“雙碳”目標(biāo)下能源轉(zhuǎn)型的突破點在哪里？
崔曉利 王雪辰
能源情報研究中心
近日，2021中國電力規(guī)劃發(fā)展論壇（第八屆）在北京舉行。論壇以“構(gòu)建新型電力系統(tǒng)，助力雙碳目標(biāo)實現(xiàn)”為主題，由中國電力發(fā)展促進會、國家電網(wǎng)有限公司發(fā)展策劃部、中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司戰(zhàn)略規(guī)劃部、電力規(guī)劃設(shè)計總院、水電水利規(guī)劃設(shè)計總院聯(lián)合主辦。與會專家指出，在實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)過程中，能源行業(yè)扮演著重要角色，承擔(dān)著國家能源供應(yīng)和消費低碳轉(zhuǎn)型重任。新型電力系統(tǒng)如何構(gòu)建，電力行業(yè)如何轉(zhuǎn)型發(fā)展，新型電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力面臨哪些挑戰(zhàn)，成為會議焦點。
探索“雙碳”目標(biāo)下能源轉(zhuǎn)型路徑
“我國能源轉(zhuǎn)型的戰(zhàn)略目標(biāo)是實現(xiàn)‘雙碳’目標(biāo)，力爭2030年前實現(xiàn)碳達峰、2060年前實現(xiàn)碳中和；實施路徑是要落實兩個構(gòu)建，即構(gòu)建清潔低碳安全高效的能源體系、構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)?！敝袊茖W(xué)院院士周孝信提出，新型電力系統(tǒng)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、清潔高效低碳零碳等5個主要特征，以及超導(dǎo)輸電和新型綜合輸能技術(shù)等10類關(guān)鍵技術(shù)?；诜腔茉?00%轉(zhuǎn)化為電能消費的設(shè)定，能源系統(tǒng)和電力系統(tǒng)CO2排放均可實現(xiàn)2030年前達峰，2035年風(fēng)電光伏裝機容量超過裝機總?cè)萘?0%，2045～2050年間風(fēng)電光伏發(fā)電量超過總發(fā)電量50%，2060年風(fēng)電光伏裝機容量占總量86%，發(fā)電量占總量69.2%，化石能源發(fā)電基本清零。
對于“雙碳”目標(biāo)及能源轉(zhuǎn)型路徑，中國工程院院士薛禹勝認(rèn)為，需要優(yōu)化從當(dāng)前狀態(tài)趨于目標(biāo)狀態(tài)的實施路徑，能源領(lǐng)域首當(dāng)其沖?？稍偕茉创笠?guī)模替代火電令電力系統(tǒng)的樞紐角色將更為突出（物理元素），大規(guī)模交直流線路及電力電子裝備入網(wǎng)使得動態(tài)行為越加復(fù)雜（信息元素），大規(guī)模新型復(fù)合涌現(xiàn)以致輔助服務(wù)與需求側(cè)參與問題更為緊迫（社會元素）。薛禹勝提出，能源的信息物理社會系統(tǒng)（CPSSE）的三維框架，是實現(xiàn)雙碳戰(zhàn)略目標(biāo)及能源轉(zhuǎn)型路徑優(yōu)化的框架。他認(rèn)為，需要在CPSSE框架下考慮環(huán)境、技術(shù)、經(jīng)濟、社會、行為等的影響，還要加快建立能源風(fēng)險防御機制、信息安全保障體系、防災(zāi)減災(zāi)救災(zāi)體系。
周孝信指出，我國能源電力轉(zhuǎn)型路徑選擇圍繞大力開發(fā)利用可再生能源等五個方向，并通過非化石能源在一次能源消費中比重、非化石能源發(fā)電量在發(fā)電量中比重等5項核心指標(biāo)考核新型電力系統(tǒng)的建設(shè)。周孝信稱，新型電力系統(tǒng)是一個綜合能源電力系統(tǒng)，并提出“綜合能源生產(chǎn)單元（IEPU）”設(shè)想方案。它既可生產(chǎn)除電外各種綠色燃料，又能以其高靈活調(diào)節(jié)能力支撐高比例可再生能源電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行，期望能作為火電低碳/無碳轉(zhuǎn)型路徑方案的一種選擇。
自“雙碳”目標(biāo)提出以來，能源企業(yè)紛紛行動，在新業(yè)態(tài)新模式方面先行先試、創(chuàng)新引領(lǐng)。主要能源電力企業(yè)積極制定“碳達峰、碳中和”行動方案，研討新型電力系統(tǒng)路徑，加大力度推動企業(yè)綠色發(fā)展和低碳轉(zhuǎn)型。能源電力企業(yè)積極儲備戰(zhàn)略新興技術(shù)，在儲能、氫能發(fā)展方面先行先試、創(chuàng)新引領(lǐng)。
優(yōu)化新能源發(fā)展區(qū)域布局
近年來，我國可再生能源發(fā)展成績斐然，但風(fēng)光電有隨機性、波動性特點，可調(diào)、可控性較弱，還面臨土地利用空間約束、高比例新能源與電力安全供應(yīng)問題、市場化問題。
為此，水電水利規(guī)劃設(shè)計總院總工程師彭才德提出，新型電力系統(tǒng)需要常規(guī)水電、抽水蓄能提供支撐，水風(fēng)光儲多能互補綜合發(fā)展?！笆奈濉毙履茉窗l(fā)展要單品種開發(fā)與多品種互補并舉、單一場景與綜合場景并舉?！皟?yōu)化區(qū)域布局，‘三北’地區(qū)推動風(fēng)光電基地化規(guī)?；l(fā)展，西南地區(qū)統(tǒng)籌推進水風(fēng)光綜合能源基地開發(fā)，中東南部地區(qū)重點推動風(fēng)電光伏就地就近開發(fā)，東南部沿海地區(qū)積極推進風(fēng)電集群化開發(fā)。落實全國范圍內(nèi)開展普適性強、普惠性好的新能源開發(fā)利用行動，推動新能源與各種開發(fā)場地、用能場景深度融合，‘十四五’期間重點開展千家萬戶沐光行動、千鄉(xiāng)萬村馭風(fēng)行動、城鎮(zhèn)屋頂光伏行動等。”
國家能源局今年6月下發(fā)關(guān)于報送整縣（市、區(qū)）屋頂分布式光伏開發(fā)試點方案的通知，9月全國共計有676個縣（市、區(qū)）進入試點名單，市場參與主體以國網(wǎng)、華能、國家能源集團、國家電投等央企為主。
“十三五”期間，國網(wǎng)經(jīng)營區(qū)分布式光伏裝機容量年均增長67.3%，預(yù)計“十四五”更快?！笆濉逼陂g，低壓分布式光伏占比最高，2020年底占分布式光伏總裝機容量62.1%，而且光伏臺區(qū)零散分布，局部地區(qū)光伏滲透率較高。國網(wǎng)經(jīng)濟技術(shù)研究院總工程師李敬如表示，整縣屋頂分布式光伏潛力巨大，綜合考慮農(nóng)村居民住宅屋頂和城鎮(zhèn)公共及工商業(yè)屋頂情況，國網(wǎng)經(jīng)營區(qū)屋頂分布式光伏理論可開發(fā)潛力分高、中、低方案，分別為8.1億千瓦、11.7億千瓦與15.2億千瓦。
中國華電科工集團公司副總經(jīng)理單宏勝也在“零碳城鄉(xiāng)”整體方案中提到集中式風(fēng)電、整縣推進屋頂分布式光伏、氫能綜合利用、生物質(zhì)能生態(tài)循環(huán)利用、碳捕集利用與封存等應(yīng)用場景。
從中長期來看，彭才德提出新能源發(fā)展三大方向，包括開發(fā)場地融合，比如與建筑物構(gòu)筑物結(jié)合，減輕用地成本，提升單位土地收益的方式；能源開發(fā)利用之間的技術(shù)融合，如水風(fēng)光互補，風(fēng)光與制氫、儲能、光熱等的融合；還有產(chǎn)業(yè)發(fā)展的融合，如光伏發(fā)電與信息數(shù)據(jù)領(lǐng)域、交通領(lǐng)域的融合等。
提升系統(tǒng)靈活性資源建設(shè)
新型電力系統(tǒng)建設(shè)要具備靈活調(diào)節(jié)能力、分布式能源廣泛介入、區(qū)域能源自洽等基本要求。為確保電力系統(tǒng)運行的穩(wěn)定安全，須有電源及時跟隨風(fēng)光出力的變化，靈活做出調(diào)節(jié)。
我國電力系統(tǒng)正加速向以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)演進。電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型過程中，電網(wǎng)穩(wěn)定控制面臨新挑戰(zhàn)。國家電力調(diào)度控制中心副主任許濤指出，一方面，電力電子設(shè)備引入新型態(tài)穩(wěn)定問題。隨著電力電子設(shè)備比例不斷升高，更寬時間尺度的交互影響加強，系統(tǒng)動態(tài)特性更加復(fù)雜，寬頻振蕩等新型穩(wěn)定問題涌現(xiàn)。新能源機組在故障擾動期間呈現(xiàn)電流源特性，鉗制電壓能力弱，同時具有電力電子設(shè)備普遍存在的脆弱性，面對故障擾動容量脫網(wǎng)，引發(fā)新能源大范圍連鎖反應(yīng)。另一方面，我國高比例新能源電網(wǎng)安全控制更具挑戰(zhàn)。我國單一輸電通道最大容量達到1200萬千瓦，特高壓直流送端已有6個千萬千瓦級新能源基地?！半p高”交直流強耦合電網(wǎng)出現(xiàn)以電壓、諧波、頻率為媒介的連鎖反應(yīng)。
南網(wǎng)戰(zhàn)略規(guī)劃部副總經(jīng)理彭波也表示，新型電力系統(tǒng)建設(shè)面臨持續(xù)可靠供電、電網(wǎng)安全穩(wěn)定、系統(tǒng)總成本上升的挑戰(zhàn)。國網(wǎng)經(jīng)濟技術(shù)研究院總工程師李敬如表示，雙碳背景下，以整縣屋頂分布式光伏開發(fā)為代表的大規(guī)模新能源并網(wǎng)形式將給我國電力供應(yīng)、新能源消納、配電系統(tǒng)穩(wěn)定運行等方面帶來巨大挑戰(zhàn)，面臨電壓越限、線路和配變過載、功率倒送等問題。
“未來五年系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力需求高，新能源消納壓力整體較大?？蓮耐诰虼媪侩娫凑{(diào)節(jié)能力，新增一批系統(tǒng)級靈活調(diào)節(jié)電源，充分發(fā)揮需求側(cè)響應(yīng)能力，跨省跨區(qū)調(diào)節(jié)資源互濟等四方面提升系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力。”電力規(guī)劃設(shè)計總院電力發(fā)展院主任工程師王爽提出，從長遠(yuǎn)看，儲能是新能源成為主體電源后系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力構(gòu)建的必然選擇。南網(wǎng)戰(zhàn)略規(guī)劃部副總經(jīng)理彭波也認(rèn)為，有序發(fā)展不同功能定位的儲能項目，可提升電力系統(tǒng)靈活調(diào)節(jié)能力，保障大規(guī)模新能源充分消納及系統(tǒng)運行安全。
截至2020年底，我國電化學(xué)儲能裝機規(guī)模超過327萬千瓦，其中鋰離子電池儲能占比超過88%；建成了大量的儲能示范工程，有效驗證了儲能新能源平滑、輔助調(diào)頻、調(diào)峰、緊急功率支持等功能。
“新型儲能技術(shù)走的是宏觀需求引導(dǎo)、微觀技術(shù)驅(qū)動的路徑?！敝袊娏茖W(xué)研究院儲能與電工新技術(shù)研究所所長劉超群表示，未來要強化產(chǎn)品化與應(yīng)用技術(shù)研究、強化儲能系統(tǒng)性能和安全檢測、強化儲能應(yīng)用管理體系建設(shè)等建議。
李敬如也指出，儲能等靈活性資源對構(gòu)建新型電力系統(tǒng)、保障電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行具有重要意義，亟需對其優(yōu)化配置和運行控制策略進行研究。建議從加強場景分析、完善指標(biāo)體系、健全市場體制三方面推進儲能在電力行業(yè)應(yīng)用。
需求側(cè)參與系統(tǒng)調(diào)節(jié)的潛力有待進一步挖掘。國網(wǎng)能源研究院副院長單葆國提出，推動需求側(cè)資源開發(fā)利用，健全完善市場機制與商業(yè)模式，加強關(guān)鍵技術(shù)突破，各方聯(lián)動配合形成合力。
搶灘能源數(shù)字化機遇
隨著終端能源消費電氣化進程加速，基于數(shù)字化、智能化的新型配電系統(tǒng)為新型電力系統(tǒng)的重要一環(huán)。
中國電力發(fā)展促進會常務(wù)副會長兼秘書長游敏在開幕致辭中指出，數(shù)字化轉(zhuǎn)型是行業(yè)企業(yè)實現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展的重要引擎?！按笤莆镆浦擎湣钡刃乱淮鷶?shù)字技術(shù)和能源技術(shù)的深度融合與廣泛應(yīng)用，已成為行業(yè)企業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的新模式、新業(yè)態(tài)、新途徑。
國網(wǎng)發(fā)展部副主任劉勁松表示，國網(wǎng)新能源云的目標(biāo)，是建設(shè)中國特色國際領(lǐng)先的新能源數(shù)字經(jīng)濟平臺，建立“橫向協(xié)同、縱向貫通”和“全環(huán)節(jié)、全貫通、全覆蓋、全生態(tài)、全場景”的新能源開放服務(wù)體系。
南網(wǎng)戰(zhàn)略規(guī)劃部副總經(jīng)理彭波表示，數(shù)字賦能是新型電力系統(tǒng)的顯著特征之一。新型電力系統(tǒng)將呈現(xiàn)數(shù)字與物理系統(tǒng)深度融合，以數(shù)據(jù)流引領(lǐng)和優(yōu)化能量流、業(yè)務(wù)流。南網(wǎng)加快電網(wǎng)數(shù)字化基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，建設(shè)完善基于全域傳感的實時測量體系，集成碳監(jiān)測能力，開展碳追蹤/碳計量/碳認(rèn)證、減碳診斷和服務(wù)。依托強大的“電力+算力”，透過數(shù)據(jù)關(guān)系發(fā)現(xiàn)電網(wǎng)運行規(guī)律和潛在風(fēng)險，實現(xiàn)電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行和資源大范圍優(yōu)化配置，使電網(wǎng)具備超強感知能力、智慧決策能力和快速執(zhí)行能力。
中國大唐新能源科學(xué)技術(shù)研究院院長李國華表示，大唐展開基于云邊協(xié)同的新能源大數(shù)據(jù)中心建設(shè)及風(fēng)電光伏智能運營技術(shù)開發(fā)應(yīng)用等研究，“十四五”將全力打造成為“綠色低碳、多能互補、高效協(xié)同、數(shù)字智慧”的世界一流能源供應(yīng)商。
