中國儲能網(wǎng)訊：為應(yīng)對全球氣候變化、生態(tài)環(huán)境保護(hù)、經(jīng)濟(jì)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。2014年6月召開的中央財經(jīng)領(lǐng)導(dǎo)小組第六次會議上，習(xí)近平總書記提出“四個革命、一個合作”能源安全新戰(zhàn)略，引領(lǐng)我國能源行業(yè)發(fā)展進(jìn)入新時代；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22日，習(xí)近平主席在第七十五屆聯(lián)合國大會一般性辯論上宣布“中國將提高國家自主貢獻(xiàn)力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭于2030年前達(dá)到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和”；2020年12月12日，在氣候雄心峰會上講話中進(jìn)一步提出“到2030年中國單位國內(nèi)生產(chǎn)總值二氧化碳排放將比2005年下降65%以上，非化石能源占一次能源消費比重將達(dá)到25%左右”“風(fēng)電、太陽能發(fā)電總裝機將達(dá)到12億千瓦以上”的關(guān)鍵指標(biāo)；2021年3月15日，中央財經(jīng)委員會第九次會議上明確了“十四五”是碳達(dá)峰的關(guān)鍵期、窗口期，需要落實的第一項重點工作就是“要構(gòu)建清潔低碳安全高效的能源體系，控制化石能源總量，著力提高利用效能，實施可再生能源替代行動，深化電力體制改革，構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)”。
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(lán)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(dá)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。本文提出新型電力系統(tǒng)主要特征和核心指標(biāo)，構(gòu)建“雙碳”目標(biāo)下我國能源電力系統(tǒng)發(fā)展情景，提出并闡述綜合能源生產(chǎn)單元設(shè)想，以期為能源轉(zhuǎn)型路徑規(guī)劃及戰(zhàn)略制定提供一定的參考。
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(kuò)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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，筆者提出以下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)二氧化碳排放總量。
“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)?；谖覈茉崔D(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(jìn)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，設(shè)定“雙碳”目標(biāo)下能源電力總體發(fā)展需求，2020-2060年我國一次能源消費總量及非化石能源消費占比如圖1所示、全社會總用電量變化趨勢如圖2所示。
圖1 2020-2060年我國一次能源消費總量及非化石能源占比
圖2 2020-2060年我國全社會用電總量變化趨勢
一次能源消費總量指標(biāo)方面，2020-2030年（前段），考慮經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展水平的剛性增長需求，仍將保持每5年4-5億噸標(biāo)準(zhǔn)煤的增長速度，至“十四五”末達(dá)到55億噸左右，2030年左右達(dá)到峰值59億噸，此后呈現(xiàn)下降趨勢；2030-2050年（中段），前15年間每5年下降1億噸，2045年降至56億噸后基本保持穩(wěn)定；2050-2060年（后段），仍具有小幅下降空間，2060年保持在55億噸左右水平。
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(jìn)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(dá)到20%，2030年達(dá)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(dá)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(dá)到11.1萬億千瓦時的水平；2030-2050年（中段），年均增長率逐步下降，2045年全社會用電量約為15萬億千瓦時，達(dá)到當(dāng)前水平的2倍，2050年約為16萬億千瓦時；2050-2060年（后段），增速進(jìn)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)演化趨勢分別如圖3和圖4所示。
圖3 2020-2060年我國電力裝機變化趨勢
圖4 2020-2060年我國發(fā)電量變化趨勢
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%。風(fēng)光發(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(dá)到16.1億千瓦，占裝機總量41.5%；2035年達(dá)到24.3億千瓦，超過電力裝機總量的50%，成為裝機主體；2060年達(dá)到70.1億千瓦，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(dá)到2.3萬億千瓦時，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(jìn)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11.9萬億千瓦時，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。
針對本文所構(gòu)建的我國能源電力發(fā)展場景，初步測算能源電力系統(tǒng)年二氧化碳排放指標(biāo)，可得到以下結(jié)論：能源系統(tǒng)和電力系統(tǒng)的年二氧化碳排放均可實現(xiàn)2030年前達(dá)峰，2050年和2060年，能源系統(tǒng)年二氧化碳排放分別降低為峰值的28.0%、10.5%，電力系統(tǒng)二氧化碳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)。
技術(shù)進(jìn)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)：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)；燃煤發(fā)電提高靈活性低碳排放和碳資源利用技術(shù)；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)；安全高效低成本長壽命新型儲能技術(shù)；清潔高效低成本氫能生產(chǎn)儲運轉(zhuǎn)化和應(yīng)用技術(shù)；超導(dǎo)輸電和新型綜合輸能技術(shù)；新型電力系統(tǒng)規(guī)劃運行調(diào)度和仿真控制保護(hù)技術(shù)；數(shù)字化智能化綜合能源電力系統(tǒng)技術(shù)；信息物理融合的能源互聯(lián)網(wǎng)/物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)；綜合能源電力市場技術(shù)。
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(jìn)傳統(tǒng)煤電升級改造及有序退出、同時促進(jìn)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(dá)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)能源平穩(wěn)供應(yīng)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(jìn)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5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)供電或既有火電機組發(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二氧化碳進(jìn)一步合成生產(chǎn)甲烷/甲醇等綠色燃料或化工產(chǎn)品。
圖5 綜合能源生產(chǎn)單元典型結(jié)構(gòu)示意圖
不限于圖5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所需的二氧化碳可由火電廠碳捕集，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，通過單元內(nèi)部各子系統(tǒng)協(xié)同運行及單元與外部電網(wǎng)的靈活互動，以及多類型能源的生產(chǎn)、存儲和化工合成等過程耦合，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，在綜合能源生產(chǎn)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能源生產(chǎn)單元，為高比例新能源電力系統(tǒng)提供靈活性支撐，以包含煤電、光伏、電解水制氫制甲醇的方案為例，則其可參與電力系統(tǒng)日調(diào)度的出力上限為：煤電機組額定功率+光伏發(fā)電功率-電解水制氫制甲醇裝置出力下限；出力下限為煤電機組最小出力限制-電解水制氫制甲醇裝置出力上限。可見若將該系統(tǒng)整體作為一個虛擬發(fā)電單元，其靈活性調(diào)節(jié)范圍較傳統(tǒng)煤電機組顯著提高。
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，另一方面形成合理可行的產(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(jìn)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。
為探討IEPU應(yīng)用潛力和工程推廣性，以合成甲醇為例開展經(jīng)濟(jì)性初步測算，考慮如下設(shè)備技術(shù)規(guī)范參數(shù)：利用設(shè)備已折舊完畢的300兆瓦燃煤火電機組改造，碳捕集量約15萬噸，光伏發(fā)電裝機容量為180兆瓦、年運行時間為1300小時，滿足容量為140兆瓦電解槽的用電需求，整個系統(tǒng)可實現(xiàn)年產(chǎn)甲醇約10萬噸。采用當(dāng)前可預(yù)期主要設(shè)備運行成本和產(chǎn)品售價的條件下，技術(shù)經(jīng)濟(jì)性初步分析結(jié)果表明，項目初始投資約10.86億元，在貼現(xiàn)率10%情況下，投資回收期約14年，內(nèi)部收益率約為13.1%。
可再生能源制氫和各類IEPU的經(jīng)濟(jì)性是制約其發(fā)展的關(guān)鍵因素，對此須進(jìn)一步結(jié)合實際工程的各種因素及相關(guān)技術(shù)進(jìn)步，進(jìn)行詳細(xì)的經(jīng)濟(jì)性分析；IEPU設(shè)想的實現(xiàn)將會促進(jìn)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。
本文系《中國電力企業(yè)管理》獨家稿件
作者：周孝信 趙強 張玉瓊
單位：中國電力科學(xué)研究院
