丁仲禮:深入理解碳中和的基本邏輯和技術需求

文章來源:《黨委中心學習》雜志丁仲禮2022-08-31 15:10

電力供應端的技術需求

 
傳統(tǒng)上,電力供應系統(tǒng)包括了發(fā)電、儲能和輸電三大部分,從現(xiàn)在業(yè)界經常談到的“新型電力供應系統(tǒng)”的角度,還應把用戶也統(tǒng)籌考慮在內。從實現(xiàn)碳中和的角度,我國未來的電力供應系統(tǒng)應該具備以下六方面特點。
 
一是電力裝機容量要成倍擴大。我國目前的發(fā)電裝機容量在24億千瓦左右,如果考慮以下因素:(1)未來要實現(xiàn)能源消費端對化石能源的綠電替代和綠氫替代;(2)從世界大部分先發(fā)國家走過的歷程看,人均GDP從一萬美元到三四萬美元之間,人均能源消費量還會有比較明顯的增長;(3)風、光等波動性能源的“出工能力”只有傳統(tǒng)火電的三分之一左右,那么我國2060年前的裝機容量至少需要60億到80億千瓦。
 
二是風、光資源將逐步成為主力發(fā)電和供能資源。其中西部風、光資源和沿海大陸架風力資源是主體,各地分散式(尤其是農村)光熱資源是補充。
 
三是“穩(wěn)定電源”將從目前的火電為主逐步轉化為以核電、水電以及綜合互補的非碳能源為主。
 
四是必須利用能量的存儲、轉化、調節(jié)等技術,彌補風、光資源波動性大的天然缺陷。
 
五是火電還得有,但主要作為應急電源和一部分調節(jié)電源之用。與此同時,火電應完成清潔、低碳化改造,有條件的情況下,用天然氣代替煤炭,以降低二氧化碳排放強度。
 
六是在現(xiàn)有基礎上,成倍擴大輸電基礎設施,把西部充沛的電力輸送到中東部消納區(qū)。與此同時,加強配電基礎設施建設,增強對分布式能源的消納能力。
 
在這樣的電力供應系統(tǒng)中,碳中和本身的目標要求未來電力的70%左右來自風、光發(fā)電,其他30%的穩(wěn)定電源、調節(jié)電源和應急電源也要盡可能地減少火電的裝機總量。正因為如此,未來需要促進發(fā)電技術、儲能技術和輸電技術這三方面的“革命性”進步。
 
發(fā)電技術要為綠色低碳電力生產提供支撐。這里面需重點促進可再生能源發(fā)電技術的進步,特別是要注重發(fā)展以下技術:(1)光伏發(fā)電技術雖已發(fā)展到可平價上網的程度,但這類技術在降成本、增效率上還有潛力可挖;(2)太陽能熱發(fā)電技術對電網友好,既可保證穩(wěn)定輸出,也可用于調峰,但目前發(fā)電成本過高,未來應在材料、裝置上尋求突破;(3)風力發(fā)電技術也基本具備平價上網的條件,未來要在大功率風機制造、更高空間風力的利用、更遠的海上風電站建設上下功夫;(4)地熱分布廣、總量大,但能量密度太低,如要將地熱用于發(fā)電,還得重點突破從干熱巖中提取熱能的技術;(5)生物質能也是可再生能源,目前生物質能發(fā)電技術是成熟的,但其在總的電力供應上的占比較為有限;(6)海洋能和潮汐能的總量不小,但其利用技術有待進步;(7)傳統(tǒng)的水電我國開發(fā)程度已經較高,未來在雅魯藏布江、金沙江上游開發(fā)上還有較大潛力。
 
除以上可再生能源發(fā)電以外,社會公眾還得接受這樣的現(xiàn)實:要達到碳中和,核電還得較大程度地發(fā)展,因為核電應作為“穩(wěn)定電源”的重要組成部分。此外,火電還得在“穩(wěn)定電源”“應急電源”“調節(jié)電源”方面發(fā)揮作用,正因為如此,“無碳電力”在很長時期內是難以實現(xiàn)的,除非我們把火電站排放出的二氧化碳收集起來再予以封存或利用。
 
儲能技術在未來的電力供應系統(tǒng)中將占有突出的位置,這是因為風、光發(fā)電具有天然波動性,用戶端也有波動性,這就需要用儲能技術作出調節(jié)??梢赃@樣說,如果沒有環(huán)保、可靠并相對廉價的儲能技術,碳中和目標就會落空。儲能是最重要的電力靈活性調節(jié)方式,包括物理儲能、化學儲能和電磁儲能三大類,而靈活性調節(jié)還有火電機組的靈活性改造、車網互動、電轉燃料、電轉熱等方式和技術。
 
物理儲能主要有四類。一是抽水蓄能電站,它是最成熟的技術,我國以東部山地為依托,已建、在建和規(guī)劃中的抽水蓄能電站總量很大,但可再生能源豐富的西部如何建抽水蓄能電站還得探索。二是壓縮空氣儲能,主要是利用地下鹽穴、礦井等空間,該類技術在我國還處在起步階段。三是重力儲能,簡單地說是利用懸崖、斜坡等地形,電力有余時把重物提起來,需要電力時把重物放下用勢能做功,這類技術我國尚處在試驗階段。四是飛輪儲能,這是成熟的技術,但其能量密度不高。
 
化學儲能就是利用各類電池,大家熟知的有鋰電池、鈉電池、鉛酸(碳)電池、液流電池、液態(tài)金屬電池、金屬空氣電池、燃料電池(氫、甲烷)等。不同的電池有不同的應用場景,它們在未來的電力供應系統(tǒng)中具有不可或缺的地位,但今后會遇到電池回收、環(huán)保處理、資源供應等問題。
 
電磁儲能主要是超級電容器和超導材料儲能,目前看,它的作用還有待觀察。
 
現(xiàn)有火電機組的靈活性改造是指使其“出工能力”具備靈活性,用電高峰時機組可以發(fā)揮100%發(fā)電能力,用電低谷時只“出工”20%或30%。這個技術一旦成熟,應該非常管用,尤其在實現(xiàn)“雙碳”目標的早中期階段,應將其作為主打技術。車網互動是指電動汽車與電網的互動。簡單地說,今后大量的電動汽車整合起來就是一個非常龐大的儲能系統(tǒng),如果在電網電力有余時,它們中的一部分集中充電,而電力不足時,它們中的一部分向電網輸電,這樣就起到了平滑峰谷的作用。這個想法很美好,也有點“浪漫”,但如何將理論上的可能性轉化為實踐中的可行性,估計還得創(chuàng)新商業(yè)模式。
 
電轉燃料就是把多余電力轉化為氫氣、甲烷等燃料,電力不足時再把燃料用于發(fā)電。電轉熱儲能則是用水、油、陶瓷、熔鹽等儲熱材料把多余的電轉化為熱儲存,需要時再為用戶放熱。
 
新型電力供應系統(tǒng)的第三個主要組成部分是輸電網絡。從實現(xiàn)碳中和的邏輯分析,我國未來的電網將有以下幾個突出特點:(1)遠距離的輸電規(guī)模將在現(xiàn)有的基礎上增加數(shù)倍,意味著要把西部的清潔電力輸送到東部消納區(qū),輸電基礎設施建設的需求巨大;(2)為了統(tǒng)籌、引導大空間尺度上的發(fā)電資源和用戶需求,大電網應是基本形態(tài);(3)貼近終端用戶(如工業(yè)園區(qū)、小城鎮(zhèn)等)的分布式微電網建設將受到重視,并將成為大電網的有效補充;(4)為解決波動性強的可再生能源占比高、電力電子裝置比例高的特點,需要在電網的智能化控制技術上實現(xiàn)質的飛躍。
 
從上面的介紹可知,建立一個新型電力系統(tǒng),其實是逐步“擠出”火電的過程,或者嚴格地說,是一個把火電裝機量占比減到最小的過程,留下的火電也得作“清潔化”改造。我國具有充足的風能、太陽能,從理論上講,資源絕對足夠。但能不能把這些分布廣、能量密度低的風、光資源利用起來,并保證電價相對便宜,研發(fā)出先進的技術,尤其是儲能技術是關鍵中的關鍵! 本+文+內/容/來/自:中-國-碳-排-放(交—易^網-tan pai fang . com
 
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