在一定時期內(nèi)，煤電仍然還將是電源的主要構(gòu)成，仍將需以一定規(guī)模的容量存在較長的時間。
文 | 羅盾
2020年9月習(xí)近平總書記提出中國的“碳達峰”和碳中和目標(biāo)之后，裝機容量超過10億千瓦的煤電在中國能源圈中成為了尷尬的存在。很多觀點認為，在煤電碳減排潛力逐漸見底的情況下，煤電的徹底退出會是中國電力行業(yè)碳達峰和碳中和的關(guān)鍵。
從2013年的霧霾之后，煤電在國內(nèi)輿論場中一直備受指責(zé)，如今更是走到了“消亡”的邊緣地帶。但煤電的命運或許不能僅僅從碳中和目標(biāo)這一孤立視角來看，更要從整個電力系統(tǒng)的大環(huán)境、大格局來判斷。
而當(dāng)我們放寬了視角之后，結(jié)論可能截然不同：煤電不僅不會消亡，甚至?xí)谖磥淼男滦碗娏ο到y(tǒng)中扮演者重要作用。
大規(guī)模風(fēng)光并網(wǎng)對的影響
在碳中和的背景下，業(yè)內(nèi)預(yù)計未來十年年均新增風(fēng)、光裝機規(guī)模分別為5000萬kw和7000萬kw，2030年新能源裝機將大大超過12億kw，達到17億kw以上，普遍預(yù)計到2025年就能達到12億kw，增速顯著超過“十三五”時期。“十三五”期間，風(fēng)電裝機年均新增約3000萬kw（2020年搶裝，當(dāng)年新增裝機超過7000萬kw），光伏年均新增裝機約5000萬kw。即便是第三方機構(gòu)，多數(shù)預(yù)測的風(fēng)光合計年均新增裝機也普遍達到1億kw以上。
電力系統(tǒng)是一個超大規(guī)模的非線性時變能量平衡系統(tǒng)，要時刻保持平衡，生產(chǎn)組織模式是“源隨荷動”。發(fā)電作為主動調(diào)節(jié)集，負荷作為被動不可調(diào)節(jié)集，由發(fā)電主動調(diào)節(jié)，跟蹤負荷的運行，用一個精準(zhǔn)可控的發(fā)電系統(tǒng)，去匹配一個基本可測的用電系統(tǒng)，通過實際運行過程中的滾動調(diào)節(jié)，實現(xiàn)電力系統(tǒng)安全可靠的運行。
以風(fēng)、光發(fā)電為主的新能源，不能“源順荷動”（風(fēng)、光不可控），或只能單邊“源隨荷動”（棄風(fēng)棄光，減少出力）；同時，在用電側(cè)，大量分布式新能源接入后，用電負荷預(yù)測準(zhǔn)確性也大幅下降。由此，新能源大規(guī)模接入，將對傳統(tǒng)電網(wǎng)帶來巨大影響。在電源側(cè)儲能未完全發(fā)展起來前，風(fēng)、光發(fā)電系統(tǒng)均不具備調(diào)峰調(diào)頻、旋轉(zhuǎn)備用、無功補償?shù)哪芰?。隨機的氣象條件，使得機組出力時刻變化，這對電網(wǎng)形成較大沖擊，使得電網(wǎng)需要為風(fēng)、光發(fā)電系統(tǒng)建設(shè)相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)備用和無功補償以解決調(diào)峰調(diào)頻及對電壓進行有效的控制和調(diào)整，需要其他常規(guī)電源為有功功率提供補償調(diào)節(jié)，以保證電網(wǎng)對負荷持續(xù)、穩(wěn)定、可靠的供電。
理論上，風(fēng)、光入網(wǎng)所增加的發(fā)電能力并不能有效減少電力系統(tǒng)所擁有的常規(guī)發(fā)電機組。因此，從某種意義上，風(fēng)、光發(fā)電的存在，相當(dāng)于在電網(wǎng)中增加了一個“不確定性負荷”。
風(fēng)、光發(fā)電大規(guī)模接入電網(wǎng)，面對“兩高”的未來（高比例清潔能源、高比例電力電子系統(tǒng)），既要提升新能源發(fā)電的用電比重（消納），又要確保用電安全，勢必需要構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)。新能源為主體的新型電力系統(tǒng)，意味著風(fēng)、光發(fā)電將是未來電力系統(tǒng)的主體。煤電將由主力能源降格為輔助能源，但又必須承擔(dān)供電安全“壓艙石”的職責(zé)。定位為輔助能源的煤電，為確保電網(wǎng)安全，將面臨總體裝機容量不能低，但運行效率（利用小時數(shù)）不能高的尷尬局面！
煤電是電網(wǎng)安全的“底牌”
風(fēng)、光發(fā)電功率的波動完全隨天氣狀況做隨機變化，而且要比電網(wǎng)正常的負荷變化高得多。所以，為風(fēng)、光發(fā)電所準(zhǔn)備的可調(diào)容量不能簡單地依靠臨時性的啟、停機來完成，而是必須使其處于旋轉(zhuǎn)備用狀態(tài)。隨之而來的是，風(fēng)、光發(fā)電裝機容量越大，旋轉(zhuǎn)備用的容量就被迫越大。因此，風(fēng)、光發(fā)電大比例接入電網(wǎng)，必須匹配大量靈活可調(diào)的電源，即靈活性電源。理論上，傳統(tǒng)能源均可為靈活性電源，因為它們都是可調(diào)可控的。例如水電（包括抽蓄）、氣電、電池（電化學(xué)儲能），以及煤電。
水電方面，我國水電裝機容量3.7億kw，其中抽蓄電站3000萬kw，受資源和環(huán)境的雙重壓力，再大規(guī)模開發(fā)水電的空間已經(jīng)不大。盡管水電廠（包括抽蓄）的調(diào)節(jié)能力比較強，容量大、機組的啟/停調(diào)節(jié)迅速，是較為理想的調(diào)頻調(diào)峰電源，但水電布局受自然資源的約束，在選址和容量上均有所限制，加上水電本身的周期（豐枯水期），使其自身有時也會有調(diào)峰的需求。目前，我國抽蓄電站3000萬kw的裝機容量，明顯不足于完全承擔(dān)靈活電源的功能。
氣電在調(diào)峰能力和超低排放上極具優(yōu)勢。氣電啟停速度快，大型機組啟動至帶滿負荷可控制在1小時以內(nèi)，能夠快速響應(yīng)電網(wǎng)需求，可為電網(wǎng)提供可靠的調(diào)峰支持；氮氧化物排放量小，S02和煙塵排放基本為零，與煤電相比要清潔環(huán)保。但是，受制于中國“富煤缺油少氣”的資源稟賦，較高的氣價和安全供應(yīng)得不到完全保障的國際環(huán)境使得我國氣電裝機比較有限，在2020年末我國氣電裝機達1億kw，但只占總裝機容量的4.5%；另外，冬季往往也是天然氣用氣高峰，保民生的需求也會抑制氣電調(diào)峰的出力。
目前，寄以厚望的是儲能應(yīng)用系統(tǒng)，特別是電化學(xué)(電池）儲能，以及少量氫能儲能。電池儲能采用電力電子控制輸出功率，響應(yīng)十分迅速，本身非常適合于電力系統(tǒng)的調(diào)頻，其調(diào)頻效果是水電機組的1.7倍，更是遠好于煤電機組。從中長期來看，儲能或氫能（氫能可以看著是儲能的一種）加上智慧能源系統(tǒng)是實現(xiàn)大規(guī)模新能源消納，進而實現(xiàn)能源系統(tǒng)碳中和的最終解決方案。但在近一定時期內(nèi)，儲能還無法完全承擔(dān)調(diào)峰功能。
首先，目前以鋰電池為主的儲能系統(tǒng)容量有限。儲能多數(shù)容量配置10%，充（放）電時間在2小時左右。對電力系統(tǒng)而言，這樣的配置在短時間內(nèi)（“分鐘”級別）的一次調(diào)頻方面是有效的，但在針對以“天”或“周”為時間周期的調(diào)峰方面卻可能不夠。假定在“十四五”期末風(fēng)、光發(fā)電機組累計裝機達到12億kw，未來5年新增7億kw，50%的新增裝機配置10%的儲能，則儲能裝機將配置有3500萬kw，能提供電量7000萬kwh。這個數(shù)對我國“十四五”期末預(yù)測的14億kw的負荷和年9.3萬億kwh的用電需求量來說并不能解決“天”級別或“周”級別時間周期的峰荷問題，在一些氣象條件下，“周”級別時間的峰荷需求并不少見。其次，從產(chǎn)業(yè)上看，2019年，全球電池儲能累計裝機規(guī)模為9.52GW，當(dāng)年新增投運電池儲能規(guī)模是2.89GW。截至2020年6月底，我國電化學(xué)儲能累計裝機規(guī)模達到1831MW，未來五年要達到3500萬kw的新增儲能裝機，是2020年裝機的近20倍。這在電池儲能技術(shù)體系尚未實現(xiàn)完全標(biāo)準(zhǔn)化，產(chǎn)品質(zhì)量和系統(tǒng)集成水平參差不齊，安全問題尚有疑慮的情況下，這樣的擴張速度存在較大不確定性。在成本和商業(yè)模式方面，儲能電站度電次成本在0.5元左右，離規(guī)模應(yīng)用的目標(biāo)度電次成本0.3~0.4元仍還有不小差距；商業(yè)模式也還未成熟，收益存在很大不確定，大規(guī)模的投資難以進場。
從長遠來看，風(fēng)、光+儲能和氫能將是能源體系的主要的發(fā)展方向，煤電終將會退出歷史舞臺。然而，從上述分析來看，儲能的發(fā)展過去是沒有跟上風(fēng)、光發(fā)展的步伐的，而且在最近的一定時間內(nèi)也還不能迅速跟上新能源裝機擴張的步伐。
綜合上述的分析，在一定時期內(nèi)，煤電仍然還將是電源的主要構(gòu)成，仍將需以一定規(guī)模的容量存在較長的時間。
來看個實例。2021年初寒潮，1月7日國家電網(wǎng)統(tǒng)調(diào)最高負荷達到9.60億kw，11日南方電網(wǎng)負荷達到1.97億kw的峰值。1月7日當(dāng)天晚，兩網(wǎng)高峰創(chuàng)出了高點，達到了近11億kw，當(dāng)天的電量是259.67億kwh。我國電力總裝機近22億kw，這個負荷高峰出現(xiàn)在晚上，光伏沒有出力；7日那一天全國大面積沒有什么風(fēng)，風(fēng)力發(fā)電的裝機出力只有10%左右，全國5.3億千瓦風(fēng)電和光伏的總裝機，5億千瓦沒有出上力；冬季是枯水期，3.7億千瓦水電的裝機有2億多沒有出上力；冬季也是天然氣的用氣高峰，天然氣發(fā)電裝機有將近1億千瓦，50%也沒有出上力。這時，如果沒有近11億裝機的煤電頂上來，這個高峰負荷是完全無法滿足的。已知的事實是，彼時，南方一些省份被迫有序用電。
冬夏雙峰是我國電力負荷的特點。2021年1月，南網(wǎng)首次連續(xù)五日（“周”級的時間）出現(xiàn)冬季日用電負荷與夏季高峰時段相當(dāng)?shù)木置妗Ｈ缟厦娴膶嵗?，冬季負荷的峰值大都出現(xiàn)在晚上。冬季是枯水期，水電出力下降；南方濕度大，風(fēng)機可能凝凍；晚高峰，太陽已下山，光伏無法出力。多省市同一時段出現(xiàn)負荷峰值，難以實現(xiàn)余缺互濟。此時，頂峰迎冬的重任是不得不由煤電來抵頂?shù)摹?021年1月間，湖南、浙江限電，北京燃煤供熱機組重啟等事實可以證實上述判斷。
煤電要適應(yīng)低負荷運行
截至2020年底，全國全口徑發(fā)電裝機容量為22億kw?；痣娧b機12.5億kw（煤電裝機容量10.8億kw，占總裝機容量的比重為49.1%，首次降至50%以下）、水電裝機3.7億kw、核電0.5億kw、并網(wǎng)風(fēng)電2.8億kw、光伏裝機2.5億kw。2020年新增并網(wǎng)風(fēng)電、太陽能發(fā)電裝機容量分別為7167萬kw和4820萬kw。搶裝潮下，2020年度當(dāng)年新增并網(wǎng)風(fēng)電裝機規(guī)模創(chuàng)出歷史新高。
用電端，2020年全國用電量7.51萬億kwh，全口徑發(fā)電量為7.62萬億kwh，發(fā)電量高于用電量1.5%。“十三五”期間全社會用電量年增長5.7%，全口徑發(fā)電量年均增長5.8%，發(fā)電量的增幅略高于用電量的增幅。并網(wǎng)風(fēng)電和光伏發(fā)電量分別為4665、2611億kwh，同比分別增長了15.1%和16.6%，兩者合計占全社會用電量9.7%。全口徑發(fā)電設(shè)備平均利用小時數(shù)3758小時，火電利用小時4216小時，其中煤電4340小時；并網(wǎng)風(fēng)電、光伏利用小時分別為2073和1281小時。
盡管煤電仍然還有4000多小時的利用小時數(shù)，情形尚可，但是，從長期來看，煤電終將面臨利用小時數(shù)逐漸降低的壓力。從地區(qū)結(jié)構(gòu)上看，即便是在當(dāng)前，在一些清潔能源占比較高的地區(qū)，煤電的利用小時數(shù)已經(jīng)低于3000小時。從分省來看，十余個省的煤電利用小時數(shù)已低于4000小時，在清潔能源占比較高的省份，煤電利用小時已經(jīng)低于3000小時。
2020年全國負荷最高達10.76億kw（國網(wǎng)和南網(wǎng)負荷有時間差，若簡單相加達最高負荷接近12億kw）。預(yù)計“十四五”負荷增速5%-6%，用電量增速4%-5%，負荷增速略高于電量增速，則“十四五”末，即到2025年，負荷將達14億kw，用電量達到9.31萬億kwh。一般地，發(fā)電量要高于用電量，以高1.5%計，則發(fā)電量預(yù)測為9.45萬億kwh，比2020年增加1.8萬億kwh。
假設(shè)2025年風(fēng)、光裝機已就達到12億kw，風(fēng)光各半，則“十四五”風(fēng)光裝機新增3.2億kw，光伏新增3.5億kw。風(fēng)、光發(fā)電小時分別按2000、1300小時計，風(fēng)光裝機將新增發(fā)電量近1.1萬億kwh，將要占到新增發(fā)電量需求的近60%。屆時，風(fēng)光總發(fā)電量將達到近2萬億kwh。若按照9.31萬億kwh的用電量來匡算，這將占到全社會用電量的20%以上！考慮限電達到10%，也將出力達1.8萬億kwh，占到全社會用電量的19%。
考慮到風(fēng)、光發(fā)電的受阻系數(shù)極高，為確保用電安全及14億kw的峰值用電負荷，就必須增加穩(wěn)定電源的配置。綜合測算，煤電需增加裝機容量約1.4億kw（這個數(shù)值有爭議，但多數(shù)研究認為煤電增加裝機是必須的，分歧只是增加容量大小的問題）。
事實上，在“十三五”期間，有27個省、直轄市或自治區(qū)新核準(zhǔn)通過了1.45億kw的煤電項目。僅在2020年，就核準(zhǔn)通過了4600萬kw，占“十三五”期間通過總和的31.9%。核準(zhǔn)通過的煤電裝機總?cè)萘吭凇笆濉逼陂g呈現(xiàn)了明顯的U型曲線上升?？紤]建設(shè)周期，這些項目將在“十四五”期間建成投產(chǎn)。
因此，“十四五”期間，隨著用電峰荷的增加，煤電裝機不得不增加。在優(yōu)先發(fā)電權(quán)讓路清潔能源的同時，新增發(fā)電量的需求（如上文預(yù)計為1.8萬億kwh）的60%將交由風(fēng)光發(fā)電機組發(fā)出，即新增發(fā)電量需求的大部分要被新增的風(fēng)光發(fā)電裝機“吃掉”。若算上新增的水電、核電等機組新增的發(fā)電量約3000億kwh，新增煤電裝機將只有4200億kwh的發(fā)電量額度，對應(yīng)1.4億kw的新增裝機規(guī)模，利用小時數(shù)就只有約3000小時，將大幅下降。
靈活性是煤電唯一的選擇
根據(jù)過去十年，即2010-2020年的歷史數(shù)據(jù)，大部分省市的用電負荷增速要大于用電量增速。出于安全考慮，用電負荷需要穩(wěn)定的電源來保障，如前分析，在一定時期，我國穩(wěn)定電源的現(xiàn)實選項就是煤電，這就不得不在近期內(nèi)增加煤電的裝機。同時，氣候承諾和減排的壓力又需要使用大量的清潔能源。因此，煤電裝機容量和使用電量的不匹配將會在相當(dāng)長的時期內(nèi)存在。最簡單和直觀的估算：負荷年增加6000萬kw，意味著穩(wěn)定電源的裝機容量需要增加6000萬kw；用電量變化同步于用電負荷，增速小于負荷增速，電量年增加3600億kwh。在容量和電量完全匹配的情況下，機組利用小時數(shù)為6000小時，這是經(jīng)濟合理的。然而，在技術(shù)進步和平價上網(wǎng)的情況下，風(fēng)、光新能源機組大規(guī)模的裝機是必然的，謹(jǐn)慎估計，若年新增裝機1億kw，綜合利用小時1650小時，就將“吃掉”電量約1650億kwh，留給煤電機組的就只有1950億kwh。顯然，煤電機組的利用小時就會跌到3250小時。
在大力拓展清潔能源，新能源裝機增加的同時，煤電裝機也得增加，這看起來似乎相當(dāng)荒謬！其實不然，單純反對煤電建設(shè)的觀點是缺乏對電力系統(tǒng)運行基本常識的認知，這只關(guān)注電量替代的競爭關(guān)系，忽略了電力瞬時平衡的特點。煤電裝機容量的提高，更多是為了調(diào)節(jié)新能源服務(wù)，它的利用小時數(shù)仍會持續(xù)降低，因而裝機容量的提高并不一定等于煤電電量的提高和碳排放的增加。
但是容量和電量的不匹配，必然損失煤電運營效率，增加運營和維護成本。這是無奈卻現(xiàn)實的選擇。是面對能源領(lǐng)域不可能三角（清潔、廉價、安全，三者不能得兼）的選擇！
