评论｜能源转型中我国新一代电力系统的技术特征

我国能源生产和消费面临转型,构建新一代电力系统是实现这一重大转变的关键步骤。新一代电力系统是其发展历程的第三代,大幅提高非化石能源电力占比,形成非化石能源为主的电源结构是其重要标志,在智能电网发展的基础上构建更加智能化和多能互补的能源互联网是其发展方向。根据当前及未来电力系统发展面临的主要问题和关键因素分析,提出了新一代电力系统的主要技术特征：适应高比例可再生能源接入、具有高比例电力电子装备、支撑多能互补综合能源网,以及与信息通信技术进一步深度融合。高效低成本太阳能风能发电技术、高效低成本长寿命储能技术、高可靠性低损耗电力电子技术、高强度低成本绝缘技术和超导输电技术,以及新一代人工智能技术等几类技术整体突破将对新一代电力系统的未来发展具有决定性影响。上述技术特征内涵和核心技术问题的分析,有助于进一步探讨新一代电力系统研究和发展的方向。

0、引言

进入21世纪以来,随着我国经济的迅速发展和能源需求的大幅增长,能源发展面临资源和环境的巨大挑战。新形势下,习近平主席于2014年6月提出推动能源消费革命、能源供给革命、能源技术革命和全方位加强国际合作的重大战略思想;在中共十九大报告中进一步提出推进能源生产和消费革命,构建清洁低碳、安全高效能源体系,为我国能源发展改革指明了方向。出于环境保护和可持续发展的要求,在世界范围内与能源生产、消费密切相关的温室气体排放也受到高度关注。2016年9月3日全国人大常委会批准我国加入《巴黎气候变化协定》,在该协定框架之下,我国提出了有雄心、有力度的国家自主贡献4大目标：1)到2030年中国单位GDP的二氧化碳排放,要比2005年下降60%到65%;2)到2030年非化石能源在一次能源消费中的比重要提升到20%左右;3)到2030年左右,中国二氧化碳排放达到峰值,并且争取早日达到峰值;4)增加森林蓄积量和增加碳汇,到2030年中国的森林蓄积量要比2005年增加45亿m3[1]。这4大目标既是我国对世界的承诺,也是我国实现能源生产和消费转型的重要依据。其中非化石能源(主要包括水电、风电、太阳能发电等可再生能源以及核能等)在一次能源消费中比重是能源转型的核心指标。

根据上述情况,我国能源革命的主要目标将是以可再生能源逐步替代化石能源,实现可再生能源等清洁能源在一次能源生产和消费中占更大份额,推动能源转型,建设清洁低碳、安全高效的新一代能源系统。由于电力系统与可再生能源的生产、输送和消费密切相关,电力系统在保证能源转型核心指标的实现方面具有关键作用,因此,必须在技术发展和创新的基础上,大力推动电力系统转型,建设作为新一代能源系统核心的新一代电力系统。

本文从能源革命的战略角度出发,根据我国能源转型中能源电力及其技术发展的总体趋势,探讨了我国能源转型和转型中新一代电力系统的技术特征。1)探讨了能源转型对能源革命的重要意义及其内涵;2)指出电力能源结构演化对能源转型具有重要意义;3)从高比例可再生能源电力系统、高比例电力电子装备电力系统、多能互补的综合能源电力系统、信息物理融合的智能电力系统与能源互联网,以及几类技术整体突破的潜在决定性影响等角度分析了新一代电力系统的主要技术特征。

1、实现能源转型是我国能源革命的关键

国家发展改革委和国家能源局2016年12月29日发布的《能源生产和消费革命战略(2016—2030)》(以下简称《战略》)提出了我国能源革命中长期的战略目标。其中,明确提出：1)到2020年,我国能源消费总量控制在50亿吨标准煤以内,非化石能源占比达到15%,天然气占比力争达到10%;2)2021到2030年,实现能源年消费总量控制在60亿吨标准煤以内,非化石能源占比达到20%左右,天然气占比达到15%左右,非化石能源发电量占全部发电量的比重力争达到50%;3)2050年,实现能源消费总量基本稳定,非化石能源超过一半。

可见,非化石能源在一次能源消费中占比的不断提升,以及随之带来的能源转型,是我国能源革命的关键。与此相应,《战略》提出2030年非化石能源发电量占全部发电量的比重力争达到50%,也是我国电力系统未来发展的重要指标,是构建我国新一代电力系统必须考虑的基本要求。

基于我国能源发展的战略目标,综合相关研究成果[2-12],能源转型中我国一次能源消费结构演化趋势的一种可能情景如图1所示。

其中,2050年,50%的一次能源消费将是非化石能源,预计2030年后石油消费会逐年递减,而天然气消费将逐年增加,但石油和和天然气之和占能源消耗比重较为稳定,大体维持在30%左右,因此在2050年一次能源消费对煤炭的需求将会在20%左右。

2、能源转型与电力能源结构演化

非化石能源在一次能源消费中占比是我国能源转型的核心指标。电力属于二次能源,其来源与一次能源消费密切相关。2015年我国非化石能源电量为1.5万亿kW•h,采用供电煤耗法计算,取当年火电平均供电标准煤耗315g/(kW•h),折合一次能源4.725亿tce(吨标准煤),占全年一次能源消费总量43亿tce的11%;与全国当年非化石能源消费占一次能源消费的比例12%相差1个百分点。2016年我国非化石能源电量为1.7万亿kW•h,当年火电平均供电标准煤耗312g/(kW•h),折合一次能源5.304亿tce,占全年一次能源消费总量43.6亿tce的12.3%;与全国当年非化石能源消费占一次能源消费的比例13.3%也是相差一个百分点。可见,通过接近90%的非化石能源转化为电能,使一次能源消费中非化石能源的消费主要来自电力,有力推动了我国非化石能源生产和消费的发展,为国家能源战略转型提供了最大的助力。因此,大幅提高非化石能源电力占比,形成非化石能源为主的电源结构,是实现能源转型的主要支撑,也是电力系统转型、建设新一代电力系统的重要标志。

基于国家能源发展战略目标的中长期能源电力发展估算模型如图2所示。模型基于2020—2050年各水平年全国一次能源消费总量、非化石能源在一次能源消费中占比等国家能源转型的战略目标,以及预测的全国人口数量、人均年用电量,水电及核电开发总量等经济社会发展目标,各类发电设备的年运行小时、火电单位供电煤耗等技术参数的演化数据,计算各水平年水能、核能、太阳能、风能、生物质能等非化石能源发电以及煤炭、天然气等化石能源发电的装机容量和年电量发展需求。

根据该模型对我国2020年至2050年发电装机容量和发电量进行估算。其中,2020年按一次能源消费总量50亿tce、非化石能源占比15%、总发电量为7万亿kW•h考虑,可得煤电装机占56%,发电量占62%,可见到2020年我国煤电依然是基础性的能源;2030年按一次能源消费总量是58亿tce、非化石能源占比22%考虑,可得非化石能源发电装机占比57.82%,年发电量占比49.23%,此时非化石能源电力将成为我国的主要电力能源。相关结果见图3所示。

2035和2050年按照非化石能源占比分别为27.5%和50%考虑,在一次能源消费总量于2030—  2035年达到峰值58亿tce后趋于稳定并略为下降的预期下,设定2050年为55亿tce(见图1)。估算结果表明,到2035年非化石能源电力装机占比65.11%,年发电量占比55.72%。到2050年非化石能源电力装机占比84.23%,年发电量占比78.16%,其中非水可再生能源(风能、太阳能、生物质能等)的电力装机占比71.75%,年发电量占比53.35%,可再生能源已成为我国电力的主力能源,如图4所示。其中2050年我国发电装机和发电量估算方案设定数据如表1所示。

根据上述模型的估算结果,可以得到2010年至2050年我国电力年发电量结构变化趋势,如图5所示。

图5所示结果为设定非化石能源消费总量全部转化为一次电力(水电、核电、非水可再生能源发电)的情景。若在保持其他条件不变的情况下,考虑非化石能源总量转化为电力的比例由100%到70%之间变化,则我国2050年非化石能源总量转化为电的比例与装机预估容量情况如图6所示。

根据上述初步预测,消纳不断增加的可再生能源将会是我国新一代电力系统的主要建设目标。由于可再生能源在装机形式、系统运行,以及能源消费等方面较之传统化石能源都有不同的特点,因此势必会使电网的基本结构、调控运行,以及安全防护等方面发生新的深刻变化。