非并网风电对超大规模风电利用的战略意义和路径

江苏省宏观经济研究院 顾为东

当今，全球气候变化受到了世界各国的普遍关注。从最新的温室气体排放增加速度来看，到本世纪末地球气候将有6℃～7℃的严酷升温，远超出2℃的地球生态警戒线。风能作为一种绿色环保的可再生能源，提供了一种重要的可替代煤炭来发电的能源，在二氧化碳减排方面有很大潜力。2009年全球新增风电装机容量超过37500MW，总装机容量已达到157000MW。

1 并网风电利用的限制

风电并网是目前世界上大规模风电场的唯一应用模式。风的高度不稳定性，导致风电大幅度波动，在没有燃气发电、水电等为其调峰情况下，风电对电网贡献率难以超过8%～10%，这是一个世界性难题。风电发展大国目前都采用分布式风电场来减缓这一矛盾，2009年德国风电装机容量达到26000MW，但均为中小容量的分布式风电场，其中最大的仅为60MW。中国风电装机容量从2005年～2009年连续5年每年翻番，2009年又新增装机13800MW，实现增长113%，装机容量达到26010MW，新增装机超过美国，位居全球第一。预计到2020年中国风电累计装机量将超过1.5亿kW，风电正在大规模快速发展。

但是，中国工信部的数据显示，2008年中国风电装机容量累计达12210MW，但实现并网发电的只有8940MW。2009年中国实现并网发电的风电装机仅为16130MW。因电网调峰限制，有9880MW以上的风机在空转，并未输电上网，达装机总量1/3以上。风电并网容量远远落后于装机量，造成极大的浪费。而且，根据中国电监会的调研，风电场普遍经营困难，甚至严重亏损。

同时，风电上网对风力机提出了满足电网稳频、稳压和稳相位等苛刻的技术要求，由此大幅度提高了风力机制造成本和风电价格，约为火电价格的2倍，这也使风电大规模应用受到限制。

2 非并网风电的优势

以电解工业为代表的高载能产业如氯碱、电解铝、电解水制氢等，能较好的适应风电特性，通过必要的技术创新和集成，可以将大规模风电直接与高载能产业耦合，走出大规模风电发展的一条新路径：“非并网”模式。

非并网风电系统基本构成包括：非并网风力机、控制系统和高载能负载（图1）。风电场规模在500MW～10000MW之间甚至更大，所发电为直流电，可直接应用于一系列能较好适应风电特性的高载能产业，使大规模风电不经过常规电网得到100%利用，从而解决大规模、超大规模风电场电量的应用难题。在风场当地常规电网容量允许时，所发直流电也可经全功率逆变后直接并网。

风电的这种非并网模式运行优势体现在：1）绕开电网这一限制风电大规模应用的瓶颈，也避免了风电并网对电网系统安全性的影响；2）采用直流电，回避风电上网的相位差、频率差和电压差控制问题，提高了风力机发电效率和降低成本；3）风力机经专项适配后，结构得到优化，提高了风能利用效率，并可节省并网所需的大量辅助设备，大幅度降低风电场制造成本和风电价格，非并网风电系统的使风电价格接近或低于火电价格；4）突破终端负荷使用风电的局限，使大规模风电在非并网风电系统中的供电比例达到100%，风电得到完全利用。风电的非并网运行模式，可以提高风电利用率15%以上。

3 超大规模非并网风电利用的路径

根据目前研究，非并网风电的主要应用领域包括：氯碱工业、电解铝工业、规模化电解水制氢、大规模海水淡化和风煤多能源系统等。采用非并网风电系统技术，可在风能富集区，建设若干“低碳型”绿色工业园区，利用风能替代化石能源，在园区内实现“高碳能源向无碳能源”的跨越。从而，建立起多元化的100%消耗掉风电的非并网应用系统。

3.1 非并网风电规模化制氢

目前，我们已在风能耦合电解水制氢基础研究上取得重大理论突破，探索出比较完善和系统的风电制氢运行规律和内部耦合机理，并通过制氢规模为50kW、10m3/h的工业化试验验证了系统的稳定性和可靠性，为大规模非并网风电在制氢等电解工业的工业化应用奠定了重要基础，该项成果已通过了中国氢能标准化技术委员会（SAC/TC309）的审定，风能-氢能综合能源系统成为中国《小型氢能综合能源系统性能评价方法》国家标准（GB）的重要内容，填补了国际空白。

3.2 非并网风电电解铝

非并网风电电解铝系统，以风电为主、网电为辅，100%消耗风电，网电提供＜20%的保障用电。为适应风电的大幅波动，在风速变化时，铝电解槽的动态热平衡可以采用智能化循环换热方法加以解决。智能控制系统根据风电情况和电解槽的生产需求实时在线控制电解槽动态热平衡系统的循环量和循环速度，保证电解槽稳定在设定的电解温度下，达到最佳的电解效率（图2）。

风电直接应用于电解铝工业，可以简化风电并网运行所需的大量辅助设备，降低风电场的建设成本10%以上；减少输配电环节，提高风能的综合利用率，使得系统内风电的利用效率提高15%以上，降低风电成本。如果我国60%的铝产量采用非并网风电电解生产，每年可以节标煤2400万吨，减排二氧化碳6300万吨，并可形成千亿（元）级新兴战略性装备制造产业。

目前，我们已经解决了风电直接应用于电解铝工业的重大科学问题，揭示了风电应用于高载能产业的系统运行规律。在工业化生产应用上，重点突破了两个关键性技术瓶颈：1）非并网风电与电解铝过程的耦合机理，研究出能够适应大规模风电电流大幅度波动的新型铝电解槽结构及生产工艺；2）多能源互动智能供电合系统，实现风电100%利用，不足部分由网电补充。

3.3 非并网风电制氯碱

工业性试验表明，新型氯碱电解槽对非并网风电适应性较好，特别是风电电流的大幅度波动而电解的电流效率不变，使非并网风电的操作弹性增大，这条路线也已走通。

将大规模风电应用于氯碱及衍生的PVC产业，建设大型氯碱基地，在此基础上可以形成非并网风电→烧碱→化纤和造纸等、非并网风电→氯产品→PVC产业链、非并网风电→氢电池等系列产业链。

3.4 非并网风电海水淡化

将非并网风电和海水淡化相结合，采用非并网风电低温多级高效风电海水淡化新方法、新工艺，利用海水源和空气源多级高效热泵，使风电转化为热能的效率提高5倍。该系统成功突破了现有多级高效海水淡化过程内部能量不能平衡这一世界性难题，在世界上首次实现内部热量的动态平衡。目前，我们已完成两效20kg/h和三效40kg/h低温多级高效风电海水淡化验证样机制造（图3）。

利用非并网风电直接进行大规模海水淡化，变输电上岸为输水上岸，直接向沿海地区供给大量淡水，缓解部分地区人均淡水资源短缺的矛盾，同时，风电场投资节省15%～25%，风电利用效率提高8%～15%。

3.5 风/煤多能源系统

通过非并网风电电解水产生的氢与煤化工生产的中间产物相结合，形成风/煤多能源系统（图4）。该系统通过基础理论研究和关键技术的突破使传统煤制甲醇生产工艺中省却变换工序和空分装置，使相同的甲醇产量下，节煤48.1%、节水37.8%、减排CO277.8%（现在每生产100万吨甲醇需排放264万吨CO2；每生产100万吨煤制油需排放近300万吨CO2）。如应用于用风煤/天然气系统，与传统工艺相比，省去了昂贵且高能耗的空分、变换和分离装置，使煤制天然气转化率接近100%，实现CO2的近零排放。

将大规模风电应用于煤化工产业，发展风/煤多能源系统绿色煤基化工，建设绿色煤基清洁能源产业基地。用于生产甲醇、二甲醚、甲缩醛（CH2(OCH3)2）等新型替代能源及其衍生产业，还可直接与甲醇制低碳烯烃（DMTO）相结合，走通制取乙烯和丙烯的非石油原料路线，为实施石油替代战略提供一条切实可行的新技术途径。

4 结论

非并网风电的直接应用大幅降低风电发展的成本，减排了温室气体，避免了对电网安全威胁，避开了大规模风电发展面临的并网问题，也缓解了发展中国家面临的资金和技术问题。对于化石能源贫乏而风能资源相对丰富的国家和地区，特别是发展中国家来说，非并网风电的应用为大规模风电多元化发展提供了一条可供借鉴的新模式，具有很强的现实意义。

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