其勵表示，近年來，我國電力發(fā)展呈現(xiàn)出四大向好跡象：一是電力供應保障能力穩(wěn)步增強，二是電力綠色低碳轉(zhuǎn)型不斷加速，三是電力技術(shù)創(chuàng)新水平持續(xù)提升，四是電力體制改革攻堅成效突出。盡管成果豐碩，但黃其勵也表示，與西方發(fā)達國家碳達峰碳中和窗口期較長不同，我國碳達峰碳中和時間短、任務(wù)重，我國還處在邁向第二個百年奮斗目標新征程中基本實現(xiàn)社會主義現(xiàn)代化的第一個階段，經(jīng)濟發(fā)展與能源發(fā)展仍未脫鉤，諸多系統(tǒng)性、“卡脖子”難題還有待攻克。
第一，新能源發(fā)展面臨多重挑戰(zhàn)。長期以來，我國電源結(jié)構(gòu)以煤電為主，靈活調(diào)節(jié)電源不足，需加強靈活調(diào)節(jié)電源和儲能設(shè)施建設(shè)，發(fā)揮負荷側(cè)調(diào)節(jié)潛力，在新能源發(fā)電快速發(fā)展形勢下，要提升電力系統(tǒng)的安全性、靈活性，以確保支撐能源電力低碳轉(zhuǎn)型。尤其是西部、北部、西南部新能源集中開發(fā)、遠距離大規(guī)模輸送，對電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行提出更高要求，東中部分布式電源快速發(fā)展，需要進一步提升配電網(wǎng)智能化水平和承載能力。“過去我們電力裝機主體是相對穩(wěn)定、可調(diào)的煤電和水電，未來將轉(zhuǎn)向以不穩(wěn)定的新能源為主；過去是發(fā)輸配用瞬時平衡的剛性平衡電網(wǎng)，未來將轉(zhuǎn)向能源生產(chǎn)和消費雙向轉(zhuǎn)化的柔性多元電網(wǎng)；電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)形態(tài)也將從逐級升壓逐級降壓、單向潮流為主的傳統(tǒng)電網(wǎng)，轉(zhuǎn)向交直流混聯(lián)、微電網(wǎng)、局部電網(wǎng)、用戶可調(diào)負荷等兼具各種新負荷特性的綜合性電網(wǎng)。”黃其勵指出。
第二，能效水平亟待提高。目前，我國能源利用方式比較粗放，能源效率偏低。我國單位GDP能耗是全球平均水平的1.4倍，發(fā)達國家的3~4倍，能源科學消費和碳排放“雙降”，還有較大提效空間。亟待樹牢節(jié)能提效是“第一能源”理念，加快形成科學合理、簡約適度、綠色低碳的生產(chǎn)生活方式，培育綠色、健康消費習慣，增強全社會節(jié)能意識。
第三，科技創(chuàng)新能力亟須增強。隨著能源轉(zhuǎn)型深入推進，電力系統(tǒng)技術(shù)創(chuàng)新進入“無人區(qū)”，許多傳統(tǒng)理論將出現(xiàn)革命性、顛覆性變化，諸多技術(shù)創(chuàng)新沒有現(xiàn)成的經(jīng)驗可以借鑒?；A(chǔ)研究能力仍存在近、中、長期短板，建設(shè)新型電力系統(tǒng)的理論創(chuàng)新、技術(shù)突破、基礎(chǔ)材料、元器件、軟件等方面存在不足。黃其勵指出：“電力系統(tǒng)不論是在基礎(chǔ)理論、工程技術(shù)還是平衡特性上，都會出現(xiàn)巨大的變化和挑戰(zhàn)，我們需要進一步加大力度，從技術(shù)研究到工程應用，努力深化創(chuàng)新，提供完整可行的解決方案。”
“三化五新”成為電力發(fā)展新特征
眾所周知，實現(xiàn)“雙碳”目標，能源是主戰(zhàn)場，電力是主力軍，電網(wǎng)是排頭兵。近期，國家能源局發(fā)布《新型電力系統(tǒng)發(fā)展藍皮書》，全面闡述了新型電力系統(tǒng)的內(nèi)涵特征、發(fā)展路徑?！端{皮書》指出，新型電力系統(tǒng)是新型能源體系的重要組成和實現(xiàn)“雙碳”目標的關(guān)鍵載體。那么新型電力系統(tǒng)，到底“新”在哪里？
黃其勵將新型電力系統(tǒng)的“新”總結(jié)為“三化五新”：能源生產(chǎn)加速清潔化、能源消費高度電氣化、能源利用高效化，電源出現(xiàn)新結(jié)構(gòu)、負荷出現(xiàn)新特性、電網(wǎng)出現(xiàn)新形態(tài)、技術(shù)出現(xiàn)新基礎(chǔ)、運行出現(xiàn)新特性。
“三化”意味著能源生產(chǎn)、消費、利用場景均出現(xiàn)前所未有的變革——能源生產(chǎn)方面，能源主體調(diào)整帶來電源主體的顛覆性變化，電源從以可控常規(guī)電源為主體，逐步轉(zhuǎn)換為以隨機性“靠天吃飯”的新能源為主體，引起電力系統(tǒng)運行特性改變；能源消費方面，能源深度脫碳使電能成為能源主體，帶來社會生產(chǎn)生活用能方式轉(zhuǎn)變，終端用能方式向電氣化、智能化發(fā)展；能源利用方面，能源轉(zhuǎn)化及利用效率需要提升，以電為樞紐的能源資源配置方式將進一步提升和加強，涉及到網(wǎng)絡(luò)資源及模式匹配的變革。
“五新”是指電源新結(jié)構(gòu)、負荷新特性、電網(wǎng)新形態(tài)、技術(shù)新基礎(chǔ)、運行新特性——一是電源結(jié)構(gòu)由連續(xù)可控出力的煤電占主導，向強不確定性、弱電網(wǎng)友好型的新能源發(fā)電占比大幅度提升轉(zhuǎn)變；二是負荷特性由傳統(tǒng)的剛性、單向、發(fā)-輸-用瞬時平衡型，向柔性、多元以及生產(chǎn)與消費柔性互動、多元以及生產(chǎn)與消費雙向型轉(zhuǎn)變；三是電網(wǎng)形態(tài)由單向、逐級升/降壓輸電為主的剛性傳統(tǒng)電網(wǎng)，向包括交直流混聯(lián)大電網(wǎng)、微電網(wǎng)、局部直流電網(wǎng)和可調(diào)節(jié)負荷的能源互聯(lián)網(wǎng)轉(zhuǎn)變；四是技術(shù)基礎(chǔ)由同步發(fā)電機為主導的機械電磁系統(tǒng)，向由電力電子設(shè)備和同步機共同主導的混合系統(tǒng)轉(zhuǎn)變；五是運行特性由源隨荷動的實時平衡、大電網(wǎng)一體化控制模式，向源網(wǎng)荷儲協(xié)同互動的非完全實時平衡大電網(wǎng)與分布式微電網(wǎng)協(xié)同控制模式轉(zhuǎn)變。
“新型電力系統(tǒng)以滿足經(jīng)濟社會高質(zhì)量發(fā)展的電力需求為首要目標，以高比例新能源供給消納體系為主線，以源網(wǎng)荷儲多元協(xié)同靈活互動為任務(wù)，以堅強智能柔性電網(wǎng)為核心平臺，以技術(shù)創(chuàng)新和體制機制創(chuàng)新為基礎(chǔ)，新型電力系統(tǒng)是我國實現(xiàn)中國式現(xiàn)代化的關(guān)鍵。”黃其勵總結(jié)道。
氫能全面發(fā)展關(guān)鍵在于降低成本
隨著具有隨機、波動、弱可控特征的新能源在電力系統(tǒng)中的滲透率逐步攀升，新型電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力不足的矛盾愈發(fā)突出。目前，抽水蓄能等常規(guī)儲能所占比例尚不高，電化學儲能、壓縮空氣等新型儲能方式剛剛起步，只能滿足小時級、跨日的短期儲能需求。受溫室氣體排放和厄爾尼諾現(xiàn)象影響，全球氣溫飆升、異常氣候模式出現(xiàn)，比如“極熱無風”以及綿長的雨季，復雜氣候?qū)π履茉窗l(fā)電出力影響加大。電力系統(tǒng)急需尋找能夠滿足跨周乃至跨季需要的長周期儲能介質(zhì)，降低供電成本，提高電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力和吸納能力，而氫能或許就是解題的密鑰。
“氫能可作為各類能源之間的橋梁，與化石能源和可再生能源實現(xiàn)雙向聯(lián)動，通過平抑、吸納新能源的波動，以及部分替代化石能源，提高清潔能源在能源結(jié)構(gòu)中的占比，助力新型能源系統(tǒng)的安全保障。”黃其勵介紹道。他還指出，氫能屬于技術(shù)密集的高科技行業(yè)，行業(yè)鏈條長、關(guān)聯(lián)產(chǎn)業(yè)多，從制氫、儲氫到用氫環(huán)節(jié)多，關(guān)鍵在于實現(xiàn)氫能產(chǎn)業(yè)核心技術(shù)、關(guān)鍵設(shè)備、重要原材料的自主化和降本增效。
成本始終是氫能應用推廣需要突破的門檻。以氫能產(chǎn)業(yè)下游環(huán)節(jié)為例，三年前，國內(nèi)氫燃料電池系統(tǒng)的報價約為6000元/千瓦，而今年，價格已降至原來的一半，且系統(tǒng)質(zhì)量也有所提升。黃其勵說：“我國燃料電池產(chǎn)品功率已經(jīng)達到了200千瓦，部分產(chǎn)品達到250千瓦~300千瓦，使用壽命可以達到20000小時，系統(tǒng)成本2000~3000元/千瓦，具有一定的競爭力。將來我們需要更大的規(guī)模、更低的成本、更好的經(jīng)濟性和環(huán)保性，促進氫能產(chǎn)業(yè)技術(shù)全方位發(fā)展。”
展望未來，一方面，氫能在新型電力系統(tǒng)中可以起到支撐和調(diào)節(jié)的作用，另一方面，氫能未來可以成為國家能源體系的重要組成部分。黃其勵將新能源和氫能比作一對情侶，兩者在促進對方發(fā)展的同時，自身也得到了發(fā)展。他建議在兩者的發(fā)展上加強技術(shù)研發(fā)、努力協(xié)同創(chuàng)新、推進產(chǎn)業(yè)示范、完善標準管理。
“氫電耦合未來有三個方向，‘電—氫’、‘氫—電’和‘電—氫—電’雙向，這對‘戀人’永遠手牽手在一起。”黃其勵表示。
第一種方向是需求側(cè)“電—氫”單向氫電耦合的應用，以綠色氫能為燃料，為氫能車、重卡車和河流船舶提供動力。西北、東北、東南、中南地區(qū)都在推動氫能重卡等工具車的示范應用。根據(jù)中國氫能聯(lián)盟研究院預測，到2030年交通用氫折算用電量約1650億千瓦時，對應的電解槽裝機4000萬千瓦。在需求側(cè)的工業(yè)場景，將綠色氫能作為原料，去替代灰氫和煤炭的工業(yè)應用。未來可圍繞大型化工基地和冶金工廠開展應用，以鄂爾多斯、寧東、榆林等大型能源化工基地和河北、山東、江蘇鋼鐵生產(chǎn)基地為核心進行應用。
電源側(cè)“電—氫”的單向氫電耦合應用也具有現(xiàn)實意義。在應用模式上，是“新能源-電力-氫能”的單向轉(zhuǎn)化，在新能源出力高峰時期進行轉(zhuǎn)化存儲。從規(guī)模能力上看，根據(jù)中國氫能聯(lián)盟研究院預測，2030年我國具備電解槽8000萬~1億千瓦的裝機；至2060年具備電解槽5億~8億千瓦。
第二種方向是“氫—電”單向氫電耦合應用，應用模式是通過氫能電站協(xié)同摻氫/純氫燃氣輪機，在負荷高峰時提供頂峰作用。歐美國家頂峰應急電源以天然氣發(fā)電為主，天然氣發(fā)電調(diào)峰能力強、靈活機動，但我國屬于“貧氣”的國家，氫能則是天然氣的“平替”乃至“上位替代品”。在規(guī)模能力上，隨著技術(shù)成熟和產(chǎn)業(yè)規(guī)?；l(fā)展，氫儲能參與頂峰發(fā)電將在中遠期具備一定的市場空間。
第三種方向是“電—氫—電”雙向氫電耦合應用。在應用模式上，在新能源大發(fā)或用電低谷時制氫，在用電高峰或新能源不足時利用氫能發(fā)電上網(wǎng)。氫能及其衍生品有作用周期長、規(guī)模大的優(yōu)勢，可成為抽水蓄能、電化學儲能等儲能技術(shù)的有效補充，聯(lián)合配置，推動各類儲能技術(shù)的協(xié)同發(fā)展。
最后，黃其勵呼吁以氫電耦合為支撐，加快構(gòu)建新型能源體系。新型電力系統(tǒng)是新型能源體系的重要組成部分，我們要深刻理解把握構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的價值判斷和方法論，分三步走，通過加速轉(zhuǎn)型期(當前至2030年)、總體形成期(2030年至2045年)、鞏固完善期(2045年至2060年)，向著碳達峰碳中和目標穩(wěn)步邁進。雖任重道遠，但務(wù)期必成，喚起工農(nóng)千百萬，同心干。
人物簡介：
黃其勵，中國工程院院士，蒸 汽工程領(lǐng)域著名專家，教授級高級 工程師，博士生導師?，F(xiàn)任國家電 網(wǎng)有限公司一級顧問，兼任國家能 源集團電力領(lǐng)域首席科學家、北京 師范大學國家安全與應急管理學 院戰(zhàn)略發(fā)展委員會副主任。中國 電機工程學會會士、科普委員會主 任委員、標準化委員會副主任委 員，中國電動車充電基礎(chǔ)設(shè)施促進 聯(lián)盟專家委員會委員，中國科學技 術(shù)協(xié)會全國蒸汽工程學科首席科 學傳播專家，長期從事燃燒領(lǐng)域科 學技術(shù)研究、工程應用和電力企業(yè) 的技術(shù)管理等工作。在燃煤清潔 高效發(fā)電、可再生能源發(fā)電、節(jié)能 環(huán)保和能源發(fā)展戰(zhàn)略研究等領(lǐng)域 做出重要貢獻。主持實施90余項 重大技術(shù)改造項目、主持或參加60 余項國家能源發(fā)展戰(zhàn)略研究。獲 國家科技進步獎兩項、省部級科技 進步獎二十余項、第十三屆光華工 程科技獎，發(fā)表技術(shù)論文70余篇， 參編技術(shù)著作5部，主編或主持出 版科普著作若干。
原標題：黃其勵院士：以氫電耦合為支撐 加快構(gòu)建新型能源體系
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