自2020年9月以來(lái)，碳達(dá)峰、碳中和成為能源圈內(nèi)的熱門話題，風(fēng)光等新能源被寄予厚望。在能源規(guī)劃中，風(fēng)光等新能源得到大力支持和發(fā)展，要在30·60目標(biāo)中承擔(dān)主力電源作用；而煤炭生產(chǎn)要受到限制，燃煤機(jī)組裝機(jī)規(guī)模甚至要裁剪。近期寒潮之下，湖南、江西等地的“拉閘限電”又讓業(yè)內(nèi)外感到困惑：風(fēng)光等新能源在冰凍覆雪中無(wú)法出力、省間輸電通道難當(dāng)大任，各級(jí)政府被迫首選協(xié)調(diào)各種資源促進(jìn)煤炭生產(chǎn)和運(yùn)輸，保證煤電機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行，配合有序用電方案，才能確保民生用電不受影響。
暫時(shí)的困難，并不能阻礙碳達(dá)峰、碳中和成為中國(guó)人對(duì)美好生活的向往，更不會(huì)動(dòng)搖電力行業(yè)走向“脫碳”的決心。在30·60目標(biāo)下，高比例風(fēng)光發(fā)電模式將成為必然的電源選擇，在可預(yù)見(jiàn)的時(shí)間內(nèi)，“風(fēng)光+大電網(wǎng)”也將是電力行業(yè)實(shí)現(xiàn)碳中和的必然技術(shù)方案。但我們還是要清醒地認(rèn)識(shí)到，風(fēng)光發(fā)電的大比例發(fā)展將對(duì)電網(wǎng)必須的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和備用產(chǎn)生致命影響，嚴(yán)重威脅電網(wǎng)的平穩(wěn)運(yùn)行，大量調(diào)節(jié)備用機(jī)組損失的機(jī)會(huì)成本和沉沒(méi)成本也會(huì)使電網(wǎng)的運(yùn)行費(fèi)用上升。在2019年倫敦大停電事故的警示之下，我國(guó)電力行業(yè)如何健康穩(wěn)定發(fā)展，謀求“安全、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保”能源不可能三角的最優(yōu)妥協(xié)點(diǎn)，需要廣大專業(yè)人士認(rèn)真思考和討論。
電力行業(yè)注定是碳中和的重點(diǎn)行業(yè)
首先，電力是最大的碳排放行業(yè)。2019年全社會(huì)發(fā)電量73253億千瓦時(shí)，其中火電發(fā)電量為50450億千瓦時(shí)，折合二氧化碳排放大約50億噸，占全國(guó)碳排放總量的51%。電力行業(yè)不僅是能源供給大戶，同時(shí)還是能源消耗大戶。電網(wǎng)企業(yè)的網(wǎng)損和發(fā)電企業(yè)的廠用電合計(jì)占到全社會(huì)用電量百分之十以上，電力行業(yè)不但在生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生了碳排放，自身電力消耗也引發(fā)了相當(dāng)一部分碳排放。因此，如何實(shí)現(xiàn)電力行業(yè)碳減排將是實(shí)現(xiàn)碳中和的關(guān)鍵因素之一。
其次，電力資產(chǎn)較為集中，易于整體考慮政策。2020年全國(guó)火電總裝機(jī)11億千瓦，90%以上的火電資產(chǎn)屬于國(guó)有資產(chǎn)，其中五大電力集團(tuán)(華能、大唐、華電、國(guó)電投和國(guó)家能源)火電總裝機(jī)達(dá)5.6億千瓦，占比51%。國(guó)有企業(yè)有高度的社會(huì)責(zé)任感，落實(shí)國(guó)家政策和要求從不打折扣。全國(guó)輸電網(wǎng)資產(chǎn)集中在國(guó)網(wǎng)、南網(wǎng)、內(nèi)蒙古電力公司三個(gè)電網(wǎng)公司，輸電網(wǎng)長(zhǎng)期保持統(tǒng)一運(yùn)行、統(tǒng)一調(diào)度，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的空間較大。電力企業(yè)資產(chǎn)集中的特點(diǎn)，容易實(shí)現(xiàn)政策上、技術(shù)上的集中處理，相較其他行業(yè)有著天然的優(yōu)勢(shì)。
第三，電力行業(yè)技術(shù)和資金條件較好。實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰需要新技術(shù)投入和大量資金支持。國(guó)有電力企業(yè)的研究機(jī)構(gòu)長(zhǎng)期關(guān)注能源轉(zhuǎn)型，很好地把握了新的發(fā)電技術(shù)成果和技術(shù)發(fā)展方向，儲(chǔ)備了大量用于能源轉(zhuǎn)型的各類技術(shù)，擁有碳中和相關(guān)技術(shù)的專業(yè)化研究隊(duì)伍，相對(duì)于行業(yè)外的技術(shù)專家，實(shí)操能力更強(qiáng)，對(duì)轉(zhuǎn)型的痛點(diǎn)和各種設(shè)想的可行性認(rèn)識(shí)更為深刻。電力企業(yè)有著雄厚的資金積累和支持，這些都為碳中和的實(shí)現(xiàn)提供了堅(jiān)強(qiáng)的物質(zhì)基礎(chǔ)。
此外，電力行業(yè)屬于社會(huì)基礎(chǔ)行業(yè)，事關(guān)千家萬(wàn)戶。目前電力行業(yè)開(kāi)始轉(zhuǎn)型，逐步建設(shè)電力現(xiàn)貨市場(chǎng)，由市場(chǎng)決定的電力價(jià)格可以實(shí)現(xiàn)用戶側(cè)引導(dǎo)，促進(jìn)節(jié)能技術(shù)的投入使用。由此可以看出，電力行業(yè)將首先開(kāi)始碳中和工作，實(shí)現(xiàn)用戶側(cè)引導(dǎo)，可實(shí)現(xiàn)社會(huì)生產(chǎn)和人民生活習(xí)慣的改變，逐漸帶動(dòng)其他行業(yè)形成合力，實(shí)現(xiàn)全社會(huì)在碳中和方面的和諧共振。
電力行業(yè)碳中和的實(shí)施方式
高比例風(fēng)光新能源是現(xiàn)階段電力生產(chǎn)側(cè)實(shí)現(xiàn)碳中和的必然選擇
目前全社會(huì)用電量需求還在逐年上升，而在碳捕獲與封存(Carbon Capture and Storage，簡(jiǎn)稱CCS)技術(shù)尚不成熟的條件下，電力行業(yè)需要大力發(fā)展零碳發(fā)電技術(shù)。目前成規(guī)模的零碳發(fā)電技術(shù)一般是核電、水電、生物質(zhì)和風(fēng)光等非化石燃料發(fā)電技術(shù)。
水電大規(guī)模增長(zhǎng)空間有限。水電目前已成為我國(guó)第二大主力裝機(jī)電源，裝機(jī)達(dá)3.6億千瓦，占總裝機(jī)17.7%，成為世界第一水電裝機(jī)大國(guó)。而水電發(fā)展由于資源受限、廠址選擇受限、移民安置困難、季節(jié)性豐枯期發(fā)電不均、生態(tài)保護(hù)影響大等原因，就目前的技術(shù)水平，水電在未來(lái)全社會(huì)用電量中的占比總體可能成下降趨勢(shì)。
核電大規(guī)模增長(zhǎng)的條件尚不具備。國(guó)內(nèi)核電技術(shù)發(fā)展較快，已發(fā)展至第四代核電技術(shù)，核電裝機(jī)達(dá)4874萬(wàn)千瓦，占總裝機(jī)2.4%，成為世界第三核電裝機(jī)大國(guó)。然而，核電受制于安全約束、技術(shù)難度伴隨固定投資增加、廠址選擇受限和核廢料處理困難等問(wèn)題，就目前技術(shù)水平來(lái)看，核電尚不具備大規(guī)模增長(zhǎng)的條件。
生物質(zhì)發(fā)展難占“C位”。生物質(zhì)發(fā)電是眾多發(fā)電類型中的一個(gè)小眾發(fā)電模式，但是由于其發(fā)電可控，二氧化碳排放為零，引起了行業(yè)內(nèi)部重視。目前生物質(zhì)發(fā)電主要有氣化發(fā)電和直接燃燒發(fā)電兩種形式，以直接燃燒發(fā)電較為普遍。而生物質(zhì)發(fā)電由于燃料運(yùn)輸半徑受限，單機(jī)容量普遍較小，造成投資成本和運(yùn)行成本較大，電量占比上升空間有限。
相對(duì)于其他電源種類，風(fēng)光新能源發(fā)電雖然存在季節(jié)性能源分布不均，天氣影響較大，發(fā)電出力波動(dòng)性、隨機(jī)性較大等問(wèn)題，但是由于風(fēng)光等新能源資源豐富、地域分布廣、廠址選擇受限較小、運(yùn)行成本小、固定投資成本相比水電、核電較低等優(yōu)勢(shì)，高風(fēng)光電量占比的系統(tǒng)在國(guó)際上有一定的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，是現(xiàn)階段技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件下，實(shí)現(xiàn)碳中和必然選擇的電源。因此，國(guó)家也在電力規(guī)劃中重點(diǎn)發(fā)展風(fēng)光發(fā)電，到2030年，風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電總裝機(jī)容量將達(dá)到12億千瓦以上(較2019年增長(zhǎng)近8億千瓦)。
大電網(wǎng)為主消納是現(xiàn)階段高比例風(fēng)光消納的唯一選擇
2020年中國(guó)風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電總裝機(jī)容量4.4億千瓦，裝機(jī)容量占比達(dá)20%。根據(jù)規(guī)劃，到2030年風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電裝機(jī)容量占比將達(dá)40%以上，而到2060年風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電裝機(jī)容量占比將接近70%。風(fēng)光發(fā)電出力不可控的波動(dòng)性和隨機(jī)性，造成風(fēng)光發(fā)電出力曲線與電力系統(tǒng)負(fù)荷曲線不符甚至是相反。為了有效解決風(fēng)光新能源的波動(dòng)影響用戶電力使用平穩(wěn)的問(wèn)題，目前解決平衡消納的手段主要有大電網(wǎng)和儲(chǔ)能兩種。
儲(chǔ)能消納風(fēng)光發(fā)電的優(yōu)劣：儲(chǔ)能技術(shù)可以很好地起到移峰填谷作用，有效消除風(fēng)光新能源的波動(dòng)性。目前實(shí)施的儲(chǔ)能技術(shù)主要分為物理機(jī)械儲(chǔ)能、電化學(xué)儲(chǔ)能和氫儲(chǔ)能。物理機(jī)械儲(chǔ)能以抽水蓄能、壓縮空氣儲(chǔ)能和飛輪儲(chǔ)能為代表。物理儲(chǔ)能的優(yōu)勢(shì)就是安全系數(shù)較高、儲(chǔ)能容量大、技術(shù)成熟、壽命長(zhǎng)，而劣勢(shì)則是投資成本大、選址困難、效率低。電化學(xué)儲(chǔ)能以鋰電池、鉛酸電池為代表，優(yōu)勢(shì)是效率高、充放電速度快、選址容易，劣勢(shì)是投資成本大、安全系數(shù)低、環(huán)境溫度影響大。氫儲(chǔ)能以電解氫+氫燃料電池為代表，優(yōu)勢(shì)就是能量密度大，劣勢(shì)是技術(shù)尚不成熟，安全問(wèn)題沒(méi)有徹底解決。總之，目前除了尚不成熟的儲(chǔ)能技術(shù)，較為成熟的抽水蓄能和化學(xué)電池儲(chǔ)能之外，其他儲(chǔ)能技術(shù)都存在投資成本過(guò)大和運(yùn)行成本高的缺陷，抽水蓄能電站的綜合效率一般為0.65~0.75，而化學(xué)儲(chǔ)能目前的度電成本大致在0.6~0.9元千瓦時(shí)。在電網(wǎng)托底的條件下，京津唐地區(qū)大負(fù)荷期間如需使用高比例風(fēng)光電源，則需要具備存儲(chǔ)50億千瓦時(shí)的能力，按目前最經(jīng)濟(jì)的存儲(chǔ)方式也需要5萬(wàn)億的投資，類推全國(guó)則需要100萬(wàn)億以上投資，是目前全國(guó)電網(wǎng)資產(chǎn)的20倍以上。如不用電網(wǎng)托底，完全依靠配套儲(chǔ)能的方式，投資還要有數(shù)十倍的增加。因此，在可預(yù)見(jiàn)的時(shí)間內(nèi)或者至少近期，在經(jīng)濟(jì)性上尚無(wú)一種儲(chǔ)能技術(shù)可以成為風(fēng)光發(fā)電消納的主要手段，就是說(shuō)傳統(tǒng)的“電力不具備大規(guī)模經(jīng)濟(jì)存儲(chǔ)條件”的規(guī)律仍然發(fā)揮作用。
大電網(wǎng)消納風(fēng)光發(fā)電的優(yōu)劣：大電網(wǎng)消納風(fēng)光發(fā)電就是利用電網(wǎng)的電能輸送能力，將風(fēng)光發(fā)電發(fā)出的具有波動(dòng)性、隨機(jī)性的電能及時(shí)輸送到電力需求側(cè)，利用電力系統(tǒng)內(nèi)部可調(diào)節(jié)性機(jī)組的調(diào)節(jié)能力(虛擬儲(chǔ)能)實(shí)現(xiàn)風(fēng)光發(fā)電消納。大電網(wǎng)消納風(fēng)光發(fā)電相對(duì)于儲(chǔ)能技術(shù)的優(yōu)勢(shì)就是經(jīng)濟(jì)性明顯，而存在的劣勢(shì)就是存在安全事故聯(lián)鎖反應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)，而且大電網(wǎng)消納容易出現(xiàn)經(jīng)濟(jì)責(zé)任難以劃分的情況。
考慮到儲(chǔ)能技術(shù)突破的周期通常為20~30年，因此達(dá)成30·60目標(biāo)不能寄希望于儲(chǔ)能技術(shù)快速解決其經(jīng)濟(jì)劣勢(shì)，實(shí)現(xiàn)風(fēng)光發(fā)電消納的唯一選擇仍是依靠大電網(wǎng)的電能調(diào)配手段。盡管大電網(wǎng)消納是風(fēng)光消納的唯一經(jīng)濟(jì)性現(xiàn)實(shí)選擇，但是要實(shí)現(xiàn)未來(lái)如此高比例的風(fēng)光發(fā)電消納，目前仍有系列障礙難以跨越，需要加大科研力量，以問(wèn)題為導(dǎo)向，尋求解決這些障礙的技術(shù)經(jīng)濟(jì)方案。
