黃河流域單元式多能互補能源基地構建研究

張遠生，練繼建，張金良，邢建營

(1.天津大學水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津 300072；2.黃河勘測規(guī)劃設計研究院有限公司，河南 鄭州 450003)

黃河流域是我國的“能源流域”，煤炭、石油、天然氣資源豐富，其中煤炭儲量占全國50%以上，全國規(guī)劃的14個煤電基地中有10個分布在黃河流域。大規(guī)模煤電的發(fā)展，不僅大量消耗水資源，而且還會造成大量CO2、SO2等溫室氣體和污染排放。2020年5月，中共中央國務院《關于新時代推進西部大開發(fā)形成新格局的指導意見》提出，“加強可再生能源開發(fā)利用，開展黃河梯級電站大型儲能項目研究，培育一批清潔能源基地。加快風電、光伏發(fā)電就地消納?！睂ξ覈鞑康貐^(qū)特別是黃河流域能源清潔開發(fā)利用指明了方向。

黃河“幾”字彎區(qū)域是指黃河流經(jīng)甘肅、寧夏、內(nèi)蒙古、陜西、山西五省區(qū)所形成的“幾”字彎環(huán)抱地帶[1]，是黃河流域乃至全國重要的能源產(chǎn)區(qū)，但因其能源產(chǎn)出大部分為化石能源[2]，因此一直存在著高耗水、高污染、高排放等生態(tài)環(huán)境問題。本文聚焦黃河流域生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展重大國家戰(zhàn)略，遵循《關于新時代推進西部大開發(fā)形成新格局的指導意見》，考慮能源開發(fā)利用需求和影響，剖析能源開發(fā)利用現(xiàn)狀問題，根據(jù)能源開發(fā)利用的發(fā)展趨勢，提出了基于風、光、水電、抽水儲能多能互補的單元式清潔能源構建設想，建設黃河“幾”字彎3座清潔能源基地，以支撐黃河流域高質(zhì)量發(fā)展。

表1 黃河“幾”字彎涉及省區(qū)能源生產(chǎn)與消費情況

1 黃河“幾”字彎區(qū)域能源開發(fā)利用現(xiàn)狀問題

1.1 黃河“幾”字彎能源結構現(xiàn)狀

由于我國“富煤、貧油、少氣”的資源稟賦結構[3]，目前我國能源利用以石化能源為主，數(shù)據(jù)顯示，2019年石化能源利用占84.7%[4]，屬于資源消耗型和環(huán)境污染型能源供應，不但不符合可持續(xù)發(fā)展的理念，而且嚴重影響到生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的改善，與建設青山常在、綠水長流、空氣常新的美麗中國要求存在差距。這一特點在黃河“幾”字彎區(qū)域表現(xiàn)尤為突出[5]。

根據(jù)黃河“幾”字彎涉及省(區(qū))能源生產(chǎn)與消費情況(見表1)，各省(區(qū))2018年能源生產(chǎn)總量為183 058萬t標煤，約占全國能源生產(chǎn)量的51%。黃河幾字彎區(qū)域能源生產(chǎn)以原煤、原油等石化能源為主，其中寧夏、內(nèi)蒙古、山西等省區(qū)的石化能源生產(chǎn)達到90%以上。另外，從各省區(qū)能源生產(chǎn)與能源消費總量來看，除甘肅、寧夏兩省區(qū)能源生產(chǎn)小于能源消費外，其余各省區(qū)能源生產(chǎn)大于能源消費，即黃河“幾”字彎主要省區(qū)能源除滿足本地區(qū)消費外將向省外調(diào)度。

1.2 黃河“幾”字彎區(qū)域發(fā)展面臨的問題

黃河“幾”字彎區(qū)域是黃河流域最具有地理辨識度的區(qū)域，在西部大開發(fā)中戰(zhàn)略地位舉足輕重。該區(qū)域資源稟賦相近，產(chǎn)業(yè)結構趨同，在區(qū)域發(fā)展中存在以下幾個問題：

(1)資源綜合利用不足。作為能源富集區(qū)，“幾”字彎區(qū)域已多源開發(fā)煤炭、石油天然氣、煤制天然氣、電力、成品油、風電和光伏發(fā)電等資源，整體化石能源消費占比較高，水資源較短缺，新能源棄風棄光現(xiàn)象普遍[6]，多種能源未形成合力，區(qū)域資源的綜合與循環(huán)利用有待加強。

(2)電力外送潛力未完全發(fā)揮?！皫住弊謴潊^(qū)域自身電力需求有限，西北電網(wǎng)外送通道輸送容量主要受調(diào)度機制和新能源發(fā)電預測精度等原因限制，區(qū)域調(diào)峰能力有待提升，外送潛力尚未完全發(fā)揮[7]。

(3)生態(tài)環(huán)境脆弱。黃河“幾”字彎區(qū)域是黃河“三區(qū)一廊道”中黃河生態(tài)廊道的重要組成部分，大部分為干旱、半干旱地區(qū)，降水稀少，又是黃河泥沙的主要來源區(qū)之一[8]，屬于典型的生態(tài)脆弱區(qū)。高溫、干旱、大風、沙塵等自然災害影響，荒漠化和水土流失面積不斷增加，生態(tài)環(huán)境較為脆弱。生態(tài)友好型能源開發(fā)利用已成為必然。

(4)環(huán)境污染問題突出。作為我國重要能源化工基地，資源型產(chǎn)業(yè)特征明顯。長期的規(guī)?；_發(fā)，給當?shù)乇緛砭秃艽嗳醯纳鷳B(tài)系統(tǒng)帶來了巨大壓力，對大氣環(huán)境、水環(huán)境和土壤環(huán)境等都造成了不同程度的污染[9]。新型清潔能源的開發(fā)是未來發(fā)展的趨勢。

2 黃河“幾”字彎區(qū)域能源發(fā)展趨勢

黃河流域生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展重大國家戰(zhàn)略的提出，以及新時代西部大開發(fā)新格局的形成，對黃河“幾”字彎區(qū)域能源發(fā)展提出了新要求。彎區(qū)能源供給側(cè)結構將持續(xù)優(yōu)化，建設清潔低碳、安全高效的現(xiàn)代能源體系，一直是能源發(fā)展改革的重大歷史使命。為實現(xiàn)2030年前后中國碳排放達到峰值的目標，落實黃河流域生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展戰(zhàn)略，創(chuàng)建生態(tài)文明社會，清潔能源將繼續(xù)保持高速增長。彎區(qū)內(nèi)水力資源技術開發(fā)量為25 352.5 MW，經(jīng)濟開發(fā)量為23 510.1 MW[10]。彎區(qū)內(nèi)蒙古自治區(qū)屬于風資源II類區(qū)，風能資源豐富；流經(jīng)甘肅和寧夏的區(qū)域?qū)儆陲L能資源III類區(qū)，風能資源較豐富，陜西、山西屬于風能資源IV區(qū)域，具有一定的開發(fā)價值。彎區(qū)太陽能資源方面，寧夏北部屬于太陽能資源一類區(qū)，年輻射總量在6 680～8 400 MJ/m2之間，年日照時數(shù)在3 200～3 300 h之間；甘肅中部、內(nèi)蒙古南部屬于太陽能資源二類區(qū)域，年輻射總量在5 852～6 680 MJ/m2之間，年日照時數(shù)在3 000～3 200 h之間；陜西、山西從南至北包含了二、三、四類區(qū)域，年輻射總量在4 180～5 016 MJ/m2之間，年日照時數(shù)在2 000～3 000 h之間。由此可以看出，彎區(qū)內(nèi)水力資源未開發(fā)量尚有空間，風光資源待開發(fā)量豐富，清潔能源開發(fā)將持續(xù)成為彎區(qū)能源增長極[11]。

黃河流域生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展重大國家戰(zhàn)略提出后，相關學者和機構對此進行了深入思考[12-15]，總的認識是在充分考慮黃河上、中、下游差異性的基礎上，以水資源的節(jié)約集約利用，推動生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展。作為我國重要的能源基地，能源開發(fā)利用方式的轉(zhuǎn)變?yōu)楦哔|(zhì)量發(fā)展提供契機，最近開始的多能分層分區(qū)互補、梯級電站儲能等能源新技術的研究和初步實踐[16-21]為此打下了堅實的基礎。

3 黃河“幾”字彎多能互補清潔能源基地建設構想

西北地區(qū)是我國風能和太陽能資源最為豐富的地區(qū)之一，但由于風、光發(fā)電系統(tǒng)的隨機波動性特點[22]，加上受西北電網(wǎng)負荷水平相對較低、調(diào)峰能力不足、外送通道的影響，風、光資源一直得不到充分開發(fā)和有效利用。水力發(fā)電作為綠色可再生能源，具備良好的調(diào)峰能力，但在電調(diào)服從水調(diào)的情況下，特別是水電裝機占電網(wǎng)比例較小情況下，調(diào)峰能力受限。抽水蓄能電站作為當前最具規(guī)?；图夹g成熟度的儲能方式，不但可以增加電網(wǎng)的調(diào)峰的反應能力，而且可以提高電網(wǎng)對風、光發(fā)電的接納能力。

基于《黃河流域綜合規(guī)劃》[23]中待開發(fā)的“幾”字彎區(qū)域水利樞紐工程，結合西北地區(qū)廣袤的荒漠、沙漠、黃土丘陵溝壑區(qū)土地資源和豐富的風、光資源，部署區(qū)域能源合作機制，實施創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略，推動能源互補技術，打造黑山峽、古賢、磧口3大多能互補清潔能源基地項目。

3.1 水力資源

黃河“幾”字彎黑山峽、磧口、古賢3座水利樞紐與黃河干流已建的龍羊峽、劉家峽、三門峽、小浪底水利樞紐是2013年國務院批復的《黃河流域綜合規(guī)劃》提出的黃河七大骨干水沙調(diào)控體系工程，如圖1所示。除具有協(xié)調(diào)水沙關系、防凌防洪、合理配置水資源、供水等任務外，利用上下游水頭差可以產(chǎn)生巨大電能，根據(jù)規(guī)劃黑山峽裝機200萬kW、磧口裝機180萬kW、古賢裝機210萬kW。

圖1 黃河“幾”字彎三座擬建水利樞紐位置示意

3.2 風光及土地資源

黑山峽河段的甘肅省白銀市位居甘肅省腹地北陲，騰格里沙漠南緣，地處黃土高原與騰格里沙漠過度地帶，地勢呈西南高，東北低，最高海拔3 321 m，最低海拔1 276 m。中衛(wèi)市地勢西南高，東北低，市區(qū)平均海拔1 225 m，地貌類型分為黃河沖積平原、臺地、沙漠、山地與丘陵五大單元。兩地均屬典型的溫帶大陸性季風氣候，因受沙漠影響，日照充足，年輻射總量在6 680～8 400 MJ/m2之間，年日照時數(shù)約3 300 h，屬于太陽能資源一類區(qū)；同時風能資源較豐富，屬于風資源III類區(qū)。該區(qū)域風光資源較豐富，利于風光項目開發(fā)。初步預估沿黃兩岸風光能源基地占地約1 500 km2，規(guī)劃裝機規(guī)模約2 000萬kW。

磧口河段的陜西省榆林市東部及山西省呂梁市西部具備風光資源的開發(fā)利用條件。榆林市地勢由西部向東傾斜，西南部平均海拔1 600～1 800 m，其他各地平均海拔1 000～1 200 m，是中國日照高值區(qū)之一，年平均日照時數(shù)2 593～2 914 h，東北部最高，南部最低。呂梁市地處呂梁山脈中段，地勢中間高兩翼低，呂梁山脈由北而南縱貫全境，平均海拔在1 000～2 000 m之間，地貌分為風沙草灘區(qū)、黃土丘陵溝壑區(qū)、梁狀低山丘陵區(qū)3大類，平均日照時數(shù)2 351～2 871 h。兩區(qū)域?qū)儆谔柲苜Y源三類區(qū)，風能資源IV區(qū)域，具有一定的開發(fā)價值，適合大型風光項目開發(fā)。初步預估沿黃兩岸風光能源基地占地約2 000 km2，規(guī)劃裝機規(guī)模約1 000萬kW。

古賢河段沿黃河兩岸的陜西延安市東部、山西省臨汾市及運城市西部具備風光資源的開發(fā)利用條件。延安市位于黃河中游，屬黃土高原丘陵溝壑區(qū)，地貌以黃土高原、丘陵為主，地勢西北高東南低，平均海拔1 200 m左右，屬于暖溫帶半濕潤易旱氣候區(qū)，年日照時數(shù)約2 418 h。臨汾市年平均日照時數(shù)為1 748～2 512 h。運城市地形比較復雜，相對高差明顯，最高峰為垣曲境內(nèi)的舜王坪，海拔2 321.8 m；最低處為垣曲縣境內(nèi)的西陽河入黃河處，海拔180 m，全年受季風活動影響，屬暖溫帶大陸性季風氣候，日照時長約2 039 h。三區(qū)域具有平原、山地、丘陵、盆地、臺地等多種地貌類型，屬于太陽能資源三類區(qū)，風能資源IV區(qū)域，具有一定的開發(fā)價值，適合大型風光項目開發(fā)。初步預估沿黃兩岸風光能源基地占地約1 300 km2，規(guī)劃裝機規(guī)模約700萬kW。

3.3 地形資源

黑山峽河段由峽谷與川地組成，自壩址～峽谷進口長21 km，兩岸山勢陡峻，沖溝發(fā)育，相對高差300 m以上，從地形和水源保證上具備建設抽水儲能電站的條件。參照抽水蓄能電站選址的原則，考慮抽水儲能電站調(diào)節(jié)周期的要求，按上下庫水頭差大于300 m、距高比不大于8、最大最小水頭比小于1.25、上水庫最大壩高不大于150 m的原則，在虎峽庫區(qū)和大柳樹庫區(qū)選擇了5個站址進行比較，其中2個條件較好，初步擬定裝機規(guī)模300萬kW。

磧口水庫庫區(qū)位于晉陜峽谷的上部，屬相對隆起的山地高原區(qū)，靠近庫區(qū)2 km范圍內(nèi)多為海拔800～1 000 m的黃土梁、塬、峁。庫區(qū)內(nèi)黃河自北向南流，為本地區(qū)最低侵蝕基準面，相對高差在200 m左右，按抽水蓄能選址原則，適當考慮儲能電站調(diào)節(jié)庫容盡量大的原則，在磧口庫區(qū)左右岸分別選擇壩址，初擬裝機規(guī)模240萬kW。

古賢工程區(qū)位于晉陜峽谷的南部，屬相對隆起的山地高原區(qū)，其東側(cè)為呂梁山，西為渭北山地，靠近庫區(qū)2 km范圍內(nèi)多為海拔800～1000 m的黃土梁、塬、峁。庫區(qū)內(nèi)黃河自北向南流，為本地區(qū)最低侵蝕基準面，相對高差在200～350 m左右，按抽水蓄能選址原則，適當考慮儲能電站調(diào)節(jié)庫容盡量大的原則，在古賢庫區(qū)左岸選擇2壩址，初擬總裝機規(guī)模200萬kW。

3.4 新型單元式多能互補清潔能源基地

上述水力、風光、儲能資源均為清潔能源，分析各能源發(fā)電特性，其中風力發(fā)電完全依賴于自然風的大小和強弱，光伏電站發(fā)電受晝夜、季節(jié)、天氣、溫度等影響比較大，風力、光伏電站的出力過程具有明顯的間歇性、波動性和隨機性的特點；水電站發(fā)電機組的出力和發(fā)電量隨天然徑流情況的改變而變化，根據(jù)電站入庫流量、水庫調(diào)節(jié)性能和水庫運行方式，電站具備一定的調(diào)節(jié)能力；抽水儲能電站啟動迅速，運行靈活、可靠，具有調(diào)峰填谷的作用，調(diào)節(jié)能力可達200%，且綜合效率高，可達75%左右。

目前大多數(shù)電源均采取先接入電網(wǎng)平臺，再由電網(wǎng)按照各電源性質(zhì)統(tǒng)一調(diào)控以匹配目標市場，這種電網(wǎng)調(diào)控模式默認定義電源優(yōu)先級，具有隨機性、波動性的風光清潔可再生能源接入電網(wǎng)優(yōu)先級明顯低于高耗能高污染的化石能源，由于電網(wǎng)受運營機制限制其調(diào)峰能力有限，大量可再生能源無法消納，西北地區(qū)棄風棄光現(xiàn)象一直普遍存在。

將不可調(diào)控的風光可再生能源與具有調(diào)節(jié)性能的水電站以及調(diào)節(jié)特性更好的抽水儲能電站有效組合，構建新型單元式多能互補清潔能源基地，統(tǒng)一整合提前達到電網(wǎng)多目標要求，符合匹配電網(wǎng)需求的穩(wěn)定輸出，形成電源端調(diào)控新型能源基地。依托黃河流域“幾”字彎區(qū)域豐富的水、光、風、土地、地形資源構建三大單元式多能互補清潔能源基地，內(nèi)部主要參數(shù)及互補類型見表2。

表2 黃河“幾”字彎區(qū)域三大單元式多能互補清潔能源基地特性

能源基地充分合理地利用內(nèi)部各類電源的優(yōu)越性，整合各種能源型式，采用多種能源互補技術，互相配合運行，綜合考慮能源基地發(fā)電總量、棄光棄風電量、抽水儲能電量、電能出力波動等重要參數(shù)，分層分區(qū)分時進行能源日、周、月、季、年典型出力平衡，達到降低可再生能源棄用率，提升能源利用率，提高電力目標市場匹配性的互補效果，是目前大型清潔能源基地高效利用、集約發(fā)展的先進措施。單元式多能互補清潔能源基地內(nèi)部設置調(diào)度協(xié)調(diào)中心，如圖2所示，聚合各種能源電量雙向調(diào)節(jié)各種能源輸入及輸出，優(yōu)化能源組合方式以滿足目標市場電力交易，基地內(nèi)部具備電力調(diào)峰本地化、水量電量調(diào)度化、可再生能源儲能化、外部市場匹配化。以上功能構建的新型電源模式，充分利用水電站、抽水儲能調(diào)節(jié)性能，即可有效解決能源基地內(nèi)部風電和光伏不穩(wěn)定、不可調(diào)的缺陷，同時將電網(wǎng)調(diào)峰任務本地化，簡化電網(wǎng)調(diào)度層級，減輕電網(wǎng)調(diào)峰壓力，解決用電高峰期和低谷期輸出不平衡問題，減少棄風棄光棄水問題，促進可再生清潔能源產(chǎn)業(yè)持續(xù)發(fā)展。

圖2 清潔能源基地多能互補結構拓撲示意

表3 黑山峽多能互補清潔能源基地成本費用分析

4 黃河“幾”字彎多能互補清潔能源基地經(jīng)濟性初步分析

以黑山峽單元式多能互補清潔能源基地為代表，分析基地發(fā)電成本。按照黑山峽河段水電單位千瓦投資6 000元、抽水蓄能電站單位千瓦投資5 500元[7]、光伏電站單位千瓦投資4 000元、風電單位千瓦投資7 000元，初步估算黑山峽多能互補清潔能源基地總投資約1 145億元。能源基地總成本費用包括折舊費、材料費、修理費、工資福利費、保險費、其他費用。按照不同電源結構類似工程成本費用參數(shù)取值和相關經(jīng)濟評價規(guī)范要求，估算基地年總成本費用為66.1億元，則單位發(fā)電成本為0.179元/(kW·h)。

考慮西北電網(wǎng)消納能力有限，擬將基地出力目標電網(wǎng)定位在電力需求緊迫火電占比更高的華中地區(qū)河南省。河南電網(wǎng)現(xiàn)狀燃煤機組標桿上網(wǎng)電價(脫硫、脫硝、除塵電價)為0.377 9元/(kW·h)，按照過網(wǎng)費0.08元/(kW·h)，估算黑山峽能源基地上網(wǎng)電價約為0.30元/(kW·h)，比初步分析黑山峽多能互補能源基地發(fā)電成本高0.121元/(kW·h)，由此可見，能源基地存在一定盈利空間。黑山峽多能互補清潔能源基地成本費用分析詳見表3。

5 黃河“幾”字彎多能互補清潔能源基地建設意義

5.1 實現(xiàn)水資源的節(jié)約集約利用

建設黃河“幾”字彎多能互補清潔能源基地，可降低水資源的消耗，實現(xiàn)水資源的節(jié)約集約利用。黃河流域既是能源流域也是缺水流域，上中游地區(qū)分布有寧東能源基地、隴東能源基地、鄂爾多斯能源基地、陜北能源基地等，以化石能源為主，耗水規(guī)模巨大，現(xiàn)狀條件下耗水量接近10億m3。建設“幾”字彎多能互補清潔能源基地，從總體上改變區(qū)域能源產(chǎn)出方式，降低耗水率，提高水資源的利用效率。以現(xiàn)行火電行業(yè)(空氣冷卻)單位發(fā)電量取水定額指標0.53 m3/(MW·h)計算[24]，建設“幾”字彎多能互補清潔能源基地每年可節(jié)水量4 028萬m3。

5.2 有效減少有害氣體排放

建設黃河“幾”字彎多能互補清潔能源基地可實現(xiàn)低碳、低污染發(fā)展。近年來，我國致力于大氣污染治理，重污染天氣較大幅度減少，但中部地區(qū)包括黃河中游地區(qū)仍然面臨較大的壓力。建設“幾”字彎多能互補清潔能源基地，可有效降低CO2、SO2、氮氧化物、煙塵等大氣污染物排放量。根據(jù)2019 年全國火電行業(yè)單位電量[25]CO2、SO2、氮氧化物、煙塵排放量838、0.187、0.195、0.038 g/(kW·h)計算，建設“幾”字彎多能互補清潔能源基地每年可減少二氧化碳排放約6 367萬t、減少二氧化硫排放約1.42萬t、減少氮氧化物排放約1.48萬t、減少煙塵排放約0.29萬t。根據(jù)近期有償競價結果[26]，僅碳匯年效益可達12億元。

5.3 有效利用國土資源助力脫貧攻堅

建設黃河幾字彎多能互補清潔能源基地可有效利用我國西北荒漠國土。一方面可降低風電、光電開發(fā)建設成本，另一方面農(nóng)民可從貧瘠的土地收益中持續(xù)獲益，采取入股分紅、就業(yè)安置等方式對移民和當?shù)刎毨罕娺M行長期扶持，有效解決脫貧后的穩(wěn)定發(fā)展問題。

5.4 有助于水土保持涵養(yǎng)水源

在黃河中游地區(qū)由于水土流失嚴重，亟待強化治理。黃河“幾”字彎多能互補清潔能源基地建設的成片光伏面板，不但可以轉(zhuǎn)化太陽輻射、調(diào)節(jié)地區(qū)的熱力平衡，減少坡面暴雨侵蝕，而且與黃土高原坡面治理相結合，可以集雨促進植物生長，有助于中游地區(qū)的水土保持。

6 結 語

黃河流域是能源流域，黃河“幾”字彎區(qū)域更是我國重要的能源產(chǎn)區(qū)。應用新型單元式多能互補清潔能源基地建設模式，將不可調(diào)控的風光可再生能源與具有調(diào)節(jié)性能的水電站以及調(diào)節(jié)特性更好的抽水儲能電站有效組合，統(tǒng)一整合提前達到電網(wǎng)多目標要求，符合匹配電網(wǎng)需求的穩(wěn)定輸出，形成電源端調(diào)控新型能源基地。依托黃河流域“幾”字彎區(qū)域豐富的水、光、風、土地、地形資源構建三大單元式多能互補清潔能源基地，不但可以推動黃河流域水資源的節(jié)約集約利用和生態(tài)環(huán)境保護，實現(xiàn)黃河流域高質(zhì)量發(fā)展；而且對加快能源結構調(diào)整，促進西部地區(qū)由石化能源到清潔能源輸出具有重大意義。