碳中和背景下新能源與儲能技術的發(fā)展研究

喬亞鵬,李佳東,霍敏艷

(1.華能招標有限公司，北京 102200；2.西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710054；3.西安西熱水務環(huán)保有限公司，陜西 西安 710054)

1 引言

習近平總書記在75屆聯(lián)合國大會上宣布，我國二氧化碳的排放量要在2030年前達到峰值，在2060年要實現(xiàn)碳中和的目標。能源活動是我國二氧化碳排放的主要因素，其排放量的50%為雙碳的實現(xiàn)目標，在此碳中和背景之下，將新能源與儲能技術合理地運用到社會之中，可有效地保障能源和社會的健康發(fā)展，對此，我國應該推動能源供給的發(fā)展，進而在能源發(fā)展的過程中注重新能源和儲能技術的發(fā)展，確保能夠實現(xiàn)碳中和的發(fā)展目標和方向，也能夠推動社會的持續(xù)性發(fā)展建設，也為我國新能源大規(guī)模的發(fā)展奠定良好的基礎保障。

2 研究背景

在2006年我國頒布了可再生能源使用的相關法律法規(guī)，新能源的開發(fā)利用逐漸應用到各個行業(yè)中，根據(jù)相應的調(diào)查可知，在碳中和背景下新能源與儲能技術已有了新的發(fā)展，如新能源早在我國2006年的時候，就有關于新能源裝機的出現(xiàn)，20世紀初期的新能源瓦數(shù)一般為220萬千瓦，發(fā)展還不成熟，僅僅占據(jù)了全世界比例的3%，還需不斷改進。進入2020年，我國開始大力推行新能源，新能源的發(fā)展突飛猛進，據(jù)調(diào)查，2020年新能源裝機已經(jīng)達到了5.3億千瓦，新能源系統(tǒng)已經(jīng)占據(jù)了73%，在全球而言首屈一指。在新能源系統(tǒng)中開始出現(xiàn)很多組件，包括多晶硅、硅片等，在2020年占據(jù)市場平均率高達70%以上，在全球處于支配的地位。風電品牌在全球也占據(jù)前十五名的地位，其比例更超過了50%。為了實現(xiàn)碳中和，我國將在2030年實現(xiàn)非化石能源的消費比重占比到25%，并將其當作目標開發(fā)新能源的使用與消費。新能源的電力要占比總發(fā)電量到26%，也要建設新能源為主體的新型電力系統(tǒng)，進而保障我國新能源的開發(fā)與使用，也可推動我國社會經(jīng)濟水平的持續(xù)增長。

3 新能源大規(guī)模發(fā)展存在的瓶頸

3.1 國土空間利用現(xiàn)狀和規(guī)劃體系難以支撐新能源大規(guī)模發(fā)展

眾所周知，我國西部地區(qū)的空間資源較為豐富，且該地區(qū)的資源較為廣闊化，對于當?shù)氐拿總€人而言，人均土地的面積比較大，但是國家西南部地區(qū)有的自然風光環(huán)境比較差，若想有效保護該地區(qū)的自然環(huán)境，新能源項目的開發(fā)極為重要。在本次研究中筆者將以我國西部地區(qū)為準，進而在西部地區(qū)開展新能源建設，尋找新能源發(fā)展與當?shù)赝恋丨h(huán)境中兩者之間的平衡點，確保新能源順利開展與應用。而在我國中東北地區(qū)中，由于用電量的需求比較大，所產(chǎn)生的用電負荷增大，所以在發(fā)展新能源項目時，可以在我國中東部地區(qū)開發(fā)小型的新能源項目。且該地區(qū)適合發(fā)展分散式的接入新能源項目的建設工作，但是在建設過程中，又會對山體、林地產(chǎn)生一定的影響，在運營的過程中也會產(chǎn)生較大的噪音、光影，進而對周圍居民的正常生活以及生活質量產(chǎn)生嚴重的影響。另外，光伏發(fā)電占地面積較大，其單位的土地產(chǎn)值也較低，在經(jīng)濟發(fā)達的地區(qū)政府部門都不愿意配合開發(fā)，浙江、福建等地區(qū)現(xiàn)今主要以生態(tài)修復工作為主，注重環(huán)境質量，為了保障生態(tài)環(huán)境的健康發(fā)展，應當在國家的支持下，合理利用國土空間，在客觀角度上限制了新能源的開發(fā)。

3.2 新能源發(fā)電的固有波動性帶來的消納困難問題及系統(tǒng)穩(wěn)定性問題

根據(jù)我國新能源在發(fā)展中的現(xiàn)狀分析可知，新能源具有間歇性、波動性的特點，這些特點的產(chǎn)生與我國用電負荷的變化有直接關系，功率在預測的過程中無法準確地估算。在運行的過程中也缺乏完善的市場回報機制。我國電力負荷曲線尖峰化明顯，持續(xù)時間不超出48h，以上的問題都會導致電力實時難以平衡，這不僅會嚴重影響社會與企業(yè)用電，還會導致新能源消納受到影響，也是當前急需解決的新能源發(fā)電不穩(wěn)定的問題。

現(xiàn)今我國新能源大規(guī)模發(fā)展建設，電力系統(tǒng)的可再生高比例能源、高比例電子設備的特點極為明顯。從電氣特征進行分析，電力系統(tǒng)的等值轉動慣量明顯降低，系統(tǒng)的抗擾動能力也明顯減弱。從故障的角度進行分析，故障從局部逐漸影響全局進而形成連鎖反應產(chǎn)生沖擊，新的故障形式、擾動形式已經(jīng)產(chǎn)生。從穩(wěn)定的特點進行分析，系統(tǒng)的穩(wěn)定性也逐漸復雜，系統(tǒng)也會頻繁發(fā)生無功不足、電壓不穩(wěn)等問題。對此，相關的政府部門立足于碳中和背景下促進國家環(huán)保綠色發(fā)展的角度，制定出有效的新能源發(fā)電對策，有效地發(fā)展儲能技術，使得新能源有效地發(fā)揮出對于社會經(jīng)濟的促進價值，使得國家有效地實現(xiàn)碳中和能源健康發(fā)展的發(fā)展目標。

3.3 新能源發(fā)電設備及技術快速更新迭代，國內(nèi)企業(yè)技術研發(fā)實力不足

在新時代的發(fā)展下，國家新能源的發(fā)展規(guī)模隨著發(fā)展逐漸擴大，尤其是近十五年的時間里，國家新能源發(fā)電設備技術迭代更新。在其迅速發(fā)展下，新能源發(fā)電設備的效率也逐漸凸顯出來。而在國家新能源發(fā)電設備中，光伏領域中的技術也是屈指可數(shù)的，我國的光伏領域技術中不斷地引進先進理念，從光伏技術到生產(chǎn)線均已迭代更新，得到了較好的發(fā)展。據(jù)相關的統(tǒng)計表明，我國的光伏技術已多次刷新了全球晶硅電池轉化效率，國家在新能源發(fā)電上的技術已經(jīng)達到了國際化的水平。

在碳中和發(fā)展的背景下進行分析可知，目前國家在新能源的發(fā)展上雖然取得了成就，但是仍然存在著很多不足之處，需要日后進行改進，逐漸完善研發(fā)方面，才能有助于推動國家新能源技術行業(yè)的發(fā)展，使其達到可持續(xù)發(fā)展的標準。針對我國新能源發(fā)電設備以及技術的更新看，國內(nèi)一些企業(yè)的技術研發(fā)實力不足的因素主要包括如下幾個方面：①國家在高校教育領域內(nèi)，碳中和下新能源技術的發(fā)展仍然會處于理論階段，國內(nèi)所研究的路線脫離了我國的實際需求，多以國外熱點為主，忽視了原創(chuàng)技術；②在產(chǎn)品研發(fā)上，我國的專利技術并不多，一些關鍵技術由國外事先注冊了專利，從而我國失去了技術產(chǎn)權的保護。可見，在新能源發(fā)展過程中，執(zhí)行體系存在問題，導致了技術以及我國研發(fā)新能源的人才流失嚴重化，不利于企業(yè)的發(fā)展與建設。根據(jù)相關數(shù)據(jù)可知，2020年新能源企業(yè)的研發(fā)投入比例只占3%，在新能源大規(guī)模發(fā)展的背景下企業(yè)要優(yōu)先搶占市場份額，并推動新能源產(chǎn)業(yè)規(guī)模的持續(xù)性發(fā)展與建設，但其能源的轉換效率提升較慢，影響新能源以及企業(yè)的發(fā)展建設。

3.4 新能源發(fā)電系統(tǒng)性綜合成本進一步增加

2020年，國家召開了第75屆聯(lián)合國大會，在大會中提出了有關于碳中和的發(fā)展，我國在碳中和方面2030年要實現(xiàn)碳達峰，2060年則要實現(xiàn)碳中和，也就是說力求實現(xiàn)二氧化碳的零排放的目標。其中大力發(fā)展新能源對碳排放量有顯著性效果，新能源產(chǎn)品的上市可以有效降低二氧化碳的排放量。但是對新能源發(fā)展的現(xiàn)狀做出分析可知，在新能源的大力發(fā)展背景下，無論是對國家土地，還是對所投資的成本費用、技術成本、項目開發(fā)費用等，這些綜合費用成本呈逐漸上升的趨勢。究其原因是在新能源建設上，對電的需求量比較高，對系統(tǒng)調(diào)節(jié)運行的要求也就越高，所以應當擴大規(guī)模，加大投資建設的力度，從而新能源發(fā)電系統(tǒng)性綜合成本大幅度增加。

4 新能源發(fā)展趨勢判斷

4.1 優(yōu)化布局，促進規(guī)?；l(fā)展

近年來隨著一些能源企業(yè)的不斷發(fā)展，在能源領域中碳排放量有所增加，并且碳排放量的占比特別高，從而在二氧化碳等室溫氣體排放量加劇的情況下，加劇了對空氣的污染。而在新時期發(fā)展下，則提出了新能源發(fā)電的探討，且從目前新能源發(fā)電的幾種大規(guī)模利用以及生產(chǎn)消納的平衡發(fā)展趨勢可見，三北地區(qū)的風光資源儲量較為豐富，適合大規(guī)模的開發(fā)與建設，對此，在開發(fā)建設的過程中要進行統(tǒng)一的規(guī)劃、建設以及運營，進而充分發(fā)揮出規(guī)模效應，也能夠有效地分攤開發(fā)、建設以及運營成本，更能夠降低電力價格，有效地滿足企業(yè)與社會對于電力的安全運用需求，促進社會生活與經(jīng)濟的健康發(fā)展。在國家大力推進新能源發(fā)電技術以及先進特高壓電網(wǎng)技術下，“十四五”時期又著重強調(diào)了特高電壓外輸電通道的傳輸以及效率的研發(fā)工作，目的是確保電力輸出的傳輸效率?？梢圆扇　帮L電+”“光伏+”等開發(fā)模式，也可以在荒山丘陵、公路鐵路、邊坡等空間資源的土地進行建設。在建設以及開發(fā)的過程中建立大數(shù)據(jù)中心的信息產(chǎn)業(yè)，更利于推動與其融合的建設發(fā)展。

西南地區(qū)主要以河流為主，可以利用各大河流進行水電調(diào)節(jié)。對外送通道輸送能力進行開發(fā)以及提升，通過優(yōu)化布局的方式促進規(guī)?；l(fā)展。在優(yōu)化的過程中，需要先對周邊的資源進行勘查，合理化利用周邊的資源，建設綜合基地，確保新能源市場的發(fā)展建設。同時，還可以降低風電的成本費用問題。在“十四五”時期也難以實現(xiàn)平價。在風能資源建設的過程中可以結合沿海城市的經(jīng)濟發(fā)展水平確定發(fā)展規(guī)模和補貼方法。海上風電的發(fā)展規(guī)律主要以海上項目為主，主要穩(wěn)步推進離海岸線較遠的項目建設，也便于研究深海一體化漂浮式風電技術。

4.2 發(fā)展儲能，促進高比例消納

可再生能源的發(fā)展下，在電力系統(tǒng)中出現(xiàn)了很多短板的問題，這些短板問題制約了大規(guī)模發(fā)展可再生能源的發(fā)展，而若想實現(xiàn)碳中和，促進可再生資源的發(fā)展，需要積極響應國家對發(fā)展儲能的要求，才能實現(xiàn)可再生資源發(fā)展。在2020年年末時，我國在儲能上的容量達到了290千瓦，但非水可再生能源的比例逐漸提高，電力系統(tǒng)的能源儲能需要逐漸提升。根據(jù)數(shù)據(jù)比例進行分析，要想滿足電力系統(tǒng)的調(diào)節(jié)要求，則需要不斷地改進，定位目標在2030年時儲備抽水蓄能裝備機的容量達到1.4億千瓦為宜，2060年要達到1.7億千瓦。從抽水蓄能的角度進行分析，我國抽水蓄能站的資源較為有限。要想實現(xiàn)新能源高比例的消納目標，就要對儲能進行調(diào)節(jié)與規(guī)劃。抽水儲能電站也應該進行資源調(diào)查，明確其建設規(guī)模的同時制定好發(fā)展布局，推動大型抽水蓄能電站的建設與發(fā)展，也能夠加快新項目的建設和新能源的發(fā)展。在電化學的新型儲能，要推動電源側、電網(wǎng)側等建設，更要合理安排布局，也要重點對儲能技術進行研究，提高電池制造水平的同時還要提高電池的容量和密度，更要降低其成本、控制使用安全、延長使用壽命。

4.3 新能源領域創(chuàng)新研發(fā)力度持續(xù)增強

新能源領域的創(chuàng)新研發(fā)需要大量的資金支持，更需要關鍵的設備對其技術進行研發(fā)?，F(xiàn)今具備的研發(fā)評價體系應該借助美國、德國等經(jīng)驗建立可再生能源的實驗室，并以此為紐帶創(chuàng)新研發(fā)資源，確保前沿技術的研發(fā)與創(chuàng)新。另外，也可以征求業(yè)界的建議和意見，能夠在發(fā)展中制定長期技術發(fā)展以及創(chuàng)新的目標，對國家新能源開發(fā)與技術研究創(chuàng)立專項，并調(diào)動全產(chǎn)業(yè)鏈的技術進行創(chuàng)新。國家也要完善知識產(chǎn)權的法律法規(guī)，建立更為全面的執(zhí)行體系，進而激發(fā)企業(yè)技術創(chuàng)新的積極性，推動產(chǎn)業(yè)的升級和新能源大規(guī)模的發(fā)展建設。

4.4 破除體制障礙，建立市場決定電價的機制

國家在碳中和背景下發(fā)展新能源，需要推翻原有的資源稟賦依舊不均衡的問題，在發(fā)展中需要打破一些制度的束縛，加強新能源發(fā)展的精準性。需要更多靈活性資源。目的是為電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定高效運行提供有利的支撐。從目前的電力市場品種進行分析，目前市場上電力品種資源豐富化，這些電力品種按照長短等進行分解后，需要實現(xiàn)現(xiàn)貨交易，進而才能夠實現(xiàn)連續(xù)交易，對此，要破除體制的障礙，企業(yè)需要不斷完善價格的交易機制，建立市場決定電價的機制，確保市場具有競爭性，對儲能大規(guī)模的發(fā)展提供了有力的保障。在推動市場發(fā)展的基礎上，還需要擴大市場的交易范圍，這樣才能夠打破省級之間的壁壘，也能夠建立綠色的市場化交易平臺，通過價格機制的確定體現(xiàn)新能源的綠色低碳屬性，也能夠推動我國碳中和的發(fā)展和目標的實現(xiàn)。

5 結語

在“十三五”時期，我國新能源的發(fā)展成效較為顯著，新能源已經(jīng)從備用能源逐漸轉變?yōu)橹δ茉?，其階段是新能源的重要發(fā)展階段，但在新能源的發(fā)展階段中我國也面臨了國土空間、系統(tǒng)成本、技術創(chuàng)新等方面的問題?！笆奈濉睍r期，新能源的布局推動了其大規(guī)模的發(fā)展和建設，對此，要持續(xù)增加其研發(fā)的力度，進而為碳中和目標的實現(xiàn)奠定良好的基礎保障。