碳中和背景下我國新型電力系統構建過程中的問題與建議

田江南，安 源，常德生，賈 瀟，李紅軍

(1.中國電力工程顧問集團華北電力設計院有限公司，北京 100120；2.大唐國際發電股份有限公司，北京 100033；3.龍源電力集團股份有限公司，北京 100034)

0 引言

2020年9月，習近平主席首次在聯合國第75屆一般性辯論大會上提出“中國將于2030年前努力實現碳達峰，于2060年前努力實現碳中和”。在2020年12月份習近平主席在氣候雄心大會上重申“3060”目標，并作出進一步承諾“到2030年，我國一次能源消費中非化石能源比重將達到25%左右，風電、太陽能發電總裝機容量將達到12億kW以上”。隨著我國新能源(風電、光伏)技術的發展以及新能源裝機容量的擴大，國家逐漸取消了新能源的上網電價補貼，實施平價上網政策[1]。

在我國電力結構中，新能源主要指風電和光伏。在2018年5月出臺《關于2018年光伏發電有關事項的通知》之后，2019年1月份出臺《關于積極推進風電、光伏發電無補貼平價上網有關工作的通知》。這兩個文件明確了我國的光伏、風電發電平價上網的目標。

煤電發電量目前在我國發電量結構中占比最高；風電、光伏裝機容量在近幾年發展較為迅猛。文章針對“3060”目標提出初期出現的新能源電源裝機不景氣、全國多地區實行有序用電、煤電倒掛導致的煤電出力不足等現象[2-3]，從煤電和可再生能源發電兩個角度展開論述。

1 煤電的發展

“雙碳”目標提出以來，人們的目光都集中到了碳排放大戶——電力行業。電力行業碳排放占全國碳排放總量的40%左右。煤電從起步之初歷經了電荒、煤荒、煤氣化聯合循環發電等過程再到二十世紀初期的快速發展，歷經百年。今天，肩負著巨大減排任務的煤電又一次成為了社會輿論的焦點。

1.1 煤電發展現狀

為了優化產業結構，推動經濟發展方式的轉變，實現我國產業的高質量發展，我國于2015年黨的十八屆五中全會提出能耗“雙控”行動。能耗雙控指的是控制能耗總量和能耗 強度[4]。

從“十二五”到“十三五”，我國煤電裝機容量增速從6.8%降至3.7%。由于電煤價格上漲、發電利用小時數下降、環保成本增加等原因，煤電企業虧損嚴重。2019年除國家能源集團之外的四大電力集團的煤電企業有50%左右處于虧損狀態，其煤電版塊的虧損額達到了150億元[5]。

1.2 煤電發展建議

2020年我國煤電裝機容量占總電源裝機容量的49.1%，煤電的發電量卻占全口徑發電量的65%。發電量與裝機容量的差距說明了煤電不可或缺的地位，其強勁的發電機轉動慣量給電網的安全穩定運行提供了保障[6]。2021年 11月份國家發展改革委和國家能源局聯合發布《全國煤電機組改造升級實施方案》，方案指出淘汰關停的煤電機組“關而不拆”，在“退城進郊”異地建設等情況下，作為應急備用電源發揮作用。“淘汰關停的煤電機組，可用于容量替代新建清潔高效煤電機組”[7]。

通過分析可以看出，煤電“退出”不可一蹴而就。煤電的壓艙石、穩定器的作用是目前技術條件下新能源電源不可替代的。“十四五”期間，我國全口徑用電年均增量為5%左右，僅依靠新能源發電填補這個增量缺口是不現實的[8]。在我國大電網系統建設沒有實現根本性的技術突破之前，還需要依靠煤電起到保供托底的作用。

1)煤電企業需提升運行質量和發電效率，實現精細化管理。通過技術改造等方式實現節能降耗，在不降低容量的條件下盡可能減碳。

2)煤電企業需要調整工作目標，充分利用其靈活性的優勢，保證不發生大規模停電事故，起到新型電力系統的強有力的支撐作用。

3)存量的煤電企業為適應現代電力系統的要求，需要進行一系列改造，如：靈活性改造、提質增效改造和環保改造等。

第五，RT檢測：理論、實際可行。①RT理論可行：檢測可覆蓋整條焊縫，可以觀察內、外部缺陷。況且角度好設置，垂直拍攝，現場采用雙壁單影分段透照技術。②實際拍攝：布片簡單、射線源能量固定，現場可操作性及成本較低，推薦使用。

4)推進特高壓輸電統籌進程，避免輸電與輸煤同時進行。通過特高壓輸電打破省間、地區間的電網壁壘，發揮西南大水電、西北大火電的優勢，避免在電力受端大規模搞電力基建。

5)煤電規模不宜盲目擴張，煤電企業可通過提高發電利用小時數來提升設備的利用效率，避免設備閑置造成的資源浪費。提高發電利用小時數的前提是有煤可燒、發電有收益，因此保障電煤的供應是前提條件。

2 可再生能源的發展

由于碳捕獲與封存技術(carbon capture and storage, CCS)的成本較高(二氧化碳處理成本約300元/t)，因此增加CCS裝置后煤電的綜合發電成本增加了70%左右，所以在目前的技術階段依靠CCS使煤電行業脫碳不太現實[9]。

表1為各地區可再生能源的定義，水力發電、海洋能和地熱的利用受到地理區域的限制，限制了其大范圍發展[10]。我國的風、光資源整體較好，是重點開發的新能源品類。

表1 可再生能源定義

2.1 可再生能源發展現狀

當風電、光伏等新能源比例擴張到一定規模，而作為調蓄功能的儲能比例較小時，電網比較容易出現事故風險導致拉閘限電。特別是在東北、西北等北方地區，在冬季采暖用電量大的時候，容易出現寒潮降雪導致風電、光伏出力受限，甚至新能源電力無序脫網的現象。再加上地區之間的電網通道調配空間不足，就更容易出現拉閘限電甚至發生大范圍電網解列崩潰事故。

預計2030年，我國的風電和光伏總裝機容量將達到20億kW，電化學儲能規模將達到 1.5億kW。據估計屆時新型儲能規模也將達到1億kW[11]。據此分析，屆時各類配套儲能占風電、光伏的比例為12.5%，因此，僅靠電化學儲能仍不能滿足風電、光伏的靈活性需求。在建成高比例風電、光伏體系的同時必須大力發展與新能源配套的大規模儲能技術。

大規模儲能技術按能量的轉化方式可分為三類：機械儲能、電化學儲能和電磁儲能。機械儲能包括飛輪儲能、壓縮空氣儲能和抽水蓄能；電化學儲能包括鉛酸電池、鋰離子電池、鈉硫電池、全釩液流電池等電池儲能；電磁儲能包括超導磁儲能和超級電容器儲能。其他儲能方式包括相變儲能和氫儲能等。氫儲能在所有的儲能種類中有一個突出的優點就是質量能量密度高。從表1中也可以看出，我國的可再生能源的定義主要不同點在于氫能。可以利用電解水制氫設備將風電、光伏發出的波動的、間歇的、隨機的電能轉化為氫能儲存起來，待到需要電能的時候再將氫能通過燃料電池、內燃機、燃氣輪機等方式轉化為電能。在電—氫—電轉化的過程中只有水的消耗和生成，沒有其他的廢棄物產生，這是一種綠色的、可持續的過程。

電解水制氫設備可分為電解堿水制氫設備、質子交換膜制氫設備、固態氧化物電解水制氫設備等，目前工業化應用最廣泛的是電解堿水制氫設備[12]。由于氫燃料電池不受卡諾循環能量轉換效率的限制，從這個角度看氫燃料電池是未來發展的一個重要方向。氫燃料電池目前在交通領域應用較多，未來也可在工業中大規模應用。目前的技術條件下，電—氫—電的轉化效率并不高，僅為30%～50%左右。若考慮氫燃料電池的熱電聯供作用，電—氫—電的轉化效率可提高至60%～80%左右[13]。

2.2 可再生能源發展建議

風電、光伏的主要消納手段為大電網消納。隨著“源網荷儲一體化”政策的出臺，風電、光伏的微網消納也成為了另一種選擇，但是由于各方面限制因素，“源網荷儲一體化”項目的落地難度較大。根據技術要求或者地方要求，風電光伏上網的配套儲能的比例為電源規模的5%～30%不等。如此高比例的儲能，使得本來收益甚微的新能源電站雪上加霜。

氫有兩種屬性：一是能源，二是化學原料。如果將思路打開，不僅將氫能局限于“電—氫—電”的過程，氫具有更廣闊的應用場景。廣義上的氫儲能是可再生能源電解水制氫，制得的氫氣可用于交通領域、冶金、化工合成氨、化工合成甲醇等場景[14]。在現今的“雙碳”目標時代，氫能在某些無法被電氣化過程替代的領域具有無可比擬的優勢。比如火車的進化過程，由燃煤火車發展到燃油火車再發展到如今的電動高鐵，這就是火車的電氣化的實現。但是冶金領域是無法完全實現電氣化的，冶金領域的主要原材料是焦炭。焦炭在其中起到了還原的作用，這個作用可以由氫能替代。因此，在某些難以脫碳、難以實現電氣化的領域上，氫能可以大有作為。從這個角度看，氫能的普及可以助力實現碳中和[15]。

目前全球范圍內，低轉動慣量或無轉動慣量的電網系統是沒有運行經驗的。未來高比例的風電、光伏電源勢必會影響系統的轉動慣量。從這個角度講，為保障電網系統的安全，需增加接入過程的費用。比如增加調節電源啟停的費用、增加調頻和備用輔助服務費用、增加穩定電源的容量補償費用等。

目前我國統一電力市場體系還未建成，跨省跨區綠色電力市場化配置和交易機制尚未形成，可再生能源發電場站的建設和運營成本雖然有下降的趨勢，但是可再生能源的電能利用成本卻不一定是下降的。正如前所述，可再生能源電能的利用成本除了發電成本以外還包括電網系統調節與運行成本、電源靈活性成本、配網成本、接網及電網擴展等成本。對于目前的可再生能源發電有以下建議：

1)在未來的電力系統規劃設計中，統籌考慮電網、儲能、傳統能源電力的退出和高比例新能源發電的發展問題。實現我國電力向清潔、可再生電力安全、平穩過渡。

2)出臺儲能補貼政策，進一步降低儲能 成本。

3)光伏發電平價上網并不等于按照煤電的標桿電價上網，建議根據實際情況上調光伏發電上網價格。按照電力系統“誰受益，誰承擔”的原則，合理分攤新能源發電成本。

4)由于氫能具備脫碳、可再生、單位質量能量密度高等優點，建議在難以進行電氣化替代的場合用綠氫進行終端用能替代；利用氫儲能的“長周期、大容量”的特點，進一步提升氫儲能在儲能領域的應用。

3 結語

為了踐行“雙碳”目標，我國目前的能源結構和電力結構必須要調整。能源結構方面，在用戶側需推廣實行電氣化或者電能替代；電力結構方面，在電源側需增加清潔電源的比例。在大力推進清潔能源電力的同時，制定煤電的合理退出機制，防止給電網安全穩定運行帶來沖擊。通過市場或者電價定價調節機制來實現引導新能源投資、實現能耗雙控的目的。在冶金、化工、水泥難以實施電氣化或者電能替代的行業積極引入氫能，利用氫能的清潔、質量能量密度高、靈活的優勢加快這些行業的脫碳 進程。