煤電與新能源耦合發(fā)展模式的探析

長(cháng)期以來(lái)煤電作為我國的主力電源，在我國電力安全供應保障中發(fā)揮著(zhù)決定性作用。遠期來(lái)看，在碳中和目標下，無(wú)減排措施的燃煤發(fā)電量必然逐步削減乃至清零，但這是一個(gè)長(cháng)期過(guò)程，不可能一蹴而就。中期來(lái)看，到2030年，就全國總體而言，煤電仍然是我國的主體電源，提供近50%的電量，以及不低于60%的容量支撐和重要的電網(wǎng)安全保障;遠至2040年，就電量貢獻而言，煤電屆時(shí)仍然可能是第一大電源品種。在低碳減排和安全保供的雙重約束下，一方面煤電需要逐步由高碳電源轉變?yōu)榈吞蓟蛄闾茧娫?，發(fā)展綠色低碳技術(shù)，推動(dòng)煤炭的清潔高效利用，長(cháng)期逐步退出以順應經(jīng)濟社會(huì )的清潔低碳發(fā)展;另一方面煤電同時(shí)作為電力供應安全、能源系統碳中和以及生態(tài)環(huán)境治理的“壓艙石”，仍將長(cháng)時(shí)期承擔電力安全保供的責任，由主體性電源轉向基礎保障性和系統調節性電源，同時(shí)肩負供熱服務(wù)。這就要求未來(lái)煤電向更加清潔低碳、更加高效、更加靈活的方向發(fā)展。

由于可再生能源的能量密度低、間歇性、不可預測性和不具備電網(wǎng)支撐性能，在我國新型電力系統建設的進(jìn)程中，可再生能源與煤電不是簡(jiǎn)單的此消彼長(cháng)的關(guān)系?！缎滦碗娏ο到y發(fā)展藍皮書(shū)(征求意見(jiàn)稿)》指出，2030年前煤電裝機和發(fā)電量仍將適度增長(cháng)。為滿(mǎn)足經(jīng)濟社會(huì )用電負荷增長(cháng)以及新能源大規模高比例發(fā)展的調峰需求，在嚴控煤電項目前提下，近期仍需要在部分地區發(fā)展適量為消納風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電服務(wù)的調峰機組和為保障電網(wǎng)安全供應服務(wù)的支撐性機組。至少在新能源及其配套的儲能技術(shù)具備獨立保障電力安全供應能力之前，要處理好煤電與新能源的優(yōu)化組合問(wèn)題，推進(jìn)二者耦合發(fā)展。這既是我國建設新型電力系統的必由之路，也是可再生能源規?；S升式發(fā)展的前提條件，更是煤電自身轉型發(fā)展的重要途徑。

煤電“三量”與“三新”的耦合發(fā)展

煤電存量、增量、減量“三量”發(fā)展促進(jìn)可再生能源發(fā)展

預計煤電規模在電力需求剛性增長(cháng)和電網(wǎng)安全支撐需求下仍會(huì )有一定的擴張，近期將出現煤電規模小幅增長(cháng)、靈活性改造大面積鋪開(kāi)的情形，從主力電源向基礎電源轉變，來(lái)滿(mǎn)足新能源快速發(fā)展的系統調節需求;達峰后以煤電碳捕獲改造、容量有序清退、合規機組延壽運行(備用)為重點(diǎn)，從基礎電源轉變?yōu)檠a充電源，煤電發(fā)電存量由新能源逐步替代，推進(jìn)新型電力系統平穩過(guò)渡和煤電高質(zhì)量有序退出。煤電存量、增量和減量“三量”發(fā)展能夠有效促進(jìn)可再生能源的發(fā)展。

對于現役煤電機組、自備電廠(chǎng)，即存量機組來(lái)說(shuō)，可作為主力機組在網(wǎng)側起到基礎支撐兜底保障作用，配合推進(jìn)煤電機組清潔高效改造與靈活性改造，保障電力系統的低碳、靈活和穩定運行。對于當前即將到期退役的煤電機組，根據需要完成適應性改造后符合能效、環(huán)保、安全等要求的，可通過(guò)延壽運行來(lái)滿(mǎn)足容量需求。存量機組的改造能快速提升電力系統的靈活調節能力、減少電力系統安全容量投資，應對大規模新能源并網(wǎng)和用電負荷“雙高峰”化所帶來(lái)的供電安全挑戰。

對于增量煤電機組，未來(lái)以發(fā)展高參數的高效節水型火電為主，不再單純以發(fā)電為目的，主要定位為靈活調節型和容量保障型機組，保障電力供應安全和促進(jìn)可再生能源消納。在“雙碳”目標約束下，煤電裝機增量發(fā)展空間有限，在新建煤電機組時(shí)可考慮和新能源一體化耦合方案，發(fā)展多能互補綜合能源生產(chǎn)新模式，例如“風(fēng)光水火儲一體化”，通過(guò)風(fēng)光出力特性互補，聯(lián)合調峰電源和儲能，實(shí)現友好型并網(wǎng)，推動(dòng)清潔能源最大化利用，或進(jìn)行生物質(zhì)耦合混燒，以大幅度降低碳排放，減少廢棄問(wèn)題。

對于減量煤電機組，隨著(zhù)新能源滲透率的快速提升，源荷匹配難度加大、系統受沖擊干擾的風(fēng)險加劇，有必要逐漸擴大常備應急電源和戰略備用電源規模，一來(lái)提升電力系統的安全供應閾值，二來(lái)充分利用退役煤電機組的技術(shù)價(jià)值。部分退役煤電機組不能簡(jiǎn)單地關(guān)停淘汰，可以作為備用機組應對區域性、季節性、時(shí)段性的尖峰用電需求，以及在極端情況下作為應急主力機組。

新能源、新模式、新業(yè)態(tài)“三新”發(fā)展助力煤電低碳轉型

助力新能源，以綠色發(fā)展推動(dòng)清潔轉型。建設一體化清潔能源基地、推進(jìn)整縣式光伏、依托電力企業(yè)發(fā)展屬地的轉型光伏、開(kāi)展風(fēng)電下鄉等，都是發(fā)展新能源的重要路徑。而新能源發(fā)電出力的不穩定性對電網(wǎng)消納帶來(lái)壓力，系統對儲能和調峰電源的需求愈發(fā)迫切。然而電化學(xué)儲能發(fā)展尚在初期(成本高，安全性待提升)，抽蓄受自然資源條件限制較大，靈活性改造后的煤電調峰已成為當前最優(yōu)選擇。目前風(fēng)光大基地項目配備調峰火電機組已成趨勢，通過(guò)規劃建設大型風(fēng)光電基地，鼓勵煤電企業(yè)與新能源企業(yè)開(kāi)展實(shí)質(zhì)性聯(lián)營(yíng)，以綜合能源基地模式鼓勵周邊清潔高效先進(jìn)節能的煤電發(fā)揮支撐性作用，促進(jìn)存量煤電機組的靈活性改造，主動(dòng)改變供給側功能和定位以實(shí)現轉型，推動(dòng)煤電和新能源的優(yōu)化組合，全面提升電力系統調節能力和靈活性。

探索新模式，以協(xié)調發(fā)展推動(dòng)穩步轉型。推進(jìn)分散式風(fēng)電、分布式光伏、中小型風(fēng)光與風(fēng)光火儲互補項目資源儲備和開(kāi)發(fā)建設，創(chuàng )新多能互補商業(yè)模式。燃煤電廠(chǎng)特別是城市燃煤電廠(chǎng)可以開(kāi)展多種服務(wù)，探索與變電站、儲能電站、電動(dòng)汽車(chē)充電站、分布式光伏電站和數據中心的局域集合，實(shí)現“源-網(wǎng)-荷-儲-用”有機聯(lián)動(dòng)，形成面向城市、園區、社區及居民的綜合能源服務(wù)“一站式平臺”。

布局新業(yè)態(tài)，以創(chuàng )新發(fā)展推動(dòng)增長(cháng)趨勢。新能源技術(shù)、云計算、大數據、移動(dòng)通訊和人工智能等創(chuàng )新技術(shù)的發(fā)展，不斷推動(dòng)著(zhù)電力行業(yè)的轉型升級，帶來(lái)電網(wǎng)形態(tài)功能的改變，電力新業(yè)態(tài)不斷涌現。發(fā)電企業(yè)可以充分利用煤廠(chǎng)、庫房、熱網(wǎng)等廠(chǎng)區布置，因地制宜改造升級，配套部署風(fēng)光可再生能源、儲能、制氫、熱泵等，為周邊工業(yè)園區、產(chǎn)業(yè)園區等提供冷熱電氣水等綜合能源服務(wù)，并結合技術(shù)改造提高煤電機組經(jīng)濟運行和靈活運行水平，發(fā)揮煤電的兜底保障和靈活調節作用。

“三量”“三新”的耦合關(guān)系

面向電力安全保供和低碳轉型的雙重目標，電力行業(yè)低碳轉型需要處理好傳統電源與新能源之間的關(guān)系，實(shí)現煤電清潔高效利用與新能源高質(zhì)量躍升發(fā)展的協(xié)調統一。

煤電存量、增量、減量“三量”發(fā)展是新型電力系統轉型規劃的關(guān)鍵，是電力新能源、新模式、新業(yè)態(tài)發(fā)展的堅實(shí)基礎，為消納新能源、保障電力安全提供支撐。以風(fēng)光為主的可再生能源裝機容量并不等于有效容量，尤其是電力系統源、荷資源對越發(fā)頻繁的極端天氣的敏感度提升，電力系統安全穩定面臨更大挑戰，煤電作為我國電力系統的“壓艙石”和“調節器”，必須要發(fā)揮“三量”功能價(jià)值促進(jìn)新型電力系統“三新”轉型生態(tài)的發(fā)展。

新能源、新業(yè)態(tài)、新模式是助力煤電低碳轉型的重要形式，“三新”生態(tài)是推動(dòng)“三量”發(fā)展的有效動(dòng)力。煤電“三新”發(fā)展模式有利于推動(dòng)風(fēng)電光伏大規模、高比例、多元化發(fā)展，促進(jìn)新能源行業(yè)技術(shù)進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)升級，能夠為經(jīng)濟社會(huì )發(fā)展提供優(yōu)質(zhì)豐富的綠色電力。通過(guò)積極培育電力源網(wǎng)荷儲一體化、負荷聚合服務(wù)、綜合能源服務(wù)、虛擬電廠(chǎng)等貼近終端用戶(hù)的新業(yè)態(tài)、新模式，同時(shí)搭建能源數字經(jīng)濟平臺，發(fā)展綜合智慧能源，以“三新”模式推動(dòng)煤電機組功能定位轉型，促進(jìn)煤電與新能源一體化、多元化發(fā)展。

煤電與新能源耦合發(fā)展的典型模式

“燃煤電廠(chǎng)+分布式光伏+儲能廠(chǎng)內耦合”。燃煤發(fā)電“源隨荷動(dòng)”，光伏發(fā)電“靠天吃飯”且夜晚沒(méi)有出力，當新能源并網(wǎng)容量不斷提升，新能源的波動(dòng)性和間斷性將導致電源側的調頻和頂峰壓力激增，因此，新型電力系統勢必需要煤電機組擁有深度調峰的靈活性。除發(fā)電機組的靈活性改造外，燃煤電廠(chǎng)可利用廠(chǎng)房和閑置土地加裝光伏，利用光伏發(fā)電減少廠(chǎng)用電，可適當降低供電煤耗，減少發(fā)電廠(chǎng)碳市場(chǎng)履約成本、增加綠電收益;并根據裝機容量，按比例配置一定規模的儲能電站，與廠(chǎng)內燃煤發(fā)電及分布式光伏形成互補聯(lián)動(dòng)模式，提升項目整體的低碳性、靈活性和經(jīng)濟性。

“燃煤電廠(chǎng)+分布式光伏廠(chǎng)外耦合”。我國建筑屋頂資源豐富，開(kāi)發(fā)建設屋頂分布式光伏潛力巨大。但是建筑屋頂分布廣泛、資源分散、單體規模小、開(kāi)發(fā)建設協(xié)調工作量大，一定程度上制約了屋頂分布式光伏的規?；l(fā)展。啟動(dòng)推進(jìn)整縣(市、區)屋頂分布式光伏開(kāi)發(fā)工作，能夠充分調動(dòng)和發(fā)揮地方積極性，引導地方政府協(xié)調更多屋頂資源，進(jìn)一步開(kāi)拓市場(chǎng)，擴大屋頂分布式光伏建設規模。在推進(jìn)整縣分布式光伏的政策契機下，燃煤電廠(chǎng)利用其中央企業(yè)或地方優(yōu)勢國企的資源優(yōu)勢，可以力爭成為所在縣域的整縣分布式光伏平臺服務(wù)商，實(shí)現業(yè)務(wù)、資產(chǎn)、技術(shù)和人員的整合優(yōu)化和平穩轉型。

“風(fēng)光大基地+支撐調節性煤電”形成綜合清潔能源基地。建設大型風(fēng)電、光伏發(fā)電基地，是穩步快速且有保障地提高清潔能源供給能力的主要途徑。圍繞以沙漠、戈壁、荒漠為重點(diǎn)的大型風(fēng)光電基地，合理規劃建設清潔高效先進(jìn)節能的配套支撐性煤電，充分發(fā)揮煤電基礎保障和系統調節作用，進(jìn)一步夯實(shí)煤電的電力保供“壓艙石”作用，促進(jìn)新能源開(kāi)發(fā)外送，為經(jīng)濟社會(huì )發(fā)展提供堅強電力保障。

煤電發(fā)展為電熱冷汽水綜合能源。煤電需要從單一發(fā)電服務(wù)轉型為提供多種能源聯(lián)合供應服務(wù)，因地、因企制宜，構建智能供電、氣、水、熱等系統，構成區域綜合供能網(wǎng)架，為城市提供“電、熱、冷、汽、水、壓縮空氣”等多品類(lèi)能源供應。煤電向綜合能源轉型發(fā)展可以通過(guò)煤電生物質(zhì)耦合、煤電與資源再利用組合發(fā)展等方式開(kāi)展。

煤電生物質(zhì)耦合發(fā)電，可以利用農林廢棄物和城鄉有機廢棄物，通過(guò)將其加工成燃料顆粒替代燃煤摻燒，也可以通過(guò)氣化處理產(chǎn)生可燃氣體送入鍋爐，實(shí)現生物質(zhì)能處理耦合發(fā)電，減少溫室氣體排放，同時(shí)實(shí)現鍋爐低負荷穩燃，提高機組靈活性調峰能力。

煤電與資源再利用組合發(fā)展是推動(dòng)煤電“生態(tài)共享型電廠(chǎng)”發(fā)展的新模式，協(xié)同處置市政污泥、垃圾及工業(yè)固廢等可再利用廢棄物，實(shí)現減量化、無(wú)害化、資源化處置?？梢允姑弘娤蛭廴局卫砥髽I(yè)和多種能源類(lèi)型綜合供應商轉型，實(shí)現區域內能量資源體系的梯級利用、循環(huán)利用，靈活匹配多種用能需求，降低區域碳排放，打造綠色智慧低碳綜合能源服務(wù)示范區。

以煤電為中心的綜合能源生產(chǎn)單元模式。中國電力科學(xué)研究院周孝信院士團隊提出了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、新甲烷/甲醇合成等多種技術(shù)的設想——綜合能源生產(chǎn)單元(Integrated Energy Production Unit，IEPU)。該生產(chǎn)單元既可以生產(chǎn)電力和各種近綠色燃料，又能以其高靈活調節能力支撐高比例可再生能源電力系統穩定運行。

IEPU通過(guò)單元內部各設備協(xié)同運行及單元與外部電網(wǎng)的靈活互動(dòng)，實(shí)現多類(lèi)型能源的生產(chǎn)、存儲、轉化和化工合成等過(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。二是通過(guò)二氧化碳與氫氣合成生產(chǎn)甲烷、甲醇等便于存儲、運輸的綠色燃料或化工原料，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，結合相應的產(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);另一方面，所生產(chǎn)的氫氣及合成產(chǎn)品，也可為能源領(lǐng)域化石燃料和原料替代提供一定的來(lái)源補充。

END

本文刊載于《中國電力企業(yè)管理》(上旬)2023年01期，作者系華北電力大學(xué)袁家海、張浩楠，自然資源保護協(xié)會(huì )黃輝。