構建新型電力系統 推動(dòng)高質(zhì)量實(shí)現“雙碳”目標

編者按：2022年7月20～21日，由中國能源研究會(huì )主辦的第四屆未來(lái)能源大會(huì )在北京召開(kāi)，會(huì )議圍繞“碳中和與全球產(chǎn)業(yè)融合”的主題，探討如何進(jìn)一步推進(jìn)能源綠色低碳轉型，構建循環(huán)發(fā)展經(jīng)濟體系、提升能源利用效率、提高非化石能源消費比重、降低二氧化碳排放水平、提升生態(tài)系統碳匯能力等工作。

中國科學(xué)院院士、中國電力科學(xué)院名譽(yù)院長(cháng)周孝信在會(huì )上作主題發(fā)言，他指出，“雙碳”目標將對電力系統帶來(lái)很大變化，最主要的變化是可再生能源的比例將大幅度上升，給新型電力系統安全穩定經(jīng)濟運行帶來(lái)新的挑戰，構建清潔、高效、低碳和韌性可靠的電力系統對于新型電力系統建設十分關(guān)鍵。

電力系統對推動(dòng)實(shí)現碳達峰、碳中和影響重大

周孝信認為，電力系統與發(fā)展根據其技術(shù)特征及其他宏觀(guān)的一些主要特征，可以分成三個(gè)階段：第一階段為上個(gè)世紀50年代以前，稱(chēng)為第一代電網(wǎng)，主要特點(diǎn)是輸電量特別低，電網(wǎng)規模很小;第二階段為上世紀后50年，主要特點(diǎn)是電力快速發(fā)展，整個(gè)電力系統實(shí)現從小規模向大規?？缭桨l(fā)展，技術(shù)越來(lái)越精密，電壓等級越來(lái)越高。大電網(wǎng)也是一樣，總的特點(diǎn)就是大機組、超高壓、大電網(wǎng)、交直流與互聯(lián)電網(wǎng)。但實(shí)際上它是不可持續的，因為它主要還是以化石能源為主，包括資源問(wèn)題、環(huán)境問(wèn)題;第三階段為新一代電力系統。從調研結果來(lái)看，國外上世紀90年代開(kāi)始有這樣一個(gè)發(fā)展趨勢，國內還是新世紀中葉，應該是以可再生能源和石油發(fā)電為主，電網(wǎng)應該是骨干電網(wǎng)和局部電網(wǎng)及微電網(wǎng)相結合，電源就是主力電源，對中國來(lái)說(shuō)還是要采取主力電源與分布式電源相結合的方式。“總的來(lái)說(shuō)，基于可再生能源和清潔能源，是一種可再生發(fā)展的綜合電力的發(fā)展模式。”周孝信指出。

從數據分析看，2025年，我國非化石能源發(fā)電裝機占比將超過(guò)50%，2035年風(fēng)光裝機量超過(guò)總裝機容量50%，2050～2060年煤電裝機將保持在4億千瓦以上。發(fā)電量方面，2030～2035年非化石能源發(fā)電量占比超過(guò)50%，2045～2050年風(fēng)、光發(fā)電量超過(guò)總發(fā)電量50%，2050～2060年煤電發(fā)電量低，年運行2000小時(shí)以下。

周孝信告訴記者，目前，我國新型電力系統的核心目標是要成為能源清潔低碳轉型的關(guān)鍵路徑、能力電力安全保供的基本保障、能源電力節能高效的普遍舉措和實(shí)現能源普遍服務(wù)的主要途徑。其主要特征可概括為六個(gè)方面：

一是高比例可再生能源廣泛接入。一次能源消費中非化石能源主要來(lái)自一次電力(水電、風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電等可再生能源電力以及核電等)，大幅提高以風(fēng)、光等新能源為主的可再生能源電力占比，是電力系統升級換代的重要標志，也是實(shí)現能源轉型的主要支撐。

二是高比例電力電子裝備大規模應用。與傳統電磁變換裝備相比，電力電子裝備在物理結構、控制方式、動(dòng)態(tài)行為、設備交互等方面都存在顯著(zhù)差異，伴隨超大規模交直流輸電及大量新能源機組接入系統，電力電子裝備應用數量不斷提升、范圍不斷擴大，將深刻影響電力系統運行特征。

三是多能互補綜合能源利用。隨著(zhù)多行業(yè)多類(lèi)型技術(shù)高度融合，電力系統的內涵和范疇將不斷外延，應充分發(fā)揮多元化資源配置的平臺作用，促進(jìn)風(fēng)、光、水、煤等協(xié)同互補，電、熱、冷、氣綜合利用，實(shí)現能源資源的按需、合理、高效開(kāi)發(fā)利用。

四是數字化、智能化智慧能源發(fā)展。先進(jìn)數字化、智能化技術(shù)將廣泛滲透在未來(lái)能源電力系統各環(huán)節設計規劃及調度控制中，形成高效運行、用戶(hù)友好的智慧能源系統。

五是向清潔、高效、低碳、零碳轉型。構建新型電力系統作為支撐實(shí)現“雙碳”目標的核心手段，應以清潔、高效、低碳為根本發(fā)展導向，提升新能源開(kāi)發(fā)利用水平、提高系統總體能源利用效率、降低二氧化碳排放，為整體能源轉型奠定堅實(shí)基礎。

六是高韌性本質(zhì)安全可靠保障。綠色發(fā)展和數字革命是新世紀以來(lái)推動(dòng)電力系統發(fā)展模式轉換的兩大驅動(dòng)力。形成以非化石能源為主的電源結構，構建新一代電力系統，是實(shí)現能源轉型、建設清潔低碳安全高效能源體系的主要途徑。“預計到2060年，電力系統二氧化碳排放將不到10億噸。所以電力系統做得好不好，對碳達峰、碳中和目標的實(shí)現影響重大。”周孝信認為。

新型電力系統安全運行面臨的新挑戰

以預測2050年數據為例，我國電力裝機容量是75億千瓦，非化石能源裝機占比84%，風(fēng)、光裝機占比72%，發(fā)電量占比占58%。2050年，太陽(yáng)能發(fā)電量占比32%，風(fēng)電電量占比25%，煤電電量占比5.7%，氣電電量占比6.7%。

結合數據，周孝信認為，我國電力系統安全穩定和經(jīng)濟運行有五項性能要求。一是靈活性，即應對系統中電源出力和負荷需求短期和中長(cháng)期波動(dòng)時(shí)，保持正常穩態(tài)運行的調節能力，這是電力系統源荷平衡保持正常運行的必要條件。對應的挑戰為以風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電為主的高比例可再生能源電力系統對“源網(wǎng)荷儲”互動(dòng)提供靈活性資源的需求巨大。

二是韌性，即應對極端氣候或外力嚴重干擾下，系統快速恢復電力供應的能力，這是電力系統應對突發(fā)事件的必備條件，對應的挑戰為風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電對氣候的敏感性，以及全球氣候變化，使極端氣候條件下快速恢復供電的韌性需求更為頻繁和迫切。

三是穩定性，即系統承受各類(lèi)擾動(dòng)后保持暫態(tài)和動(dòng)態(tài)穩定的能力，這是電力系統正常和擾動(dòng)后安全穩定運行的基本條件，對應的挑戰為高比例電力電子裝備電力系統的低慣性、頻率電壓穩定及寬頻振蕩，以及信息物理系統、多能耦合系統的穩定性。

四是可靠性，即系統不間斷地向用戶(hù)供電能力的度量，是建立在裝備和系統故障統計基礎上概率分析的結果，這是電力系統安全運行的基礎條件，對應的挑戰為電力電子裝備過(guò)載能力弱、低于故障能力低及新能源發(fā)電的不確定性，影響風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電入網(wǎng)設備和系統供電的可靠性。

五是經(jīng)濟性，即建立在市場(chǎng)或非市場(chǎng)基礎上，系統能力損失量最小或經(jīng)濟社會(huì )效益最大化的運行機制體現，這是電力系統為社會(huì )提供優(yōu)質(zhì)服務(wù)的前提條件，對應的挑戰為“雙碳”目標下能源轉型過(guò)程中有效化解電力的成本提高，建立有利于系統運行綠色經(jīng)濟性的市場(chǎng)化機制。

綜合能源生產(chǎn)單元(IEPU)設想

“雙碳”目標下，我國能源電力系統清潔低碳轉型任務(wù)艱巨，如何科學(xué)推進(jìn)傳統煤電升級改造及有序退出、同時(shí)促進(jìn)新能源消納成為能源轉型路徑規劃和相關(guān)戰略制定的重要議題。周孝信指出，一方面，由于資源稟賦及行業(yè)發(fā)展歷史等原因，我國仍保有大量燃煤火電機組，且當前大量在役火電廠(chǎng)發(fā)電效率已基本達到瓶頸，單純大規模推廣碳捕集及封存技術(shù)代價(jià)昂貴，若采用簡(jiǎn)單關(guān)停處理方式，又不利于一定時(shí)期內能源平穩供應過(guò)渡，同時(shí)涉及國有資產(chǎn)保值增值、就業(yè)等多方面問(wèn)題，迫切需要有效手段，有序推進(jìn)存量煤電機組的升級改造，充分發(fā)揮煤炭基礎性保障和調節作用;另一方面，由于以風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電為主的可再生能源具有波動(dòng)性和間歇性，機組出力不確定性強，抗擾動(dòng)能力和動(dòng)態(tài)調節能力弱，新能源高比例接入將對電力系統安全穩定運行帶來(lái)巨大挑戰，系統靈活調節資源的需求顯著(zhù)提升。為應對上述問(wèn)題，周孝信提出關(guān)于一種融合火電機組碳捕集、燃煤機組混燒生物質(zhì)、可再生能源電解水制氫、甲烷/甲醇合成等技術(shù)的設想——綜合能源生產(chǎn)單元(Integrated Energy Production Unit, IEPU)的設想。

記者了解到，IEPU將電解制氫、可再生能源發(fā)電、甲醇/甲烷/氨合成、二氧化碳捕集等設備集成為一體，通過(guò)單元內部各子系統協(xié)同運行及單元與外部電網(wǎng)的靈活互動(dòng)，以及多類(lèi)型能源的生產(chǎn)、存儲和化工合成等過(guò)程耦合，具有以下兩個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn)：

一是以電解制氫裝置作為可控負荷，通過(guò)與火電、水電等可調機組聯(lián)合運行，在綜合能源生產(chǎn)單元內部各子系統協(xié)同優(yōu)化的同時(shí)，實(shí)現與電網(wǎng)互動(dòng)，成為具有高靈活性的虛擬能源生產(chǎn)單元，為高比例新能源電力系統提供靈活性支撐，以包含煤電、光伏、電解水制氫制甲醇的方案為例，其可參與電力系統日調度的出力上限為：煤電機組額定功率+光伏發(fā)電功率-電解水制氫制甲醇裝置出力下限;出力下限為煤電機組最小出力限制-電解水制氫制甲醇裝置出力上限?？梢?jiàn)，若將該系統整體作為一個(gè)虛擬發(fā)電單元，其靈活性調節范圍較傳統煤電機組顯著(zhù)提高。

二是通過(guò)二氧化碳直接與氫氣合成，生產(chǎn)甲烷、甲醇等便于存儲、運輸的綠色燃料或作為重要化工原料產(chǎn)品，一方面可規避大規模二氧化碳捕集后壓縮及封存的高額成本投入;另一方面形成合理可行的產(chǎn)品收益模式，有利于火電企業(yè)推廣應用二氧化碳捕集與利用技術(shù)，在促進(jìn)火電行業(yè)碳減排及轉型發(fā)展的同時(shí)，所生產(chǎn)的氫氣與二氧化碳、氮氣合成，生成綠色燃料化工原料產(chǎn)品，也可為能源相關(guān)領(lǐng)域化石燃料和原料替代提供一定的來(lái)源補充。

針對儲能領(lǐng)域，周孝信表示：“過(guò)去是儲煤、儲天然氣、儲石油，將來(lái)作為非化石能源，在完全綠色的情況下，儲氫及利用氫和二氧化碳合成產(chǎn)生一些能源產(chǎn)品和化工原料，我認為這一點(diǎn)非常重要。”

周孝信認為，可再生能源電解水制氫的生產(chǎn)過(guò)程，作為電力系統可快速調節負荷，可成為應對風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電波動(dòng)性、間歇性的有效措施，可部分替代燃料電池的調節作用。綠色能源產(chǎn)品，如甲烷、甲醇、氨等，以其便于運輸、易于儲存的特性，既可作為化工原料，也可作為以新能源為主體的新型電力系統應對中長(cháng)期能源電力供需不平衡的一種儲能介質(zhì)。

電力系統的靈活性和韌性

周孝信告訴記者，目前，國內外沒(méi)有關(guān)于電力系統靈活性統一的定義和定量評價(jià)指標。北美電力可靠性協(xié)會(huì )把電力系統的靈活性定義為：電力系統供需兩側響應系統的不確定性變化的能力，包括儲存能量的能力和高效機組組合及經(jīng)濟調度的能力。國內有一個(gè)更準確、更細化的定義：在所關(guān)注時(shí)間尺度的有功平衡中，電力系統通過(guò)優(yōu)化調配各類(lèi)可用資源，以一定的成本適應發(fā)電、電網(wǎng)及負荷隨機變化的能力。

同樣，電力系統的韌性也尚無(wú)統一的定義和定量評價(jià)指標。美國國家工程院的定義是：能夠認識到長(cháng)時(shí)間、大面積停電事故發(fā)生的可能性，事故前充分預備，事故發(fā)生時(shí)使其影響最小化，事故發(fā)生后快速回復并且從事故中獲取經(jīng)驗，從而自我提升的能力。國內在作了詳細地研究后有更加準確的定義：能夠全面、快速、準確感知電網(wǎng)運行態(tài)勢，協(xié)同電網(wǎng)內外部資源，對各類(lèi)擾動(dòng)作出主動(dòng)預判與積極預備，主動(dòng)防御，快速恢復重要電力負荷，并能自我學(xué)習和持續提升的電網(wǎng)。

2022年6月14日，生態(tài)環(huán)境部、國家發(fā)展改革委、科學(xué)技術(shù)部門(mén)等17個(gè)部門(mén)聯(lián)合印發(fā)了《國家適應氣候變化戰略2035》，其中特別提到增強我國經(jīng)濟社會(huì )系統的氣候韌性。“特別是對于基礎設施，包括能源設施，以及設施本身涉及到的關(guān)鍵技術(shù)，該戰略都提出了很明確的提高韌性的要求。”周孝信說(shuō)。

如何提高電力系統靈活性和韌性，周孝信進(jìn)一步指出，一是以氣候變化影響敏感的關(guān)鍵領(lǐng)域為抓手，堅持減緩、適應與可持續發(fā)展系統理念，增強我國經(jīng)濟社會(huì )系統氣候韌性。二是推動(dòng)基礎設施與重大工程氣候韌性建設，加強能源基礎設施正常運行保障，提高耐受風(fēng)暴潮、高溫、冰凍等極端天氣氣候事件的能力;通過(guò)“能源+氣象”信息深度融合，提升能源供應安全保障水平。三是突破基礎設施與重大工程關(guān)鍵適應技術(shù)，能源工程與電網(wǎng)安全設施需要重點(diǎn)提升多電網(wǎng)聯(lián)合并網(wǎng)、消納和調度技術(shù);城鄉基礎設施需要重點(diǎn)提升供水、供電、交通和應急通訊等綜合適應能力技術(shù)。

電力系統靈活性仿真分析表明，在風(fēng)電、太陽(yáng)能裝機占比超過(guò)70%的情況下，電力系統正常運行時(shí)除要有足夠的煤電、氣電、各類(lèi)儲能等提供的靈活性資源參與調節外，還需要設置光伏電解水制氫等能源轉換裝置作為負值可調節容量加以配合。在極端氣候條件下，更需要動(dòng)用長(cháng)周期綠色能源儲備，如綠氫及甲烷、甲醇、氨等綠色氣體液體燃料參與能源電力供應。

周孝信用數據的形式呈現了電力系統如何為實(shí)現碳中和目標作出貢獻：“能源系統和電力系統二氧化碳排放均可實(shí)現2030年前達峰，能源系統二氧化碳排放量將在2050年和2060年分別降低為峰值的28%、10.5%，而電力系統分別降低為峰值的25.4%和1.6%，這就為2060年前實(shí)現碳中和目標作出了電力系統的貢獻。”

“雙碳”目標下的兩大重要舉措，就是要構建清潔低碳、安全高效的能源體系和構建以新能源為主體的新型能源系統。“雙碳”目標和能源轉型的戰略目標高度一致，兩個(gè)構建是實(shí)現能源轉型的根本措施。“第三代電力系統是100多年來(lái)第一、二代電力系統的傳承和發(fā)展，是推動(dòng)能源轉型發(fā)展、構成新一代能源系統核心的新一代電力系統。電力系統由以化石能源為主，向可再生能源為主轉型，將對能源轉型目標的實(shí)現起到關(guān)鍵作用。”周孝信表示。