中國科學(xué)院院士、國網(wǎng)公司中國電科院名譽院長周孝信通過視頻發(fā)表了題為《雙碳目標下我國能源電力系統(tǒng)發(fā)展前景和關(guān)鍵技術(shù)》的精彩主旨演講。他表示，雙碳目標和能源轉(zhuǎn)型的戰(zhàn)略目標是高度一致的，兩個構(gòu)建是實現(xiàn)能源轉(zhuǎn)型的根本措施，是實現(xiàn)雙碳目標的基本保證。
以下為演講全文：
周孝信：各位領(lǐng)導(dǎo)、各位專家，今天我向大家匯報的題目是《雙碳目標下我國能源電力系統(tǒng)發(fā)展前景和關(guān)鍵技術(shù)》。主要分為五部分：第一，我國能源轉(zhuǎn)型的戰(zhàn)略目標和實施路徑;第二、新型電力系統(tǒng)主要特征核心指標和關(guān)鍵技術(shù);第三，雙碳目標下我國能源電力系統(tǒng)發(fā)展情景分析;第四，綜合能源生產(chǎn)單元(IEPU)設(shè)想;第五，總結(jié)與討論。
關(guān)于我國能源轉(zhuǎn)型的戰(zhàn)略目標和實施路徑，習(xí)近平總書記2014年6月提出“四個革命一個合作”的能源安全新戰(zhàn)略。習(xí)近平主席2020年9月22日提出中國“二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前碳中和的雙碳目標”。2021年3月15日提出要“構(gòu)建清潔低碳安全高效的能源體系”，構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)，可以稱之為“兩個構(gòu)建”。
雙碳目標和能源轉(zhuǎn)型的戰(zhàn)略目標是高度一致的，兩個構(gòu)建是實現(xiàn)能源轉(zhuǎn)型的根本措施，是實現(xiàn)雙碳目標的基本保證。關(guān)于具體的能源電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型怎么實現(xiàn)呢?也是有以下五點：
一，大力開發(fā)利用可再生能源，形成以非化石能源為主的電源結(jié)構(gòu)，這是實現(xiàn)能源轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵。
二，積極推動煤電靈活性改造，為新型電力系統(tǒng)運行提供緊急備用和靈活調(diào)節(jié)能力，探索煤電碳資源綜合利用。
三，持續(xù)推進終端用能的電氣化，提高能源綜合利用效率。
四，加強電力電子和儲能等關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新，確保可再生能源消納，確保電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。
五，完善能源轉(zhuǎn)型各項政策，堅持市場化改革方向。
關(guān)于新型電力系統(tǒng)主要特征核心指標和關(guān)鍵技術(shù)，特征是以下五點：第一點是高比例可再生能源電力系統(tǒng);第二點是高比例電力電子裝備電力系統(tǒng);第三點是多能互補綜合能源電力系統(tǒng);第四點是數(shù)字化國家能源互聯(lián)網(wǎng)大會化智慧能源電力系統(tǒng);第五點是清潔高效低碳零碳電力系統(tǒng)。
核心指標有以下五點，實際上是能源和電力緊密聯(lián)系在一起的五點： 第一點是非化石能源在一次能源消費中的比重; 第二點是非化石能源發(fā)電量在發(fā)電量中的比重;第三點是電能在終端能源消費中的比重;第四點是系統(tǒng)總體能源利用效率;第五點是能源電力系統(tǒng)二氧化碳排放總量。
關(guān)于新型電力系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)我把它歸納為十類，這都是具有全局性影響的一些技術(shù)，我就不一一介紹了，重點介紹一下氫能生產(chǎn)、儲運、轉(zhuǎn)化和應(yīng)用技術(shù)。
對于我們來說，主要是要大力推動可再生能源電力規(guī)模化制氫，制氫以后當然可以直接應(yīng)用。但是為了便于長期儲存、便于運輸，希望進一步能源化工技術(shù)融合，與火電廠二氧化碳捕集利用技術(shù)配合，來規(guī)模化生產(chǎn)便于運輸、便于儲存的甲烷、甲醇、氨等氣體液體燃料，希望能夠部分代替石油天然氣等化石能源。這既是能源系統(tǒng)低碳化轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵舉措，也有可能成為未來高比例再生能源電力系統(tǒng)應(yīng)對發(fā)電短期出力波動和中長期能源電力供應(yīng)不平衡的一種有效途徑。
具體來說，左邊圖是可再生能源電解水制氫，這個技術(shù)已經(jīng)很成熟了，但是還要進一步提高效率。中間的圖是氫和二氧化碳合成甲烷和甲醇，甲烷是天然氣的主要組成部分，甲醇當然是一種液體的可以作為燃料使用。它們都便于輸送和儲存。甲烷和甲醇都是含碳，所以一定要和二氧化碳合成。
還有不含碳的就是右邊的氫和氮氣合成氨，大家都知道氨是制造化肥的基礎(chǔ)原料，也是另外的化工原料。但是作為能源來說，氨也是一種含能量很高的能源形式。
這張圖就是可再生能源制氫、制甲烷、制甲醇、制氨的圖表示出來，可再生能源有很多種，包括大規(guī)模電網(wǎng)的風(fēng)電、光伏，包括地?zé)帷⒑Ｑ竽茈娬尽Ｌ貏e提高生物質(zhì)能電站，生物質(zhì)能電站是排放二氧化碳，但是二氧化碳是零碳的過程。排放出來的二氧化碳如果捕集起來就變成富碳的技術(shù)，這是非常好的技術(shù)。這個二氧化碳拿來和氫氣來制甲烷、制甲醇等等，同時氫本身也可以通過天然氣管網(wǎng)來部分與天然氣混合，來輸送給終端發(fā)電使用。
下面做一個簡單分析，“雙碳”目標下我國能源電力系統(tǒng)發(fā)展情景。我以前做過的情景一到情景五都是在“雙碳”目標提出之前做的。根據(jù)“雙碳”目標的要求，設(shè)置了一種新的情景，就是情景六。首先是一次能源消費總量及其組成結(jié)構(gòu)，這是非常重要的。非化石能源以綠色表示，煤炭以灰色表示，天然氣以藍色表示，石油是黃色表示。一次能源消費總量是紅顏色折線構(gòu)成，2030年以前，我們能源還繼續(xù)增長。2030年以后，就會逐步下降。它的組成中非化石能源占比是未來越來越高，煤和天然氣占比越來越低。
這是另外指標，非化石能源占比和全社會用電量指標是很重要的參數(shù)，決定了未來電力系統(tǒng)發(fā)展到什么樣的規(guī)模，可再生能源、綠色能源占什么樣的比例。
這是情景六設(shè)置以后的計算結(jié)果，以很簡單的模型做了計算，算出了裝機容量和發(fā)電量，從2025年一直到2060年的過程。2025年非化石能源發(fā)電裝機占比超過50%，2025年到2030年風(fēng)電和光伏裝機容量超過煤電，2035年風(fēng)光裝機容量超過裝機容量50%，這是很關(guān)鍵的。如果說新型電力系統(tǒng)，用風(fēng)光占比作為指標的話，超過50%是達到了相當?shù)某潭取?/p>
從發(fā)電量來看，2030年到2035年間非化石能源發(fā)電量超過50%，2035年到2040年風(fēng)光發(fā)電量開始超過煤電，最后煤電加速退役。2030年風(fēng)光發(fā)電量占總發(fā)電量的20%，2045年到2050年間風(fēng)光發(fā)電量超過總發(fā)電量的50%，這是非常重要的。新型電力系統(tǒng)如果超過總量50%作為衡量的話，這標志著我們國家在2045年到2050年間，風(fēng)光電發(fā)電量占比就回答道超過50%的程度。這種計算還是非常初步的，也是其中一種的計算。
這是二氧化碳的排放，二氧化碳排放有三條曲線。一條是能源系統(tǒng)排放總量，我們可以看到總的能源系統(tǒng)二氧化碳排放的峰值大概在2025年之后，2026年、2027年。下面是電力系統(tǒng)二氧化碳排放量在2030年以前達到峰值。黑顏色是煤電排放，煤電是電力系統(tǒng)二氧化碳排放的主要組成部分。右邊是兩項核心指標，第一是電能在終端消費中的比重，是紅顏色的曲線，目前來說還不到30%，(2020年是26.7%)。隨著可再生能源比例增加，隨著終端消費能源的轉(zhuǎn)型，比例會逐步增加到2050年超過70%。
我們現(xiàn)在總的能源系統(tǒng)利用效率只有30%幾，比較低的，希望經(jīng)過二三十年的發(fā)展希望超過50%。
2020年我國能源電力發(fā)展情景，一次消費總量接近50億噸標準煤，非化石能源消費比重接近16%。全社會用電量7.51萬億千瓦時，人均年用電量5327千瓦時。左邊的圖是裝機容量，其中黑色的是煤電裝機是49.1%，這是第一次煤電裝機比例小于50%的一年，也就是去年。太陽能風(fēng)電、發(fā)電占的比例都是超過10%的情況。右邊是發(fā)電量，煤電占60%，在相當長的時間里面還是占比較重要的比重。
2030年的情況，煤電占裝機容量32.3%，差不多1/3的樣子。但是發(fā)電量還要維持在46.1%，依然是我們國家發(fā)電量的主要組成部分。太陽能占10%，風(fēng)電占10%。
下面就是我們介紹一下綜合能源生產(chǎn)單元(IEPU)設(shè)想。
接著剛才談到的氫能，具體到發(fā)電廠配合的情況，我們希望傳統(tǒng)的燃煤發(fā)電，當然燃煤發(fā)電本身也在發(fā)展，比如說混燒生物質(zhì)的火電廠是更好。這個電廠進行二氧化碳捕集，捕集產(chǎn)生的二氧化碳和通過光伏發(fā)電以及火電發(fā)電本身發(fā)出來的電力，再加上電網(wǎng)取的電，比如電網(wǎng)低谷時候的電力可以拿來用。三種是和不同電源的電力可以進行電解水制氫。
產(chǎn)生出的氫氣，當然是可以直接拿來應(yīng)用，或者通過管道來輸送。我們這里是推薦要把二氧化碳的資源綜合利用起來，所以二氧化碳和氫來合成制甲醇，二氧化碳和氫合成制甲烷。這是作為一個多元架構(gòu)來說是既生產(chǎn)電，又生產(chǎn)能源化工的產(chǎn)品，也生產(chǎn)氫的綜合能源生產(chǎn)單元，希望將來是一個總的能源供給側(cè)的單元結(jié)構(gòu)形式，這樣就可以對未來電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的變化、電網(wǎng)的發(fā)展提供思路。同時也為火電廠的低碳、零碳轉(zhuǎn)型提供可行的方案。
剛才介紹了生產(chǎn)各自能源產(chǎn)品、電等等之外，這個單元由于本身具有發(fā)電能力，一天24小時的發(fā)電能力，包括調(diào)度的安排。黃顏色是太陽能光伏發(fā)電，灰顏色是燃煤電場、燃煤混燒、生物質(zhì)能電場發(fā)電，它們是作為發(fā)電存在的。藍顏色在單元內(nèi)部是作為內(nèi)部的負荷、負載，因為電解水制氫耗電是比較大的，應(yīng)該說這個單元是不同的單元組成的，其中可調(diào)節(jié)的電源是火電廠本身，火電廠進行改造以后可以降低到30%的出力。電解水制氫作為整體來說，可以運行在30%額定容量的情況下。如果分為若干組，它的組合就更多，最小的負荷就可以更小。所以有兩種，一個是發(fā)電可以靈活調(diào)節(jié)，一個是負載，電解水制氫也可以靈活調(diào)節(jié)，所以總的靈活調(diào)節(jié)能力就比較強。其中我們希望所有太陽能光伏電量都得到充分應(yīng)用，是不需要調(diào)節(jié)的。
調(diào)節(jié)能力這樣來說，作為單元來說，出力上限等于火電機組額定功率加上光伏發(fā)電功率，減去電解水制氫、制甲烷裝置出力的下弦，就是整個出力的上限。這個圖里面的曲線就是在不同時刻調(diào)節(jié)的上限。出力下限等于煤電機組最小的出力限制(約30%)減去電解水制氫制甲醇裝置出力上限。
這樣的話，加上太陽能光伏本身在中國的出力比較高。這個例子上限是447千瓦，下限是早晨6點是負74千瓦，所以調(diào)節(jié)的范圍就很大了。
結(jié)論是這樣，與電網(wǎng)并網(wǎng)的優(yōu)化運行結(jié)果表明，IEPU比傳統(tǒng)火電廠具有范圍更大的靈活調(diào)節(jié)能力。這個表是設(shè)備的配置，實際上發(fā)電是30萬的機組，而且機組最好已經(jīng)是運行過一段時間，還款已經(jīng)還過了，所以成本是比較低。二氧化碳捕集量是15%，占總量的18%。光伏發(fā)電容量是180兆瓦，電解槽用電功率是140兆瓦，氫產(chǎn)量一年是兩萬噸，制甲醇是10萬噸的情況。除了能夠產(chǎn)生電和綠色的燃料的依賴，我們還可以在電網(wǎng)里面具有非常好的靈活調(diào)節(jié)能力。
下面是總結(jié)與討論：
關(guān)于情景分析的總結(jié)：
雙碳目標下的情景分析表明：2035年風(fēng)電光伏裝機容量超過裝機總?cè)萘?0%，2045到2050年間風(fēng)電光伏發(fā)電量超過總發(fā)電量50%，這兩個50%是具有標志性的。應(yīng)該所是為構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)創(chuàng)造必要條件。
能源系統(tǒng)和電力系統(tǒng)二氧化碳排放均可實現(xiàn)2030年前達峰，能源系統(tǒng)二氧化碳排放2050年、2060年分別降低為峰值的28%、10.5%;電力系統(tǒng)二氧化碳排放2050年、2060年分別降低為峰值的25.4%和1.6%，為實現(xiàn)2060年前碳中和目標奠定了基礎(chǔ)。
關(guān)于IEPU的討論：
綜合能源生產(chǎn)單元IEPU既可生產(chǎn)除電外各種綠色燃料，又能以其高靈活調(diào)節(jié)能力來支撐高比例可再生能源電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行，期望能作為火電低碳/無碳轉(zhuǎn)型路徑方案的一種選擇。
IEPU可以有不同類型的方案：IEPU所需的二氧化碳可由火電廠碳捕集來取得，未來也可從空氣中捕集來取得;IEPU可由風(fēng)光發(fā)電與電解水制氫裝置，或者是水電廠與電解水制氫裝置組成。生產(chǎn)的綠氫與空氣中氮氣組合制氨;IEPU可由燃氣電廠與風(fēng)光發(fā)電及電解水制氫、儲氫耦合組成。未來燃氣電廠的燃料將由綠氫提供，成為應(yīng)對長周期能源不平衡的能源重要措施;IEPU本身可以是實體的，也可以是虛擬的。
IEPU與數(shù)字化國家能源互聯(lián)網(wǎng)大會化技術(shù)結(jié)合，可形成能源供應(yīng)側(cè)各種智慧型基本單元，與消費側(cè)智慧型基本單元(Integrated Energy Consumption Unit，IECU)如虛擬電廠、綜合能源微網(wǎng)等一起，組成未來典型電力系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)，以便充分挖掘利用供應(yīng)和消費雙側(cè)自主管理和靈活性調(diào)節(jié)能力，有可能對未來電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)動態(tài)特性、靈活性和儲能需求以及電網(wǎng)調(diào)度管理方式產(chǎn)生重要影響。
可再生能源制氫和各類IEPU的經(jīng)濟性是制約其發(fā)展的關(guān)鍵因素，對此期待相關(guān)技術(shù)的進步帶來的成本進一步降低，當前我們應(yīng)結(jié)合實際工程的各種因素進行詳細的經(jīng)濟性分析;IEPU設(shè)想的實現(xiàn)將會促進能源領(lǐng)域不同行業(yè)之間的融合，對此需要體制機制的突破和創(chuàng)新。
(本文根據(jù)會議現(xiàn)場發(fā)言嘉賓的速記整理而成，未經(jīng)本人審核。)
