能源行業(yè)是實現(xiàn)碳達峰、碳中和目標的重點領(lǐng)域和關(guān)鍵環(huán)節(jié)。實現(xiàn)“雙碳”目標,必將伴隨著強隨機性、波動性的新能源大規(guī)模并網(wǎng),以及電動汽車、分布式電源等交互式設(shè)備大量接入。屆時,電力系統(tǒng)將呈現(xiàn)高比例新能源、高比例電力電子化的“雙高”特點,電力系統(tǒng)在供需平衡、系統(tǒng)調(diào)節(jié)、穩(wěn)定特性、配網(wǎng)運行、控制保護和建設(shè)成本等方面都將發(fā)生顯著變化,也將面臨一系列新的挑戰(zhàn)。
中國科學院院士、中國電力科學院名譽院長周孝信指出,“雙碳”目標將對電力系統(tǒng)帶來巨大影響,最主要的變化是可再生能源的比例將大幅度上升,這給電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定經(jīng)濟運行帶來新的挑戰(zhàn),構(gòu)建清潔低碳、靈活高效、具有高韌性本質(zhì)安全可靠的新型電力系統(tǒng)對推動我國能源轉(zhuǎn)型發(fā)展具有重大意義。
電力系統(tǒng)對推動實現(xiàn)碳達峰、碳中和影響重大
周孝信指出,根據(jù)電力系統(tǒng)的主要特征,其發(fā)展歷程可以分成三個階段:第一階段為20世紀50年代以前,電力系統(tǒng)主要特點是電壓低、電網(wǎng)規(guī)模小、機組容量小,是電網(wǎng)發(fā)展的初級階段;第二階段為20世紀50年代至20世紀末,電力工業(yè)快速發(fā)展,整個電力系統(tǒng)實現(xiàn)從小規(guī)模向大規(guī)??缭桨l(fā)展,技術(shù)水平快速提高,電網(wǎng)安全性、可靠性顯著提升,該階段的主要特點是大機組、超高壓、交直流互聯(lián)大電網(wǎng),這一階段的發(fā)展模式高度依賴化石能源,是不可持續(xù)的;第三階段為新一代電力系統(tǒng),電源以可再生能源等非化石能源發(fā)電為主,骨干電源與分布式電源相結(jié)合,電網(wǎng)發(fā)展模式為主干電網(wǎng)和局部配網(wǎng)、微網(wǎng)并存。總的來說,第三代(新一代)電力系統(tǒng)基于可再生能源和清潔能源,是一種可再生發(fā)展的綜合能源電力的發(fā)展模式。當前的電力系統(tǒng)是第三代電力系統(tǒng)的初級發(fā)展階段,正向著新型電力系統(tǒng)方向發(fā)展。
建設(shè)中的新型電力系統(tǒng)將逐漸具有高比例可再生能源、高比例電力電子裝備、多能互補綜合能源、數(shù)字化智能化智慧能源、清潔高效低碳零碳、高韌性本質(zhì)安全可靠等6項主要特征。
據(jù)初步估算分析,2025年我國非化石能源發(fā)電裝機占比將超過50%,2035年風光發(fā)電裝機超過總裝機容量50%,2050~2060年煤電裝機將保持在4億千瓦以上;發(fā)電量方面,2030~2035年非化石能源發(fā)電量占比超過50%,2045~2050年風光發(fā)電量超過總發(fā)電量50%,2050~2060年煤電發(fā)電量降至較低水平,年運行小時數(shù)可能在2000小時左右。“預計到2060年,在不考慮CCUS等其他減碳措施的條件下,電力系統(tǒng)二氧化碳排放將大幅降低為2025年前峰值的16%。電力系統(tǒng)做得好不好,對碳達峰、碳中和目標的實現(xiàn)影響重大。”周孝信指出。
新型電力系統(tǒng)安全運行面臨的新挑戰(zhàn)
根據(jù)2050年預測數(shù)據(jù),我國電力裝機容量75億千瓦,其中非化石能源發(fā)電裝機占比約為84%,風光發(fā)電裝機占比72%;全年發(fā)電總量約為15萬億千瓦時,其中風光發(fā)電量占58%,煤電占比為5.8%,氣電占6.7%,顯著呈現(xiàn)高比例新能源特征。
周孝信認為,電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定和經(jīng)濟運行有五項性能要求。
一是靈活性,即在系統(tǒng)中電源出力和負荷需求短期和中長期波動時,保持正常穩(wěn)態(tài)運行的調(diào)節(jié)能力,這是電力系統(tǒng)源荷平衡保持正常運行的必要條件。新型電力系統(tǒng)中,以風電、太陽能發(fā)電為主的可再生能源占比高,對靈活性資源的需求巨大。
二是韌性,即在極端氣候或外力嚴重干擾下,系統(tǒng)快速恢復電力供應的能力,這是電力系統(tǒng)應對突發(fā)事件的必備條件。風電、太陽能、水能發(fā)電對氣候的敏感性,以及全球氣候變化,使極端氣候條件下快速恢復供電的韌性需求更為頻繁和迫切。
三是穩(wěn)定性,即系統(tǒng)承受各類擾動后保持暫態(tài)和動態(tài)穩(wěn)定的能力,這是電力系統(tǒng)正常和擾動后安全穩(wěn)定運行的基本條件。新型電力系統(tǒng)將面臨系統(tǒng)低慣性、頻率電壓穩(wěn)定、寬頻振蕩,以及信息物理系統(tǒng)、多能耦合系統(tǒng)穩(wěn)定性等多重挑戰(zhàn)。
四是可靠性,即系統(tǒng)不間斷地向用戶供電能力的度量,是建立在裝備和系統(tǒng)故障統(tǒng)計基礎(chǔ)上概率分析的結(jié)果,這是電力系統(tǒng)安全運行的基礎(chǔ)條件。電力電子器件過載能力弱、抵御故障能力差及新能源發(fā)電的不確定性,均影響風電、太陽能發(fā)電入網(wǎng)設(shè)備和系統(tǒng)供電的可靠性。
五是經(jīng)濟性,即建立在市場或非市場基礎(chǔ)上,系統(tǒng)能量損失最小或經(jīng)濟社會效益最大化的運行機制體現(xiàn),是電力系統(tǒng)為社會提供優(yōu)質(zhì)服務的前提條件。“雙碳”目標下能源轉(zhuǎn)型過程中需有效化解電力成本的提高,建立有利于系統(tǒng)運行綠色經(jīng)濟性的市場化機制。
綜合能源生產(chǎn)單元(IEPU)設(shè)想
“雙碳”目標下,我國能源電力系統(tǒng)清潔低碳轉(zhuǎn)型任務艱巨,如何科學推進傳統(tǒng)煤電升級改造及有序退出、同時促進新能源消納是能源轉(zhuǎn)型路徑規(guī)劃和相關(guān)戰(zhàn)略制定的重要議題。一方面,由于資源稟賦及行業(yè)發(fā)展歷史等原因,我國仍保有大量燃煤火電機組,若采用簡單關(guān)停處理方式,不利于一定時期內(nèi)能源平穩(wěn)供應過渡,迫切需要有效手段,科學推進存量煤電機組的升級改造,充分發(fā)揮煤炭基礎(chǔ)性保障和靈活調(diào)節(jié)作用;另一方面,由于以風電、太陽能發(fā)電為主的可再生能源具有波動性和間歇性,機組出力不確定性強,抗擾動能力和動態(tài)調(diào)節(jié)能力弱,新能源高比例接入將對電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行帶來巨大挑戰(zhàn),系統(tǒng)靈活調(diào)節(jié)資源的需求顯著提升。為應對上述問題,周孝信提出一種融合煤電機組碳捕集、可再生能源電解水制氫、甲烷/甲醇合成、新型燃氣發(fā)電等技術(shù)的設(shè)想——綜合能源生產(chǎn)單元(Integrated Energy Production Unit, 簡稱IEPU)。
據(jù)了解,IEPU將電解制氫、可再生能源發(fā)電、甲醇/甲烷/氨合成、二氧化碳捕集等設(shè)備集成為一體,通過單元內(nèi)部各子系統(tǒng)協(xié)同運行及單元與外部電網(wǎng)的靈活互動,以及多類型能源的生產(chǎn)、存儲和化工合成等過程耦合,使之成為能源電力系統(tǒng)中具有多種能源產(chǎn)品和靈活性調(diào)節(jié)功能的新成員,期望能作為煤電低碳/無碳轉(zhuǎn)型路徑方案的一種選擇。
周孝信認為,IEPU作為具有正負值雙向調(diào)節(jié)能力的綜合能源生產(chǎn)發(fā)電單元,可成為應對風電、太陽能發(fā)電波動性、間歇性的有效措施之一;其綠色能源產(chǎn)品,如甲烷、甲醇、氨等,以其便于運輸、易于儲存的特性,既可作為綠色燃料和化工原料,替代石油、天然氣等化石能源利用,也可作為新型電力系統(tǒng)應對中長期能源電力供需不平衡的一種儲能介質(zhì)。周孝信表示:“過去是儲煤、儲天然氣、儲石油,將來作為非化石能源,可以儲氫及氫與二氧化碳合成生產(chǎn)的能源產(chǎn)品和化工原料(其中合成氨不需要二氧化碳),我認為這一點對于未來新型電力系統(tǒng)應對全球氣候變化的‘氣候韌性’建設(shè)、保證災害情況下短期及中長期能源電力供應至關(guān)重要。”
電力系統(tǒng)的靈活性和韌性
周孝信告訴記者,目前,國內(nèi)外還缺乏關(guān)于電力系統(tǒng)靈活性統(tǒng)一的定義和定量評價指標。北美電力可靠性協(xié)會把電力系統(tǒng)的靈活性定義為:電力系統(tǒng)供需兩側(cè)響應系統(tǒng)的不確定性變化的能力,包括儲存能量的能力和高效機組組合及經(jīng)濟調(diào)度的能力。國內(nèi)有學者進一步分析綜合提出了一種更準確、更細化的定義,即在所關(guān)注時間尺度的有功平衡中,電力系統(tǒng)通過優(yōu)化調(diào)配各類可用資源,以一定的成本適應發(fā)電、電網(wǎng)及負荷隨機變化的能力。
同樣,電力系統(tǒng)的韌性也尚無統(tǒng)一的定義和定量評價指標。美國國家工程院的定義為:能夠認識到長時間、大面積停電事故發(fā)生的可能性,事故前充分預備,事故發(fā)生時使其影響最小化,事故發(fā)生后快速恢復并且從事故中獲取經(jīng)驗從而自我提升的能力。針對我國電力系統(tǒng)的特點和需求,國內(nèi)有研究者提出了韌性電網(wǎng)的概念,即能夠全面、快速、準確感知電網(wǎng)運行態(tài)勢,協(xié)同電網(wǎng)內(nèi)外部資源,對各類擾動作出主動預判與積極預備,主動防御,快速恢復重要電力負荷,并能自我學習和持續(xù)提升的電網(wǎng),并結(jié)合實際提出了加強電網(wǎng)韌性的措施建議。
2022年6月14日,生態(tài)環(huán)境部、國家發(fā)展改革委、科學技術(shù)部等17個部門聯(lián)合印發(fā)了《國家適應氣候變化戰(zhàn)略2035》,其中特別提到增強我國經(jīng)濟社會系統(tǒng)的氣候韌性。“特別是對于基礎(chǔ)設(shè)施,包括能源設(shè)施,以及設(shè)施本身涉及到的關(guān)鍵技術(shù),該戰(zhàn)略都提出了很明確的提高韌性的要求。”周孝信說。
電力系統(tǒng)靈活性仿真分析表明,在風電、太陽能裝機占比超過70%的情況下,電力系統(tǒng)正常運行時除要有足夠的煤電、氣電、各類儲能等提供的靈活性資源參與調(diào)節(jié)外,還需要設(shè)置光伏電解水制氫等能源轉(zhuǎn)換裝置作為負值可調(diào)節(jié)容量加以配合。在極端氣候條件下,更需要動用長周期綠色能源儲備,如綠氫及甲烷、甲醇、氨等綠色氣體液體燃料參與能源電力供應。
“雙碳”目標下我國能源轉(zhuǎn)型的兩大重要舉措,就是構(gòu)建清潔低碳、安全高效的能源體系和構(gòu)建適應新能源占比逐漸提高的新型電力系統(tǒng),“雙碳”目標和能源轉(zhuǎn)型的戰(zhàn)略目標高度一致,“兩個構(gòu)建”是實現(xiàn)能源轉(zhuǎn)型的根本途徑。“為應對新型電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定經(jīng)濟運行新挑戰(zhàn),滿足未來新條件下電力系統(tǒng)靈活性、韌性、穩(wěn)定性、可靠性和經(jīng)濟性的嚴格要求,需要在基礎(chǔ)理論和實踐方面開展前瞻性研究并積極創(chuàng)造條件實現(xiàn)工程示范。”周孝信表示。(井然)
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