東北電網清潔能源發展現狀、趨勢及關鍵技術探討

李巖春 竇姿麟

國家電網公司東北分部 遼寧 沈陽 110180

引言

隨著“雙碳”政策在全球的推進，清潔低碳已成為世界各國能源發展的必然趨勢。我國東北地區可再生能源資源豐富，黑龍江、吉林、蒙東兩省一區均是國家規劃的千萬千瓦級風電基地，風能、太陽能等新能源資源豐富，發展前景廣闊。在過去十多年的努力建設中，東北地區清潔能源發展迅速，規模日益擴大。但大規模新能源電力接入電網，電力系統安全運行面臨挑戰。如何緩解清潔能源發電帶來的電網壓力，提高對清潔能源的利用率，是東北電網清潔低碳能源轉型面向的難點。因此，本文將立足于東北電網清潔能源開發利用現狀，結合我國“能源清潔低碳轉型”發展趨勢，通過對關鍵技術的探討，明確問題的解決方法，為促進東北地區電網向清潔低碳化轉型提供參考。

1 東北電網清潔能源發展現狀

1.1 東北能源情況與開發利用現狀

東北地區清潔能源以風能、光能為主。隨自2016年《可再生能源法》實施以來，東北電網風電逐步迅速：截至2017年，風電總裝機量和總發電量達到1786萬千瓦和345億千瓦時，分別是2005年的53倍和68倍，風電已經成為第一大可再生能源。光伏發電起步稍晚，但隨著2013年光伏標桿電價的落地，也進入了快速發展階段：到2017年光伏發電總裝機量和發電量，分別達到了2013年的127倍和319倍。

從數據上來看，2019年底東北地區的光伏裝機量達到了7.8GW，占全國總量的4.48%，風電裝機是18.73GW，占全國的10.16%，在我國風電、光電基礎建設中占有重要地位。

1.2 存在的主要問題

1.2.1 能源消費結構不合理。從全能源消費結構來看，煤炭仍是東北地區主要消費能源，占比始終維持在70%以上，高出全國平均水平，清潔能源消費占比偏低，地區能源消費結構不合理。大量煤炭在小鍋爐、小窯爐及家庭生活等領域散燒使用，污染物排放嚴重，電能替代任務艱巨。

1.2.2 本地清潔低碳能源利用率不高。風能、太陽能資源豐富，且已在發電領域取得了快速發展，但總體利用效率不高，“重建設、輕利用”的情況較為突出，供給與需求不平衡、不協調，致使清潔能源可持續發展的潛力未能充分挖掘。

1.2.3 冬季光伏發電軟肋突出。但受到東北地區的氣候特性和高維度地勢影響，在冬季低溫、光照強度低且時間短的情況下，光伏供電普遍存在綜合效率低下的問題，為當地光伏產業進一步投資和發展造成了阻礙。

2 清潔低碳能源發展對東北電網的意義

2.1 清潔低碳能源發展趨勢

清潔低碳能源發展是國家所倡導的趨勢。國家發展改革委、能源局在《能源生產和消費革命戰略（2016-2030）》[1]中指出“構建清潔低碳新體系”的目標，以促進我國能源發展從總量擴張向提質增效的轉變；國家發展改革委、司法部在《關于加快建立綠色生產和消費法規政策體系的意見》[2]中指出，加大對分布式能源、智能電網、儲能技術、多能互補的政策支持力度，大力促進能源清潔發展。

從能源發展趨勢和國家碳減排政策來看，東北電網推進清潔能源發展是必然趨勢，且需配套區域內電力市場改革，加快公關清潔能源發展及利用的關鍵技術，助力實現“雙碳”目標。

2.2 清潔低碳能源發展意義

當前，東北電網清潔能源發展正按照“立足現實優存量，推進煤炭清潔高效開發、集中利用”的指導思想逐步部署，在其多數地區已利用多種優質能源替代民用散煤，并大力推廣煤改氣、煤改電工程。該措施是發展當地清潔能源的重要方式，能夠推進當地能源供給的結構性改革，并以能源改革推動經濟高質量發展。

同時，東北電網的清潔能源發展與國家“雙碳”戰略目標一致，是破解資源環境約束、治理大氣和水污染、推進生態文明建設的需要，也是積極應對氣候變化、實現長期可持續發展的需要。因此，清潔低碳能源發展對東北電網、東北地區能源改革以及生態、經濟等多方建設具有重要意義。

3 東北電網清潔低碳能源發展關鍵技術探討

3.1 大規模儲能技術

儲能設備在東北地區大規模風光電并網過程中起到重要作用，其通過靈活改變輸出功率大小將波動性出力部分平抑，可有效保證電網安全穩定運行。目前常見的儲能技術包括：①以抽水蓄能、壓縮空氣儲能為代表的物理儲能技術；②以超級電容、超導磁儲能為代表的電磁儲能技術；③以鉛酸電池、鋰電池等為代表的電化學儲能。其中，物理儲能技術受地理位置制約嚴重，與東北地區的地質結構和環境要求偏差較大，無法應對當地清潔低碳發展；新型電磁儲能技術成本高，容量小，但僅適用于小規模儲能及民用設施；電化學儲能是目前儲能發展的重點方向，種類最多，發展速度最快，靈活性最強，能夠應對不同條件下的電網需求。因此，以電化學儲能為主的大規模儲能技術是東北電網發展清潔能源的關鍵技術之一。

3.2 多能互補能源協同優化技術

東北電網欠合理的能源消費結構直接限制了清潔能源發展，因此需要充分利用各類清潔低碳能源、火電機組以及其他能源裝置，構建多能協同的互補結構，提高能源綜合利用率，滿足用戶側的電、熱、冷、氣等多種能源需求。

通常，多能互補分為綜合能源系統基地多能互補技術和終端一體化多能互補技術。綜合能源系統基地多能互補技術是將分布式能源、化石能源、天然氣系統相結合，最大程度發揮各類能源特點，實現風光—水—火—儲等多種能源協同互補[4]。終端一體化多能互補技術是面向用戶側末端電、熱、冷等多種能源，并采用冷熱電聯產等相關技術，實現能源梯級利用[5]。考慮到東北地區風光資源優勢以及實際供熱需求特點，多能互補技術呈現形式以能源的時域特征互補和功能互補為主，如表1所示。

表1 東北地區多能互補技術實現形式

3.3 新型電力系統規劃技術

傳統電網規劃以供應側優化為主，以滿足負荷需求。隨著新型電力系統建設，電力系統的智能化、雙向互動化、能源耦合化是必然趨勢。因此，新型電網規劃需進一步考慮以下規劃因素：

3.3.1 從整體布局上協調東北地區能源規劃、電網規劃、新能源發展規劃相互關系，通過對東北地區能源結構調整以及未來發展階段的深度剖析，執行對含清潔能源電力網絡的統一規劃和分階段建設路線，并考慮清潔能源消納潛力和電力市場機制的激勵程度。

3.3.2 關注電網傳輸效率的影響，通過歷史趨勢分析、傳輸效率需求分析、未來情景演變分析等方法構建能源供給的發展路徑，建立與電網協調的能源供應新模式，提高能源開發和利用效率，緩解東北地區的發電資源與用電負荷區域成逆向分布的關鍵難點。

3.3.3 緊緊圍繞低碳能源革命要求，通過考慮當前用能模式轉變，基于需求側資源調節潛力和需求側響應機制分析，結合低碳運行和碳減排要求，從全局目標和需求側負荷精益化管理的角度推進新型電力系統規劃的科學性。

3.4 新型清潔供暖技術

結合東北地區巨大的供暖和生活用熱需求，新型清潔供暖技術以“太陽能光熱+輔助熱源”的形式實現。通過安裝太陽能集熱器，并配套電鍋爐、電采暖等電能替代設備，能夠在白天充分利用太陽能光熱直接轉換技術，對用戶室內進行供暖，避免了大量集中式供暖帶來的碳排放問題，也緩解了大量電能替代設備造成的電網壓力。當太陽能充足時，通過蓄熱設備對富裕熱量進行存儲供夜間使用；當太陽能不足且蓄熱量供應乏力時，通過電輔熱的方式進行供暖補充，尤其夜間可充分對風電進行消納，提高清潔能源利用率。

新型清潔供暖技術是推進東北地區清潔低碳發展的關鍵技術[6]，其推廣不受外部能源和區域限制，在太陽能充足時能實現真正的零碳排放。

4 結束語

本文在深度剖析東北電網清潔低碳能源發展現狀的基礎上，分析了“雙碳”政策下清潔能源發展的政策導向和建設趨勢，指出了東北電網清潔能源發展在“推進本地能源結構轉型、推動經濟發展、助力國家碳達峰”等方面的重大意義，探討了東北電網清潔低碳能源發展的四大關鍵技術構成，包括大規模儲能技術、多能互補能源協同優化技術、新型電力系統規劃技術和新型清潔供暖技術，從東北電網實際特點和地區特點出發，分析了關鍵技術的實施側重點和應用前景。