以新动力为主体的新式电力系统展开路线图

　　在碳达峰、碳中和方针布景下,国内外学者关于构建新式电力系统展开了相关研讨,但没有构成清晰的新式电力系统的演进趋势剖析、支撑技能系统和展开路线图。本文讨论动力革新趋势,立异论述电力系统演进,并结合新式电力系统特色提出支撑技能系统,从而为构建新式电力系统指明展开路线图,以期为碳达峰、碳中和方针下的动力电力职业展开供给参阅与学习。

　　新一轮的动力革新布景来自于三方面局势:一是传统化石动力日益缺少;二是动力相关的排放和污染问题日益严峻;三是动力安全问题日益杰出。

　　传统化石动力缺少是全世界面对的长期问题,化石动力消费量添加继续超越化石动力新增储量,构成煤炭、石油、天然气等化石动力储采比在曩昔30年中继续下降。

　　结合天然资源部发布的《我国矿产资源陈述2021》与国家动力局关于化石动力消费量的统计数据,以及学者关于我国化石动力储采比的剖析,大略估量我国石油、天然气和煤炭储采比分别处于10、25~30和30~35。其间,我国石油的储采比估计将长期处于10左右。

　　动力相关的排放和污染问题也日益严峻。2020年,我国二氧化碳排放总量约110亿t,其间动力职业约占80%,而电力职业碳排放占动力职业的比重超越40%,动力电力职业现已成为碳达峰、碳中和的主战场,大规划展开新动力现已成为碳中和的必经之路。一起我国二氧化硫、氮氧化物、颗粒物等大气污染物排放近年有所下降,但仍然处于较高水平,每年因为空气污染构成外部本钱超越2000亿元,进一步推动着动力职业的转型减排。

　　动力的安全问题也是新一轮动力革新有必要处理的重要问题。2020年我国石油对外依存度为73%,天然气对外依存度43%,安全问题火烧眉毛。构建以新动力为主体的新式电力系统,有助于实国家动力安全新战略,下降油气对外依存度,增强我国动力供应的耐性和弹性。

　　整体来看,新一轮动力革新的任务,便是处理传统动力系统面对的缺少、污染与安全三大问题,构建清洁、低碳、安全、高效的动力系统,推动碳达峰、碳中和国家战略执行。新一轮动力革新是我国活跃应对全球气候改动应战,构建人类命运共同体的大国担任,也是构建“双循环”的新展开格式,前进国家竞赛力的战略布置。依据国家方针布置,新一轮动力革新的趋势与节点如下:

　　2025年绿色低碳循环展开的经济系统开端构成,要点职业动力运用功率大幅前进。单位国内出产总值能耗比2020年(1.28t/万元)下降13.5%;单位国内出产总值二氧化碳排放比2020年下降18%;非化石动力消费比重到达20%左右;森林覆盖率到达24.1%,森林积蓄量到达180亿m3。

　　2030年,经济社会展开全面绿色转型获得明显成效,要点耗能职业动力运用功率到达世界先进水平。单位国内出产总值二氧化碳排放比2005年下降65%以上,非化石动力消费比重到达25%左右,风电、太阳能发电总装机容量到达12亿kW以上。森林覆盖率到达25%左右,森林积蓄量到达190亿m3,二氧化碳排放量到达峰值并完成稳中有降。

　　2060年,绿色低碳循环展开的经济系统和清洁低碳安全高效的动力系统全面树立,动力运用功率到达世界先进水平,非化石动力消费比重到达80%以上。

　　综上所述,在动力面对的三大问题和国家方针推动下,动力职业正在迎来新一轮革新,动力展开将出现以下趋势:(1)一次动力由化石动力为主逐渐向以可再生动力为主改动;(2)二次动力由以电为主向电氢结合为主改动;(3)动力工业由“产、供、用”相对独立向概括服务系统改动;(4)动力职业由自成一体向与其他职业深度交融改动。

　　在新一轮动力革新的浪潮中,电力系统也在逐渐演进转型。传统电力系统的特色首要有:一是以火电等化石动力发电为主体;二是即发即用,调理才能单薄,构成弃风弃光弃水现象严峻;三是发电、输电、用电别离。

　　依据世界动力署关于电力系统的可再生动力占比阶段区分,我国正在迈向高份额可再生动力阶段,不只需求引进需求侧办理与储能技能,更要杰出新动力的主体位置并引进支撑技能系统。

　　在“双碳”方针的布景下,旧有的电力系统现已不能满意碳排放要求,构建新式电力系统现已成为必然趋势。新式电力系统应赶快清晰新动力主体位置,施行可再生动力代替举动,大力展开风能、太阳能、生物质能、海洋能、地热能等。

　　以新动力为主体的新式电力系统的任务,是习惯大规划可再生动力开发,处理现有动力电力的缺少、污染与安全的三大问题。新式电力系统相关于传统电力系统,不是简略的代替更新,而是一场革新。

　　在新式电力系统的构建中,不是要新动力习惯电网,而是要电网习惯新动力,让电网回归到运用动力手法的定位,让电力系统回归到更好满意经济社会的用能需求的这个底子意图。

　　构建以新动力为主体的新式电力系统,不能单一连续以往的大电网思想,寻求大而全的电网来完成新式电力系统是低功率和行不通的。构建新式电力系统,还要展开其他电力传输手法,要坚持会集式与分布式共同展开,在前进电网对高份额可再生动力的消纳和调控才能的一起,大力展开局域电网、智能微网等技能手法,推动风能、太阳能就地就近消纳运用。选用“低碳化、数字化、去中心化”等立异思路,脱节对传统的大电网、大电厂方法的依靠,清晰途径和方针,将推动电网体制改革、展开新式电网作为重要途径。

　　因而,在新式电力系统的演进中,依照可再生动力份额将演进进程分为三个层面,并终究经过“三步走”建成新式电力系统并完成“双碳”方针:

　　(1)可再生动力发电占比达25%~50%,占比初次超越火电,到达相对大都位置,即各类发电中占比最多的方法。

　　(2)可再生动力发电占比达50%~80%,占比超越一半,到达绝对大都位置,即树立主体位置,不只是电力供应数量的主体,并且是能够保证新式电力系统安全安稳运转的功用主体与职责主体。

　　(3)可再生动力发电占比达80%~90%,主体位置明显,传统发电方法仅作为弥补和隶属,合作氢电互补、生物动力与碳捕获和贮存(bioenergy with carbon capture and storage, BECCS)、植树造林等其他手法,完成碳中和方针。新动力与工业、交通等其他职业的用能方法深度耦合,“新动力+”、动力互联网等新业态高度完善,有力支撑电气化、低碳化、数字化、智能化、交互化的未来社会动力愿景。

　　构建新式电力系统的三个层面,是一个动态的演进进程,如图1,在不同层面都需求充沛重视和妥善处理以下两个问题:

　　(1)针对性的方针扶持。第一层面的演进进程中,需求针对性地采纳风景火储一体化、光伏整县开发、隔墙售电、东数西算等扶持方针。相同的,在未来更高层面的演进进程中,也需求依据新动力开发的技能特征与本钱特性改动,不断迭代优化新动力展开方法和扶持方针。

　　(2)需求统筹社会用能的承受才能、安全束缚和经济本钱。构建新式电力系统不能一蹴即至,需求充沛与社会用能进行交流和谐。新式电力系统要做到“三平衡”,即电力平衡、能量平衡[23]和价值平衡,而其间的价值平衡需求充沛与社会用能需求进行交流和谐。不同层面的新式电力系统,需求充沛考虑社会相应展开阶段新建系统本钱、火电退出本钱、低碳用能本钱的承受才能。

　　以新动力为主体的新式电力系统的概念进一步延伸,即以新动力为主体的新式动力系统,具有以下重要特征:(1)可再生动力占有主体;(2)电网调理才能明显增强;(3)电网由会集为主,向会集与涣散偏重转型;(4)氢能在二次动力比重不断添加。清晰以上新式动力系统的四大重要特征,咱们就能够得出新式电力系统演进进程的四个阶段。

　　跟着近十年来新动力的工业方针扶持、技能资源集合和本钱继续投入,新动力发电本钱出现快速下降趋势。电力系统的可再生动力占比从小于15%,将逐渐上升,这一阶段中电网开端加强需求侧办理和智能调控。

　　在这一阶段趋势中,可再生动力占比到达15%~50%,可再生动力发电本钱继续下降,学者遍及估计2026年前后我国陆优势电、光伏的平准化度电本钱(levelized cost of energy, LCOE)将低于燃煤发电。

　　在这一阶段趋势下,电网开端展开大规划储能及辅佐调峰调频配备,抽水蓄能、压缩空气储能、电化学储能等电力灵活性资源受到重视,以储能和调峰才能为根底支撑的新增电力装机展开机制逐渐构成。

　　但是新动力接入电网节点时的本钱,并不代表终端用户电能本钱。当新动力电量浸透率超越15%后,电网系统本钱将明显上升,减少煤电带来的系统本钱也将闪现,终究构成大电网的本钱优势在这一阶段中逐渐损失。

　　在这一阶段趋势中,可再生动力占比到达50%~80%,新动力获得主体位置,大电网出现本钱、功率方面的缺乏,而区域电网、智能微网快速展开,动力供给与动力消费一体化、就地化、才智化的趋势益发明显。

　　动力电力与工业系统逐渐出现高度耦合,动力种类价格逐渐走向商场化,节能、高效、贱价成为绳尺,竞赛性环节电价全面铺开。动力开发出现分布式与会集式偏重,才智动力呼应技能快速展开。

　　以数字电网为纽带,数据流和信息流完成有序活动,电力流和动力流充沛打通。5G、大数据、云核算等数字根底设施,碳脚印、电脚印等计量根底设施走向齐备。区块链等去中心化技能支撑的碳商场、电力商场根本成型,构成动力电力与社会资源的优化配备。

　　新动力主体带来的系统平衡本钱、安全保证本钱等逐渐下降,新式电力系统安全耐性增强,应对极点气候、天然灾害、突击损坏、网络进犯的电力安全理论和防备危险系统走向完善。

　　在这一阶段趋势中,可再生动力占比到达80%以上,氢能社会与电气社会出现并存态势,新动力为主体的新式电力系统彻底建成,并完成2060碳中和方针。

　　在这一阶段中电力系统“三平衡”手法,走向电氢耦合、概括动力、跨网互济。“大云物移智链”等数字化支撑技能高度发达,源网荷储各个环节商场买卖高度展开,工业、交通、修建等跨职业交互频频,动力流、电力流、资源流、信息流、碳流、资金流高度耦合,经济社会的碳中和转型全面完成。

　　新式电力系统展开离不开支撑技能系统的前进,新式电力系统的支撑技能系统可概括为四大系统,分别是大规划可再生动力开发技能系统、电网调峰调频技能系统、局域网及微网构建技能系统、氢能及其概括运用技能系统,如图2所示。

　　我国大唐集团结合战略需求,在四大系统中精准布置了各项研制要点。其间大规划可再生动力开发技能系统方面,太阳能板块要点布局新式高效光伏发电技能,包含新材料及新式组件,以及先进光热发电与熔盐储热技能。在风能板块,要点展开漂浮式深远海发电技能和海优势电点评技能研讨,一起活跃探究高空发电技能(高空风筝等)和高原风力发电技能。

　　估计我国2030年风景装机容量将到达17亿kW以上,发电量占比约24%,2060年风景装机容量将到达50亿kW以上,发电量占比约67%,大规划可再生动力开发技能系统应当赶快树立。跟着新动力浸透率的前进,电力平衡、能量平衡和价值平衡等“三平衡”问题也将日益凸显,在大规划可再生动力开发技能系统下攻关高功率、低本钱的先进风景发电技能,探究“整县开发”、“隔墙售电”、“东数西算”就地消纳等新方法,也是前进电力系统耐性、下降社会用电本钱的要害举动。

　　以新动力为主体的新式电力系统将出现“一低、两高、双峰、双随机”特色,即低系统转动惯量、高份额新动力与高份额电力电子配备、夏冬负荷双顶峰、发电出力和用电负荷双侧随机动摇,关于电网调峰调频技能系统的需求日益激烈。

　　在电网调峰调频技能系统方面,我国大唐集团系统展开了电力电子、智能调度、调相技能、需求侧办理等中心技能攻关,推动虚拟电厂建造和自动需求呼应,构建源网荷储和谐运转的新方法、新业态。

　　与此一起,我国大唐集团大力展开各类储能技能,包含抽水蓄能、压缩空气储能、飞轮储能等物理储能,钠离子电池、铝离子电池、液流电池等化学能,攻关多种储能方法的耦合技能。

　　依托国家级科技项目支撑,以压缩空气储能技能为抓手,我国大唐集团着力打破大规划、长周期、高安全、低本钱的储能技能,力求改动电能难以存储的传统认知,依托同享储能、独立储能等新方法推动新式电力系统中储能资源的商场化。

　　展开局域网及微网构建技能系统,是疏通动力在传统电力系统中出产、活动、分配和消费等各环节堵点,加快数字化、才智化、商场化的重要途径。咱们以为,分布式与会集式并重将成为未来动力的干流供需方法,大电网与配电网、微网的互动方法都将在概括动力、数字孪生、人工智能等技能支撑下迎来严重打破。

　　在局域网及微网构建技能系统方面,我国大唐集团活跃推动概括动力、能量办理、动力管家、智能微网等前沿方向研制,在电动汽车入网技能(vehicle to grid, V2G)、光伏修建一体化(building integrated photovoltaics, BIPV)、智能用电、机器学习、负荷猜测、数据中台等中心支撑技能上着力打破。

　　一起大力推动局域网及微网构建技能系统在零碳新城、低碳小镇、才智园区、才智楼宇等不同规划场景的落地运用,加快新式电力系统向多商场主体互动、多能互补、资源互济、生态化共存的共赢方法改动。

　　氢能及其概括运用技能系统,是支撑电氢结合的二次动力系统构成的重要技能途径,也是构建氢能社会与电气社会并存的碳中和愿景的重要技能手法。氢能将是新式电力系统“三平衡”的重要手法,在长期标准下绿氢将成为重要的化学储能方法、就地消纳方法和概括运用方法。

　　2021年6月发布的《我国大唐集团有限公司碳达峰碳中和举动大纲》提出,在氢能及其概括运用技能系统中要点布局绿氢制备、储氢储能等技能研讨,在质子交流膜(proton exchange membrane, PEM)电解水制氢配备、孤网制氢工业链“链长”等要害配备和工业链建造方面继续发力,推动吉林白城孤网制氢基地建造,探究天然气掺氢、输氢管道、固体氧化物燃料电池(solid oxide fuel cell, SOFC)、海水制氢等电氢结合支撑技能。

　　一起咱们高度重视氢能的概括运用,立异提出“东碳西汇”概念,继续攻关“清洁制氢+绿色化工”动力化工耦合系统,服务集团煤化工脱困与低碳化转型,从而推动绿氢交通、绿色化工氢能冶金、氢进万家等概括运用。

　　(1)结合电力系统的演进阶段区分,各省能够研判现在所在的展开阶段,确认本身展开战略,即“一省一策”。沿海区域现在处于第一阶段,要点在于推动新动力资源开发,获得“量”的打破,而“三北”区域开端步入第二阶段,需求发力新动力大基地建造,并推动科技项目策划,获得新动力资源开发“质”的打破。

　　(2)同享储能现已成为调峰调频技能的新趋势、新方法,现有发电侧强配储能方法将会逐渐优化过渡到数字化、才智化和商场化的储能商场买卖方法。在储能展开新方法下,抽水蓄能、压缩空气储能等大规划储能将成为新式电力系统展开的刚需,各类储能技能的耦合互补“组合拳”也将成为新趋势,主张及时发动方针保证和监管。

　　(3)电力系统演进至第三阶段时,可再生动力占比到达50%~80%,具有转动惯量及调峰调频功用的煤电、气电、水电将在局域网、微网构建中闪现优势,构成局域网的中心。光热技能、超临界二氧化碳发电技能、压缩空气储能技能等,也将在这一阶段的局域网及智能微网构建中得到广泛运用。需求决议出产也是这一阶段的重要特色,客户资源将成为各类动力供货商的竞赛要点。

　　(4)迈向碳中和年代,氢能是动力工业转型的重要途径,也是经济社会和工业系统重构的重要抓手。尽管电力系统演进具有阶段性,但氢能既是二次动力,又有储能优势,不只是在电力系统演进的第四阶段才走上舞台,而是从第二阶段开端氢能及概括运用技能就逐渐运用于新式电力系统建造和与其他职业的深度交融。因而,氢能及其概括运用技能系统的研制攻关应当尽早发动并大力推动。

　　张勋奎. 以新动力为主体的新式电力系统展开路线图[J]. 分布式动力，2021，6（6）：1-8.

　　张勋奎：我国大唐集团新动力科学技能研讨院董事长、党委书记，正高级工程师，国家发改委“揭榜挂帅”项目首席专家，海南省严重科技项目首席专家，我国电机工程学会理事，东南大学客座研讨员，首要从事新动力规划、新式电力系统研讨。

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