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丁仲礼院士:深入理解碳中和的基本逻辑和技术需求

2023-3-28 15:48

来源: 科普中国 作者: 丁仲礼

电力供应端的技术需求


传统上,电力供应系统包括了发电、储能和输电三大部分,从现在业界经常谈到的“新型电力供应系统”的角度,还应把用户也统筹考虑在内。从实现碳中和的角度,我国未来的电力供应系统应该具备以下六方面特点。

一是电力装机容量要成倍扩大。我国目前的发电装机容量在24亿千瓦左右,如果考虑以下因素:(1)未来要实现能源消费端对化石能源的绿电替代和绿氢替代;(2)从世界大部分先发国家走过的历程看,人均GDP从一万美元到三四万美元之间,人均能源消费量还会有比较明显的增长;(3)风、光等波动性能源的“出工能力”只有传统火电的三分之一左右,那么我国2060年前的装机容量至少需要60亿到80亿千瓦。

二是风、光资源将逐步成为主力发电和供能资源。其中西部风、光资源和沿海大陆架风力资源是主体,各地分散式(尤其是农村)光热资源是补充。

三是“稳定电源”将从目前的火电为主逐步转化为以核电、水电以及综合互补的非碳能源为主。

四是必须利用能量的存储、转化、调节等技术,弥补风、光资源波动性大的天然缺陷。

五是火电还得有,但主要作为应急电源和一部分调节电源之用。与此同时,火电应完成清洁、低碳化改造,有条件的情况下,用天然气代替煤炭,以降低二氧化碳排放强度。

六是在现有基础上,成倍扩大输电基础设施,把西部充沛的电力输送到中东部消纳区。与此同时,加强配电基础设施建设,增强对分布式能源的消纳能力。

在这样的电力供应系统中,碳中和本身的目标要求未来电力的70%左右来自风、光发电,其他30%的稳定电源、调节电源和应急电源也要尽可能地减少火电的装机总量。正因为如此,未来需要促进发电技术、储能技术和输电技术这三方面的“革命性”进步。

发电技术要为绿色低碳电力生产提供支撑。这里面需重点促进可再生能源发电技术的进步,特别是要注重发展以下技术:(1)光伏发电技术虽已发展到可平价上网的程度,但这类技术在降成本、增效率上还有潜力可挖;(2)太阳能热发电技术对电网友好,既可保证稳定输出,也可用于调峰,但目前发电成本过高,未来应在材料、装置上寻求突破;(3)风力发电技术也基本具备平价上网的条件,未来要在大功率风机制造、更高空间风力的利用、更远的海上风电站建设上下功夫;(4)地热分布广、总量大,但能量密度太低,如要将地热用于发电,还得重点突破从干热岩中提取热能的技术;(5)生物质能也是可再生能源,目前生物质能发电技术是成熟的,但其在总的电力供应上的占比较为有限;(6)海洋能和潮汐能的总量不小,但其利用技术有待进步;(7)传统的水电我国开发程度已经较高,未来在雅鲁藏布江、金沙江上游开发上还有较大潜力。

除以上可再生能源发电以外,社会公众还得接受这样的现实:要达到碳中和,核电还得较大程度地发展,因为核电应作为“稳定电源”的重要组成部分。此外,火电还得在“稳定电源”“应急电源”“调节电源”方面发挥作用,正因为如此,“无碳电力”在很长时期内是难以实现的,除非我们把火电站排放出的二氧化碳收集起来再予以封存或利用。

储能技术在未来的电力供应系统中将占有突出的位置,这是因为风、光发电具有天然波动性,用户端也有波动性,这就需要用储能技术作出调节。可以这样说,如果没有环保、可靠并相对廉价的储能技术,碳中和目标就会落空。储能是最重要的电力灵活性调节方式,包括物理储能、化学储能和电磁储能三大类,而灵活性调节还有火电机组的灵活性改造、车网互动、电转燃料、电转热等方式和技术。

物理储能主要有四类。一是抽水蓄能电站,它是最成熟的技术,我国以东部山地为依托,已建、在建和规划中的抽水蓄能电站总量很大,但可再生能源丰富的西部如何建抽水蓄能电站还得探索。二是压缩空气储能,主要是利用地下盐穴、矿井等空间,该类技术在我国还处在起步阶段。三是重力储能,简单地说是利用悬崖、斜坡等地形,电力有余时把重物提起来,需要电力时把重物放下用势能做功,这类技术我国尚处在试验阶段。四是飞轮储能,这是成熟的技术,但其能量密度不高。

化学储能就是利用各类电池,大家熟知的有锂电池、钠电池、铅酸(碳)电池、液流电池、液态金属电池、金属空气电池、燃料电池(氢、甲烷)等。不同的电池有不同的应用场景,它们在未来的电力供应系统中具有不可或缺的地位,但今后会遇到电池回收、环保处理、资源供应等问题。

电磁储能主要是超级电容器和超导材料储能,目前看,它的作用还有待观察。

现有火电机组的灵活性改造是指使其“出工能力”具备灵活性,用电高峰时机组可以发挥100%发电能力,用电低谷时只“出工”20%或30%。这个技术一旦成熟,应该非常管用,尤其在实现“双碳”目标的早中期阶段,应将其作为主打技术。车网互动是指电动汽车与电网的互动。简单地说,今后大量的电动汽车整合起来就是一个非常庞大的储能系统,如果在电网电力有余时,它们中的一部分集中充电,而电力不足时,它们中的一部分向电网输电,这样就起到了平滑峰谷的作用。这个想法很美好,也有点“浪漫”,但如何将理论上的可能性转化为实践中的可行性,估计还得创新商业模式。

电转燃料就是把多余电力转化为氢气、甲烷等燃料,电力不足时再把燃料用于发电。电转热储能则是用水、油、陶瓷、熔盐等储热材料把多余的电转化为热储存,需要时再为用户放热。

新型电力供应系统的第三个主要组成部分是输电网络。从实现碳中和的逻辑分析,我国未来的电网将有以下几个突出特点:(1)远距离的输电规模将在现有的基础上增加数倍,意味着要把西部的清洁电力输送到东部消纳区,输电基础设施建设的需求巨大;(2)为了统筹、引导大空间尺度上的发电资源和用户需求,大电网应是基本形态;(3)贴近终端用户(如工业园区、小城镇等)的分布式微电网建设将受到重视,并将成为大电网的有效补充;(4)为解决波动性强的可再生能源占比高、电力电子装置比例高的特点,需要在电网的智能化控制技术上实现质的飞跃。

从上面的介绍可知,建立一个新型电力系统,其实是逐步“挤出”火电的过程,或者严格地说,是一个把火电装机量占比减到最小的过程,留下的火电也得作“清洁化”改造。我国具有充足的风能、太阳能,从理论上讲,资源绝对足够。但能不能把这些分布广、能量密度低的风、光资源利用起来,并保证电价相对便宜,研发出先进的技术,尤其是储能技术是关键中的关键!

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