光伏、风力发电助推甘肃省经济发展和实现“双碳”目标

2022-05-05周剑平李世民

太阳能 2022年4期

周剑平，李世民

(甘肃自然能源研究所，兰州 730046)

0 引言

甘肃省地处中国西北地区，具有丰富的太阳能和风力资源，是中国最早研究和开发利用太阳能、风能的省域之一，建设有中国最早的大型地面荒漠并网光伏电站，在太阳能应用等方面具有丰富的实践经验。但目前甘肃在能源开发利用和消纳等方面还存在诸多问题。随着碳达峰、碳中和目标(下文简称为“双碳”目标)的提出，中国太阳能、风能等可再生能源发电产业迎来了一个重要的时代和机遇。本文介绍及分析了甘肃省光伏、风力发电的现状及作用，指出其中存在的问题，并对未来的发展趋势进行了展望。

1 中国的电力发展

中国自改革开放以来，能源行业得到了长足的发展，从世界电力发展相对落后的国家，一跃成为世界发电量最大的国家。

在中国的电力结构中，火力发电占比较高。2021年，火力发电装机容量占全国总装机容量的55%，发电量占全国总发电量的72%左右；中国火力发电量占全球火力总发电量的50.2%。但与此同时，大量的煤炭消耗产生了严重的大气污染，中国在成为仅次于美国的第二大经济体的同时，也成为了世界排名第一的二氧化碳排放国。2020年，中国排放了103亿t CO2，超过美国和欧盟的总和，占全球总排放的近1/4。

但目前，中国人均耗电量仅有4000 kWh，与美国人均耗电量18000 kWh相比还有较大差距。中国的现代化进程，必然要求工业化、信息化、城镇化和农业现代化的同步推进，因此必须具备强大电力的支撑。

清洁能源的开发利用是解决能源和环境的主要措施，中国一贯十分重视环境问题和太阳能、风能等可再生能源的开发。近年来，中国清洁能源利用取得了巨大成就。2021年全国发电装机容量约为23.8亿kW，同比增长7.9%，其中：光伏发电累计装机容量达306.56 GW，风力发电累计装机容量达328.48 GW，具体如表1所示。

表1 2021年全国发电装机容量和发电量情况Table 1 National power generation installed capacity and power generation in 2021

2021年，中国全社会用电量为83128亿kWh，同比增长10.3%。

2 甘肃省可再生能源现状与发展趋势

甘肃省内水、煤、油、气、风、光、核各类能源资源丰富，在国家能源发展战略中占有重要地位，特别是太阳能、风能资源优势突出，预计可开发量达2亿kW；同时甘肃省还拥有丰富的土地资源，为建设大规模光伏发电、太阳能热发电和风力发电奠定了优越条件，“陇电外送”区位优势明显。

甘肃省具有丰富的太阳能资源，全省大部分地区属大陆性温带干旱气候，光照充足；全年多西北风，春季多大风。甘肃省年总太阳能辐射量在1333～1778 kWh/m2，年太阳能资源理论储量为67万亿kWh，相当于约824亿t标准煤的能量，开发利用前景广阔。其中：河西走廊和甘南地区的年总太阳辐射量为1611～1778 kWh/m2，陇南地区的年总太阳辐射量为1333～1445 kWh/m2，其余地区的年总太阳辐射量为1445～1611 kWh/m2。甘肃省主要地区的光伏发电可利用小时数如表2所示。

表2 甘肃省主要地区光伏发电可利用小时Table 2 PV power generation available hours in main regions of Gansu Province

甘肃省的风能资源总储量为23700万kW，技术可开发量为2700万kW，占全国总量的10.6%；可利用面积为5万km2，占全省面积的10.6%；风资源好的地区，风力发电可利用小时数可达1800～2300 h。

甘肃省的荒漠化土地面积为19.21万km2，占全省国土总面积的45.12%，占全国荒漠化土地总面积的18%。

甘肃省不仅是连接新疆维吾尔自治区、青海省、西藏自治区、宁夏回族自治区和内蒙古自治区等省份的重要交通要道，也是连接西北与东南发达地区、西电东输的重要电力输送通道；同时，甘肃省还是“一带一路”的重要枢纽，无论是历史上的丝绸之路还是新时期的对外开放，甘肃省都有着十分重要的意义。

丰富的太阳能资源、土地资源及电力输送条件给甘肃省发展光伏、风力发电等可再生能源电力奠定了非常优越的基础条件。甘肃省在张掖、金昌、武威、酒泉和通渭等地已建成或正在建设5个百万千瓦级光伏发电基地，以及酒泉千万千瓦级风力发电基地。分析2021年甘肃省各种发电装机容量和占比情况，截至2022年1月，甘肃省总发电装机容量为6189.12万kW，其中：火力发电装机容量为2310.07万kW；水力发电装机容量为967.17万kW；风力发电装机容量为1750.10万kW；光伏发电装机容量为1155.78万kW[1]；储能装机容量为6.00万kW。以风能和太阳能为代表的可再生能源装机容量占比为46.9%，可再生能源发电已经成为甘肃省第一大电源，具体如图1所示。

图1 2021年甘肃省各种发电装机容量和占比情况Fig. 1 Various power generation installed capacity and proportion in Gansu Province in 2021

甘肃省光伏扶贫累计并网容量为127.6万kW，分布在12个市(州)的42个县(区)，每年可产生稳定收益7.6亿元，惠及18.92万贫困户，对甘肃省的脱贫和经济发展起到了非常积极的作用。

从2021年甘肃省各种能源的发电量情况来看，火力发电量为1003.9亿kWh，占全省总发电量的58.21%；水力发电量为328.6亿kWh，占全省总发电量的19.05%；风力发电量为277.4亿kWh，占全省总发电量的16.08%；光伏发电量为114.7亿kWh，占全省总发电量的6.65%。全省可再生能源发电总量达446亿kWh，具体如图2所示。

图2 2021年甘肃省各种能源的发电量情况Fig. 2 Power generation of various sources in Gansu Province in 2021

根据2021年甘肃省发电量和碳排放情况，以及2015—2021年甘肃省发电量增长情况统计，2021年甘肃省发电量累计值为1724.6亿kWh，同比2020年增长了123.4亿kWh，累计同比增长7.3%[2]，具体如表3、图3所示。

表3 2021年甘肃省发电量和碳排放情况Table 3 Power generation capacity and carbon emissions in Gansu Prorince in 2021

图3 2015—2021年甘肃省发电量增长情况Fig. 3 Growth of power generation capacity in Gansu province from 2015 to 2021

甘肃省电力不仅能完全满足本省的工农业和居民生活需求，电力外送也是甘肃省经济的主要支柱产业之一，其电力外送多达约20个省域，2020年外送电量为520亿kWh。据统计，甘肃省2020年全年生产总值为9016.7亿元，若按不含补贴的标杆上网电价计算，发电占甘肃省全省生产总值的6%左右，其中，光伏发电占比为0.38%，风力发电占比为0.9%左右。在《甘肃省“十四五”能源发展规划》中指出：持续扩大光伏发电规模，推动“光伏＋”多元化发展[3]。到2025年，全省光伏、风力发电装机容量达到50 GW以上，可再生能源装机容量占电源总装机容量的比例接近65%，非化石能源占一次能源消费比重超过30%，外送电可再生能源占比达到30%以上。

由于甘肃省可再生能源在“十二五”“十三五”时期的快速发展，甘肃省电力曾发生消纳和外送困难的情况，出现了比较严重的“弃光、弃风”现象，个别电站“弃光、弃风”率曾达到30%甚至更高，大量资源出现浪费。但是近年来，甘肃省通过提高外送能力、发展当地工农业生产、扩大就地消纳等一系列有效措施，“弃光、弃风”现象得到了极大的改善。据国网甘肃省电力公司统计，2019年甘肃省“弃光、弃风”率分别降至10%和8%以内。

中国经济快速发展，以及城镇化、工业化、电气化改革，对可再生能源特别是电力清洁化提供了巨大的市场需求和发展空间，光伏技术和相关产业已经成熟并初步达到平价上网条件；“十四五”时期，中国的光伏、风力发电将进入更加快速发展的时期，分布式光伏电站和大型光伏电站都将会有巨大的发展，“光伏+储能”的发电模式和电网侧储能电站也会存在巨大的市场空间。储能技术的突破会使光伏、风力发电等可再生能源迎来更大的发展空间。

截止2008年时，甘肃省已经厘清全省太阳能、风能情况，省发展改革委、省气象局等部门组织完成了《甘肃省风能资源评价工作大纲》《甘肃省风能评估报告》《甘肃省风能资源精细化评估报告》等前期基础工作，为甘肃省太阳能发电、风力发电的快速发展打下了坚实基础。

甘肃省虽然是一个经济相对欠发达地区，但却是中国最早研究、开发利用太阳能的省份之一，是诸多太阳能领域开拓性工作的发源地，开发利用太阳能、风能等可再生能源具有积极的社会基础和共识。甘肃省在科研院所、大专院校和各相关企业中拥有一批从事太阳能、风能研究的技术力量，为中国可再生能源的应用和发展做出了贡献，未来还将在中国进一步利用可再生能源、实现“双碳”目标中发挥更大的作用。

3 太阳能、风能等可再生能源必将成为甘肃省经济发展的强大动力

甘肃省风能、太阳能及土地资源丰富，大规模的太阳能、风能发展必将再一次给甘肃省带来新的发展机遇。因此，应在这个机遇下吸引投资商和建设商到甘肃省共同建设、重塑和打造甘肃可再生能源大省的产业。能源产业是甘肃省实现“双碳”目标的重要手段，要建成以太阳能、风能等可再生能源为主体的能源体系，助力全国实现“双碳”目标，贡献“甘肃力量”。

目前，甘肃省火力发电量在全省总发电量中的占比为50%左右，略低于全国平均水平，这是由于前期甘肃省大力发展太阳能、风能等可再生能源，使可再生能源发电得到了快速的发展。目前，甘肃省已形成了水力发电、风力发电和光伏发电等清洁能源发电量占比较大的情况。

由于甘肃省经济发展与中国东部经济发达地区相比还有很大差距，制造业、加工业等工业水平和数量都相对较弱，因此对强大电力就地消纳的能力较弱。但是随着甘肃省经济的逐步崛起和光伏、风力发电及储能、氢能等技术的发展，甘肃省丰富的太阳能资源、风力资源和广袤的土地资源必将为其经济发展注入活力。

除了拥有丰富的可再生能源资源外，甘肃省还拥有丰富的矿产资源，应该充分利用其可再生能源电力优势，大力发展矿产和金属冶炼，电解水、电解盐制氢等产业，综合利用甘肃省具备的各种资源，把资源优势转化为经济优势，带动甘肃省的经济发展。

“双碳”目标的确定不仅是对中国经济发展提出的新要求，也是发展可再生能源的重要机遇。落实“双碳”政策、实现“双碳”目标是新时代的能源革命，也是广泛而深刻的社会经济变革。

光伏、风力发电等可再生能源的发展，必然会带动甘肃省制造业等产业和经济的发展，同时还会刺激甘肃省可再生能源的供给和消纳新体系的构建，进一步促进甘肃省的经济发展，增加了更多就业机会。

通过对2025年甘肃省各种能源发电装机容量，以及各种能源发电量及占比进行预测后发现，到2025年，甘肃省风力发电及太阳能发电装机容量将达到50 GW以上，可再生能源装机容量占电源总装机容量的比例约为65%，非化石能源占一次能源消费比重超过30%，外送电力中可再生能源电力占比达到30%以上，具体如图4、图5所示。

图4 2025年甘肃省各种能源发电装机容量预测Fig. 4 Forecast of installed capacity of various energy sources power generation in Gansu Province in 2025

图5 2025年甘肃省各种能源发电量及占比预测Fig. 5 Forecast of power generation capacity and proportion of various energy sources in Gansu Province in 2025

2025年甘肃省各种能源发电量和碳排放情况预测如表4所示。该预测结果显示，到2025年，甘肃省各发电行业的碳排放情况可以基本达到碳中和的状态。实现这个目标，不仅应继续大力开发更多太阳能、风能发电项目，而且应积极推进各种储能和调峰技术的研究和应用。由于光伏、风力发电等可再生能源发电的间歇性和不稳定性等原因，如果电网中没有巨大的储能调峰装置，当光伏、风力发电等不稳定电源的发电量占比较高时，电网的稳定性会受到很大挑战，甚至有崩溃的风险。目前，中国电力调峰以火力发电和水力发电为主，甘肃省水力发电量占全省总发电量的19%，略高于全国平均水平，但是由于甘肃省的可再生能源发电量占比较高，要确保电网稳定供电，储能和调峰的问题应是重点关注的问题。

表4 2025年甘肃省各种能源发电量和碳排放情况预测Table 4 Forecast of power generation capacity of various energy sources and carbon emissions in Gansu Province in 2025

目前，解决电力储能的方案主要有蓄水储能和电化学储能。电化学储能的关键设备是蓄电池，虽然经过长年的技术发展，蓄电池无论是技术上还是工艺上都有了较大改进，但目前大部分蓄电池都无法完全满足电网储电所需要的大容量、长寿命、高安全性、高稳定性、低成本等性能和技术指标的要求。市场上常见的可用于电力储能的产品有锂离子电池、铅酸电池、钠硫电池、液流电池等。锂离子电池以其优良的性能、较高的能量密度和寿命等特点成为市场应用的主流产品，但是锂离子电池也有成本高、易燃易爆、使用寿命短等不足，特别是当大规模采用锂离子电池做电力储能时，其不足之处就更加凸显，特别是成本和使用寿命的问题，几乎成为制约电化学储能的关键因素，同时蓄电池的回收和污染问题也应引起重视。

随着光伏、风力发电在电力结构中的占比越来越大，储能调峰的需求也日益突出。电力储能是解决光伏发电和风力发电等不稳定可再生能源发电应用瓶颈的重要技术之一，由于甘肃省可再生能源装机容量占比达47%，发电量占比为23%，且局部地区占比更大，光伏、风力发电的出力波动和调峰缺口巨大，直接影响了电网的稳定性。加快推动新型储能项目的建设，缓解可再生能源电力快速发展带来的调峰压力，成为现实需要。甘肃省瓜州已建设一座60MW/240MWh大规模储能电站，采用磷酸铁锂电池组成直流1500 V的储能方案，并网电压等级为35 kV。该储能电站的建成具有示范和开拓性的意义。为了甘肃省实现可再生能源电力的发展目标，甘肃省发展和改革委发布了《关于加快推进全省新能源存量项目建设工作》的通知，鼓励全省在建存量600万kW风光电项目，河西5市(酒泉、嘉峪关、张掖、金昌、武威)按10%～20%配置配套储能设施、其他地区按5%～10%按配套储能设施，储能设施连续储能时长均不小于2 h。对配置储能设施的项目业主，甘肃省发展和改革委将在后续新增项目竞争性配置方面给予支持。毫无疑问，这些政策都将助力甘肃进一步发展可再生能源电力建设。

目前，电化学储能技术和产品还不能够完全满足大规模储能的商业化市场需求，但由于可再生能源市场的强大推动力，有关部门预测，我全国储能市场空间将从2020年的15.2 GWh增长到2025年的205.1 GWh。

除了电化学储能外，蓄水储能、电解制氢，以及与氢产业相关的醇基燃料等方式也适用于甘肃省的资源情况。甘肃省有中国主要的石油化工生产基地，在石化产品加工生产方面具有较强的实力。2020年10月，全球首条光伏发电电解制氢合成甲醇示范生产线已经在甘肃省兰州新区建成，每年可生产液态甲醇1440 t，甲醇不仅是非常清洁的燃料，也是非常重要的化工原料。