田江南，安 源，常德生，賈 瀟，李紅軍

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

0 引言

2020年9月，習(xí)近平主席首次在聯(lián)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(xiàn)碳達(dá)峰，于2060年前努力實現(xiàn)碳中和”。在2020年12月份習(xí)近平主席在氣候雄心大會上重申“3060”目標(biāo)，并作出進(jìn)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(dá)到25%左右，風(fēng)電、太陽能發(fā)電總裝機(jī)容量將達(dá)到12億kW以上”。隨著我國新能源(風(fēng)電、光伏)技術(shù)的發(fā)展以及新能源裝機(jī)容量的擴(kuò)大，國家逐漸取消了新能源的上網(wǎng)電價補(bǔ)貼，實施平價上網(wǎng)政策[1]。

在我國電力結(jié)構(gòu)中，新能源主要指風(fēng)電和光伏。在2018年5月出臺《關(guān)于2018年光伏發(fā)電有關(guān)事項的通知》之后，2019年1月份出臺《關(guān)于積極推進(jìn)風(fēng)電、光伏發(fā)電無補(bǔ)貼平價上網(wǎng)有關(guān)工作的通知》。這兩個文件明確了我國的光伏、風(fēng)電發(fā)電平價上網(wǎng)的目標(biāo)。

煤電發(fā)電量目前在我國發(fā)電量結(jié)構(gòu)中占比最高；風(fēng)電、光伏裝機(jī)容量在近幾年發(fā)展較為迅猛。文章針對“3060”目標(biāo)提出初期出現(xiàn)的新能源電源裝機(jī)不景氣、全國多地區(qū)實行有序用電、煤電倒掛導(dǎo)致的煤電出力不足等現(xiàn)象[2-3]，從煤電和可再生能源發(fā)電兩個角度展開論述。

1 煤電的發(fā)展

“雙碳”目標(biāo)提出以來，人們的目光都集中到了碳排放大戶——電力行業(yè)。電力行業(yè)碳排放占全國碳排放總量的40%左右。煤電從起步之初歷經(jīng)了電荒、煤荒、煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電等過程再到二十世紀(jì)初期的快速發(fā)展，歷經(jīng)百年。今天，肩負(fù)著巨大減排任務(wù)的煤電又一次成為了社會輿論的焦點。

1.1 煤電發(fā)展現(xiàn)狀

為了優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，推動經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式的轉(zhuǎn)變，實現(xiàn)我國產(chǎn)業(yè)的高質(zhì)量發(fā)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(qiáng)度[4]。

從“十二五”到“十三五”，我國煤電裝機(jī)容量增速從6.8%降至3.7%。由于電煤價格上漲、發(fā)電利用小時數(shù)下降、環(huán)保成本增加等原因，煤電企業(yè)虧損嚴(yán)重。2019年除國家能源集團(tuán)之外的四大電力集團(tuán)的煤電企業(yè)有50%左右處于虧損狀態(tài)，其煤電版塊的虧損額達(dá)到了150億元[5]。

1.2 煤電發(fā)展建議

2020年我國煤電裝機(jī)容量占總電源裝機(jī)容量的49.1%，煤電的發(fā)電量卻占全口徑發(fā)電量的65%。發(fā)電量與裝機(jī)容量的差距說明了煤電不可或缺的地位，其強(qiáng)勁的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動慣量給電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供了保障[6]。2021年 11月份國家發(fā)展改革委和國家能源局聯(lián)合發(fā)布《全國煤電機(jī)組改造升級實施方案》，方案指出淘汰關(guān)停的煤電機(jī)組“關(guān)而不拆”，在“退城進(jìn)郊”異地建設(shè)等情況下，作為應(yīng)急備用電源發(fā)揮作用?！疤蕴P(guān)停的煤電機(jī)組，可用于容量替代新建清潔高效煤電機(jī)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(wěn)定器的作用是目前技術(shù)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(fā)電填補(bǔ)這個增量缺口是不現(xiàn)實的[8]。在我國大電網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)沒有實現(xiàn)根本性的技術(shù)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(yè)需提升運(yùn)行質(zhì)量和發(fā)電效率，實現(xiàn)精細(xì)化管理。通過技術(shù)改造等方式實現(xiàn)節(jié)能降耗，在不降低容量的條件下盡可能減碳。

2)煤電企業(yè)需要調(diào)整工作目標(biāo)，充分利用其靈活性的優(yōu)勢，保證不發(fā)生大規(guī)模停電事故，起到新型電力系統(tǒng)的強(qiáng)有力的支撐作用。

3)存量的煤電企業(yè)為適應(yīng)現(xiàn)代電力系統(tǒng)的要求，需要進(jìn)行一系列改造，如：靈活性改造、提質(zhì)增效改造和環(huán)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(nèi)、外部缺陷。況且角度好設(shè)置，垂直拍攝，現(xiàn)場采用雙壁單影分段透照技術(shù)。②實際拍攝：布片簡單、射線源能量固定，現(xiàn)場可操作性及成本較低，推薦使用。

4)推進(jìn)特高壓輸電統(tǒng)籌進(jìn)程，避免輸電與輸煤同時進(jìn)行。通過特高壓輸電打破省間、地區(qū)間的電網(wǎng)壁壘，發(fā)揮西南大水電、西北大火電的優(yōu)勢，避免在電力受端大規(guī)模搞電力基建。

5)煤電規(guī)模不宜盲目擴(kuò)張，煤電企業(yè)可通過提高發(fā)電利用小時數(shù)來提升設(shè)備的利用效率，避免設(shè)備閑置造成的資源浪費。提高發(fā)電利用小時數(shù)的前提是有煤可燒、發(fā)電有收益，因此保障電煤的供應(yīng)是前提條件。

2 可再生能源的發(fā)展

由于碳捕獲與封存技術(shù)(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(fā)電成本增加了70%左右，所以在目前的技術(shù)階段依靠CCS使煤電行業(yè)脫碳不太現(xiàn)實[9]。

表1為各地區(qū)可再生能源的定義，水力發(fā)電、海洋能和地?zé)岬睦檬艿降乩韰^(qū)域的限制，限制了其大范圍發(fā)展[10]。我國的風(fēng)、光資源整體較好，是重點開發(fā)的新能源品類。

表1 可再生能源定義

2.1 可再生能源發(fā)展現(xiàn)狀

當(dāng)風(fēng)電、光伏等新能源比例擴(kuò)張到一定規(guī)模，而作為調(diào)蓄功能的儲能比例較小時，電網(wǎng)比較容易出現(xiàn)事故風(fēng)險導(dǎo)致拉閘限電。特別是在東北、西北等北方地區(qū)，在冬季采暖用電量大的時候，容易出現(xiàn)寒潮降雪導(dǎo)致風(fēng)電、光伏出力受限，甚至新能源電力無序脫網(wǎng)的現(xiàn)象。再加上地區(qū)之間的電網(wǎng)通道調(diào)配空間不足，就更容易出現(xiàn)拉閘限電甚至發(fā)生大范圍電網(wǎng)解列崩潰事故。

預(yù)計2030年，我國的風(fēng)電和光伏總裝機(jī)容量將達(dá)到20億kW，電化學(xué)儲能規(guī)模將達(dá)到 1.5億kW。據(jù)估計屆時新型儲能規(guī)模也將達(dá)到1億kW[11]。據(jù)此分析，屆時各類配套儲能占風(fēng)電、光伏的比例為12.5%，因此，僅靠電化學(xué)儲能仍不能滿足風(fēng)電、光伏的靈活性需求。在建成高比例風(fēng)電、光伏體系的同時必須大力發(fā)展與新能源配套的大規(guī)模儲能技術(shù)。

大規(guī)模儲能技術(shù)按能量的轉(zhuǎn)化方式可分為三類：機(jī)械儲能、電化學(xué)儲能和電磁儲能。機(jī)械儲能包括飛輪儲能、壓縮空氣儲能和抽水蓄能；電化學(xué)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(dǎo)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(yōu)點就是質(zhì)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?？梢岳秒娊馑茪湓O(shè)備將風(fēng)電、光伏發(fā)出的波動的、間歇的、隨機(jī)的電能轉(zhuǎn)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(nèi)燃機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)等方式轉(zhuǎn)化為電能。在電—氫—電轉(zhuǎn)化的過程中只有水的消耗和生成，沒有其他的廢棄物產(chǎn)生，這是一種綠色的、可持續(xù)的過程。

電解水制氫設(shè)備可分為電解堿水制氫設(shè)備、質(zhì)子交換膜制氫設(shè)備、固態(tài)氧化物電解水制氫設(shè)備等，目前工業(yè)化應(yīng)用最廣泛的是電解堿水制氫設(shè)備[12]。由于氫燃料電池不受卡諾循環(huán)能量轉(zhuǎn)換效率的限制，從這個角度看氫燃料電池是未來發(fā)展的一個重要方向。氫燃料電池目前在交通領(lǐng)域應(yīng)用較多，未來也可在工業(yè)中大規(guī)模應(yīng)用。目前的技術(shù)條件下，電—氫—電的轉(zhuǎn)化效率并不高，僅為30%～50%左右。若考慮氫燃料電池的熱電聯(lián)供作用，電—氫—電的轉(zhuǎn)化效率可提高至60%～80%左右[13]。

2.2 可再生能源發(fā)展建議

風(fēng)電、光伏的主要消納手段為大電網(wǎng)消納。隨著“源網(wǎng)荷儲一體化”政策的出臺，風(fēng)電、光伏的微網(wǎng)消納也成為了另一種選擇，但是由于各方面限制因素，“源網(wǎng)荷儲一體化”項目的落地難度較大。根據(jù)技術(shù)要求或者地方要求，風(fēng)電光伏上網(wǎng)的配套儲能的比例為電源規(guī)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(xué)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(yīng)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(lǐng)域、冶金、化工合成氨、化工合成甲醇等場景[14]。在現(xiàn)今的“雙碳”目標(biāo)時代，氫能在某些無法被電氣化過程替代的領(lǐng)域具有無可比擬的優(yōu)勢。比如火車的進(jìn)化過程，由燃煤火車發(fā)展到燃油火車再發(fā)展到如今的電動高鐵，這就是火車的電氣化的實現(xiàn)。但是冶金領(lǐng)域是無法完全實現(xiàn)電氣化的，冶金領(lǐng)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(xiàn)電氣化的領(lǐng)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(xiàn)碳中和[15]。

目前全球范圍內(nèi)，低轉(zhuǎn)動慣量或無轉(zhuǎn)動慣量的電網(wǎng)系統(tǒng)是沒有運(yùn)行經(jīng)驗的。未來高比例的風(fēng)電、光伏電源勢必會影響系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量。從這個角度講，為保障電網(wǎng)系統(tǒng)的安全，需增加接入過程的費用。比如增加調(diào)節(jié)電源啟停的費用、增加調(diào)頻和備用輔助服務(wù)費用、增加穩(wěn)定電源的容量補(bǔ)償費用等。

目前我國統(tǒng)一電力市場體系還未建成，跨省跨區(qū)綠色電力市場化配置和交易機(jī)制尚未形成，可再生能源發(fā)電場站的建設(shè)和運(yùn)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(fā)電成本以外還包括電網(wǎng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)與運(yùn)行成本、電源靈活性成本、配網(wǎng)成本、接網(wǎng)及電網(wǎng)擴(kuò)展等成本。對于目前的可再生能源發(fā)電有以下建議：

1)在未來的電力系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計中，統(tǒng)籌考慮電網(wǎng)、儲能、傳統(tǒng)能源電力的退出和高比例新能源發(fā)電的發(fā)展問題。實現(xiàn)我國電力向清潔、可再生電力安全、平穩(wěn)過渡。

2)出臺儲能補(bǔ)貼政策，進(jìn)一步降低儲能 成本。

3)光伏發(fā)電平價上網(wǎng)并不等于按照煤電的標(biāo)桿電價上網(wǎng)，建議根據(jù)實際情況上調(diào)光伏發(fā)電上網(wǎng)價格。按照電力系統(tǒng)“誰受益，誰承擔(dān)”的原則，合理分?jǐn)傂履茉窗l(fā)電成本。

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

3 結(jié)語

為了踐行“雙碳”目標(biāo)，我國目前的能源結(jié)構(gòu)和電力結(jié)構(gòu)必須要調(diào)整。能源結(jié)構(gòu)方面，在用戶側(cè)需推廣實行電氣化或者電能替代；電力結(jié)構(gòu)方面，在電源側(cè)需增加清潔電源的比例。在大力推進(jìn)清潔能源電力的同時，制定煤電的合理退出機(jī)制，防止給電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來沖擊。通過市場或者電價定價調(diào)節(jié)機(jī)制來實現(xiàn)引導(dǎo)新能源投資、實現(xiàn)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(yè)積極引入氫能，利用氫能的清潔、質(zhì)量能量密度高、靈活的優(yōu)勢加快這些行業(yè)的脫碳 進(jìn)程。