以新能源为主体的新型电力系统发展路线图

中国储能网讯：在碳达峰、碳中和目标背景下,国内外学者对于构建新型电力系统开展了相关研究,但尚未形成明确的新型电力系统的演进趋势分析、支撑技术体系和发展路线图。本文探讨能源革命趋势,创新阐述电力系统演进,并结合新型电力系统特点提出支撑技术体系,从而为构建新型电力系统指明发展路线图,以期为碳达峰、碳中和目标下的能源电力行业发展提供参考与借鉴。

01、能源革命趋势

新一轮的能源革命背景来自于三方面形势:一是传统化石能源日益短缺;二是能源相关的排放和污染问题日益严重;三是能源安全问题日益突出。

传统化石能源短缺是全世界面临的长期问题,化石能源消费量增长持续超过化石能源新增储量,造成煤炭、石油、天然气等化石能源储采比在过去30年中持续下降。

结合自然资源部发布的《中国矿产资源报告2021》与国家能源局对于化石能源消费量的统计数据,以及学者对于我国化石能源储采比的分析,粗略估计我国石油、天然气和煤炭储采比分别处于10、25~30和30~35。其中,我国石油的储采比预计将长期处于10左右。

能源相关的排放和污染问题也日益严重。2020年,我国二氧化碳排放总量约110亿t,其中能源行业约占80%,而电力行业碳排放占能源行业的比重超过40%,能源电力行业已经成为碳达峰、碳中和的主战场,大规模发展新能源已经成为碳中和的必经之路。同时我国二氧化硫、氮氧化物、颗粒物等大气污染物排放近年有所下降,但仍然处于较高水平,每年由于空气污染造成外部成本超过2000亿元,进一步推动着能源行业的转型减排。

能源的安全问题也是新一轮能源革命必须解决的重要问题。2020年我国石油对外依存度为73%,天然气对外依存度43%,安全问题迫在眉睫。构建以新能源为主体的新型电力系统,有助于实国家能源安全新战略,降低油气对外依存度,增强我国能源供应的韧性和弹性。

总体来看,新一轮能源革命的使命,就是解决传统能源体系面临的短缺、污染与安全三大问题,构建清洁、低碳、安全、高效的能源体系,推动碳达峰、碳中和国家战略落实。新一轮能源革命是我国积极应对全球气候变化挑战,构建人类命运共同体的大国担当,也是构建“双循环”的新发展格局,提升国家竞争力的战略部署。根据国家政策部署,新一轮能源革命的趋势与节点如下:

2025年绿色低碳循环发展的经济体系初步形成,重点行业能源利用效率大幅提升。单位国内生产总值能耗比2020年(1.28t/万元)下降13.5%;单位国内生产总值二氧化碳排放比2020年下降18%;非化石能源消费比重达到20%左右;森林覆盖率达到24.1%,森林蓄积量达到180亿m3。

2030年,经济社会发展全面绿色转型取得显著成效,重点耗能行业能源利用效率达到国际先进水平。单位国内生产总值二氧化碳排放比2005年下降65%以上,非化石能源消费比重达到25%左右,风电、太阳能发电总装机容量达到12亿kW以上。森林覆盖率达到25%左右,森林蓄积量达到190亿m3,二氧化碳排放量达到峰值并实现稳中有降。

2060年,绿色低碳循环发展的经济体系和清洁低碳安全高效的能源体系全面建立,能源利用效率达到国际先进水平,非化石能源消费比重达到80%以上。

综上所述,在能源面临的三大问题和国家政策推动下,能源行业正在迎来新一轮革命,能源发展将呈现以下趋势:(1)一次能源由化石能源为主逐步向以可再生能源为主转变;(2)二次能源由以电为主向电氢结合为主转变;(3)能源产业由“产、供、用”相对独立向综合服务系统转变;(4)能源行业由自成一体向与其他行业深度融合转变。

02、电力系统演进

在新一轮能源革命的浪潮中,电力系统也在逐步演进转型。传统电力系统的特点主要有:一是以火电等化石能源发电为主体;二是即发即用,调节能力薄弱,造成弃风弃光弃水现象严重;三是发电、输电、用电分离。

根据国际能源署对于电力系统的可再生能源占比阶段划分,我国正在迈向高比例可再生能源阶段,不仅需要引入需求侧管理与储能技术,更要突出新能源的主体地位并引入支撑技术体系。

在“双碳”目标的背景下,旧有的电力系统已经不能满足碳排放要求,构建新型电力系统已经成为必然趋势。新型电力系统应尽快明确新能源主体地位,实施可再生能源替代行动,大力发展风能、太阳能、生物质能、海洋能、地热能等。

以新能源为主体的新型电力系统的使命,是适应大规模可再生能源开发,解决现有能源电力的短缺、污染与安全的三大问题。新型电力系统相对于传统电力系统,不是简单的替代更新,而是一场革命。

在新型电力系统的构建中,不是要新能源适应电网,而是要电网适应新能源,让电网回归到使用能源手段的定位,让电力系统回归到更好满足经济社会的用能需求的这个根本目的。

构建以新能源为主体的新型电力系统,不能单一延续以往的大电网思维,追求大而全的电网来实现新型电力系统是低效率和行不通的。构建新型电力系统,还要发展其他电力传输手段,要坚持集中式与分布式共同发展,在提高电网对高比例可再生能源的消纳和调控能力的同时,大力发展局域电网、智能微网等技术手段,推动风能、太阳能就地就近消纳利用。采用“低碳化、数字化、去中心化”等创新思路,摆脱对传统的大电网、大电厂模式的依赖,明确路径和目标,将推进电网体制改革、发展新型电网作为重要路径。

因此,在新型电力系统的演进中,按照可再生能源比例将演进过程分为三个层面,并最终通过“三步走”建成新型电力系统并实现“双碳”目标:

(1)可再生能源发电占比达25%~50%,占比首次超过火电,达到相对多数地位,即各类发电中占比最多的形式。

(2)可再生能源发电占比达50%~80%,占比超过一半,达到绝对多数地位,即确立主体地位,不仅是电力供应数量的主体,而且是能够保障新型电力系统安全稳定运行的功能主体与责任主体。

(3)可再生能源发电占比达80%~90%,主体地位显著,传统发电形式仅作为补充和从属,配合氢电互补、生物能源与碳捕获和储存(bioenergy with carbon capture and storage, BECCS)、植树造林等其他手段,实现碳中和目标。新能源与工业、交通等其他行业的用能方式深度耦合,“新能源+”、能源互联网等新业态高度完善,有力支撑电气化、低碳化、数字化、智能化、交互化的未来社会能源愿景。

构建新型电力系统的三个层面,是一个动态的演进过程,如图1,在不同层面都需要充分关注和妥善处理以下两个问题:

(1)针对性的政策扶持。第一层面的演进过程中,需要针对性地采取风光火储一体化、光伏整县开发、隔墙售电、东数西算等扶持政策。同样的,在未来更高层面的演进过程中,也需要根据新能源开发的技术特征与成本特性变化,不断迭代优化新能源发展模式和扶持政策。

(2)需要兼顾社会用能的承受能力、安全约束和经济成本。构建新型电力系统不能一蹴而就,需要充分与社会用能进行沟通协调。新型电力系统要做到“三平衡”,即电力平衡、能量平衡[23]和价值平衡,而其中的价值平衡需要充分与社会用能需求进行沟通协调。不同层面的新型电力系统,需要充分考虑社会相应发展阶段新建系统成本、火电退出成本、低碳用能成本的承受能力。

03、新型电力系统的特征与趋势

以新能源为主体的新型电力系统的概念进一步延伸,即以新能源为主体的新型能源系统,具备以下重要特征:(1)可再生能源占据主体;(2)电网调节能力显著增强;(3)电网由集中为主,向集中与分散并重转型;(4)氢能在二次能源比重不断增加。明确以上新型能源系统的四大重要特征,我们就可以得出新型电力系统演进过程的四个阶段。

(1)大规模可再生能源发电接入电网。

随着近十年来新能源的产业政策扶持、技术资源聚集和资本持续投入,新能源发电成本呈现快速下降趋势。电力系统的可再生能源占比从小于15%,将逐步上升,这一阶段中电网开始加强需求侧管理和智能调控。

(2)大规模调峰调频技术应用。

在这一阶段趋势中,可再生能源占比达到15%~50%,可再生能源发电成本持续降低,学者普遍预计2026年前后我国陆上风电、光伏的平准化度电成本(levelized cost of energy, LCOE)将低于燃煤发电。

在这一阶段趋势下,电网开始发展大规模储能及辅助调峰调频配置,抽水蓄能、压缩空气储能、电化学储能等电力灵活性资源受到重视,以储能和调峰能力为基础支撑的新增电力装机发展机制逐步形成。

然而新能源接入电网节点时的成本,并不代表终端用户电能成本。当新能源电量渗透率超过15%后,电网系统成本将显著上升,削减煤电带来的系统成本也将显现,最终造成大电网的成本优势在这一阶段中逐渐丧失。

(3)电网呈分散趋势。

在这一阶段趋势中,可再生能源占比达到50%~80%,新能源获得主体地位,大电网出现成本、效率方面的不足,而区域电网、智能微网快速发展,能源供给与能源消费一体化、就地化、智慧化的趋势愈发显著。

能源电力与产业系统逐步呈现高度耦合,能源品种价格逐步走向市场化,节能、高效、低价成为准绳,竞争性环节电价全面放开。能源开发呈现分布式与集中式并重,智慧能源响应技术快速发展。

以数字电网为枢纽,数据流和信息流实现有序流动,电力流和能源流充分打通。5G、大数据、云计算等数字基础设施,碳足迹、电足迹等计量基础设施走向完备。区块链等去中心化技术支撑的碳市场、电力市场基本成型,形成能源电力与社会资源的优化配置。

新能源主体带来的系统平衡成本、安全保障成本等逐渐降低,新型电力系统安全韧性增强,应对极端天气、自然灾害、袭击破坏、网络攻击的电力安全理论和防范风险体系走向完善。

(4)电氢结合的二次能源体系形成。

在这一阶段趋势中,可再生能源占比达到80%以上,氢能社会与电气社会呈现并存态势,新能源为主体的新型电力系统完全建成,并实现2060碳中和目标。

在这一阶段中电力系统“三平衡”手段,走向电氢耦合、综合能源、跨网互济。“大云物移智链”等数字化支撑技术高度发达,源网荷储各个环节市场交易高度发展,工业、交通、建筑等跨行业交互频繁,能源流、电力流、资源流、信息流、碳流、资金流高度耦合,经济社会的碳中和转型全面实现。

04、支撑技术体系

新型电力系统发展离不开支撑技术体系的进步,新型电力系统的支撑技术体系可归纳为四大体系,分别是大规模可再生能源开发技术体系、电网调峰调频技术体系、局域网及微网构建技术体系、氢能及其综合利用技术体系,如图2所示。

中国大唐集团结合战略需求,在四大体系中精准部署了各项研发重点。其中大规模可再生能源开发技术体系方面,太阳能板块重点布局新型高效光伏发电技术,包括新材料及新型组件,以及先进光热发电与熔盐储热技术。在风能板块,重点开展漂浮式深远海发电技术和海上风电评价技术研究,同时积极探索高空发电技术(高空风筝等)和高原风力发电技术。

预计我国2030年风光装机容量将达到17亿kW以上,发电量占比约24%,2060年风光装机容量将达到50亿kW以上,发电量占比约67%,大规模可再生能源开发技术体系应当尽快建立。随着新能源渗透率的提高,电力平衡、能量平衡和价值平衡等“三平衡”问题也将日益凸显,在大规模可再生能源开发技术体系下攻关高效率、低成本的先进风光发电技术,探索“整县开发”、“隔墙售电”、“东数西算”就地消纳等新模式,也是提升电力系统韧性、降低社会用电成本的关键举措。

以新能源为主体的新型电力系统将呈现“一低、两高、双峰、双随机”特点,即低系统转动惯量、高比例新能源与高比例电力电子装备、夏冬负荷双高峰、发电出力和用电负荷双侧随机波动,对于电网调峰调频技术体系的需求日益强烈。

在电网调峰调频技术体系方面,中国大唐集团系统开展了电力电子、智能调度、调相技术、需求侧管理等核心技术攻关,推动虚拟电厂建设和主动需求响应,构建源网荷储协调运行的新模式、新业态。

与此同时,中国大唐集团大力发展各类储能技术,包括抽水蓄能、压缩空气储能、飞轮储能等物理储能,钠离子电池、铝离子电池、液流电池等化学能,攻关多种储能形式的耦合技术。

依托国家级科技项目支撑,以压缩空气储能技术为抓手,中国大唐集团着力突破大规模、长周期、高安全、低成本的储能技术,力争改变电能难以存储的传统认知,依托共享储能、独立储能等新模式推动新型电力系统中储能资源的市场化。

发展局域网及微网构建技术体系,是畅通能源在传统电力系统中生产、流动、分配和消费等各环节堵点,加快数字化、智慧化、市场化的重要路径。我们认为,分布式与集中式并举将成为未来能源的主流供需模式,大电网与配电网、微网的互动模式都将在综合能源、数字孪生、人工智能等技术支撑下迎来重大突破。

在局域网及微网构建技术体系方面,中国大唐集团积极推动综合能源、能量管理、能源管家、智能微网等前沿方向研发,在电动汽车入网技术(vehicle to grid, V2G)、光伏建筑一体化(building integrated photovoltaics, BIPV)、智能用电、机器学习、负荷预测、数据中台等核心支撑技术上着力突破。

同时大力推动局域网及微网构建技术体系在零碳新城、低碳小镇、智慧园区、智慧楼宇等不同规模场景的落地应用,加速新型电力系统向多市场主体互动、多能互补、资源互济、生态化共存的共赢模式转变。

氢能及其综合利用技术体系,是支撑电氢结合的二次能源体系形成的重要技术路径,也是构建氢能社会与电气社会并存的碳中和愿景的重要技术手段。氢能将是新型电力系统“三平衡”的重要手段,在长时间尺度下绿氢将成为重要的化学储能方式、就地消纳方式和综合利用方式。

2021年6月发布的《中国大唐集团有限公司碳达峰碳中和行动纲要》提出,在氢能及其综合利用技术体系中重点布局绿氢制备、储氢储能等技术研究,在质子交换膜(proton exchange membrane, PEM)电解水制氢装备、孤网制氢产业链“链长”等关键装备和产业链建设方面持续发力,推动吉林白城孤网制氢基地建设,探索天然气掺氢、输氢管道、固体氧化物燃料电池(solid oxide fuel cell, SOFC)、海水制氢等电氢结合支撑技术。

同时我们高度重视氢能的综合利用,创新提出“东碳西汇”概念,持续攻关“清洁制氢+绿色化工”能源化工耦合体系,服务集团煤化工脱困与低碳化转型,进而推动绿氢交通、绿色化工氢能冶金、氢进万家等综合应用。

05、结  论

(1)结合电力系统的演进阶段划分,各省可以研判目前所处的发展阶段,确定自身发展策略,即“一省一策”。沿海地区目前处于第一阶段,重点在于推进新能源资源开发,取得“量”的突破,而“三北”地区开始步入第二阶段,需要发力新能源大基地建设,并推动科技项目策划,取得新能源资源开发“质”的突破。

(2)共享储能已经成为调峰调频技术的新趋势、新模式,现有发电侧强配储能模式将会逐步优化过渡到数字化、智慧化和市场化的储能市场交易模式。在储能发展新模式下,抽水蓄能、压缩空气储能等大规模储能将成为新型电力系统发展的刚需,各类储能技术的耦合互补“组合拳”也将成为新趋势,建议及时启动政策保障和监管。

(3)电力系统演进至第三阶段时,可再生能源占比达到50%~80%,具有转动惯量及调峰调频功能的煤电、气电、水电将在局域网、微网构建中显现优势,形成局域网的核心。光热技术、超临界二氧化碳发电技术、压缩空气储能技术等,也将在这一阶段的局域网及智能微网构建中得到广泛应用。需求决定生产也是这一阶段的重要特点,客户资源将成为各类能源供应商的竞争重点。

(4)迈向碳中和时代,氢能是能源产业转型的重要路径,也是经济社会和工业体系重构的重要抓手。虽然电力系统演进具有阶段性,但氢能既是二次能源,又有储能优势,不只是在电力系统演进的第四阶段才走上舞台,而是从第二阶段开始氢能及综合利用技术就逐步应用于新型电力系统建设和与其他行业的深度融合。因此,氢能及其综合利用技术体系的研发攻关应当尽早启动并大力推进。

本文受海南省重大科技计划项目(ZDKJ2020013)资助。

原文发表在《分布式能源》2021年第6卷第6期，欢迎品读！

引用本文：

张勋奎. 以新能源为主体的新型电力系统发展路线图[J]. 分布式能源，2021，6（6）：1-8.

ZHANG Xunkui . A Roadmap for Developing a New Power System With New Energy as the Main Body[J]. Distributed Energy, 2021，6（6）：1-8.

作者简介

张勋奎：中国大唐集团新能源科学技术研究院董事长、党委书记，正高级工程师，国家发改委“揭榜挂帅”项目首席专家，海南省重大科技项目首席专家，中国电机工程学会理事，东南大学客座研究员，主要从事新能源规划、新型电力系统研究。