碳中和目標(biāo)下發(fā)電領(lǐng)域低碳轉(zhuǎn)型路徑

胡道成，張 帥，韓 濤，鄭旭帆，顧永正，徐 冬

(1.國(guó)家能源投資集團(tuán)有限責(zé)任公司，北京 100011；2.國(guó)家能源集團(tuán) 新能源技術(shù)研究院有限公司，北京 102209；3.國(guó)電電力發(fā)展股份有限公司，北京 100101)

0 引 言

當(dāng)前，世界能源發(fā)展呈化石能源清潔化、清潔能源規(guī)?；⒍喾N能源綜合化的發(fā)展趨勢(shì)。根據(jù)BP《世界能源展望2020》[1]預(yù)測(cè)，2050年全球化石能源消費(fèi)占比將降至20%，非水可再生能源占比上升至60%，電力在終端能源消費(fèi)中占比增至50%以上。

在世界能源電力發(fā)展的宏觀形勢(shì)下，包括我國(guó)在內(nèi)的主要國(guó)家、地區(qū)的能源電力戰(zhàn)略均在調(diào)整。美國(guó)能源轉(zhuǎn)型方向以“能源獨(dú)立”為前提，推動(dòng)能源系統(tǒng)清潔化[2]，拜登政府上臺(tái)后重返《巴黎協(xié)定》，推進(jìn)實(shí)施《清潔能源革命和環(huán)境正義計(jì)劃》，計(jì)劃到2035年電力部門(mén)實(shí)現(xiàn)碳中和，2050年前達(dá)到“凈零排放”；歐洲倡導(dǎo)大力發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)，提出2050年實(shí)現(xiàn)碳中和的目標(biāo)，先后有15個(gè)國(guó)家宣布退煤計(jì)劃，預(yù)計(jì)到2050年，太陽(yáng)能發(fā)電及風(fēng)電將占?xì)W盟終端能源需求的50%[3-4]；日本公布了綠色成長(zhǎng)戰(zhàn)略，提出2050年實(shí)現(xiàn)碳中和，其中50%～60%發(fā)電量預(yù)計(jì)來(lái)自可再生能源[5]。2020年9月22日，國(guó)家主席習(xí)近平在第75屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)講話中提出了“我國(guó)CO2排放力爭(zhēng)在2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和”的雙碳目標(biāo)[6]，為我國(guó)電力行業(yè)的發(fā)展指明了方向。

當(dāng)前，我國(guó)電力行業(yè)已建成全球最大的清潔高效煤電供應(yīng)體系，技術(shù)水平全球領(lǐng)先，為經(jīng)濟(jì)社會(huì)快速發(fā)展提供了安全環(huán)保經(jīng)濟(jì)可靠的電力，然而煤電占據(jù)主導(dǎo)地位、環(huán)境污染碳排放高、用電效率較低、新能源技術(shù)創(chuàng)新能力不足等仍是發(fā)電領(lǐng)域存在的突出問(wèn)題。目前發(fā)電領(lǐng)域的綠色低碳科技創(chuàng)新顯然無(wú)法支撐以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)構(gòu)建和“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，亟需加強(qiáng)發(fā)電領(lǐng)域綠色低碳轉(zhuǎn)型技術(shù)布局和攻關(guān)，以實(shí)現(xiàn)發(fā)電領(lǐng)域的清潔低碳、安全高效。

筆者梳理了我國(guó)發(fā)電領(lǐng)域煤炭清潔高效發(fā)電、可再生能源發(fā)電、核能、先進(jìn)儲(chǔ)能、氫能等方向的綠色低碳轉(zhuǎn)型現(xiàn)狀和存在的問(wèn)題，分析了各方向綠色低碳技術(shù)的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)和低碳轉(zhuǎn)型路徑。

1 煤炭清潔高效發(fā)電

近年來(lái)我國(guó)在清潔高效燃煤發(fā)電技術(shù)方面取得了巨大進(jìn)步，在“碳達(dá)峰、碳中和”背景下，未來(lái)需要在靈活智能發(fā)電、超高參數(shù)超超臨界燃煤發(fā)電、新型高效燃煤發(fā)電系統(tǒng)、CCUS方面進(jìn)行低碳技術(shù)的重點(diǎn)布局[7]。

在靈活發(fā)電方面，國(guó)外起步更早，應(yīng)用也更加成熟，而我國(guó)大部分燃煤機(jī)組按照基本負(fù)荷設(shè)計(jì)，最小技術(shù)出力和變負(fù)荷速率均與國(guó)外存在一定差距，且現(xiàn)有機(jī)組低負(fù)荷工況安全性、經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性差，未來(lái)還需開(kāi)發(fā)鍋爐與汽輪機(jī)快速響應(yīng)、鍋爐承壓部件壽命監(jiān)測(cè)、鍋爐輔助設(shè)備靈活性改造等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)變負(fù)荷速率達(dá)5%/min，負(fù)荷變化在20%～100%；在智能發(fā)電方面，我國(guó)智能發(fā)電起步較晚，尚處于起步階段，雖具備進(jìn)一步提升智能化應(yīng)用水平的基礎(chǔ)，但與美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家相比，在工業(yè)芯片性能與接口、智能傳感、服務(wù)器性能、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)平臺(tái)等領(lǐng)域還有一定差距，未來(lái)還需開(kāi)發(fā)具備“自診斷、自感知、自決策、自執(zhí)行”特征顯著的智能發(fā)電技術(shù)及控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)燃煤電廠無(wú)人值守；在煤與生物質(zhì)耦合發(fā)電方面，國(guó)外在燃煤耦合生物質(zhì)發(fā)電領(lǐng)域已實(shí)現(xiàn)5%～100%的生物質(zhì)摻燒比例，我國(guó)生物質(zhì)摻燒比例較低，普遍在5%左右，原因在于我國(guó)大規(guī)模燃煤與可再生能源耦合發(fā)電技術(shù)尚不成熟，同時(shí)燃料市場(chǎng)政策不健全，缺乏激勵(lì)措施、技術(shù)認(rèn)證與檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)等，產(chǎn)業(yè)化規(guī)模與國(guó)外先進(jìn)水平相比仍有一定差距，未來(lái)還需要開(kāi)發(fā)大比例生物質(zhì)摻燒技術(shù)及設(shè)備，推動(dòng)循環(huán)流化床協(xié)同處理生物質(zhì)與固廢等物料技術(shù)示范，助力實(shí)現(xiàn)減排降耗目標(biāo)[8]；在煤與太陽(yáng)能耦合發(fā)電方面，國(guó)外早在20世紀(jì)70年代便提出了將太陽(yáng)能熱引入燃煤發(fā)電機(jī)組的多能互補(bǔ)發(fā)電構(gòu)想，隨后在光煤互補(bǔ)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)集成方式、系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)、運(yùn)行控制模式、經(jīng)濟(jì)性分析等方面開(kāi)展了大量研究，并建成多個(gè)工程示范項(xiàng)目，我國(guó)仍處于中試驗(yàn)證階段，與國(guó)外差距較大，未來(lái)需要開(kāi)發(fā)系統(tǒng)耦合方式、運(yùn)行控制策略、耦合評(píng)價(jià)方法等，推動(dòng)技術(shù)工程示范。

在超高參數(shù)超超臨界燃煤發(fā)電方面，我國(guó)研究主要集中在高參數(shù)超超臨界技術(shù)(A-USC)和超臨界循環(huán)流化床技術(shù)(USC-CFB)2個(gè)方向。在A-USC技術(shù)方面，2015年?yáng)|方電氣設(shè)計(jì)的1 050 MW超超臨界機(jī)組投運(yùn)，實(shí)現(xiàn)了該技術(shù)的巨大突破，機(jī)組主蒸氣溫度達(dá)到605 ℃、再熱蒸氣溫度達(dá)到623 ℃、主蒸氣壓力達(dá)到29.4 MPa，但A-USC技術(shù)的進(jìn)步仍受制于高溫材料的研發(fā)，目前正處于試驗(yàn)研發(fā)階段，與歐、美、日基本處于并跑階段，工業(yè)應(yīng)用尚不成熟[9]，未來(lái)還需要加大高溫部件的產(chǎn)業(yè)化和工程化應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，建設(shè)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的650～700 ℃等級(jí)超超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組，實(shí)現(xiàn)機(jī)組凈效率不低于50%。在USC-CFB技術(shù)方面，我國(guó)2013年在國(guó)家能源集團(tuán)四川白馬電廠投產(chǎn)運(yùn)行了超臨界600 MW循環(huán)流化床機(jī)組，標(biāo)志著我國(guó)在該項(xiàng)技術(shù)領(lǐng)域處于國(guó)際先進(jìn)水平，近年來(lái)正開(kāi)展超超臨界循環(huán)流化床鍋爐研發(fā)攻關(guān)，相關(guān)設(shè)備、系統(tǒng)安全性等問(wèn)題也在研究中，機(jī)組參數(shù)主蒸氣溫度、再熱蒸氣溫度、主蒸氣壓力分別達(dá)到605、603 ℃和26.25 MPa，目前貴州威赫和陜西彬長(zhǎng)正在建設(shè)2臺(tái)超超臨界660 MW循環(huán)流化床機(jī)組，將作為USC-CFB低碳發(fā)電示范項(xiàng)目之一[10]。

在新型高效燃煤發(fā)電系統(tǒng)方面，國(guó)內(nèi)超臨界CO2(sCO2)發(fā)電技術(shù)整體研究水平與國(guó)外同步，部分成果達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平，開(kāi)展了大量傳熱流動(dòng)機(jī)理研究工作，建成了世界上容量最大、參數(shù)最高的5 MWe sCO2燃煤發(fā)電試驗(yàn)系統(tǒng)，但在換熱器和壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)、制造方面起步較晚、研發(fā)基礎(chǔ)薄弱，與國(guó)外存在一定差距，未來(lái)需通過(guò)技術(shù)研發(fā)實(shí)現(xiàn)機(jī)組負(fù)荷變化速率6%/min以上，負(fù)荷變化在0～100%，并實(shí)現(xiàn)多種形式應(yīng)用。整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC)發(fā)電技術(shù)方面，國(guó)內(nèi)正處于工程示范階段，華能天津IGCC示范項(xiàng)目是我國(guó)首座IGCC示范項(xiàng)目，電站規(guī)模與運(yùn)行可靠性基本與世界同步，目前IGCC發(fā)電技術(shù)前期投資成本仍較高，國(guó)內(nèi)外正針對(duì)煤氣化、空氣分離、燃?xì)廨啓C(jī)、系統(tǒng)集控和凈化技術(shù)開(kāi)展技術(shù)攻關(guān)[10]。整體煤氣化燃料電池(IGFC)發(fā)電技術(shù)方面，國(guó)內(nèi)在燃料電池關(guān)鍵材料、部件性能及裝配技術(shù)方面取得了顯著進(jìn)步，2020年10月國(guó)家能源集團(tuán)北京低碳清潔能源研究院獨(dú)立研發(fā)了國(guó)內(nèi)首套20 kW固體燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，并在寧夏煤業(yè)試驗(yàn)基地試驗(yàn)成功，但我國(guó)總體還處于基礎(chǔ)研究和關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)階段，與國(guó)外相比仍有較大差距。未來(lái)IGCC和IGFC發(fā)電技術(shù)還需在提升效率、降低能耗方面加大技術(shù)攻關(guān)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)凈效率不低于50%。

CCUS方面，我國(guó)具備一定的研發(fā)基礎(chǔ)，已投運(yùn)或建設(shè)中的CCUS示范項(xiàng)目共49個(gè)[11]，但當(dāng)前CCUS項(xiàng)目多以石油、煤化工、電力行業(yè)小規(guī)模的捕集和驅(qū)油封存示范為主。CO2捕集方面，2021年6月，國(guó)能錦界電廠建成并投運(yùn)了國(guó)內(nèi)最大的15萬(wàn)t/a碳捕集—驅(qū)油—化工利用全流程示范工程[12]，應(yīng)用了新型復(fù)合胺吸收劑、增強(qiáng)型塑料填料、降膜汽提式再沸器、超重力再生反應(yīng)器、級(jí)間冷卻、分流解吸、機(jī)械式蒸汽再壓縮(MVR)等新技術(shù)、新工藝和新設(shè)備，能耗達(dá)到世界先進(jìn)水平；2022年1月，中石化建成我國(guó)首個(gè)百萬(wàn)噸級(jí)CCUS項(xiàng)目(齊魯石化-勝利油田CCUS項(xiàng)目)。CO2利用和封存方面，2020年8月，浙江大學(xué)聯(lián)合河南強(qiáng)耐新材股份有限公司研發(fā)的CO2深度礦化養(yǎng)護(hù)制建材技術(shù)建成全球首個(gè)萬(wàn)噸級(jí)礦化利用工業(yè)示范線，并通過(guò)72 h運(yùn)行；2020年10月，中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所負(fù)責(zé)的“液態(tài)陽(yáng)光”項(xiàng)目建成了全球首個(gè)千噸級(jí)液態(tài)太陽(yáng)燃料合成示范工程，并通過(guò)72 h運(yùn)行；2011年國(guó)家能源集團(tuán)在鄂爾多斯建成世界首個(gè)10萬(wàn)t/a煤制油高濃度CO2陸相咸水層封存的CCS示范工程，形成了全流程CCS成套技術(shù)和系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)體系[13]。當(dāng)前我國(guó)CCUS各環(huán)節(jié)技術(shù)發(fā)展還不平衡，仍存在碳捕集成本高、能耗高、吸收劑腐蝕逃逸等問(wèn)題；CO2礦化利用正處于工業(yè)示范階段，后期需提高技術(shù)經(jīng)濟(jì)性和CO2吸收轉(zhuǎn)化率，開(kāi)發(fā)多種工業(yè)固廢礦化利用技術(shù)路線[14-15]；CO2化工利用和生物利用還處于小試研發(fā)階段，且需要拓展CO2消納途徑，實(shí)現(xiàn)CO2作為資源的循環(huán)利用；CO2封存技術(shù)還需加大驅(qū)油、封存、監(jiān)測(cè)及運(yùn)輸?shù)认盗邪踩煽颗涮准夹g(shù)，掌握陸上/海上咸水層、枯竭油氣田封存CO2關(guān)鍵技術(shù)[16-17]。

總體來(lái)說(shuō)，我國(guó)煤電機(jī)組目前仍面臨靈活性和智能化較差、難以滿足可再生能源的大規(guī)模消納，且舊機(jī)組效率低、碳排放高等問(wèn)題，同時(shí)為進(jìn)一步提高發(fā)電機(jī)組效率，還面臨新循環(huán)、新工質(zhì)、新材料及工藝開(kāi)發(fā)方面的挑戰(zhàn)。未來(lái)還需找準(zhǔn)方向，加大技術(shù)攻關(guān)。煤炭清潔高效發(fā)電領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展路線見(jiàn)表1。

表1 煤炭清潔高效發(fā)電領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展路線

續(xù)表

2 可再生能源發(fā)電

水電領(lǐng)域，西方發(fā)達(dá)國(guó)家在20世紀(jì)80年代基本完成水能資源開(kāi)發(fā)任務(wù)，水電開(kāi)發(fā)程度總體較高，瑞士、法國(guó)、意大利水電開(kāi)發(fā)程度已超過(guò)80%，德國(guó)、日本、美國(guó)水電開(kāi)發(fā)程度也在67%以上，水力發(fā)電技術(shù)也較成熟。我國(guó)水電技術(shù)已實(shí)現(xiàn)了全產(chǎn)業(yè)鏈的全面提升，水電工程勘察設(shè)計(jì)和施工技術(shù)、大型水輪發(fā)電機(jī)組制造、遠(yuǎn)距離輸電技術(shù)等處于世界領(lǐng)先水平，水電設(shè)備產(chǎn)業(yè)形成了設(shè)計(jì)、制造、安裝、運(yùn)行維護(hù)等全產(chǎn)業(yè)鏈整合能力，在水輪機(jī)、水輪發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)和制造方面整體達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，部分機(jī)型達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平，但對(duì)于沖擊式水輪機(jī)技術(shù)，國(guó)內(nèi)還缺乏經(jīng)驗(yàn)，在設(shè)計(jì)、流動(dòng)機(jī)理、結(jié)構(gòu)、材料、控制等方面與國(guó)外技術(shù)相比還有較大差距。未來(lái)水電開(kāi)發(fā)需減輕對(duì)社會(huì)及生態(tài)環(huán)境的影響。在常規(guī)水電技術(shù)方面，需加大在高水頭大容量沖擊式機(jī)組和超低水頭水力發(fā)電技術(shù)的技術(shù)攻關(guān)；水電站安全運(yùn)行技術(shù)方面，還需開(kāi)展長(zhǎng)江上中游特大水利樞紐調(diào)控與安全運(yùn)行技術(shù)、高壩通航建筑物運(yùn)行維護(hù)和安全監(jiān)測(cè)技術(shù)、水庫(kù)地震關(guān)鍵技術(shù)研究等；智能水電技術(shù)與設(shè)備方面，需開(kāi)發(fā)信息共享技術(shù)、設(shè)備數(shù)字化技術(shù)、智能一體化平臺(tái)、數(shù)據(jù)應(yīng)用智能化技術(shù)等，實(shí)現(xiàn)水電領(lǐng)域清潔高效發(fā)展；另外，還需突破針對(duì)微小水電、魚(yú)類(lèi)友好型水電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)制造和運(yùn)行相關(guān)技術(shù)。水電領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展路線見(jiàn)表2。

表2 水電領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展路線

風(fēng)電領(lǐng)域，我國(guó)風(fēng)能技術(shù)從陸上到海上、集中式到分布式，關(guān)鍵部件到整機(jī)設(shè)計(jì)制造，風(fēng)電場(chǎng)開(kāi)發(fā)運(yùn)維，標(biāo)準(zhǔn)、檢測(cè)和認(rèn)證體系等方面進(jìn)行了全面研究部署和突破，建立了大功率機(jī)組及部件全產(chǎn)業(yè)鏈設(shè)計(jì)制造技術(shù)體系，在低風(fēng)速及復(fù)雜地形下風(fēng)電機(jī)組開(kāi)發(fā)方面優(yōu)于國(guó)外水平，但在基礎(chǔ)和共性關(guān)鍵技術(shù)方面與國(guó)外存在差距，主要體現(xiàn)在以下5方面：① 風(fēng)電場(chǎng)的規(guī)劃需更具科學(xué)性，如何在低風(fēng)速區(qū)域?qū)崿F(xiàn)風(fēng)能利用是未來(lái)研究的關(guān)鍵方向；② 風(fēng)電機(jī)組核心部件要逐步實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，加強(qiáng)自動(dòng)控制、新材料、模型設(shè)計(jì)等方面的科研力度投入；③ 提升單機(jī)容量，推進(jìn)配套技術(shù)如結(jié)構(gòu)力學(xué)仿真、工藝制造等研發(fā)，降低運(yùn)維成本；④ 更新風(fēng)電并網(wǎng)技術(shù)，目前我國(guó)風(fēng)電并網(wǎng)代表性技術(shù)為串補(bǔ)技術(shù)，處于世界前列，但仍需解決同步諧振及其他電力傳輸問(wèn)題[18-20]；⑤ 廢棄風(fēng)電機(jī)組回收再利用技術(shù)尚不成熟。未來(lái)需要推廣風(fēng)電大規(guī)模高比例先進(jìn)并網(wǎng)技術(shù)，推動(dòng)風(fēng)機(jī)機(jī)組大型化技術(shù)、漂浮式海上風(fēng)電技術(shù)、超導(dǎo)風(fēng)力和高空風(fēng)力發(fā)電技術(shù)、廢棄風(fēng)電機(jī)組材料的無(wú)害化處理與循環(huán)利用技術(shù)等研發(fā)，以及人工智能、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等新一代信息技術(shù)在風(fēng)電領(lǐng)域的應(yīng)用，并提高風(fēng)機(jī)關(guān)鍵部件的國(guó)產(chǎn)化率，開(kāi)發(fā)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的風(fēng)電核心設(shè)計(jì)軟件[21]。風(fēng)電領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展路線見(jiàn)表3。

表3 風(fēng)電領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展路線

太陽(yáng)能發(fā)電領(lǐng)域，我國(guó)光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)規(guī)模和制造能力處于世界先進(jìn)水平，光伏電池及組件、逆變器等產(chǎn)品技術(shù)水平與世界同步，晶體硅電池的產(chǎn)業(yè)化技術(shù)保持國(guó)際先進(jìn)水平，薄膜太陽(yáng)能電池技術(shù)保持全球領(lǐng)先，具有成本低廉、無(wú)環(huán)境污染等特點(diǎn)的無(wú)鉛酸電池廣泛應(yīng)用于我國(guó)光伏發(fā)電領(lǐng)域，可用于大規(guī)模無(wú)人太陽(yáng)能光伏電站，同時(shí)逆變器的先進(jìn)非線性控制技術(shù)如模糊控制、復(fù)合控制等技術(shù)也已得到廣泛應(yīng)用，這對(duì)于提升光伏電站的穩(wěn)定性和可靠性具有重大意義[22-24]，未來(lái)還需開(kāi)發(fā)高效率低成本，與互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等深度融合的光伏產(chǎn)業(yè)，推廣先進(jìn)的大規(guī)模高比例光伏并網(wǎng)技術(shù)，探索和示范光伏與其他領(lǐng)域的多元化協(xié)同應(yīng)用。在光熱發(fā)電方面，采用的技術(shù)路線主要為槽式、塔式和線性菲涅爾式，我國(guó)經(jīng)過(guò)10余年技術(shù)研發(fā)已掌握了光熱發(fā)電的核心技術(shù)，研發(fā)了系列具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的專用設(shè)備，商業(yè)化應(yīng)用也較成熟，但在電站系統(tǒng)設(shè)計(jì)、集成運(yùn)行等方面與國(guó)外差距明顯，未來(lái)還需開(kāi)展大容量、高參數(shù)、長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)熱、低成本的光熱發(fā)電技術(shù)攻關(guān)和示范應(yīng)用。太陽(yáng)能發(fā)電領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展路線見(jiàn)表4。

表4 太陽(yáng)能發(fā)電領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展路線

地?zé)岚l(fā)電方面，分為水熱型和干熱巖型。其中，水熱型地?zé)岚l(fā)電資源豐富，我國(guó)目前已有地?zé)嵴魵鈹U(kuò)容發(fā)電技術(shù)、有機(jī)工質(zhì)朗肯循環(huán)地?zé)岚l(fā)電技術(shù)和地?zé)崛靼l(fā)電技術(shù)3種方式的工程應(yīng)用，西藏的羊八井電站已穩(wěn)定運(yùn)行26.18 MW蒸氣擴(kuò)容發(fā)電和全流發(fā)電機(jī)組超過(guò)30 a；2020年在山西大同發(fā)現(xiàn)了160 ℃地?zé)崽?，并?021年投產(chǎn)建成300和280 kW兩臺(tái)雙工質(zhì)地?zé)岚l(fā)電機(jī)組[25]，未來(lái)地?zé)岚l(fā)電還需加大關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)和體系建設(shè)，實(shí)現(xiàn)地?zé)嵴羝啓C(jī)發(fā)電機(jī)組關(guān)鍵技術(shù)和設(shè)備自主化，建設(shè)規(guī)模化利用水熱型地?zé)崾痉豆こ獭８蔁釒r型地?zé)岚l(fā)電方面，目前技術(shù)研發(fā)仍停留在實(shí)驗(yàn)室階段，未來(lái)還需攻克資源靶區(qū)定位、超高溫鉆井及測(cè)井等技術(shù)以及干熱巖儲(chǔ)層激發(fā)技術(shù)、地?zé)岣咝菁?jí)綜合利用技術(shù)等[26-27]，實(shí)現(xiàn)地?zé)崮艿木C合梯級(jí)利用。地?zé)岚l(fā)電領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展路線見(jiàn)表5。

表5 地?zé)岚l(fā)電領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展路線

海洋能發(fā)電方面，目前我國(guó)研究水平與國(guó)外相當(dāng)，處于并跑階段，部分技術(shù)世界領(lǐng)先，但工程示范規(guī)?？傮w偏小、技術(shù)成熟度也不高。浙江大學(xué)在浙江舟山建立了60 kW微網(wǎng)潮流能發(fā)電試驗(yàn)機(jī)組，并實(shí)現(xiàn)了120 kW機(jī)組并網(wǎng)投運(yùn)，是目前國(guó)內(nèi)實(shí)際發(fā)電時(shí)間最長(zhǎng)、發(fā)電量最大的機(jī)組，有望在東海海域推廣應(yīng)用；中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所在珠海市萬(wàn)山海域投產(chǎn)建成100 kW波浪能發(fā)電機(jī)組，并成功發(fā)電15 000 kWh，可用于南海等海域推廣應(yīng)用[28]。未來(lái)還需完善潮流能、波浪能裝置設(shè)計(jì)體系，突破關(guān)鍵基礎(chǔ)元器件和功能部件設(shè)計(jì)制造技術(shù)，推動(dòng)波浪能、潮流能技術(shù)產(chǎn)業(yè)化，建立完整的海洋能產(chǎn)業(yè)鏈。

海洋能發(fā)電領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展路線見(jiàn)表6。

表6 海洋能發(fā)電領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展路線

3 核 能

國(guó)外如美國(guó)西屋公司AP1000技術(shù)、俄羅斯國(guó)家原子能公司AES-2006和VVER1200技術(shù)、法國(guó)阿?，m公司的EPR技術(shù)、韓國(guó)原子能公司的APR1400技術(shù)等在全球核電領(lǐng)域占據(jù)領(lǐng)先地位。我國(guó)是世界上少數(shù)幾個(gè)擁有完整核燃料循環(huán)和核工業(yè)體系的國(guó)家之一，目前第3代壓水堆技術(shù)已居世界第一陣營(yíng)，自主研發(fā)的“華龍一號(hào)”于2020年10月示范運(yùn)行達(dá)到臨界狀態(tài)，正式開(kāi)始帶功率運(yùn)行，“國(guó)和一號(hào)”于2020年9月正式開(kāi)建；在核電工程技術(shù)應(yīng)用方面，我國(guó)也位居世界前列，三門(mén)核電廠2018年9月建成全球首臺(tái)商業(yè)運(yùn)營(yíng)的AP1000機(jī)組，田灣核電廠引進(jìn)俄羅斯VVER-1200技術(shù)的7號(hào)機(jī)組已于2021年9月開(kāi)始建設(shè)；在第4代反應(yīng)堆研發(fā)方面，我國(guó)同樣走在世界前列，我國(guó)加入的“第4代核能系統(tǒng)國(guó)際論壇(GIF)”提出的6種技術(shù)路線目前正處于示范工程驗(yàn)證和研發(fā)階段；但在當(dāng)今備受關(guān)注的小型模塊化核反應(yīng)堆(SMR)方面，我國(guó)處于起步階段，部署中的小堆型號(hào)有中核“玲瓏一號(hào)”(ACP100)、中廣核ACPR50S和“燕龍”池式低溫供熱堆技術(shù)等，而美國(guó)、俄羅斯等國(guó)正加快推進(jìn)其研發(fā)設(shè)計(jì)，最早有望在2023年建成投產(chǎn)[29]?？傮w來(lái)講，我國(guó)在核能基礎(chǔ)技術(shù)、工藝、材料、軟件等方面卡脖子問(wèn)題仍然存在，部分核心技術(shù)受制于人。未來(lái)還需開(kāi)展先進(jìn)核能系統(tǒng)技術(shù)的研發(fā)，突破超高溫氣冷堆技術(shù)以及核能制氫、綠色冶金技術(shù)；堅(jiān)持走閉式核燃料循環(huán)技術(shù)路線，實(shí)現(xiàn)核能可持續(xù)發(fā)展；另外，通過(guò)技術(shù)攻關(guān)，持續(xù)改進(jìn)核能利用的安全性[30]。核能領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展路線見(jiàn)表7。

表7 核能領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展路線

4 先進(jìn)儲(chǔ)能

全球已投運(yùn)儲(chǔ)能項(xiàng)目中，抽水蓄能累計(jì)裝機(jī)占比最大，其次為電化學(xué)儲(chǔ)能；在各類(lèi)電化學(xué)儲(chǔ)能中，鋰離子電池的累計(jì)裝機(jī)規(guī)模最大。目前投入商業(yè)化運(yùn)行的規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)主要有抽水蓄能、鋰離子電池、鉛酸電池、鈉硫電池技術(shù)，液流電池、壓縮空氣和飛輪儲(chǔ)能處于小規(guī)模示范階段。抽水蓄能的發(fā)展受制于地理環(huán)境，無(wú)法滿足多種應(yīng)用場(chǎng)景需求。鉛酸電池性價(jià)比不高，無(wú)法代表先進(jìn)的儲(chǔ)能技術(shù)，鋰離子電池安全事故頻發(fā)，鈉硫電池全球范圍內(nèi)只有日本NGK生產(chǎn)，缺少產(chǎn)業(yè)鏈和規(guī)?；?yīng)，且同樣存在安全性問(wèn)題。當(dāng)前我國(guó)儲(chǔ)能正在向規(guī)?；l(fā)展方向邁進(jìn)，但儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)距離整體健康發(fā)展仍有距離。抽水蓄能仍具有規(guī)模優(yōu)勢(shì)，但進(jìn)展緩慢，近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的地下抽水蓄能可以有效利用礦井等洞穴，改造成地下水庫(kù)，但礙于成本高昂目前仍未實(shí)現(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用[31]。電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)占比不斷提高，其中鋰離子電池占據(jù)市場(chǎng)主導(dǎo)，超級(jí)電容正處于技術(shù)研發(fā)階段，提高其能量密度和降低材料成本將是研發(fā)重點(diǎn)方向，低溫活室溫鈉硫電池的理論能量密度很高，成本也較低廉，該技術(shù)也是目前研究的熱點(diǎn)。未來(lái)需要針對(duì)現(xiàn)有儲(chǔ)能技術(shù)在安全性、適應(yīng)性、規(guī)?；约俺杀镜确矫娲嬖诘膯?wèn)題，加大不同時(shí)長(zhǎng)儲(chǔ)能技術(shù)(短時(shí)高頻儲(chǔ)能技術(shù)、中長(zhǎng)時(shí)間尺度儲(chǔ)能技術(shù)和超長(zhǎng)時(shí)間尺度儲(chǔ)能技術(shù))的科技攻關(guān)和工程應(yīng)用。

儲(chǔ)能領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展路線見(jiàn)表8。

表8 先進(jìn)儲(chǔ)能領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展路線

5 氫 能

氫能廣泛應(yīng)用于電力、鋼鐵、有色金屬、煤化工、石油化工等領(lǐng)域，是重要的原料和燃料。氫能方面，我國(guó)制氫規(guī)模位居世界首位，已形成氫能“制—儲(chǔ)—運(yùn)—加—用”完整產(chǎn)業(yè)鏈，但產(chǎn)業(yè)布局趨同、技術(shù)成本高、應(yīng)用場(chǎng)景單一，制約了產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展，氫能技術(shù)與國(guó)際先進(jìn)水平也有差距。我國(guó)90%以上氫氣來(lái)自于煤制氫，屬于灰氫，制氫過(guò)程會(huì)造成大量碳排放，采用可再生能源綠色電力制氫是支撐我國(guó)可再生能源和氫燃料電池產(chǎn)業(yè)協(xié)同健康發(fā)展的關(guān)鍵，近年來(lái)我國(guó)在新一代質(zhì)子交換膜(PEM)水電解制氫技術(shù)的研發(fā)水平不斷提升，但在產(chǎn)能規(guī)模、設(shè)備制造與控制水平上與國(guó)外相比仍有差距，尤其是電解槽裝置制造所需的質(zhì)子交換膜仍依賴進(jìn)口；運(yùn)氫和儲(chǔ)氫配套核心材料部件也依賴進(jìn)口，溫和條件液態(tài)化規(guī)模儲(chǔ)備、高密度存儲(chǔ)、長(zhǎng)距離大規(guī)模運(yùn)輸、低成本快速加注等關(guān)鍵技術(shù)仍需突破；氫能利用方面如燃料電池技術(shù)大多還處于技術(shù)驗(yàn)證階段[32-33]。未來(lái)，應(yīng)以發(fā)展綠氫為方向，加強(qiáng)應(yīng)用場(chǎng)景和高效低成本技術(shù)的融合創(chuàng)新。

氫能領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展路線見(jiàn)表9。

表9 氫能領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展路線

6 技術(shù)發(fā)展?jié)摿Ψ治?/h2>

我國(guó)“富煤貧油少氣”的資源稟賦決定了煤炭在未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)仍將占據(jù)我國(guó)能源結(jié)構(gòu)的主體地位。在我國(guó)能源安全新戰(zhàn)略及“雙碳”目標(biāo)背景下，從實(shí)際國(guó)情出發(fā)，仍需大力推進(jìn)煤炭清潔高效利用，發(fā)揮煤炭的兜底保障作用。2030年前，我國(guó)能源消費(fèi)總量及碳排放達(dá)峰，煤炭處于消費(fèi)峰值平臺(tái)期，支撐非化石能源提供能源消費(fèi)增量；2031—2060年，我國(guó)能源結(jié)構(gòu)快速轉(zhuǎn)型，煤炭消費(fèi)逐年降低，非化石能源逐步成為主體能源，碳排放快速下降。

在我國(guó)能源綠色低碳轉(zhuǎn)型的趨勢(shì)下，煤電發(fā)揮其在電力系統(tǒng)的支撐性和調(diào)節(jié)性作用的同時(shí)與清潔能源相互融合、共同發(fā)展，以支撐新能源為主體的新型電力系統(tǒng)發(fā)展，保障我國(guó)能源電力安全。全球能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展合作組織對(duì)我國(guó)能源轉(zhuǎn)型及近中長(zhǎng)期電力發(fā)展進(jìn)行研究，預(yù)測(cè)并分析了各技術(shù)的發(fā)展?jié)摿?未來(lái)裝機(jī)容量)[34]，具體見(jiàn)表10?？芍诤椭衅冢弘娙允潜Ｕ衔覈?guó)電力供需總體平衡的主力電源，2025年和2030年分別占裝機(jī)總?cè)萘康?7.3%和27.6%，2030年前新增電力需求由清潔能源提供；遠(yuǎn)期煤電裝機(jī)快速下降，清潔能源電力加速發(fā)展，形成多元清潔能源的電力供應(yīng)體系。

表10 2025—2060年我國(guó)電源裝機(jī)構(gòu)成[34]

7 結(jié) 語(yǔ)

實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)，科技創(chuàng)新是關(guān)鍵。雖然近年來(lái)發(fā)電領(lǐng)域的科技創(chuàng)新水平得到實(shí)質(zhì)性提升，一些關(guān)鍵技術(shù)快速發(fā)展，但不足以支撐我國(guó)如期實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)，各發(fā)電領(lǐng)域現(xiàn)有技術(shù)供給不足，在基礎(chǔ)技術(shù)、工藝、材料、軟件等方面仍存在“卡脖子”問(wèn)題，部分核心技術(shù)受制于人。在構(gòu)建“清潔低碳、安全高效”能源體系和“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)的要求下，發(fā)電領(lǐng)域還需深入實(shí)施創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略，針對(duì)發(fā)電領(lǐng)域當(dāng)前的低碳轉(zhuǎn)型科技創(chuàng)新現(xiàn)狀和存在的問(wèn)題，按照“低碳技術(shù)為基礎(chǔ)、零碳技術(shù)為重點(diǎn)、負(fù)碳技術(shù)為保障”的原則部署各發(fā)電領(lǐng)域，支撐“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)的科技創(chuàng)新路徑，瞄準(zhǔn)世界先進(jìn)水平，加大低碳轉(zhuǎn)型技術(shù)的科技攻關(guān)，加快產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)綠色低碳轉(zhuǎn)型，全面推進(jìn)能源綠色低碳發(fā)展和生產(chǎn)方式的革命性變化，加快形成節(jié)約資源和保護(hù)環(huán)境的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)方式，為構(gòu)建以新能源為主的新型電力系統(tǒng)和全社會(huì)實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)發(fā)揮引領(lǐng)示范作用。