碳中和背景下我国新型电力系统构建过程中的问题与建议

田江南，安 源，常德生，贾 潇，李红军

(1.中国电力工程顾问集团华北电力设计院有限公司，北京 100120；2.大唐国际发电股份有限公司，北京 100033；3.龙源电力集团股份有限公司，北京 100034)

0 引言

2020年9月，习近平主席首次在联合国第75届一般性辩论大会上提出“中国将于2030年前努力实现碳达峰，于2060年前努力实现碳中和”。在2020年12月份习近平主席在气候雄心大会上重申“3060”目标，并作出进一步承诺“到2030年，我国一次能源消费中非化石能源比重将达到25%左右，风电、太阳能发电总装机容量将达到12亿kW以上”。随着我国新能源(风电、光伏)技术的发展以及新能源装机容量的扩大，国家逐渐取消了新能源的上网电价补贴，实施平价上网政策[1]。

在我国电力结构中，新能源主要指风电和光伏。在2018年5月出台《关于2018年光伏发电有关事项的通知》之后，2019年1月份出台《关于积极推进风电、光伏发电无补贴平价上网有关工作的通知》。这两个文件明确了我国的光伏、风电发电平价上网的目标。

煤电发电量目前在我国发电量结构中占比最高；风电、光伏装机容量在近几年发展较为迅猛。文章针对“3060”目标提出初期出现的新能源电源装机不景气、全国多地区实行有序用电、煤电倒挂导致的煤电出力不足等现象[2-3]，从煤电和可再生能源发电两个角度展开论述。

1 煤电的发展

“双碳”目标提出以来，人们的目光都集中到了碳排放大户——电力行业。电力行业碳排放占全国碳排放总量的40%左右。煤电从起步之初历经了电荒、煤荒、煤气化联合循环发电等过程再到二十世纪初期的快速发展，历经百年。今天，肩负着巨大减排任务的煤电又一次成为了社会舆论的焦点。

1.1 煤电发展现状

为了优化产业结构，推动经济发展方式的转变，实现我国产业的高质量发展，我国于2015年党的十八届五中全会提出能耗“双控”行动。能耗双控指的是控制能耗总量和能耗 强度[4]。

从“十二五”到“十三五”，我国煤电装机容量增速从6.8%降至3.7%。由于电煤价格上涨、发电利用小时数下降、环保成本增加等原因，煤电企业亏损严重。2019年除国家能源集团之外的四大电力集团的煤电企业有50%左右处于亏损状态，其煤电版块的亏损额达到了150亿元[5]。

1.2 煤电发展建议

2020年我国煤电装机容量占总电源装机容量的49.1%，煤电的发电量却占全口径发电量的65%。发电量与装机容量的差距说明了煤电不可或缺的地位，其强劲的发电机转动惯量给电网的安全稳定运行提供了保障[6]。2021年 11月份国家发展改革委和国家能源局联合发布《全国煤电机组改造升级实施方案》，方案指出淘汰关停的煤电机组“关而不拆”，在“退城进郊”异地建设等情况下，作为应急备用电源发挥作用。“淘汰关停的煤电机组，可用于容量替代新建清洁高效煤电机组”[7]。

通过分析可以看出，煤电“退出”不可一蹴而就。煤电的压舱石、稳定器的作用是目前技术条件下新能源电源不可替代的。“十四五”期间，我国全口径用电年均增量为5%左右，仅依靠新能源发电填补这个增量缺口是不现实的[8]。在我国大电网系统建设没有实现根本性的技术突破之前，还需要依靠煤电起到保供托底的作用。

1)煤电企业需提升运行质量和发电效率，实现精细化管理。通过技术改造等方式实现节能降耗，在不降低容量的条件下尽可能减碳。

2)煤电企业需要调整工作目标，充分利用其灵活性的优势，保证不发生大规模停电事故，起到新型电力系统的强有力的支撑作用。

3)存量的煤电企业为适应现代电力系统的要求，需要进行一系列改造，如：灵活性改造、提质增效改造和环保改造等。

第五，RT检测：理论、实际可行。①RT理论可行：检测可覆盖整条焊缝，可以观察内、外部缺陷。况且角度好设置，垂直拍摄，现场采用双壁单影分段透照技术。②实际拍摄：布片简单、射线源能量固定，现场可操作性及成本较低，推荐使用。

4)推进特高压输电统筹进程，避免输电与输煤同时进行。通过特高压输电打破省间、地区间的电网壁垒，发挥西南大水电、西北大火电的优势，避免在电力受端大规模搞电力基建。

5)煤电规模不宜盲目扩张，煤电企业可通过提高发电利用小时数来提升设备的利用效率，避免设备闲置造成的资源浪费。提高发电利用小时数的前提是有煤可烧、发电有收益，因此保障电煤的供应是前提条件。

2 可再生能源的发展

由于碳捕获与封存技术(carbon capture and storage, CCS)的成本较高(二氧化碳处理成本约300元/t)，因此增加CCS装置后煤电的综合发电成本增加了70%左右，所以在目前的技术阶段依靠CCS使煤电行业脱碳不太现实[9]。

表1为各地区可再生能源的定义，水力发电、海洋能和地热的利用受到地理区域的限制，限制了其大范围发展[10]。我国的风、光资源整体较好，是重点开发的新能源品类。

表1 可再生能源定义

2.1 可再生能源发展现状

当风电、光伏等新能源比例扩张到一定规模，而作为调蓄功能的储能比例较小时，电网比较容易出现事故风险导致拉闸限电。特别是在东北、西北等北方地区，在冬季采暖用电量大的时候，容易出现寒潮降雪导致风电、光伏出力受限，甚至新能源电力无序脱网的现象。再加上地区之间的电网通道调配空间不足，就更容易出现拉闸限电甚至发生大范围电网解列崩溃事故。

预计2030年，我国的风电和光伏总装机容量将达到20亿kW，电化学储能规模将达到 1.5亿kW。据估计届时新型储能规模也将达到1亿kW[11]。据此分析，届时各类配套储能占风电、光伏的比例为12.5%，因此，仅靠电化学储能仍不能满足风电、光伏的灵活性需求。在建成高比例风电、光伏体系的同时必须大力发展与新能源配套的大规模储能技术。

大规模储能技术按能量的转化方式可分为三类：机械储能、电化学储能和电磁储能。机械储能包括飞轮储能、压缩空气储能和抽水蓄能；电化学储能包括铅酸电池、锂离子电池、钠硫电池、全钒液流电池等电池储能；电磁储能包括超导磁储能和超级电容器储能。其他储能方式包括相变储能和氢储能等。氢储能在所有的储能种类中有一个突出的优点就是质量能量密度高。从表1中也可以看出，我国的可再生能源的定义主要不同点在于氢能。可以利用电解水制氢设备将风电、光伏发出的波动的、间歇的、随机的电能转化为氢能储存起来，待到需要电能的时候再将氢能通过燃料电池、内燃机、燃气轮机等方式转化为电能。在电—氢—电转化的过程中只有水的消耗和生成，没有其他的废弃物产生，这是一种绿色的、可持续的过程。

电解水制氢设备可分为电解碱水制氢设备、质子交换膜制氢设备、固态氧化物电解水制氢设备等，目前工业化应用最广泛的是电解碱水制氢设备[12]。由于氢燃料电池不受卡诺循环能量转换效率的限制，从这个角度看氢燃料电池是未来发展的一个重要方向。氢燃料电池目前在交通领域应用较多，未来也可在工业中大规模应用。目前的技术条件下，电—氢—电的转化效率并不高，仅为30%～50%左右。若考虑氢燃料电池的热电联供作用，电—氢—电的转化效率可提高至60%～80%左右[13]。

2.2 可再生能源发展建议

风电、光伏的主要消纳手段为大电网消纳。随着“源网荷储一体化”政策的出台，风电、光伏的微网消纳也成为了另一种选择，但是由于各方面限制因素，“源网荷储一体化”项目的落地难度较大。根据技术要求或者地方要求，风电光伏上网的配套储能的比例为电源规模的5%～30%不等。如此高比例的储能，使得本来收益甚微的新能源电站雪上加霜。

氢有两种属性：一是能源，二是化学原料。如果将思路打开，不仅将氢能局限于“电—氢—电”的过程，氢具有更广阔的应用场景。广义上的氢储能是可再生能源电解水制氢，制得的氢气可用于交通领域、冶金、化工合成氨、化工合成甲醇等场景[14]。在现今的“双碳”目标时代，氢能在某些无法被电气化过程替代的领域具有无可比拟的优势。比如火车的进化过程，由燃煤火车发展到燃油火车再发展到如今的电动高铁，这就是火车的电气化的实现。但是冶金领域是无法完全实现电气化的，冶金领域的主要原材料是焦炭。焦炭在其中起到了还原的作用，这个作用可以由氢能替代。因此，在某些难以脱碳、难以实现电气化的领域上，氢能可以大有作为。从这个角度看，氢能的普及可以助力实现碳中和[15]。

目前全球范围内，低转动惯量或无转动惯量的电网系统是没有运行经验的。未来高比例的风电、光伏电源势必会影响系统的转动惯量。从这个角度讲，为保障电网系统的安全，需增加接入过程的费用。比如增加调节电源启停的费用、增加调频和备用辅助服务费用、增加稳定电源的容量补偿费用等。

目前我国统一电力市场体系还未建成，跨省跨区绿色电力市场化配置和交易机制尚未形成，可再生能源发电场站的建设和运营成本虽然有下降的趋势，但是可再生能源的电能利用成本却不一定是下降的。正如前所述，可再生能源电能的利用成本除了发电成本以外还包括电网系统调节与运行成本、电源灵活性成本、配网成本、接网及电网扩展等成本。对于目前的可再生能源发电有以下建议：

1)在未来的电力系统规划设计中，统筹考虑电网、储能、传统能源电力的退出和高比例新能源发电的发展问题。实现我国电力向清洁、可再生电力安全、平稳过渡。

2)出台储能补贴政策，进一步降低储能 成本。

3)光伏发电平价上网并不等于按照煤电的标杆电价上网，建议根据实际情况上调光伏发电上网价格。按照电力系统“谁受益，谁承担”的原则，合理分摊新能源发电成本。

4)由于氢能具备脱碳、可再生、单位质量能量密度高等优点，建议在难以进行电气化替代的场合用绿氢进行终端用能替代；利用氢储能的“长周期、大容量”的特点，进一步提升氢储能在储能领域的应用。

3 结语

为了践行“双碳”目标，我国目前的能源结构和电力结构必须要调整。能源结构方面，在用户侧需推广实行电气化或者电能替代；电力结构方面，在电源侧需增加清洁电源的比例。在大力推进清洁能源电力的同时，制定煤电的合理退出机制，防止给电网安全稳定运行带来冲击。通过市场或者电价定价调节机制来实现引导新能源投资、实现能耗双控的目的。在冶金、化工、水泥难以实施电气化或者电能替代的行业积极引入氢能，利用氢能的清洁、质量能量密度高、灵活的优势加快这些行业的脱碳 进程。