我國能源轉型過程中，需要攻克的技術瓶頸有哪些？

4月27日，由中電聯(lián)與國家電網公司等共同主辦的首屆電力行業(yè)科技創(chuàng)新大會在北京召開。當前我國能源電力產業(yè)發(fā)展迅速，轉型步調穩(wěn)健，可再生能源裝機量不斷增長。與此同時，我國目前仍以化石能源消費為主的現(xiàn)狀以及未來電力系統(tǒng)大量接入新能源，為能源電力轉型發(fā)展帶來新挑戰(zhàn)，仍需各類科技創(chuàng)新持續(xù)助力。

 

新能源產業(yè)發(fā)展迅猛

 

國家能源局總工程師向海平用一組數(shù)據介紹我國近年在電力安全保供能力及綠色低碳轉型方面的“成績單”：截至2022年底，我國電力裝機規(guī)模達到25.6億千瓦，發(fā)電量8.8萬億千瓦時，均穩(wěn)居世界第一。過去十年，我國非化石能源消費比重提高7.8%，其中2022年非化石能源發(fā)電裝機占比49.6%，特別是風電、太陽能發(fā)電快速發(fā)展，年發(fā)電量首超1萬億千瓦時，相當于10個三峽電站的發(fā)電量。

 

具體到新能源產業(yè)，我國風電、光伏發(fā)電裝機容量居全球第一。“2021年，風電裝機約3.3億千瓦，發(fā)電量6526億千瓦時，占比7.7%；光伏發(fā)電裝機3.1億千瓦，發(fā)電量占比3.8%，風、光總發(fā)電量占比11.5%。”中國工程院院士湯廣福指出，我國新能源發(fā)展快空間大，但相對值較低。

 

湯廣福進一步分析，從水電和核電看，常規(guī)水電開發(fā)量達6.9億千瓦，裝機容量3.5億千瓦，約占我國總裝機的14.9%，發(fā)電量占比為7%；核電總裝機容量0.53億千瓦，約占全國總裝機的2.2%。

 

“目前我國儲能裝機容量達4600萬千瓦，占全球總裝機的22%，其中化學儲能裝機占比為12.5%；氫能產量居世界首位，但綠氫占比仍然較低，其中天然氣和煤制氫占80%。預期2030年，氫能的終端消費比達到5%，2050年達到10%。”湯廣福介紹。

 

目前我國已建成橫跨東西、縱貫南北、覆蓋全國、連通周邊有關國家的能源基礎設施輸送網絡，“西電東送”能力超3億千瓦，比2012年增長1.6倍。

 

轉型仍面臨多重挑戰(zhàn)

 

基于當前我國化石能源的生產和消費情況，湯廣福指出，要清醒認識到化石能源仍是消費主體的現(xiàn)實。他表示，我國能源轉型仍面臨幾大挑戰(zhàn)，“首先，如何發(fā)揮煤炭兜底保障作用。2060年我國煤電裝機大約達7億千瓦，這部分機組如何變成新型靈活性機組是個問題；其次，要找尋并開發(fā)油氣戰(zhàn)略性接替資源，我國目前在非常規(guī)油氣開發(fā)、深井設備、核心技術以及海上油氣開發(fā)相關技術方面都還有瓶頸。”

 

中國科學院工程熱物理研究所副所長呂清剛也認為，能源轉型要著重考慮可再生能源大量接入后系統(tǒng)所需的靈活調峰資源。“平抑可再生能源波動性和穩(wěn)定需求之間的矛盾是重要課題，需要調峰電源支撐，當前兩大技術方向主要是儲能和煤電靈活性調峰。”

 

呂清剛進一步指出，目前我國在物理儲能和化學儲能方面已與國際技術不相上下，未來應大力發(fā)展大規(guī)模、長周期、高效率、低成本的儲能技術。“但同時，儲能還不能完全解決現(xiàn)存調峰問題。未來大量可再生能源接入后系統(tǒng)對煤電機組調峰要求會更苛刻，所以煤電調峰改造也將面臨安全、經濟和效率問題。”

 

持續(xù)挖掘技術創(chuàng)新潛力

 

在能源轉型形勢下，電力行業(yè)正不斷挖掘科技創(chuàng)新潛力。

 

據向海平介紹，我國新技術新模式新業(yè)態(tài)逐步培育壯大，主流儲能技術總體達到世界先進水平，電化學儲能、壓縮空氣儲能技術進入商業(yè)化示范階段。虛擬電廠、智慧能源站等各類新技術、新模式、新業(yè)態(tài)持續(xù)涌現(xiàn)，對能源產業(yè)發(fā)展產生深遠影響。

 

據了解，對于新能源大量接入帶來的問題，柔性直流和直流電網是實現(xiàn)新能源友好接入、服務構建新型電力系統(tǒng)的關鍵技術。

 

“新能源隨機性、波動性大，與電網負荷特性不匹配，其接入電網末端會使得電網網架薄弱，加之變流器耐受能力低，還會導致系統(tǒng)擾動并易發(fā)生連鎖脫網。而柔直電網的電壓高度可控，可以自主建立穩(wěn)定電壓，并將電網中心搬到新能源并網點。加之其具有暫態(tài)性能好、接入范圍廣、并網規(guī)模大的特性，可將不同類型的能源及不同區(qū)域的機組互濟互補。”國家電網公司特高壓事業(yè)部副主任黃勇解釋。

 

在科技部原秘書長張景安看來，當前數(shù)字化浪潮正促進電力行業(yè)加快數(shù)字化轉型。

 

“隨著數(shù)字電網快速發(fā)展，電力裝備面臨快速精準實時響應、多元化數(shù)據融合、安全可信數(shù)據傳輸、多樣化業(yè)務協(xié)同等挑戰(zhàn)。而伴隨新型電力系統(tǒng)加快建設，越來越多的電力終端部署在開放環(huán)境下，電力系統(tǒng)網絡安全邊界逐漸模糊、裝置運行環(huán)境苛刻，實現(xiàn)以甚于芯片內生安全的裝備安全防護，將是未來電力工控裝備的重要發(fā)展要求。”南方電網公司數(shù)字集團總經理李鵬指出，未來在網絡化、數(shù)字化、智慧化的新型電力系統(tǒng)中，芯片是承載數(shù)字電網算力、算法、算元的關鍵載體，將成為建設運行數(shù)字電網的關鍵基礎。

 

“南方電網公司目前已成功研制首套芯片化繼電保護裝置和首顆全國產電力專用芯片，形成電力專用芯片‘創(chuàng)新架構—高效集成—自主算法—安全可控’的原創(chuàng)技術鏈系。在配用電領域，基于‘伏羲’芯片研制全國產配電自動化終端、集中器、智能開關等裝置，能夠支撐裝置實現(xiàn)實時/非實時多業(yè)方協(xié)同運行、內核級錯識檢測與冗余備份。”李鵬說。