中國儲能網(wǎng)訊：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；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，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出發(fā)，構(gòu)建雙碳目標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
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：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)估雙碳目標下能源電力總體發(fā)展需求：
一次能源消費總量指標方面，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，該指標于“十四五”末達到20%，2030年達到25%，滿足國家最新提出的目標要求；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%，為碳中和目標實現(xiàn)提供重要支撐。
全社會用電總量指標方面，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，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可由燃氣電廠與風(fēng)光發(fā)電及電解水制氫、儲氫耦合組成，未來燃氣電廠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。
作者：周孝信 趙強 張玉瓊
單位：中國電力科學(xué)研究院
