非并網風電對超大規模風電利用的戰略意義和路徑

江蘇省宏觀經濟研究院 顧為東

當今，全球氣候變化受到了世界各國的普遍關注。從最新的溫室氣體排放增加速度來看，到本世紀末地球氣候將有6℃～7℃的嚴酷升溫，遠超出2℃的地球生態警戒線。風能作為一種綠色環保的可再生能源，提供了一種重要的可替代煤炭來發電的能源，在二氧化碳減排方面有很大潛力。2009年全球新增風電裝機容量超過37500MW，總裝機容量已達到157000MW。

1 并網風電利用的限制

風電并網是目前世界上大規模風電場的唯一應用模式。風的高度不穩定性，導致風電大幅度波動，在沒有燃氣發電、水電等為其調峰情況下，風電對電網貢獻率難以超過8%～10%，這是一個世界性難題。風電發展大國目前都采用分布式風電場來減緩這一矛盾，2009年德國風電裝機容量達到26000MW，但均為中小容量的分布式風電場，其中最大的僅為60MW。中國風電裝機容量從2005年～2009年連續5年每年翻番，2009年又新增裝機13800MW，實現增長113%，裝機容量達到26010MW，新增裝機超過美國，位居全球第一。預計到2020年中國風電累計裝機量將超過1.5億kW，風電正在大規模快速發展。

但是，中國工信部的數據顯示，2008年中國風電裝機容量累計達12210MW，但實現并網發電的只有8940MW。2009年中國實現并網發電的風電裝機僅為16130MW。因電網調峰限制，有9880MW以上的風機在空轉，并未輸電上網，達裝機總量1/3以上。風電并網容量遠遠落后于裝機量，造成極大的浪費。而且，根據中國電監會的調研，風電場普遍經營困難，甚至嚴重虧損。

同時，風電上網對風力機提出了滿足電網穩頻、穩壓和穩相位等苛刻的技術要求，由此大幅度提高了風力機制造成本和風電價格，約為火電價格的2倍，這也使風電大規模應用受到限制。

2 非并網風電的優勢

以電解工業為代表的高載能產業如氯堿、電解鋁、電解水制氫等，能較好的適應風電特性，通過必要的技術創新和集成，可以將大規模風電直接與高載能產業耦合，走出大規模風電發展的一條新路徑：“非并網”模式。

非并網風電系統基本構成包括：非并網風力機、控制系統和高載能負載（圖1）。風電場規模在500MW～10000MW之間甚至更大，所發電為直流電，可直接應用于一系列能較好適應風電特性的高載能產業，使大規模風電不經過常規電網得到100%利用，從而解決大規模、超大規模風電場電量的應用難題。在風場當地常規電網容量允許時，所發直流電也可經全功率逆變后直接并網。

風電的這種非并網模式運行優勢體現在：1）繞開電網這一限制風電大規模應用的瓶頸，也避免了風電并網對電網系統安全性的影響；2）采用直流電，回避風電上網的相位差、頻率差和電壓差控制問題，提高了風力機發電效率和降低成本；3）風力機經專項適配后，結構得到優化，提高了風能利用效率，并可節省并網所需的大量輔助設備，大幅度降低風電場制造成本和風電價格，非并網風電系統的使風電價格接近或低于火電價格；4）突破終端負荷使用風電的局限，使大規模風電在非并網風電系統中的供電比例達到100%，風電得到完全利用。風電的非并網運行模式，可以提高風電利用率15%以上。

3 超大規模非并網風電利用的路徑

根據目前研究，非并網風電的主要應用領域包括：氯堿工業、電解鋁工業、規?；娊馑茪洹⒋笠幠：Ｋ惋L煤多能源系統等。采用非并網風電系統技術，可在風能富集區，建設若干“低碳型”綠色工業園區，利用風能替代化石能源，在園區內實現“高碳能源向無碳能源”的跨越。從而，建立起多元化的100%消耗掉風電的非并網應用系統。

3.1 非并網風電規?；茪?/h3>

目前，我們已在風能耦合電解水制氫基礎研究上取得重大理論突破，探索出比較完善和系統的風電制氫運行規律和內部耦合機理，并通過制氫規模為50kW、10m3/h的工業化試驗驗證了系統的穩定性和可靠性，為大規模非并網風電在制氫等電解工業的工業化應用奠定了重要基礎，該項成果已通過了中國氫能標準化技術委員會（SAC/TC309）的審定，風能-氫能綜合能源系統成為中國《小型氫能綜合能源系統性能評價方法》國家標準（GB）的重要內容，填補了國際空白。

3.2 非并網風電電解鋁

非并網風電電解鋁系統，以風電為主、網電為輔，100%消耗風電，網電提供＜20%的保障用電。為適應風電的大幅波動，在風速變化時，鋁電解槽的動態熱平衡可以采用智能化循環換熱方法加以解決。智能控制系統根據風電情況和電解槽的生產需求實時在線控制電解槽動態熱平衡系統的循環量和循環速度，保證電解槽穩定在設定的電解溫度下，達到最佳的電解效率（圖2）。

風電直接應用于電解鋁工業，可以簡化風電并網運行所需的大量輔助設備，降低風電場的建設成本10%以上；減少輸配電環節，提高風能的綜合利用率，使得系統內風電的利用效率提高15%以上，降低風電成本。如果我國60%的鋁產量采用非并網風電電解生產，每年可以節標煤2400萬噸，減排二氧化碳6300萬噸，并可形成千億（元）級新興戰略性裝備制造產業。

目前，我們已經解決了風電直接應用于電解鋁工業的重大科學問題，揭示了風電應用于高載能產業的系統運行規律。在工業化生產應用上，重點突破了兩個關鍵性技術瓶頸：1）非并網風電與電解鋁過程的耦合機理，研究出能夠適應大規模風電電流大幅度波動的新型鋁電解槽結構及生產工藝；2）多能源互動智能供電合系統，實現風電100%利用，不足部分由網電補充。

3.3 非并網風電制氯堿

工業性試驗表明，新型氯堿電解槽對非并網風電適應性較好，特別是風電電流的大幅度波動而電解的電流效率不變，使非并網風電的操作彈性增大，這條路線也已走通。

將大規模風電應用于氯堿及衍生的PVC產業，建設大型氯堿基地，在此基礎上可以形成非并網風電→燒堿→化纖和造紙等、非并網風電→氯產品→PVC產業鏈、非并網風電→氫電池等系列產業鏈。

3.4 非并網風電海水淡化

將非并網風電和海水淡化相結合，采用非并網風電低溫多級高效風電海水淡化新方法、新工藝，利用海水源和空氣源多級高效熱泵，使風電轉化為熱能的效率提高5倍。該系統成功突破了現有多級高效海水淡化過程內部能量不能平衡這一世界性難題，在世界上首次實現內部熱量的動態平衡。目前，我們已完成兩效20kg/h和三效40kg/h低溫多級高效風電海水淡化驗證樣機制造（圖3）。

利用非并網風電直接進行大規模海水淡化，變輸電上岸為輸水上岸，直接向沿海地區供給大量淡水，緩解部分地區人均淡水資源短缺的矛盾，同時，風電場投資節省15%～25%，風電利用效率提高8%～15%。

3.5 風/煤多能源系統

通過非并網風電電解水產生的氫與煤化工生產的中間產物相結合，形成風/煤多能源系統（圖4）。該系統通過基礎理論研究和關鍵技術的突破使傳統煤制甲醇生產工藝中省卻變換工序和空分裝置，使相同的甲醇產量下，節煤48.1%、節水37.8%、減排CO277.8%（現在每生產100萬噸甲醇需排放264萬噸CO2；每生產100萬噸煤制油需排放近300萬噸CO2）。如應用于用風煤/天然氣系統，與傳統工藝相比，省去了昂貴且高能耗的空分、變換和分離裝置，使煤制天然氣轉化率接近100%，實現CO2的近零排放。

將大規模風電應用于煤化工產業，發展風/煤多能源系統綠色煤基化工，建設綠色煤基清潔能源產業基地。用于生產甲醇、二甲醚、甲縮醛（CH2(OCH3)2）等新型替代能源及其衍生產業，還可直接與甲醇制低碳烯烴（DMTO）相結合，走通制取乙烯和丙烯的非石油原料路線，為實施石油替代戰略提供一條切實可行的新技術途徑。

4 結論

非并網風電的直接應用大幅降低風電發展的成本，減排了溫室氣體，避免了對電網安全威脅，避開了大規模風電發展面臨的并網問題，也緩解了發展中國家面臨的資金和技術問題。對于化石能源貧乏而風能資源相對豐富的國家和地區，特別是發展中國家來說，非并網風電的應用為大規模風電多元化發展提供了一條可供借鑒的新模式，具有很強的現實意義。

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