光伏、風力發(fā)電助推甘肅省經(jīng)濟發(fā)展和 實現(xiàn)“雙碳”目標

周劍平，李世民

(甘肅自然能源研究所，蘭州 730046)

0 引言

甘肅省地處中國西北地區(qū)，具有豐富的太陽能和風力資源，是中國最早研究和開發(fā)利用太陽能、風能的省域之一，建設有中國最早的大型地面荒漠并網(wǎng)光伏電站，在太陽能應用等方面具有豐富的實踐經(jīng)驗。但目前甘肅在能源開發(fā)利用和消納等方面還存在諸多問題。隨著碳達峰、碳中和目標(下文簡稱為“雙碳”目標)的提出，中國太陽能、風能等可再生能源發(fā)電產(chǎn)業(yè)迎來了一個重要的時代和機遇。本文介紹及分析了甘肅省光伏、風力發(fā)電的現(xiàn)狀及作用，指出其中存在的問題，并對未來的發(fā)展趨勢進行了展望。

1 中國的電力發(fā)展

中國自改革開放以來，能源行業(yè)得到了長足的發(fā)展，從世界電力發(fā)展相對落后的國家，一躍成為世界發(fā)電量最大的國家。

在中國的電力結(jié)構(gòu)中，火力發(fā)電占比較高。2021年，火力發(fā)電裝機容量占全國總裝機容量的55%，發(fā)電量占全國總發(fā)電量的72%左右；中國火力發(fā)電量占全球火力總發(fā)電量的50.2%。但與此同時，大量的煤炭消耗產(chǎn)生了嚴重的大氣污染，中國在成為僅次于美國的第二大經(jīng)濟體的同時，也成為了世界排名第一的二氧化碳排放國。2020年，中國排放了103億t CO2，超過美國和歐盟的總和，占全球總排放的近1/4。

但目前，中國人均耗電量僅有4000 kWh，與美國人均耗電量18000 kWh相比還有較大差距。中國的現(xiàn)代化進程，必然要求工業(yè)化、信息化、城鎮(zhèn)化和農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的同步推進，因此必須具備強大電力的支撐。

清潔能源的開發(fā)利用是解決能源和環(huán)境的主要措施，中國一貫十分重視環(huán)境問題和太陽能、風能等可再生能源的開發(fā)。近年來，中國清潔能源利用取得了巨大成就。2021年全國發(fā)電裝機容量約為23.8億kW，同比增長7.9%，其中：光伏發(fā)電累計裝機容量達306.56 GW，風力發(fā)電累計裝機容量達328.48 GW，具體如表1所示。

表1 2021年全國發(fā)電裝機容量和發(fā)電量情況Table 1 National power generation installed capacity and power generation in 2021

2021年，中國全社會用電量為83128億kWh，同比增長10.3%。

2 甘肅省可再生能源現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

甘肅省內(nèi)水、煤、油、氣、風、光、核各類能源資源豐富，在國家能源發(fā)展戰(zhàn)略中占有重要地位，特別是太陽能、風能資源優(yōu)勢突出，預計可開發(fā)量達2億kW；同時甘肅省還擁有豐富的土地資源，為建設大規(guī)模光伏發(fā)電、太陽能熱發(fā)電和風力發(fā)電奠定了優(yōu)越條件，“隴電外送”區(qū)位優(yōu)勢明顯。

甘肅省具有豐富的太陽能資源，全省大部分地區(qū)屬大陸性溫帶干旱氣候，光照充足；全年多西北風，春季多大風。甘肅省年總太陽能輻射量在1333～1778 kWh/m2，年太陽能資源理論儲量為67萬億kWh，相當于約824億t標準煤的能量，開發(fā)利用前景廣闊。其中：河西走廊和甘南地區(qū)的年總太陽輻射量為1611～1778 kWh/m2，隴南地區(qū)的年總太陽輻射量為1333～1445 kWh/m2，其余地區(qū)的年總太陽輻射量為1445～1611 kWh/m2。甘肅省主要地區(qū)的光伏發(fā)電可利用小時數(shù)如表2所示。

表2 甘肅省主要地區(qū)光伏發(fā)電可利用小時Table 2 PV power generation available hours in main regions of Gansu Province

甘肅省的風能資源總儲量為23700萬kW，技術可開發(fā)量為2700萬kW，占全國總量的10.6%；可利用面積為5萬km2，占全省面積的10.6%；風資源好的地區(qū)，風力發(fā)電可利用小時數(shù)可達1800～2300 h。

甘肅省的荒漠化土地面積為19.21萬km2，占全省國土總面積的45.12%，占全國荒漠化土地總面積的18%。

甘肅省不僅是連接新疆維吾爾自治區(qū)、青海省、西藏自治區(qū)、寧夏回族自治區(qū)和內(nèi)蒙古自治區(qū)等省份的重要交通要道，也是連接西北與東南發(fā)達地區(qū)、西電東輸?shù)闹匾娏斔屯ǖ?；同時，甘肅省還是“一帶一路”的重要樞紐，無論是歷史上的絲綢之路還是新時期的對外開放，甘肅省都有著十分重要的意義。

豐富的太陽能資源、土地資源及電力輸送條件給甘肅省發(fā)展光伏、風力發(fā)電等可再生能源電力奠定了非常優(yōu)越的基礎條件。甘肅省在張掖、金昌、武威、酒泉和通渭等地已建成或正在建設5個百萬千瓦級光伏發(fā)電基地，以及酒泉千萬千瓦級風力發(fā)電基地。分析2021年甘肅省各種發(fā)電裝機容量和占比情況，截至2022年1月，甘肅省總發(fā)電裝機容量為6189.12萬kW，其中：火力發(fā)電裝機容量為2310.07萬kW；水力發(fā)電裝機容量為967.17萬kW；風力發(fā)電裝機容量為1750.10萬kW；光伏發(fā)電裝機容量為1155.78萬kW[1]；儲能裝機容量為6.00萬kW。以風能和太陽能為代表的可再生能源裝機容量占比為46.9%，可再生能源發(fā)電已經(jīng)成為甘肅省第一大電源，具體如圖1所示。

圖1 2021年甘肅省各種發(fā)電裝機容量和占比情況Fig. 1 Various power generation installed capacity and proportion in Gansu Province in 2021

甘肅省光伏扶貧累計并網(wǎng)容量為127.6萬kW，分布在12個市(州)的42個縣(區(qū))，每年可產(chǎn)生穩(wěn)定收益7.6億元，惠及18.92萬貧困戶，對甘肅省的脫貧和經(jīng)濟發(fā)展起到了非常積極的作用。

從2021年甘肅省各種能源的發(fā)電量情況來看，火力發(fā)電量為1003.9億kWh，占全省總發(fā)電量的58.21%；水力發(fā)電量為328.6億kWh，占全省總發(fā)電量的19.05%；風力發(fā)電量為277.4億kWh，占全省總發(fā)電量的16.08%；光伏發(fā)電量為114.7億kWh，占全省總發(fā)電量的6.65%。全省可再生能源發(fā)電總量達446億kWh，具體如圖2所示。

圖2 2021年甘肅省各種能源的發(fā)電量情況Fig. 2 Power generation of various sources in Gansu Province in 2021

根據(jù)2021年甘肅省發(fā)電量和碳排放情況，以及2015—2021年甘肅省發(fā)電量增長情況統(tǒng)計，2021年甘肅省發(fā)電量累計值為1724.6億kWh，同比2020年增長了123.4億kWh，累計同比增長7.3%[2]，具體如表3、圖3所示。

表3 2021年甘肅省發(fā)電量和碳排放情況Table 3 Power generation capacity and carbon emissions in Gansu Prorince in 2021

圖3 2015—2021年甘肅省發(fā)電量增長情況Fig. 3 Growth of power generation capacity in Gansu province from 2015 to 2021

甘肅省電力不僅能完全滿足本省的工農(nóng)業(yè)和居民生活需求，電力外送也是甘肅省經(jīng)濟的主要支柱產(chǎn)業(yè)之一，其電力外送多達約20個省域，2020年外送電量為520億kWh。據(jù)統(tǒng)計，甘肅省2020年全年生產(chǎn)總值為9016.7億元，若按不含補貼的標桿上網(wǎng)電價計算，發(fā)電占甘肅省全省生產(chǎn)總值的6%左右，其中，光伏發(fā)電占比為0.38%，風力發(fā)電占比為0.9%左右。在《甘肅省“十四五”能源發(fā)展規(guī)劃》中指出：持續(xù)擴大光伏發(fā)電規(guī)模，推動“光伏＋”多元化發(fā)展[3]。到2025年，全省光伏、風力發(fā)電裝機容量達到50 GW以上，可再生能源裝機容量占電源總裝機容量的比例接近65%，非化石能源占一次能源消費比重超過30%，外送電可再生能源占比達到30%以上。

由于甘肅省可再生能源在“十二五”“十三五”時期的快速發(fā)展，甘肅省電力曾發(fā)生消納和外送困難的情況，出現(xiàn)了比較嚴重的“棄光、棄風”現(xiàn)象，個別電站“棄光、棄風”率曾達到30%甚至更高，大量資源出現(xiàn)浪費。但是近年來，甘肅省通過提高外送能力、發(fā)展當?shù)毓まr(nóng)業(yè)生產(chǎn)、擴大就地消納等一系列有效措施，“棄光、棄風”現(xiàn)象得到了極大的改善。據(jù)國網(wǎng)甘肅省電力公司統(tǒng)計，2019年甘肅省“棄光、棄風”率分別降至10%和8%以內(nèi)。

中國經(jīng)濟快速發(fā)展，以及城鎮(zhèn)化、工業(yè)化、電氣化改革，對可再生能源特別是電力清潔化提供了巨大的市場需求和發(fā)展空間，光伏技術和相關產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成熟并初步達到平價上網(wǎng)條件；“十四五”時期，中國的光伏、風力發(fā)電將進入更加快速發(fā)展的時期，分布式光伏電站和大型光伏電站都將會有巨大的發(fā)展，“光伏+儲能”的發(fā)電模式和電網(wǎng)側(cè)儲能電站也會存在巨大的市場空間。儲能技術的突破會使光伏、風力發(fā)電等可再生能源迎來更大的發(fā)展空間。

截止2008年時，甘肅省已經(jīng)厘清全省太陽能、風能情況，省發(fā)展改革委、省氣象局等部門組織完成了《甘肅省風能資源評價工作大綱》《甘肅省風能評估報告》《甘肅省風能資源精細化評估報告》等前期基礎工作，為甘肅省太陽能發(fā)電、風力發(fā)電的快速發(fā)展打下了堅實基礎。

甘肅省雖然是一個經(jīng)濟相對欠發(fā)達地區(qū)，但卻是中國最早研究、開發(fā)利用太陽能的省份之一，是諸多太陽能領域開拓性工作的發(fā)源地，開發(fā)利用太陽能、風能等可再生能源具有積極的社會基礎和共識。甘肅省在科研院所、大專院校和各相關企業(yè)中擁有一批從事太陽能、風能研究的技術力量，為中國可再生能源的應用和發(fā)展做出了貢獻，未來還將在中國進一步利用可再生能源、實現(xiàn)“雙碳”目標中發(fā)揮更大的作用。

3 太陽能、風能等可再生能源必將成為甘肅省經(jīng)濟發(fā)展的強大動力

甘肅省風能、太陽能及土地資源豐富，大規(guī)模的太陽能、風能發(fā)展必將再一次給甘肅省帶來新的發(fā)展機遇。因此，應在這個機遇下吸引投資商和建設商到甘肅省共同建設、重塑和打造甘肅可再生能源大省的產(chǎn)業(yè)。能源產(chǎn)業(yè)是甘肅省實現(xiàn)“雙碳”目標的重要手段，要建成以太陽能、風能等可再生能源為主體的能源體系，助力全國實現(xiàn)“雙碳”目標，貢獻“甘肅力量”。

目前，甘肅省火力發(fā)電量在全省總發(fā)電量中的占比為50%左右，略低于全國平均水平，這是由于前期甘肅省大力發(fā)展太陽能、風能等可再生能源，使可再生能源發(fā)電得到了快速的發(fā)展。目前，甘肅省已形成了水力發(fā)電、風力發(fā)電和光伏發(fā)電等清潔能源發(fā)電量占比較大的情況。

由于甘肅省經(jīng)濟發(fā)展與中國東部經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)相比還有很大差距，制造業(yè)、加工業(yè)等工業(yè)水平和數(shù)量都相對較弱，因此對強大電力就地消納的能力較弱。但是隨著甘肅省經(jīng)濟的逐步崛起和光伏、風力發(fā)電及儲能、氫能等技術的發(fā)展，甘肅省豐富的太陽能資源、風力資源和廣袤的土地資源必將為其經(jīng)濟發(fā)展注入活力。

除了擁有豐富的可再生能源資源外，甘肅省還擁有豐富的礦產(chǎn)資源，應該充分利用其可再生能源電力優(yōu)勢，大力發(fā)展礦產(chǎn)和金屬冶煉，電解水、電解鹽制氫等產(chǎn)業(yè)，綜合利用甘肅省具備的各種資源，把資源優(yōu)勢轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟優(yōu)勢，帶動甘肅省的經(jīng)濟發(fā)展。

“雙碳”目標的確定不僅是對中國經(jīng)濟發(fā)展提出的新要求，也是發(fā)展可再生能源的重要機遇。落實“雙碳”政策、實現(xiàn)“雙碳”目標是新時代的能源革命，也是廣泛而深刻的社會經(jīng)濟變革。

光伏、風力發(fā)電等可再生能源的發(fā)展，必然會帶動甘肅省制造業(yè)等產(chǎn)業(yè)和經(jīng)濟的發(fā)展，同時還會刺激甘肅省可再生能源的供給和消納新體系的構(gòu)建，進一步促進甘肅省的經(jīng)濟發(fā)展，增加了更多就業(yè)機會。

通過對2025年甘肅省各種能源發(fā)電裝機容量，以及各種能源發(fā)電量及占比進行預測后發(fā)現(xiàn)，到2025年，甘肅省風力發(fā)電及太陽能發(fā)電裝機容量將達到50 GW以上，可再生能源裝機容量占電源總裝機容量的比例約為65%，非化石能源占一次能源消費比重超過30%，外送電力中可再生能源電力占比達到30%以上，具體如圖4、圖5所示。

圖4 2025年甘肅省各種能源發(fā)電裝機容量預測Fig. 4 Forecast of installed capacity of various energy sources power generation in Gansu Province in 2025

圖5 2025年甘肅省各種能源發(fā)電量及占比預測Fig. 5 Forecast of power generation capacity and proportion of various energy sources in Gansu Province in 2025

2025年甘肅省各種能源發(fā)電量和碳排放情況預測如表4所示。該預測結(jié)果顯示，到2025年，甘肅省各發(fā)電行業(yè)的碳排放情況可以基本達到碳中和的狀態(tài)。實現(xiàn)這個目標，不僅應繼續(xù)大力開發(fā)更多太陽能、風能發(fā)電項目，而且應積極推進各種儲能和調(diào)峰技術的研究和應用。由于光伏、風力發(fā)電等可再生能源發(fā)電的間歇性和不穩(wěn)定性等原因，如果電網(wǎng)中沒有巨大的儲能調(diào)峰裝置，當光伏、風力發(fā)電等不穩(wěn)定電源的發(fā)電量占比較高時，電網(wǎng)的穩(wěn)定性會受到很大挑戰(zhàn)，甚至有崩潰的風險。目前，中國電力調(diào)峰以火力發(fā)電和水力發(fā)電為主，甘肅省水力發(fā)電量占全省總發(fā)電量的19%，略高于全國平均水平，但是由于甘肅省的可再生能源發(fā)電量占比較高，要確保電網(wǎng)穩(wěn)定供電，儲能和調(diào)峰的問題應是重點關注的問題。

表4 2025年甘肅省各種能源發(fā)電量和 碳排放情況預測Table 4 Forecast of power generation capacity of various energy sources and carbon emissions in Gansu Province in 2025

目前，解決電力儲能的方案主要有蓄水儲能和電化學儲能。電化學儲能的關鍵設備是蓄電池，雖然經(jīng)過長年的技術發(fā)展，蓄電池無論是技術上還是工藝上都有了較大改進，但目前大部分蓄電池都無法完全滿足電網(wǎng)儲電所需要的大容量、長壽命、高安全性、高穩(wěn)定性、低成本等性能和技術指標的要求。市場上常見的可用于電力儲能的產(chǎn)品有鋰離子電池、鉛酸電池、鈉硫電池、液流電池等。鋰離子電池以其優(yōu)良的性能、較高的能量密度和壽命等特點成為市場應用的主流產(chǎn)品，但是鋰離子電池也有成本高、易燃易爆、使用壽命短等不足，特別是當大規(guī)模采用鋰離子電池做電力儲能時，其不足之處就更加凸顯，特別是成本和使用壽命的問題，幾乎成為制約電化學儲能的關鍵因素，同時蓄電池的回收和污染問題也應引起重視。

隨著光伏、風力發(fā)電在電力結(jié)構(gòu)中的占比越來越大，儲能調(diào)峰的需求也日益突出。電力儲能是解決光伏發(fā)電和風力發(fā)電等不穩(wěn)定可再生能源發(fā)電應用瓶頸的重要技術之一，由于甘肅省可再生能源裝機容量占比達47%，發(fā)電量占比為23%，且局部地區(qū)占比更大，光伏、風力發(fā)電的出力波動和調(diào)峰缺口巨大，直接影響了電網(wǎng)的穩(wěn)定性。加快推動新型儲能項目的建設，緩解可再生能源電力快速發(fā)展帶來的調(diào)峰壓力，成為現(xiàn)實需要。甘肅省瓜州已建設一座60MW/240MWh大規(guī)模儲能電站，采用磷酸鐵鋰電池組成直流1500 V的儲能方案，并網(wǎng)電壓等級為35 kV。該儲能電站的建成具有示范和開拓性的意義。為了甘肅省實現(xiàn)可再生能源電力的發(fā)展目標，甘肅省發(fā)展和改革委發(fā)布了《關于加快推進全省新能源存量項目建設工作》的通知，鼓勵全省在建存量600萬kW風光電項目，河西5市(酒泉、嘉峪關、張掖、金昌、武威)按10%～20%配置配套儲能設施、其他地區(qū)按5%～10%按配套儲能設施，儲能設施連續(xù)儲能時長均不小于2 h。對配置儲能設施的項目業(yè)主，甘肅省發(fā)展和改革委將在后續(xù)新增項目競爭性配置方面給予支持。毫無疑問，這些政策都將助力甘肅進一步發(fā)展可再生能源電力建設。

目前，電化學儲能技術和產(chǎn)品還不能夠完全滿足大規(guī)模儲能的商業(yè)化市場需求，但由于可再生能源市場的強大推動力，有關部門預測，我全國儲能市場空間將從2020年的15.2 GWh增長到2025年的205.1 GWh。

除了電化學儲能外，蓄水儲能、電解制氫，以及與氫產(chǎn)業(yè)相關的醇基燃料等方式也適用于甘肅省的資源情況。甘肅省有中國主要的石油化工生產(chǎn)基地，在石化產(chǎn)品加工生產(chǎn)方面具有較強的實力。2020年10月，全球首條光伏發(fā)電電解制氫合成甲醇示范生產(chǎn)線已經(jīng)在甘肅省蘭州新區(qū)建成，每年可生產(chǎn)液態(tài)甲醇1440 t，甲醇不僅是非常清潔的燃料，也是非常重要的化工原料。

4 結(jié)論

甘肅省不僅具有豐富的太陽能、風能等可再生能源資源，同時具有豐富的土地資源，具有建設大規(guī)模光伏發(fā)電、太陽能熱發(fā)電和風力發(fā)電的優(yōu)越條件，發(fā)展光伏發(fā)電、太陽能熱發(fā)電和風力發(fā)電的區(qū)位優(yōu)勢明顯。發(fā)展荒漠光伏發(fā)電和其他可再生能源發(fā)電不僅將助推甘肅省的經(jīng)濟發(fā)展，而且將為中國實現(xiàn)“雙碳”目標貢獻“甘肅力量”。