面向2030 碳達峰的鄂爾多斯電力儲能規(guī)模探究

白 楊 張云鶴

（鄂爾多斯市碳中和研究應用有限公司,內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000）

鄂爾多斯市位于內(nèi)蒙古自治區(qū)的西南部，總面積8.7萬平方千米，人口220萬，是內(nèi)蒙古經(jīng)濟第一大市。自2022年以來，鄂爾多斯地區(qū)生產(chǎn)總值連續(xù)跨越4 000億、5 000億兩個千億級大關，達到了5 600億元，人均GDP全國第一[1]。鄂爾多斯市資源富集，是國家重要能源和戰(zhàn)略資源基地。該市煤炭探明儲量2 017億噸，約占全國的1/6，預測總儲量在1萬億噸以上；天然氣探明儲量8 017億立方米，約占全國的1/3[2]。風能、太陽能開發(fā)潛力在1.4億千瓦以上[3]。

鄂爾多斯市欣欣向榮的發(fā)展勢頭令人欣喜，但是同時也應注意到，作為工業(yè)產(chǎn)業(yè)以煤為主體的城市，其單位生產(chǎn)總值能耗與人均二氧化碳排放量均居全國第一[4]。鄂爾多斯市碳排放每年2億噸左右，其中發(fā)電行業(yè)產(chǎn)生一半以上碳排放。由此可見，鄂爾多斯市電力行業(yè)低碳轉(zhuǎn)型發(fā)展勢在必行。

1 鄂爾多斯市電力系統(tǒng)現(xiàn)狀

截至2023年11月，鄂爾多斯市并網(wǎng)及擬建在建火電裝機規(guī)模4 923萬千瓦，其中并網(wǎng)運行火電裝機3 559萬千瓦，擬建在建火電裝機1 364萬千瓦。全市獲批新能源總規(guī)模 5 797萬千瓦，整體批復規(guī)模居全國地級市首位，已建成新能源裝機676萬千瓦，在建新能源規(guī)模1 725萬千瓦[5]。全市儲能建成投運裝機規(guī)模35.9萬千瓦；保障性并網(wǎng)、市場化并網(wǎng)新能源配建儲能及獨立式儲能等15個裝機共194千瓦儲能電站項目正在推進[6]。

從發(fā)電及用電情況來看，2022年全市規(guī)模以上工業(yè)發(fā)電量1 471.6億千瓦時，其中燃煤發(fā)電量1 399.2億千瓦時，占比95.1%。在全市發(fā)電量中，外送電量589.2億千瓦時，占比40%；自用部分電量882.4億千瓦時，占比約60%。而在自用部分中，全市化工、冶金、電力、煤炭重點行業(yè)消費電力646億千瓦時，占自用總量73%[7]。

2 2030年全市電力組成研判

關于鄂爾多斯2030年電力規(guī)模及組成的參考來源主要如下。一是市委、市政府印發(fā)的《鄂爾多斯市建設國家重要能源和戰(zhàn)略資源基地的具體措施》中明確提出，2025年新能源裝機0.59億千瓦，煤電裝機0.45億千瓦；2035年新能源裝機2億千瓦，煤電裝機0.5億千瓦；二是《鄂爾多斯建設世界級能源產(chǎn)業(yè)實施方案》中明確提出，在2030年鄂爾多斯新能源裝機達到1億千瓦、火電裝機5 000萬千瓦；三是參考《鄂爾多斯煤電節(jié)能降耗與靈活性改造行動計劃（2021—2024）》對煤電機組三改聯(lián)動改造要求及進度安排。

綜上資料分析，并結(jié)合鄂爾多斯市電力系統(tǒng)現(xiàn)狀、風光自然資源稟賦條件及電力規(guī)劃設計總院對鄂爾多斯總體風光可開發(fā)規(guī)模等相關規(guī)劃，預期2030年鄂爾多斯新能源裝機將達到1億千瓦，其中光伏6 500萬，風電3 500萬，火電裝機5 000萬，火電深調(diào)能力預期達到額定裝機的70%。

3 2030年鄂爾多斯市電力消納預期

綜合分析鄂爾多斯市電力發(fā)展情況，預計2030年該市電力消納主要方式為特高壓通道外送、風光離網(wǎng)制氫、本地負荷消納，具體詳情如下。

3.1 特高壓通道外送

鄂爾多斯市現(xiàn)已建成蒙西至天津南、上海廟至山東兩條特高壓外送通道，其中蒙西—天津南1 000千伏特高壓交流輸變電通道，設計之初是全部輸送火電電能，目前根據(jù)鄂爾多斯新能源發(fā)展需求和用能端對清潔能源的用能需求，正在接入400萬千瓦光伏，提高通道利用率的同時，減少發(fā)電端和用能端的碳排放；上海廟—山東臨沂±800千伏特高壓直流輸電，除了傳輸鄂爾多斯市風、光、火電能源，還起到輻射巴彥淖爾市、阿拉善盟的帶動作用，預計帶動兩市320萬千瓦風光新能源通過外送通道將新能源送出[8]。此外，鄂爾多斯市正在規(guī)劃新建庫布齊北部、南部兩條±800千伏特高壓直流通道，并在持續(xù)爭取其他高壓外送通道。

參照《鄂爾多斯建設世界級能源產(chǎn)業(yè)實施方案》及各個高壓外送通道規(guī)劃，預計2030年外送輸電能力達到4 000萬千瓦，外送新能源規(guī)模達到4 480萬千瓦。其中，風電預計達到1 340萬千瓦，光伏預計達到3 140萬千瓦；同時，配套煤電規(guī)模達到 2 660萬千瓦，儲能900萬千瓦·4小時。

3.2 風光離網(wǎng)制氫

風光新能源發(fā)電的不穩(wěn)定性決定了電網(wǎng)對新能源消納能力有限，下一步新能源孤網(wǎng)、離網(wǎng)現(xiàn)象將逐漸增多。新能源離網(wǎng)模式的核心是通過儲能系統(tǒng)和先進的控制策略，使新能源發(fā)電系統(tǒng)能夠在獨立于主電網(wǎng)的情況下穩(wěn)定運行。這樣不僅可以減少對主電網(wǎng)的沖擊，還能提高新能源的利用率，使其在能源結(jié)構中發(fā)揮更大的作用。

作為國家現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)示范區(qū)和煤制油氣戰(zhàn)略基地，鄂爾多斯市灰氫產(chǎn)業(yè)規(guī)模非常大，全市燒堿副產(chǎn)氫產(chǎn)能約為3.6萬噸，焦化產(chǎn)能副產(chǎn)物焦爐煤氣中含氫氣16萬～25萬噸氫氣，年氫需求大于20萬噸/年?；覛涞膬?yōu)點是成本低、工藝簡單、輸送費用低、生產(chǎn)與使用在同一場景，但缺點是產(chǎn)生大量碳排放和污染物。未來當綠氫成本進一步下降、碳排放成本進一步增高，綠氫和灰氫價格終將達到平衡點，綠氫市場前景非常廣闊。并且對于孤網(wǎng)、離網(wǎng)的不穩(wěn)定新能源電源利用，制氫就是非常有效的消納途徑。目前，鄂爾多斯市已經(jīng)開展風光離網(wǎng)制氫測試項目，并通過政策扶持、技術創(chuàng)新和市場機制等手段，促進新能源與氫能兩大產(chǎn)業(yè)的協(xié)同發(fā)展，力爭創(chuàng)建國家氫能應用示范基地。

從本地消納能力、外送規(guī)模及全市用能需求展望全面評估，預計離網(wǎng)制氫規(guī)模將達到新能源體量20%。按照風光制氫一體化標準，一般要配置一定儲能以保障運行時間，預計本范圍的配儲規(guī)模為15%·4小時，即300萬千瓦·4小時。

3.3 本地負荷消納

除了外送和離網(wǎng)部分，其余發(fā)電量由本地負荷進行消納，預計該部分火電3 240萬千瓦，風電2 160萬千瓦，太陽能3 360萬千瓦。該部分配儲規(guī)模預判相對復雜，為了準確預測鄂爾多斯市的電力儲能規(guī)模，需要建立詳細的數(shù)據(jù)模型進行模擬分析。首先，選取鄂爾多斯市正常天氣下光伏及風電典型場站實測曲線，及鄂爾多斯電網(wǎng)日負荷曲線15分鐘級別精度數(shù)據(jù)作為基本值，這些數(shù)據(jù)可以真實反映鄂爾多斯市電力系統(tǒng)的運行情況和負荷特點。同時，在數(shù)據(jù)模型建立過程中，需要考慮多種因素的影響，包括可再生能源的裝機規(guī)模、火電的裝機規(guī)模及調(diào)峰能力、電力負荷的變化等。按照預測的新能源及火電裝機量進行模擬，通過構建模擬模型，可以對上述因素進行綜合分析和預測。模擬情況如圖1所示，模擬結(jié)果可以直觀地展示出2030年典型日的電力平衡需求情況。

圖1 鄂爾多斯本地負荷消納模擬

由模擬結(jié)果可知，如果按照風光全額消納，不棄風光，則需要33.6%配儲，即1 857萬千瓦·5小時，或者42.5%配儲，即2 342萬千瓦·4小時。如果將棄風光率設置在較為合理的1.5%，則需要22.4%配儲，即1 235萬千瓦·6.7小時，或者37.2%配儲，即2 054萬千瓦·4小時。綜合考慮合理棄風光率、儲能技術發(fā)展情況及2030年負荷響應能力，考慮1 235萬千瓦·4小時配儲相對合理。

4 2030年鄂爾多斯市配儲規(guī)模預期

按照上述分析可以得出，2030年鄂爾多斯市配儲規(guī)模需求總計約為2 435萬千瓦，占總新能源裝機的24.35%，儲能需求時長為4小時。在此規(guī)模下，才能保障2030年鄂爾多斯在建成以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)的情況下，新能源棄風棄光率可控，減少資源浪費；用電負荷生產(chǎn)平穩(wěn)，減少受到風光波動性導致頻繁用電需求側(cè)響應；電網(wǎng)運行安全穩(wěn)定，有充足的調(diào)峰調(diào)頻措施和能力。

對照市場化新能源項目15%·4小時的強制配儲規(guī)模來看，目前執(zhí)行的標準尚不能滿足遠期需求。從全國各省市的政策來看，上海、廣西、湖北、河北冀北等地區(qū)的強制配儲規(guī)模已經(jīng)達到20%的標準。因此，預計在經(jīng)過2～3年的調(diào)整期后，在2025年左右，鄂爾多斯市會進一步提高新能源強制配儲比例。

5 鄂爾多斯市儲能發(fā)展分析

在實現(xiàn)碳達峰碳中和目標過程中，鄂爾多斯市的電力儲能發(fā)展顯得尤為重要。對比目前全市已建成的35.9萬千瓦儲能裝機規(guī)模，2030年前鄂爾多斯市還需要完成約2 000萬千瓦儲能的投資和建設，儲能的體量規(guī)模配置、技術路線選擇等情況都將對優(yōu)化能源結(jié)構、促進可再生能源發(fā)展、保障電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行等方面產(chǎn)生深遠影響。然而，從自然條件來看，鄂爾多斯市建設大型抽水蓄能電站的可能性非常小，目前也并未規(guī)劃抽水蓄能電站，考慮儲蓄建設周期長達5年，目前尚未規(guī)劃，在2030年建成儲蓄的可能性幾乎為零[9]。因此，新增儲能項目將全部依賴于新型儲能技術的應用和發(fā)展，預期壓縮二氧化碳儲能、重力儲能、液流電池儲能、鈉離子電池儲能等先進技術將在鄂爾多斯市有大量應用空間，其也將成為各類新型儲能技術示范、推廣及規(guī)模化應用的重要場景，值得相關科研院所、高新技術企業(yè)提前布局并持續(xù)深耕[10]。

5.1 適宜鄂爾多斯的儲能形式

對照鄂爾多斯市在構建新型電力系統(tǒng)、推進能源結(jié)構轉(zhuǎn)型過程中的實際需求，共享儲能、大規(guī)模儲能和融合儲能都是對鄂爾多斯具有重要意義的儲能形式。

5.1.1 共享儲能

共享儲能是一種新型的儲能應用模式，指通過共享資源、共享設備等方式，實現(xiàn)多個用戶或系統(tǒng)之間的儲能資源共享。這種儲能形式可以有效降低用戶的儲能成本，提高儲能資源的利用效率。在鄂爾多斯市，共享儲能具有重要的應用價值，鄂爾多斯電網(wǎng)存在諸多薄弱區(qū)域，如烏審斷面、烏蘭木倫區(qū)域電網(wǎng)等在“N-1”情況下供電能力有限，達拉特光伏領跑者基地新能源外送困難。而零散的儲能難以從根本上解決這些問題，但可以通過建立共享儲能平臺，形成規(guī)?；瘍δ苣芰Γ戏稚⒌膬δ苜Y源，為電力系統(tǒng)提供更為穩(wěn)定、可靠的儲能服務。

5.1.2 大規(guī)模儲能

大規(guī)模儲能是指容量在數(shù)百兆瓦時甚至吉瓦時級別的儲能系統(tǒng)，并通過集中建設大型儲能設施，實現(xiàn)電力系統(tǒng)的大規(guī)模能量存儲和釋放。這種儲能形式可以有效解決可再生能源發(fā)電的高波動性、間歇性等問題，提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，主要用于匹配電力生產(chǎn)和消納、減輕電網(wǎng)壓力等，在發(fā)電側(cè)和電網(wǎng)側(cè)都有廣泛的應用前景。對于鄂爾多斯市，隨著新能源發(fā)電比例的不斷提高，大規(guī)模儲能的需求也日益迫切，可以通過建設大型電池儲能站、壓縮空氣儲能站、壓縮二氧化碳儲能等設施，為電力系統(tǒng)提供大規(guī)模的儲能服務。同時，還可以探索與周邊地區(qū)的合作，共同規(guī)劃建設跨區(qū)域的大規(guī)模儲能項目，實現(xiàn)能源的優(yōu)化配置和共享利用。

5.1.3 融合儲能

融合儲能是指將多種儲能技術進行有機融合，形成一個具有多種功能的綜合儲能系統(tǒng)。這種儲能形式可以充分發(fā)揮各種儲能技術的優(yōu)勢，提高整體性能和經(jīng)濟效益。在鄂爾多斯市，融合儲能具有重要的應用前景。例如，可以將電池儲能與飛輪儲能進行融合，形成一個既具有快速響應能力又具有較大容量的綜合儲能系統(tǒng)。這種系統(tǒng)既可以用于平滑新能源發(fā)電的波動性，又可以用于電網(wǎng)的調(diào)峰調(diào)頻。此外，還可以將壓縮空氣儲能與熱能儲能進行融合，形成一個既能儲存電能又能儲存熱能的綜合系統(tǒng)。儲能融合形式，將是鄂爾多斯市儲能發(fā)展的重要方向。

5.2 適宜鄂爾多斯市的儲能技術路線

鄂爾多斯市是典型的西北高原氣候，具有地廣人稀、寒冷干燥的特點，通過整體對比分析，認定以下技術路線在鄂爾多斯市電力儲能領域具有重要意義。以下將具體分析三種對鄂爾多斯電力儲能發(fā)展具有重要意義的新型儲能技術。

5.2.1 壓縮二氧化碳儲能技術

壓縮二氧化碳儲能技術是一種新型的機械儲能技術，利用二氧化碳作為工作介質(zhì)，在壓縮和膨脹過程中實現(xiàn)能量的存儲和釋放，其基本原理是在用電低谷期將電能用于壓縮二氧化碳，并將其儲存在高壓容器中，在用電高峰期將壓縮的二氧化碳釋放出來推動透平發(fā)電。因二氧化碳是比空氣更優(yōu)質(zhì)的儲能載體，可以將該技術視為壓縮空氣儲能的升級版。壓縮二氧化碳儲能技術具有能量密度高、響應速度快、環(huán)保無污染等優(yōu)點。對于單位生產(chǎn)總值能耗與二氧化碳排放量均居全國第一的鄂爾多斯市，發(fā)展該儲能技術也是將二氧化碳資源化利用的可行方向之一。

5.2.2 鈉離子電池儲能技術

鈉離子電池是一種新型的電化學儲能技術，其基本原理與鋰離子電池相似，但采用鈉離子作為電荷載體，利用鈉離子在正負極之間的遷移來實現(xiàn)能量的存儲和釋放。與鋰離子電池相比，鈉離子電池具有資源豐富、成本低廉、安全性高等優(yōu)點，最主要的是，鋰離子電池的生成原料主要依賴進口，受國際市場影響較大，而鈉離子則可以實現(xiàn)完全國內(nèi)供應[11]。鄂爾多斯市擁有多家鈉離子電池相關的研究機構和生產(chǎn)企業(yè)，鈉離子電池的研發(fā)、中試和生產(chǎn)鏈條已初見端倪，預期鈉離子電池將成為鄂爾多斯布局儲能產(chǎn)業(yè)的又一重要抓手。

5.2.3 重力儲能技術

重力儲能技術是一種利用重力勢能進行能量存儲和釋放的技術。其基本原理是將重物提升到高處儲存勢能，在需要時釋放重物發(fā)電。這種技術具有能量轉(zhuǎn)換效率高、壽命長、維護成本低、無污染等優(yōu)點。在鄂爾多斯市的一些山區(qū)或丘陵地帶，可以考慮利用地形高差及地廣人稀的地域特點，并充分結(jié)合固廢利用，建設重力儲能設施。這些設施可以在電力需求低谷時通過提升重物將電能轉(zhuǎn)化為重力勢能儲存起來；在電力需求高峰時再通過釋放重物將重力勢能轉(zhuǎn)化為電能回饋電網(wǎng)。這樣可以有效地調(diào)節(jié)電力供需平衡并減少或延緩電網(wǎng)基礎設施的投資需求。同時重力儲能還可以與其他類型的儲能設施進行協(xié)同運行和優(yōu)化調(diào)度以提高電力系統(tǒng)的整體性能和經(jīng)濟效益。

6 結(jié)語

在構建新型電力系統(tǒng)的過程中，儲能技術將發(fā)揮越來越重要的作用。隨著可再生能源發(fā)電比例的不斷提高，電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性將面臨更大的挑戰(zhàn)。儲能技術可以通過平抑可再生能源發(fā)電的高波動性、間歇性等問題，提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，還可以通過提供快速響應能力和靈活調(diào)度能力來滿足用戶需求并提高供電質(zhì)量水平。隨著電力市場化改革進程加快以及電價水平不斷攀升等因素影響下，電力市場對輔助服務需求日益旺盛且價格機制逐步完善；儲能技術可以通過提供調(diào)頻調(diào)峰等輔助服務來獲得收益，并促進自身發(fā)展壯大；同時還可以通過參與需求響應等市場機制，來優(yōu)化資源配置并提高能源利用效率水平。

在新型儲能技術的發(fā)展過程中，多種技術路線并存、互補發(fā)展是必然趨勢。在2030年，面向鄂爾多斯市2 435萬千瓦·4小時的大體量儲能需求，如何選擇更適合地域特點、城市特點的技術路線，需要政府、市場、研究機構、實業(yè)從業(yè)單位共同探索，通過各方共同努力，以期實現(xiàn)新型電力系統(tǒng)各組成部分之間協(xié)調(diào)發(fā)展，并形成良性互動關系，共同推動電力系統(tǒng)向更加清潔、低碳、高效安全的方向發(fā)展邁進。