編者按：2022年7月20～21日，由中國能源研究會主辦的第四屆未來能源大會在北京召開，會議圍繞“碳中和與全球產(chǎn)業(yè)融合”的主題，探討如何進一步推進能源綠色低碳轉(zhuǎn)型，構(gòu)建循環(huán)發(fā)展經(jīng)濟體系、提升能源利用效率、提高非化石能源消費比重、降低二氧化碳排放水平、提升生態(tài)系統(tǒng)碳匯能力等工作。

中國科學(xué)院院士、中國電力科學(xué)院名譽院長周孝信在會上作主題發(fā)言，他指出，“雙碳”目標將對電力系統(tǒng)帶來很大變化，最主要的變化是可再生能源的比例將大幅度上升，給新型電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定經(jīng)濟運行帶來新的挑戰(zhàn)，構(gòu)建清潔、高效、低碳和韌性可靠的電力系統(tǒng)對于新型電力系統(tǒng)建設(shè)十分關(guān)鍵。

電力系統(tǒng)對推動實現(xiàn)碳達峰、碳中和影響重大

周孝信認為，電力系統(tǒng)與發(fā)展根據(jù)其技術(shù)特征及其他宏觀的一些主要特征，可以分成三個階段：第一階段為上個世紀50年代以前，稱為第一代電網(wǎng)，主要特點是輸電量特別低，電網(wǎng)規(guī)模很小;第二階段為上世紀后50年，主要特點是電力快速發(fā)展，整個電力系統(tǒng)實現(xiàn)從小規(guī)模向大規(guī)?？缭桨l(fā)展，技術(shù)越來越精密，電壓等級越來越高。大電網(wǎng)也是一樣，總的特點就是大機組、超高壓、大電網(wǎng)、交直流與互聯(lián)電網(wǎng)。但實際上它是不可持續(xù)的，因為它主要還是以化石能源為主，包括資源問題、環(huán)境問題;第三階段為新一代電力系統(tǒng)。從調(diào)研結(jié)果來看，國外上世紀90年代開始有這樣一個發(fā)展趨勢，國內(nèi)還是新世紀中葉，應(yīng)該是以可再生能源和石油發(fā)電為主，電網(wǎng)應(yīng)該是骨干電網(wǎng)和局部電網(wǎng)及微電網(wǎng)相結(jié)合，電源就是主力電源，對中國來說還是要采取主力電源與分布式電源相結(jié)合的方式。“總的來說，基于可再生能源和清潔能源，是一種可再生發(fā)展的綜合電力的發(fā)展模式。”周孝信指出。

從數(shù)據(jù)分析看，2025年，我國非化石能源發(fā)電裝機占比將超過50%，2035年風光裝機量超過總裝機容量50%，2050～2060年煤電裝機將保持在4億千瓦以上。發(fā)電量方面，2030～2035年非化石能源發(fā)電量占比超過50%，2045～2050年風、光發(fā)電量超過總發(fā)電量50%，2050～2060年煤電發(fā)電量低，年運行2000小時以下。

周孝信告訴記者，目前，我國新型電力系統(tǒng)的核心目標是要成為能源清潔低碳轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵路徑、能力電力安全保供的基本保障、能源電力節(jié)能高效的普遍舉措和實現(xiàn)能源普遍服務(wù)的主要途徑。其主要特征可概括為六個方面：

一是高比例可再生能源廣泛接入。一次能源消費中非化石能源主要來自一次電力(水電、風電、太陽能發(fā)電等可再生能源電力以及核電等)，大幅提高以風、光等新能源為主的可再生能源電力占比，是電力系統(tǒng)升級換代的重要標志，也是實現(xiàn)能源轉(zhuǎn)型的主要支撐。

二是高比例電力電子裝備大規(guī)模應(yīng)用。與傳統(tǒng)電磁變換裝備相比，電力電子裝備在物理結(jié)構(gòu)、控制方式、動態(tài)行為、設(shè)備交互等方面都存在顯著差異，伴隨超大規(guī)模交直流輸電及大量新能源機組接入系統(tǒng)，電力電子裝備應(yīng)用數(shù)量不斷提升、范圍不斷擴大，將深刻影響電力系統(tǒng)運行特征。

三是多能互補綜合能源利用。隨著多行業(yè)多類型技術(shù)高度融合，電力系統(tǒng)的內(nèi)涵和范疇將不斷外延，應(yīng)充分發(fā)揮多元化資源配置的平臺作用，促進風、光、水、煤等協(xié)同互補，電、熱、冷、氣綜合利用，實現(xiàn)能源資源的按需、合理、高效開發(fā)利用。

四是數(shù)字化、智能化智慧能源發(fā)展。先進數(shù)字化、智能化技術(shù)將廣泛滲透在未來能源電力系統(tǒng)各環(huán)節(jié)設(shè)計規(guī)劃及調(diào)度控制中，形成高效運行、用戶友好的智慧能源系統(tǒng)。

五是向清潔、高效、低碳、零碳轉(zhuǎn)型。構(gòu)建新型電力系統(tǒng)作為支撐實現(xiàn)“雙碳”目標的核心手段，應(yīng)以清潔、高效、低碳為根本發(fā)展導(dǎo)向，提升新能源開發(fā)利用水平、提高系統(tǒng)總體能源利用效率、降低二氧化碳排放，為整體能源轉(zhuǎn)型奠定堅實基礎(chǔ)。

六是高韌性本質(zhì)安全可靠保障。綠色發(fā)展和數(shù)字革命是新世紀以來推動電力系統(tǒng)發(fā)展模式轉(zhuǎn)換的兩大驅(qū)動力。形成以非化石能源為主的電源結(jié)構(gòu)，構(gòu)建新一代電力系統(tǒng)，是實現(xiàn)能源轉(zhuǎn)型、建設(shè)清潔低碳安全高效能源體系的主要途徑。“預(yù)計到2060年，電力系統(tǒng)二氧化碳排放將不到10億噸。所以電力系統(tǒng)做得好不好，對碳達峰、碳中和目標的實現(xiàn)影響重大。”周孝信認為。

新型電力系統(tǒng)安全運行面臨的新挑戰(zhàn)

以預(yù)測2050年數(shù)據(jù)為例，我國電力裝機容量是75億千瓦，非化石能源裝機占比84%，風、光裝機占比72%，發(fā)電量占比占58%。2050年，太陽能發(fā)電量占比32%，風電電量占比25%，煤電電量占比5.7%，氣電電量占比6.7%。

結(jié)合數(shù)據(jù)，周孝信認為，我國電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定和經(jīng)濟運行有五項性能要求。一是靈活性，即應(yīng)對系統(tǒng)中電源出力和負荷需求短期和中長期波動時，保持正常穩(wěn)態(tài)運行的調(diào)節(jié)能力，這是電力系統(tǒng)源荷平衡保持正常運行的必要條件。對應(yīng)的挑戰(zhàn)為以風電、太陽能發(fā)電為主的高比例可再生能源電力系統(tǒng)對“源網(wǎng)荷儲”互動提供靈活性資源的需求巨大。

二是韌性，即應(yīng)對極端氣候或外力嚴重干擾下，系統(tǒng)快速恢復(fù)電力供應(yīng)的能力，這是電力系統(tǒng)應(yīng)對突發(fā)事件的必備條件，對應(yīng)的挑戰(zhàn)為風電、太陽能發(fā)電對氣候的敏感性，以及全球氣候變化，使極端氣候條件下快速恢復(fù)供電的韌性需求更為頻繁和迫切。

三是穩(wěn)定性，即系統(tǒng)承受各類擾動后保持暫態(tài)和動態(tài)穩(wěn)定的能力，這是電力系統(tǒng)正常和擾動后安全穩(wěn)定運行的基本條件，對應(yīng)的挑戰(zhàn)為高比例電力電子裝備電力系統(tǒng)的低慣性、頻率電壓穩(wěn)定及寬頻振蕩，以及信息物理系統(tǒng)、多能耦合系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

四是可靠性，即系統(tǒng)不間斷地向用戶供電能力的度量，是建立在裝備和系統(tǒng)故障統(tǒng)計基礎(chǔ)上概率分析的結(jié)果，這是電力系統(tǒng)安全運行的基礎(chǔ)條件，對應(yīng)的挑戰(zhàn)為電力電子裝備過載能力弱、低于故障能力低及新能源發(fā)電的不確定性，影響風電、太陽能發(fā)電入網(wǎng)設(shè)備和系統(tǒng)供電的可靠性。

五是經(jīng)濟性，即建立在市場或非市場基礎(chǔ)上，系統(tǒng)能力損失量最小或經(jīng)濟社會效益最大化的運行機制體現(xiàn)，這是電力系統(tǒng)為社會提供優(yōu)質(zhì)服務(wù)的前提條件，對應(yīng)的挑戰(zhàn)為“雙碳”目標下能源轉(zhuǎn)型過程中有效化解電力的成本提高，建立有利于系統(tǒng)運行綠色經(jīng)濟性的市場化機制。

綜合能源生產(chǎn)單元(IEPU)設(shè)想

“雙碳”目標下，我國能源電力系統(tǒng)清潔低碳轉(zhuǎn)型任務(wù)艱巨，如何科學(xué)推進傳統(tǒng)煤電升級改造及有序退出、同時促進新能源消納成為能源轉(zhuǎn)型路徑規(guī)劃和相關(guān)戰(zhàn)略制定的重要議題。周孝信指出，一方面，由于資源稟賦及行業(yè)發(fā)展歷史等原因，我國仍保有大量燃煤火電機組，且當前大量在役火電廠發(fā)電效率已基本達到瓶頸，單純大規(guī)模推廣碳捕集及封存技術(shù)代價昂貴，若采用簡單關(guān)停處理方式，又不利于一定時期內(nèi)能源平穩(wěn)供應(yīng)過渡，同時涉及國有資產(chǎn)保值增值、就業(yè)等多方面問題，迫切需要有效手段，有序推進存量煤電機組的升級改造，充分發(fā)揮煤炭基礎(chǔ)性保障和調(diào)節(jié)作用;另一方面，由于以風電、太陽能發(fā)電為主的可再生能源具有波動性和間歇性，機組出力不確定性強，抗擾動能力和動態(tài)調(diào)節(jié)能力弱，新能源高比例接入將對電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行帶來巨大挑戰(zhàn)，系統(tǒng)靈活調(diào)節(jié)資源的需求顯著提升。為應(yīng)對上述問題，周孝信提出關(guān)于一種融合火電機組碳捕集、燃煤機組混燒生物質(zhì)、可再生能源電解水制氫、甲烷/甲醇合成等技術(shù)的設(shè)想——綜合能源生產(chǎn)單元(Integrated Energy Production Unit, IEPU)的設(shè)想。

記者了解到，IEPU將電解制氫、可再生能源發(fā)電、甲醇/甲烷/氨合成、二氧化碳捕集等設(shè)備集成為一體，通過單元內(nèi)部各子系統(tǒng)協(xié)同運行及單元與外部電網(wǎng)的靈活互動，以及多類型能源的生產(chǎn)、存儲和化工合成等過程耦合，具有以下兩個方面的優(yōu)點：

一是以電解制氫裝置作為可控負荷，通過與火電、水電等可調(diào)機組聯(lián)合運行，在綜合能源生產(chǎn)單元內(nèi)部各子系統(tǒng)協(xié)同優(yōu)化的同時，實現(xiàn)與電網(wǎng)互動，成為具有高靈活性的虛擬能源生產(chǎn)單元，為高比例新能源電力系統(tǒng)提供靈活性支撐，以包含煤電、光伏、電解水制氫制甲醇的方案為例，其可參與電力系統(tǒng)日調(diào)度的出力上限為：煤電機組額定功率+光伏發(fā)電功率-電解水制氫制甲醇裝置出力下限;出力下限為煤電機組最小出力限制-電解水制氫制甲醇裝置出力上限?？梢?，若將該系統(tǒng)整體作為一個虛擬發(fā)電單元，其靈活性調(diào)節(jié)范圍較傳統(tǒng)煤電機組顯著提高。

二是通過二氧化碳直接與氫氣合成，生產(chǎn)甲烷、甲醇等便于存儲、運輸?shù)木G色燃料或作為重要化工原料產(chǎn)品，一方面可規(guī)避大規(guī)模二氧化碳捕集后壓縮及封存的高額成本投入;另一方面形成合理可行的產(chǎn)品收益模式，有利于火電企業(yè)推廣應(yīng)用二氧化碳捕集與利用技術(shù)，在促進火電行業(yè)碳減排及轉(zhuǎn)型發(fā)展的同時，所生產(chǎn)的氫氣與二氧化碳、氮氣合成，生成綠色燃料化工原料產(chǎn)品，也可為能源相關(guān)領(lǐng)域化石燃料和原料替代提供一定的來源補充。

針對儲能領(lǐng)域，周孝信表示：“過去是儲煤、儲天然氣、儲石油，將來作為非化石能源，在完全綠色的情況下，儲氫及利用氫和二氧化碳合成產(chǎn)生一些能源產(chǎn)品和化工原料，我認為這一點非常重要。”

周孝信認為，可再生能源電解水制氫的生產(chǎn)過程，作為電力系統(tǒng)可快速調(diào)節(jié)負荷，可成為應(yīng)對風電、太陽能發(fā)電波動性、間歇性的有效措施，可部分替代燃料電池的調(diào)節(jié)作用。綠色能源產(chǎn)品，如甲烷、甲醇、氨等，以其便于運輸、易于儲存的特性，既可作為化工原料，也可作為以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)應(yīng)對中長期能源電力供需不平衡的一種儲能介質(zhì)。

電力系統(tǒng)的靈活性和韌性

周孝信告訴記者，目前，國內(nèi)外沒有關(guān)于電力系統(tǒng)靈活性統(tǒng)一的定義和定量評價指標。北美電力可靠性協(xié)會把電力系統(tǒng)的靈活性定義為：電力系統(tǒng)供需兩側(cè)響應(yīng)系統(tǒng)的不確定性變化的能力，包括儲存能量的能力和高效機組組合及經(jīng)濟調(diào)度的能力。國內(nèi)有一個更準確、更細化的定義：在所關(guān)注時間尺度的有功平衡中，電力系統(tǒng)通過優(yōu)化調(diào)配各類可用資源，以一定的成本適應(yīng)發(fā)電、電網(wǎng)及負荷隨機變化的能力。

同樣，電力系統(tǒng)的韌性也尚無統(tǒng)一的定義和定量評價指標。美國國家工程院的定義是：能夠認識到長時間、大面積停電事故發(fā)生的可能性，事故前充分預(yù)備，事故發(fā)生時使其影響最小化，事故發(fā)生后快速回復(fù)并且從事故中獲取經(jīng)驗，從而自我提升的能力。國內(nèi)在作了詳細地研究后有更加準確的定義：能夠全面、快速、準確感知電網(wǎng)運行態(tài)勢，協(xié)同電網(wǎng)內(nèi)外部資源，對各類擾動作出主動預(yù)判與積極預(yù)備，主動防御，快速恢復(fù)重要電力負荷，并能自我學(xué)習(xí)和持續(xù)提升的電網(wǎng)。

2022年6月14日，生態(tài)環(huán)境部、國家發(fā)展改革委、科學(xué)技術(shù)部門等17個部門聯(lián)合印發(fā)了《國家適應(yīng)氣候變化戰(zhàn)略2035》，其中特別提到增強我國經(jīng)濟社會系統(tǒng)的氣候韌性。“特別是對于基礎(chǔ)設(shè)施，包括能源設(shè)施，以及設(shè)施本身涉及到的關(guān)鍵技術(shù)，該戰(zhàn)略都提出了很明確的提高韌性的要求。”周孝信說。

如何提高電力系統(tǒng)靈活性和韌性，周孝信進一步指出，一是以氣候變化影響敏感的關(guān)鍵領(lǐng)域為抓手，堅持減緩、適應(yīng)與可持續(xù)發(fā)展系統(tǒng)理念，增強我國經(jīng)濟社會系統(tǒng)氣候韌性。二是推動基礎(chǔ)設(shè)施與重大工程氣候韌性建設(shè)，加強能源基礎(chǔ)設(shè)施正常運行保障，提高耐受風暴潮、高溫、冰凍等極端天氣氣候事件的能力;通過“能源+氣象”信息深度融合，提升能源供應(yīng)安全保障水平。三是突破基礎(chǔ)設(shè)施與重大工程關(guān)鍵適應(yīng)技術(shù)，能源工程與電網(wǎng)安全設(shè)施需要重點提升多電網(wǎng)聯(lián)合并網(wǎng)、消納和調(diào)度技術(shù);城鄉(xiāng)基礎(chǔ)設(shè)施需要重點提升供水、供電、交通和應(yīng)急通訊等綜合適應(yīng)能力技術(shù)。

電力系統(tǒng)靈活性仿真分析表明，在風電、太陽能裝機占比超過70%的情況下，電力系統(tǒng)正常運行時除要有足夠的煤電、氣電、各類儲能等提供的靈活性資源參與調(diào)節(jié)外，還需要設(shè)置光伏電解水制氫等能源轉(zhuǎn)換裝置作為負值可調(diào)節(jié)容量加以配合。在極端氣候條件下，更需要動用長周期綠色能源儲備，如綠氫及甲烷、甲醇、氨等綠色氣體液體燃料參與能源電力供應(yīng)。

周孝信用數(shù)據(jù)的形式呈現(xiàn)了電力系統(tǒng)如何為實現(xiàn)碳中和目標作出貢獻：“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)二氧化碳排放量將在2050年和2060年分別降低為峰值的28%、10.5%，而電力系統(tǒng)分別降低為峰值的25.4%和1.6%，這就為2060年前實現(xiàn)碳中和目標作出了電力系統(tǒng)的貢獻。”

“雙碳”目標下的兩大重要舉措，就是要構(gòu)建清潔低碳、安全高效的能源體系和構(gòu)建以新能源為主體的新型能源系統(tǒng)。“雙碳”目標和能源轉(zhuǎn)型的戰(zhàn)略目標高度一致，兩個構(gòu)建是實現(xiàn)能源轉(zhuǎn)型的根本措施。“第三代電力系統(tǒng)是100多年來第一、二代電力系統(tǒng)的傳承和發(fā)展，是推動能源轉(zhuǎn)型發(fā)展、構(gòu)成新一代能源系統(tǒng)核心的新一代電力系統(tǒng)。電力系統(tǒng)由以化石能源為主，向可再生能源為主轉(zhuǎn)型，將對能源轉(zhuǎn)型目標的實現(xiàn)起到關(guān)鍵作用。”周孝信表示。