非并網(wǎng)風(fēng)電對(duì)超大規(guī)模風(fēng)電利用的戰(zhàn)略意義和路徑

江蘇省宏觀經(jīng)濟(jì)研究院 顧為東

當(dāng)今，全球氣候變化受到了世界各國(guó)的普遍關(guān)注。從最新的溫室氣體排放增加速度來(lái)看，到本世紀(jì)末地球氣候?qū)⒂?℃～7℃的嚴(yán)酷升溫，遠(yuǎn)超出2℃的地球生態(tài)警戒線。風(fēng)能作為一種綠色環(huán)保的可再生能源，提供了一種重要的可替代煤炭來(lái)發(fā)電的能源，在二氧化碳減排方面有很大潛力。2009年全球新增風(fēng)電裝機(jī)容量超過(guò)37500MW，總裝機(jī)容量已達(dá)到157000MW。

1 并網(wǎng)風(fēng)電利用的限制

風(fēng)電并網(wǎng)是目前世界上大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)的唯一應(yīng)用模式。風(fēng)的高度不穩(wěn)定性，導(dǎo)致風(fēng)電大幅度波動(dòng)，在沒(méi)有燃?xì)獍l(fā)電、水電等為其調(diào)峰情況下，風(fēng)電對(duì)電網(wǎng)貢獻(xiàn)率難以超過(guò)8%～10%，這是一個(gè)世界性難題。風(fēng)電發(fā)展大國(guó)目前都采用分布式風(fēng)電場(chǎng)來(lái)減緩這一矛盾，2009年德國(guó)風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá)到26000MW，但均為中小容量的分布式風(fēng)電場(chǎng)，其中最大的僅為60MW。中國(guó)風(fēng)電裝機(jī)容量從2005年～2009年連續(xù)5年每年翻番，2009年又新增裝機(jī)13800MW，實(shí)現(xiàn)增長(zhǎng)113%，裝機(jī)容量達(dá)到26010MW，新增裝機(jī)超過(guò)美國(guó)，位居全球第一。預(yù)計(jì)到2020年中國(guó)風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)量將超過(guò)1.5億kW，風(fēng)電正在大規(guī)?？焖侔l(fā)展。

但是，中國(guó)工信部的數(shù)據(jù)顯示，2008年中國(guó)風(fēng)電裝機(jī)容量累計(jì)達(dá)12210MW，但實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電的只有8940MW。2009年中國(guó)實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電的風(fēng)電裝機(jī)僅為16130MW。因電網(wǎng)調(diào)峰限制，有9880MW以上的風(fēng)機(jī)在空轉(zhuǎn)，并未輸電上網(wǎng)，達(dá)裝機(jī)總量1/3以上。風(fēng)電并網(wǎng)容量遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于裝機(jī)量，造成極大的浪費(fèi)。而且，根據(jù)中國(guó)電監(jiān)會(huì)的調(diào)研，風(fēng)電場(chǎng)普遍經(jīng)營(yíng)困難，甚至嚴(yán)重虧損。

同時(shí)，風(fēng)電上網(wǎng)對(duì)風(fēng)力機(jī)提出了滿足電網(wǎng)穩(wěn)頻、穩(wěn)壓和穩(wěn)相位等苛刻的技術(shù)要求，由此大幅度提高了風(fēng)力機(jī)制造成本和風(fēng)電價(jià)格，約為火電價(jià)格的2倍，這也使風(fēng)電大規(guī)模應(yīng)用受到限制。

2 非并網(wǎng)風(fēng)電的優(yōu)勢(shì)

以電解工業(yè)為代表的高載能產(chǎn)業(yè)如氯堿、電解鋁、電解水制氫等，能較好的適應(yīng)風(fēng)電特性，通過(guò)必要的技術(shù)創(chuàng)新和集成，可以將大規(guī)模風(fēng)電直接與高載能產(chǎn)業(yè)耦合，走出大規(guī)模風(fēng)電發(fā)展的一條新路徑：“非并網(wǎng)”模式。

非并網(wǎng)風(fēng)電系統(tǒng)基本構(gòu)成包括：非并網(wǎng)風(fēng)力機(jī)、控制系統(tǒng)和高載能負(fù)載（圖1）。風(fēng)電場(chǎng)規(guī)模在500MW～10000MW之間甚至更大，所發(fā)電為直流電，可直接應(yīng)用于一系列能較好適應(yīng)風(fēng)電特性的高載能產(chǎn)業(yè)，使大規(guī)模風(fēng)電不經(jīng)過(guò)常規(guī)電網(wǎng)得到100%利用，從而解決大規(guī)模、超大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)電量的應(yīng)用難題。在風(fēng)場(chǎng)當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)電網(wǎng)容量允許時(shí)，所發(fā)直流電也可經(jīng)全功率逆變后直接并網(wǎng)。

風(fēng)電的這種非并網(wǎng)模式運(yùn)行優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在：1）繞開(kāi)電網(wǎng)這一限制風(fēng)電大規(guī)模應(yīng)用的瓶頸，也避免了風(fēng)電并網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)安全性的影響；2）采用直流電，回避風(fēng)電上網(wǎng)的相位差、頻率差和電壓差控制問(wèn)題，提高了風(fēng)力機(jī)發(fā)電效率和降低成本；3）風(fēng)力機(jī)經(jīng)專項(xiàng)適配后，結(jié)構(gòu)得到優(yōu)化，提高了風(fēng)能利用效率，并可節(jié)省并網(wǎng)所需的大量輔助設(shè)備，大幅度降低風(fēng)電場(chǎng)制造成本和風(fēng)電價(jià)格，非并網(wǎng)風(fēng)電系統(tǒng)的使風(fēng)電價(jià)格接近或低于火電價(jià)格；4）突破終端負(fù)荷使用風(fēng)電的局限，使大規(guī)模風(fēng)電在非并網(wǎng)風(fēng)電系統(tǒng)中的供電比例達(dá)到100%，風(fēng)電得到完全利用。風(fēng)電的非并網(wǎng)運(yùn)行模式，可以提高風(fēng)電利用率15%以上。

3 超大規(guī)模非并網(wǎng)風(fēng)電利用的路徑

根據(jù)目前研究，非并網(wǎng)風(fēng)電的主要應(yīng)用領(lǐng)域包括：氯堿工業(yè)、電解鋁工業(yè)、規(guī)?；娊馑茪?、大規(guī)模海水淡化和風(fēng)煤多能源系統(tǒng)等。采用非并網(wǎng)風(fēng)電系統(tǒng)技術(shù)，可在風(fēng)能富集區(qū)，建設(shè)若干“低碳型”綠色工業(yè)園區(qū)，利用風(fēng)能替代化石能源，在園區(qū)內(nèi)實(shí)現(xiàn)“高碳能源向無(wú)碳能源”的跨越。從而，建立起多元化的100%消耗掉風(fēng)電的非并網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)。

3.1 非并網(wǎng)風(fēng)電規(guī)?；茪?/h3>

目前，我們已在風(fēng)能耦合電解水制氫基礎(chǔ)研究上取得重大理論突破，探索出比較完善和系統(tǒng)的風(fēng)電制氫運(yùn)行規(guī)律和內(nèi)部耦合機(jī)理，并通過(guò)制氫規(guī)模為50kW、10m3/h的工業(yè)化試驗(yàn)驗(yàn)證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，為大規(guī)模非并網(wǎng)風(fēng)電在制氫等電解工業(yè)的工業(yè)化應(yīng)用奠定了重要基礎(chǔ)，該項(xiàng)成果已通過(guò)了中國(guó)氫能標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)（SAC/TC309）的審定，風(fēng)能-氫能綜合能源系統(tǒng)成為中國(guó)《小型氫能綜合能源系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)方法》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB）的重要內(nèi)容，填補(bǔ)了國(guó)際空白。

3.2 非并網(wǎng)風(fēng)電電解鋁

非并網(wǎng)風(fēng)電電解鋁系統(tǒng)，以風(fēng)電為主、網(wǎng)電為輔，100%消耗風(fēng)電，網(wǎng)電提供＜20%的保障用電。為適應(yīng)風(fēng)電的大幅波動(dòng)，在風(fēng)速變化時(shí)，鋁電解槽的動(dòng)態(tài)熱平衡可以采用智能化循環(huán)換熱方法加以解決。智能控制系統(tǒng)根據(jù)風(fēng)電情況和電解槽的生產(chǎn)需求實(shí)時(shí)在線控制電解槽動(dòng)態(tài)熱平衡系統(tǒng)的循環(huán)量和循環(huán)速度，保證電解槽穩(wěn)定在設(shè)定的電解溫度下，達(dá)到最佳的電解效率（圖2）。

風(fēng)電直接應(yīng)用于電解鋁工業(yè)，可以簡(jiǎn)化風(fēng)電并網(wǎng)運(yùn)行所需的大量輔助設(shè)備，降低風(fēng)電場(chǎng)的建設(shè)成本10%以上；減少輸配電環(huán)節(jié)，提高風(fēng)能的綜合利用率，使得系統(tǒng)內(nèi)風(fēng)電的利用效率提高15%以上，降低風(fēng)電成本。如果我國(guó)60%的鋁產(chǎn)量采用非并網(wǎng)風(fēng)電電解生產(chǎn)，每年可以節(jié)標(biāo)煤2400萬(wàn)噸，減排二氧化碳6300萬(wàn)噸，并可形成千億（元）級(jí)新興戰(zhàn)略性裝備制造產(chǎn)業(yè)。

目前，我們已經(jīng)解決了風(fēng)電直接應(yīng)用于電解鋁工業(yè)的重大科學(xué)問(wèn)題，揭示了風(fēng)電應(yīng)用于高載能產(chǎn)業(yè)的系統(tǒng)運(yùn)行規(guī)律。在工業(yè)化生產(chǎn)應(yīng)用上，重點(diǎn)突破了兩個(gè)關(guān)鍵性技術(shù)瓶頸：1）非并網(wǎng)風(fēng)電與電解鋁過(guò)程的耦合機(jī)理，研究出能夠適應(yīng)大規(guī)模風(fēng)電電流大幅度波動(dòng)的新型鋁電解槽結(jié)構(gòu)及生產(chǎn)工藝；2）多能源互動(dòng)智能供電合系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電100%利用，不足部分由網(wǎng)電補(bǔ)充。

3.3 非并網(wǎng)風(fēng)電制氯堿

工業(yè)性試驗(yàn)表明，新型氯堿電解槽對(duì)非并網(wǎng)風(fēng)電適應(yīng)性較好，特別是風(fēng)電電流的大幅度波動(dòng)而電解的電流效率不變，使非并網(wǎng)風(fēng)電的操作彈性增大，這條路線也已走通。

將大規(guī)模風(fēng)電應(yīng)用于氯堿及衍生的PVC產(chǎn)業(yè)，建設(shè)大型氯堿基地，在此基礎(chǔ)上可以形成非并網(wǎng)風(fēng)電→燒堿→化纖和造紙等、非并網(wǎng)風(fēng)電→氯產(chǎn)品→PVC產(chǎn)業(yè)鏈、非并網(wǎng)風(fēng)電→氫電池等系列產(chǎn)業(yè)鏈。

3.4 非并網(wǎng)風(fēng)電海水淡化

將非并網(wǎng)風(fēng)電和海水淡化相結(jié)合，采用非并網(wǎng)風(fēng)電低溫多級(jí)高效風(fēng)電海水淡化新方法、新工藝，利用海水源和空氣源多級(jí)高效熱泵，使風(fēng)電轉(zhuǎn)化為熱能的效率提高5倍。該系統(tǒng)成功突破了現(xiàn)有多級(jí)高效海水淡化過(guò)程內(nèi)部能量不能平衡這一世界性難題，在世界上首次實(shí)現(xiàn)內(nèi)部熱量的動(dòng)態(tài)平衡。目前，我們已完成兩效20kg/h和三效40kg/h低溫多級(jí)高效風(fēng)電海水淡化驗(yàn)證樣機(jī)制造（圖3）。

利用非并網(wǎng)風(fēng)電直接進(jìn)行大規(guī)模海水淡化，變輸電上岸為輸水上岸，直接向沿海地區(qū)供給大量淡水，緩解部分地區(qū)人均淡水資源短缺的矛盾，同時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)投資節(jié)省15%～25%，風(fēng)電利用效率提高8%～15%。

3.5 風(fēng)/煤多能源系統(tǒng)

通過(guò)非并網(wǎng)風(fēng)電電解水產(chǎn)生的氫與煤化工生產(chǎn)的中間產(chǎn)物相結(jié)合，形成風(fēng)/煤多能源系統(tǒng)（圖4）。該系統(tǒng)通過(guò)基礎(chǔ)理論研究和關(guān)鍵技術(shù)的突破使傳統(tǒng)煤制甲醇生產(chǎn)工藝中省卻變換工序和空分裝置，使相同的甲醇產(chǎn)量下，節(jié)煤48.1%、節(jié)水37.8%、減排CO277.8%（現(xiàn)在每生產(chǎn)100萬(wàn)噸甲醇需排放264萬(wàn)噸CO2；每生產(chǎn)100萬(wàn)噸煤制油需排放近300萬(wàn)噸CO2）。如應(yīng)用于用風(fēng)煤/天然氣系統(tǒng)，與傳統(tǒng)工藝相比，省去了昂貴且高能耗的空分、變換和分離裝置，使煤制天然氣轉(zhuǎn)化率接近100%，實(shí)現(xiàn)CO2的近零排放。

將大規(guī)模風(fēng)電應(yīng)用于煤化工產(chǎn)業(yè)，發(fā)展風(fēng)/煤多能源系統(tǒng)綠色煤基化工，建設(shè)綠色煤基清潔能源產(chǎn)業(yè)基地。用于生產(chǎn)甲醇、二甲醚、甲縮醛（CH2(OCH3)2）等新型替代能源及其衍生產(chǎn)業(yè)，還可直接與甲醇制低碳烯烴（DMTO）相結(jié)合，走通制取乙烯和丙烯的非石油原料路線，為實(shí)施石油替代戰(zhàn)略提供一條切實(shí)可行的新技術(shù)途徑。

4 結(jié)論

非并網(wǎng)風(fēng)電的直接應(yīng)用大幅降低風(fēng)電發(fā)展的成本，減排了溫室氣體，避免了對(duì)電網(wǎng)安全威脅，避開(kāi)了大規(guī)模風(fēng)電發(fā)展面臨的并網(wǎng)問(wèn)題，也緩解了發(fā)展中國(guó)家面臨的資金和技術(shù)問(wèn)題。對(duì)于化石能源貧乏而風(fēng)能資源相對(duì)豐富的國(guó)家和地區(qū)，特別是發(fā)展中國(guó)家來(lái)說(shuō)，非并網(wǎng)風(fēng)電的應(yīng)用為大規(guī)模風(fēng)電多元化發(fā)展提供了一條可供借鑒的新模式，具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。

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