新型電力系統(tǒng)中各種發(fā)電方式的現(xiàn)狀和研究方向

南京南瑞繼保電氣有限公司 程文君

在2020年9月的第75屆聯(lián)合國大會(huì)上，習(xí)近平主席為表示中國應(yīng)對全球氣候變化的決心，首次提出了雙碳目標(biāo)。在這個(gè)大背景下，各行各業(yè)都需要進(jìn)行低碳轉(zhuǎn)型，而電力作為我國碳排放占比最大的行業(yè)，電力系統(tǒng)的低碳轉(zhuǎn)型備受關(guān)注。在2021年3月召開的中央財(cái)經(jīng)委員會(huì)第九次會(huì)議上，電力行業(yè)明確提出了接下來四十年的發(fā)展方向，即：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(shí)施可再生能源替代行動(dòng)，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)。

構(gòu)建新型電力系統(tǒng)需要充分利用現(xiàn)有的電力系統(tǒng)，盡可能降低投資成本、還要同時(shí)保證建設(shè)過程中的用電安全。因此需要了解我國現(xiàn)有的各種發(fā)電方式，且對以后想要建成的新型電力系統(tǒng)有所規(guī)劃。我國現(xiàn)有各種發(fā)電方式的發(fā)電占比和新型電力系統(tǒng)下預(yù)期的發(fā)電占比[1]可見下表。

表1 各種發(fā)電方式在不同時(shí)期的發(fā)電占比

1 火電

由于可再生能源發(fā)電有嚴(yán)重受限于日照、季節(jié)、風(fēng)力等自然氣象條件這個(gè)“不可控”的短板，因此作為我國電力穩(wěn)定生產(chǎn)、供應(yīng)和靈活性調(diào)節(jié)的“壓艙石”，在碳中和的前提下依然推薦保留一定規(guī)模的火電。針對火電不可避免的碳排放，后續(xù)需要解決以下兩個(gè)問題：使火電生產(chǎn)更高效、清潔、低碳、靈活；通過CCUS 技術(shù)移除火電產(chǎn)生的碳排放。

CCUS 技術(shù)是指碳捕獲、利用和封存技術(shù)，它可以移除火電產(chǎn)生的碳排放，從而使火電在以后的新型電力系統(tǒng)中依然保留。目前CCUS 商業(yè)化還存在能耗大、成本高等問題。因此后續(xù)還需研究低成本、低能耗的碳捕集技術(shù)，大規(guī)模碳排放的封存和轉(zhuǎn)化技術(shù)、與生物質(zhì)耦合的負(fù)碳排放技術(shù)[2]。

2 水電

水力發(fā)電效率高，發(fā)電成本低，機(jī)組啟動(dòng)快，調(diào)節(jié)容易，且是清潔能源，因此水電在電力系統(tǒng)中的地位將長期保持不變。但由于水電利用自然水流，受自然條件的影響較大。后續(xù)還需繼續(xù)推進(jìn)高海拔高寒地區(qū)水電開發(fā)。同時(shí)基于新型電力系統(tǒng)中對儲(chǔ)能系統(tǒng)有極大的需求，因此還要研究如何將現(xiàn)有水電站改造為混合式抽水儲(chǔ)能電站。

3 核電

核燃料能量密度高、核電運(yùn)營成本低，且是清潔能源，所以我國將逐步提升核電的發(fā)電占比，規(guī)劃由現(xiàn)在的5%提升至2060年的16%。在這個(gè)前提下，還需對核能電廠的放射性廢料的處理、熱污染處理、反應(yīng)器事故預(yù)防和處理等方面進(jìn)行深入的研究。

4 新能源發(fā)電

在雙碳目標(biāo)下，我國將大力提升新能源發(fā)電的占比，規(guī)劃由現(xiàn)在的9.5%提升至2060年的61%。新能源發(fā)電主要指光伏發(fā)電和風(fēng)電。由2020年中國風(fēng)能太陽能資源年景公報(bào)中的數(shù)據(jù)可以得出，我國太陽能資源理論儲(chǔ)量達(dá)1.9萬億千瓦，而全國各省平均首年利用小時(shí)數(shù)應(yīng)不低于1000小時(shí)。我國陸地70米高度風(fēng)能技術(shù)可開發(fā)量超過50億千瓦[3]，而全國各省平均年利用小時(shí)數(shù)應(yīng)不低于1500小時(shí)。同時(shí)由《中國能源大數(shù)據(jù)報(bào)告（2021）》中的數(shù)據(jù)可以看到，2020年全國電能消耗總量不到8萬億千瓦時(shí)[4]，因此只要充分開發(fā)利用，光伏發(fā)電和風(fēng)能發(fā)電完全能在電力系統(tǒng)中占主體地位，從而構(gòu)建成以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)。

4.1 風(fēng)電

風(fēng)能蘊(yùn)量巨大，在國家政策措施的推動(dòng)下，我國的風(fēng)電產(chǎn)業(yè)已經(jīng)走過了粗放式的數(shù)量擴(kuò)張階段，目前我國的風(fēng)電產(chǎn)業(yè)增長持續(xù)穩(wěn)定，更加注重于提高質(zhì)量、降低度電成本。目前我國的風(fēng)電產(chǎn)業(yè)主要是陸上集中式風(fēng)電，海上風(fēng)電及分散式風(fēng)電也在陸續(xù)建設(shè)。而在雙碳目標(biāo)前提下，風(fēng)電后續(xù)發(fā)展應(yīng)圍繞以下幾個(gè)方面：

我國很多經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、用電緊張地區(qū)偏偏平均風(fēng)速較低，隨著近幾年大葉片、高塔筒技術(shù)的提升，以后能實(shí)現(xiàn)風(fēng)能分散化和就地消納的低風(fēng)速風(fēng)機(jī)發(fā)電技術(shù)將逐漸成為陸上風(fēng)電發(fā)展的趨勢。

由于海上風(fēng)電資源更為廣闊，且更緊鄰電力負(fù)荷中心，因此以后應(yīng)著力發(fā)展海上風(fēng)電，加快布局近海深水發(fā)電，并逐漸向遠(yuǎn)洋風(fēng)電發(fā)展。

隨著風(fēng)電發(fā)展逐步趨向于分散化和海洋化，風(fēng)電的智能化程度也急需提升。通信技術(shù)、信息技術(shù)、控制技術(shù)等可以被廣泛應(yīng)用于風(fēng)電，這些技術(shù)結(jié)合智能算法可以實(shí)現(xiàn)風(fēng)電的智能化開發(fā)管理、診斷運(yùn)維和并網(wǎng)控制。

另外還需繼續(xù)推進(jìn)風(fēng)電設(shè)備核心技術(shù)國產(chǎn)化，提高風(fēng)機(jī)發(fā)電轉(zhuǎn)化效率，降低風(fēng)電成本。

4.2 光伏發(fā)電

光伏發(fā)電是利用半導(dǎo)體界面的光生伏特效應(yīng)而將太陽能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，整個(gè)發(fā)電過程沒有燃料消耗，沒有任何排放，也沒有機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)部件。光伏發(fā)電系統(tǒng)構(gòu)成簡單、投資少，且發(fā)電時(shí)間與用電高峰基本相符，不僅適用于發(fā)電側(cè)，也是目前為止最適用于用電側(cè)的發(fā)電系統(tǒng)，因此光伏發(fā)電是最具可持續(xù)發(fā)展理想特征的可再生能源發(fā)電技術(shù)。要想在以后實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用，在未來的電力系統(tǒng)中占主體地位，光伏發(fā)電還有以下問題需要考慮：

光伏發(fā)電是直接從光能到電能的能量轉(zhuǎn)換過程。根據(jù)熱力學(xué)分析，其最高理論發(fā)電效率可達(dá)80%以上。但現(xiàn)有的太陽能電池由硅制成，硅面板的制造成本比較高，且晶硅光伏組件的轉(zhuǎn)化效率現(xiàn)在最高為24%左右，后續(xù)突破空間有限。因此光伏發(fā)電急需研究新的太陽能電池材料，如鈣鈦礦等，以實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電更高的發(fā)電效率和更低的度電成本。

光伏發(fā)電能量密度低，占地面積大，為了克服這個(gè)不足，后續(xù)可以利用現(xiàn)有建筑物的屋頂和立面來構(gòu)建光伏發(fā)電系統(tǒng)，持續(xù)進(jìn)行光伏建筑一體化發(fā)電技術(shù)的研究。

光伏發(fā)電也急需向智能化發(fā)展，大型光伏電站中，可以通過智能控制算法來控制光伏組件支架角度，從而提高發(fā)電效率。光伏發(fā)電的智能化研究還包括不影響電站發(fā)電前提下的發(fā)電系統(tǒng)智能診斷、智能運(yùn)維以及智能并網(wǎng)控制，從而達(dá)到提升效率、降低成本和有效支撐電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的目標(biāo)。

我國很多地區(qū)雖然太陽能資源豐富，非常適合大力發(fā)展光伏發(fā)電項(xiàng)目，但這些地區(qū)用電需求增長緩慢，太陽能電力消納困難，“棄光”問題嚴(yán)重。因此后續(xù)還需繼續(xù)進(jìn)行光伏過剩產(chǎn)能轉(zhuǎn)化路徑的探索和研究，如光伏與農(nóng)業(yè)一體化研究，光伏制氫等。

5 儲(chǔ)能系統(tǒng)

隨著新能源發(fā)電的發(fā)展，越來越多的風(fēng)電和光伏發(fā)電需要接入電網(wǎng)，而風(fēng)電、光伏發(fā)電嚴(yán)重受限于日照、季節(jié)、風(fēng)力等自然氣象條件，具有不穩(wěn)定性、間歇性的特點(diǎn)，隨著可再生能源發(fā)電占比的提升，可再生能源發(fā)電對電網(wǎng)的不穩(wěn)定性影響將愈發(fā)嚴(yán)重，在這種前提下，急需通過充放電靈活的儲(chǔ)能系統(tǒng)來降低新能源發(fā)電在不同時(shí)間尺度的波動(dòng)性、間歇性，從而實(shí)現(xiàn)消納、削峰填谷、為電力系統(tǒng)提供頻率和電壓支撐，改善電能質(zhì)量等多重作用，從而大大提高電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定水平。

目前常見的應(yīng)用于電力系統(tǒng)的儲(chǔ)能技術(shù)有以下幾種。

5.1 抽水儲(chǔ)能

抽水儲(chǔ)能具有大規(guī)模能量吞吐能力，放電時(shí)間為小時(shí)級及以上，具有長時(shí)間尺度的電網(wǎng)調(diào)峰及電力平衡能力。當(dāng)前國內(nèi)外運(yùn)營的儲(chǔ)能項(xiàng)目以抽水儲(chǔ)能為主要方式，但抽水儲(chǔ)能存在投資周期長、響應(yīng)速度慢的問題。

5.2 壓縮空氣儲(chǔ)能

壓縮空氣儲(chǔ)能具有儲(chǔ)能效率高、使用壽命長、儲(chǔ)放容量大、投資成本較低等優(yōu)點(diǎn)。但其需要大型儲(chǔ)氣裝置、一定的地質(zhì)條件和依賴燃燒化石燃料。

5.3 飛輪儲(chǔ)能

飛輪儲(chǔ)能容量大、速度快，將其與風(fēng)力發(fā)電相結(jié)合，可使風(fēng)能的利用效率獲得大幅度提高，同時(shí)降低發(fā)電成本。但飛輪儲(chǔ)能能量密度不高，自放電率高，且維護(hù)費(fèi)用也比較高。

5.4 蓄電池儲(chǔ)能

蓄電池儲(chǔ)能可靠性高、模塊化程度高。常用的儲(chǔ)能電池有鉛酸蓄電池，磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池。這三種電池在一些關(guān)鍵性能指標(biāo)上的對比可見表2。儲(chǔ)能對電池的要求包括高安全、低成本、環(huán)保、高壽命。磷酸鐵鋰電池比三元鋰電池高溫更安全，循環(huán)壽命高，更便宜。而與鉛酸蓄電池相比，磷酸鐵鋰電池的充電次數(shù)高六七倍，能量密度也高三四倍，因此目前來看，磷酸鐵鋰蓄電池是蓄電池儲(chǔ)能的最優(yōu)方案，但從長遠(yuǎn)來看還需進(jìn)一步提升電池性能及安全性，降低電池成本。需要加快全固態(tài)鋰電池技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用，推進(jìn)以鈉離子電池、金屬-空氣電池、多價(jià)離子電池等為代表的下一代新型電池技術(shù)研發(fā)[5]。

表2 電池關(guān)鍵性能指標(biāo)對比

5.5 氫儲(chǔ)能

鋰電池的能量密度即使提升至極限值，可能也不到氫燃料電池的百分之一，因此從長遠(yuǎn)來看，氫儲(chǔ)能或許能取代鋰電池，成為儲(chǔ)能系統(tǒng)的主力軍。但要想氫儲(chǔ)能取代鋰電池，后續(xù)還需研究如何降低制氫成本，如何提高氫氣儲(chǔ)運(yùn)和燃料電池的安全性。

5.6 超級電容器儲(chǔ)能

超級電容器儲(chǔ)能充電時(shí)間短、高溫安全性高、使用壽命長，但其能量密度要比蓄電池儲(chǔ)能低，因此導(dǎo)致續(xù)航能力差，不過后續(xù)可以在材料上進(jìn)行突破，以石墨烯材料為基礎(chǔ)的新型超級電容器是重點(diǎn)研究方向。

對于新型電力系統(tǒng)，隨著越來越多的新能源電力的接入，越來越多的儲(chǔ)能電站也隨之建成。近兩年來國內(nèi)外儲(chǔ)能電站爆炸事故時(shí)有發(fā)生，儲(chǔ)能電站的安全問題愈加突顯。儲(chǔ)能電站的安全主要涉及火災(zāi)安全、化學(xué)安全和機(jī)械安全等，針對不同的儲(chǔ)能形式，應(yīng)該展開不同的研究，制定不同的安全風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對措施。

6 結(jié)語

綜上所述，在雙碳目標(biāo)約束下，要想建設(shè)以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)，以后的研究方向還需圍繞以下幾個(gè)方面：深入研究CCUS 技術(shù)移除火電產(chǎn)生的碳排放；繼續(xù)推進(jìn)高海拔高寒地區(qū)水電開發(fā)，并研究如何將現(xiàn)有水電站改造為混合式抽水儲(chǔ)能電站；多措并舉提升核電站和儲(chǔ)能電站的安全性；降低光伏發(fā)電和風(fēng)能發(fā)電的度電成本，進(jìn)而也可進(jìn)一步降低綠氫制作成本，從而促進(jìn)氫儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展；積極展開新材料研究，包括鈣鈦礦太陽能電池、石墨烯超級電容、新型儲(chǔ)能電池材料等；進(jìn)一步提升風(fēng)電和光伏發(fā)電的智能化程度，既便于風(fēng)電系統(tǒng)和光伏發(fā)電系統(tǒng)的智能化監(jiān)測和運(yùn)維，風(fēng)電和光伏發(fā)電的智能并網(wǎng)算法也能有效減少對電網(wǎng)的沖擊，支撐電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。