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《中國煤化工》
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中國工程院院士余貽鑫:能源革命的實現依賴于未來高比例分布式可再生能源的開發與利用
作者: | 來源:國家煤化工網 | 時間:2019-06-28

    我是做電網相關工作的,講智能電網方面內容已經有十幾年了。2009年的時候,在天津大學開了全國第一屆智能電網論壇,人員非常多,從那次論壇到現在幾十年了。我們開始講這事是2006年,是已經十三年的時間了。通過這十幾年,我覺得在我們中國,對于分布式的認識比較慢。關于智能電網,我們一開始就是面向二十一實世紀的全球能源發展戰略,智能電網是二十一世紀面向全球的發展戰略。

    這次智能電網是電網的第二次智能化,電網的第一次智能化是從可靠性和安全性開始,是以美國大型電為契機,提出在電力公司要把計算機技術充分用起來,所以從美國開始就在22萬以上的這些地方收了大量的二次利用,把采集的數據收集起來,然后建立了能量管理系統,這一套已經在世界上走了幾十年了。當時,因為計算機和光纖很貴所以不可能在低壓的電網上發展,所以主要是在2萬以上的范圍內實現。這一次是電網的第二次智能化,雖然也包括高壓電網,因為技術在發展么,但是重點是在110Kv以下的電網,可是現在計算機和通訊技術發展得很快,價錢也便宜,如果我們把它用到低電壓里的話,它的成本和效益比值會非常明顯。它最大的推動力有經濟性方面的原因,有電能質量問題,但是最重要的是環境壓力。我們現在的地球已經承受不起大量的排放二氧化碳,如果我們現在再不重視起來的話,我們將來再后悔就來不及了。所以這次的電網智能化在推動中綠色、低碳是非常重要的。

    我為了論證分布式從這些方面說,可能有的地方會擴展一下。

    第一個是能源革命要求發展高比例的風光發電。我們現在可再生能源的電量,我們是26.7%,但是這個26.7%中我們的風光電量現在只有7%,其余的主要是水電。這個地球上的風能資源是水能資源的100倍,太陽能資源是風能資源的100倍,所以我們有大量的資源去采用,而這些東西是可再生的。所以我們要充分地利用起來。

    建設美麗中國,推動能源革命,實現社會可持續發展需要高比例的可再生的風能和太陽能發電。根據預測,不同單位、部門是有區別的。我們國家的還沒有飽和,所以未來20年我們的用電量還會增加。

    我們國家擁有豐富的風光資源,無論是在西部還是在東部,能滿足我們國家的開發。

    得到的風能資源跟我們相比要差很多,我們中國76%的地區太陽能、光能都是可以利用的,像華北地區基本上是屬于二級、三級的光伏資源地區。如果做一個估計,如果是2050年的時候,全國的用電量按照10到12萬一度電考慮,如果風和光分別占10到12萬億的四分之一的話,光伏就需要2.5到3萬億。如果要產生2.5到3萬億的話,利用東部地區的太陽能資源平均總輻射量取1200kwh,光電轉換效率取保守數值16%,光伏系統的效率取65%。

    實際上,我們國家是擁有足夠多的光伏潛在的安裝場地的。因為最近的國土資源的一份資料,按照最近通過的資料,我們國家現在僅中東部地區的房屋建筑面積是10.12萬,這一項就遠遠大家2050年的需要。此外,還要積極探索道路光伏等其他的光伏。所以,從空間上,是沒有問題的。

    我們前一段對天津市的光伏的資源情況,應該跟山西本部接近。我們發現,如果利用廠房屋頂等現在可用的空間還是很大。

    從風能角度上說,風能是一個是風能技術在進步。因為現在的調查越來越細,最近十年從風能資源開發看,按照提供的數據看已經增長了14倍,還是應該重視的。

    下面說一下風光發電已經或即將實現與市電平價。這個是我們以天津的一個項目為例子,我們發現這個項目是這樣的,它對應的是1MW,初始投資是400萬元,年發電量是100萬Kwh,收益(或節約成本)為50萬元每年。

    我們對電網評價的問題也做了大量的預測和計算,這是給出了一些評估的參數,不具體說了。

    算出來幾種可供大家參考的,如果我們是自發自用,就是(光伏+儲能)電能的成本,那么2017年的供電成本是0.867,到2050年的時候可以達到0.517。

    到2013年,這么一段時間,光伏的成本降到了原來的10%,2013年以后,仍然按10%的速度下降。所以有這樣的發展趨勢,先面說風光資源豐富,風能和太陽能現在成本也降低得很快,逐漸地跟電網和電壓有競爭的優勢了。問題是風能和太陽能它是間歇的。白天和晚上是不一樣的,第二,每天跟每天的功率都不一樣,說明是不確定性的,這個不確定是風能和太陽能的一大特點,那么,既然是間歇的、波動的、多變的和不確定的,就使得風光技術很難單獨的運行,就需要采取一些功率平滑的措施,我們來了以后聽到了一些公司,現在就想自己獨立地建一個小區,把小區的整個的電力供應都管起來,他們需要不需要跟電網連接,照理說有兩種模式,一種是跟電網連接,一種是不連接,那么這個不確定性和多變性怎么解決?如果是自發自用的就要自己解決,解決的方法包括側管理、分布式小型燃油、燃氣發電、儲能等都可以幫助解決這個問題。解決這個間歇性和多變性和不確定性的問題需要有靈活的電源,當電源的功率小的時候可以多發,當發光的功率大的時候可以少發,但是是不確定的,就需要用靈活的電源。我們國家現在的靈活電源比重比其他國家低,但是現在又要發展,我們還需要幫助平滑功率的設施,我們現在可行的只是燃煤技術,所以我們現在在西北地區建立風光基地的時候,就提出火電機組的額定容量在50%到100%的范圍內是可以調節的。所以有一些數據就從中國現實的情況來做分析,但是要說明的是這個分析對其他的管理措施同樣是成立的。那么大家知道,火電機組是有要求的,比如有最小屏蔽時間,有最小的開機啟動時間,也有條件范圍和限制,為了滿足安全性的因素,就需要各個電網要進行機組組合優化。當風光電量低的時候,就要多開,風光電量多的時候少開,但是不是隨時隨地都能開的,所以必須進行專門的優化制度管理。

    這個是我們最近調查的一些結果,就是我們東部地區,實際上我們現在現實情況是我們東部地區的火電機組的利用是很低,我們現在是4000左右,所以就儲備著這樣的一些能量,能夠為我們東部地區發展風能和太陽能提供條件容量。

    下面呢,我對這兩種開發模式對一個對比,就國際上剛才說的電網容量!但是我們國家,實際上我們的電價是多重的,居民電價5毛,工商業電價8毛,實際上工商業的用電是從中高壓取電,居民用點是從最低的,所以國際上是居民用電是最貴的,是符合電網物理上的特點的。我們國家是居民用電便宜,是一種社會的保險。那么在這樣情況上比較的時候,就要用辦法,我們的辦法是全社會成本的比較。我們比較了兩種模式:

    一種是大規模遠距離輸送模式。比如在青海、新疆、甘肅、寧夏等地建了大規模的基地,然后通過側高壓的直流用計算的力度做出來的比較,更具有說服力,這是一種模式。

    還有一種,在東部地區自己開發風電和光伏資源,這樣的這種情況進行對接。

    我講一下就是我們電力系統的一個很重要的理念,就是互聯電力系統的理論,在這個1925年到1950年這個階段,電力系統產生了互聯電力系統,因為最初是這樣,最初的電網是分區的,后來電網越來越大,它們連在一起了,這個時候怎么運行?因為一個控制中心不可能把所有的網絡上的數據都收集過來,然后做出決策,同時在經濟利益的劃分上也都有不同,所以就出現了互聯電力系統理論。這個理論提出了控制區和功率平衡區,最初是一個大的輸電網,分成了幾個區域,都是一些控制區,或者是功率平衡區,它在運行的規范就是區域跟區域的聯絡線的功率要大家一起協調進行調動和優化,滿足大家共同的利益,在確定了連在線上的功率之后,各個區域內部的事自己來解決。如果你的區域里有風能和太陽能波動,你自己要把這個波動平衡了,不能影響線上。

    那么,大部分是平的,怎么辦呢?所以就需要用火電。因此,各控制區按照如下準則工作:控制區內發電的調節需要隨時吸收其內部負荷的變化,即使發生大的擾動也要自行解決!區域電網之間聯絡線上的功率均按功率交換計劃工作。我們發現,“該計劃值平穩”各位著“向受端輸送恒值功率它占去了受端系統的值。大家看這兩種開發模式的最大風光電量滲透率,如果同時采用從東部往西部送,西部也開發的時候,這個時候可開發的是25%左右,所以最好的辦法是就地開放。

    這個是全社會成本的對比,有風光機組投資、火電機組投資,受端系統過網費、UHVDC系統投資、燃料成本、環境成本、調峰和平滑措施成本、可靠性成本、網損成本、單位電能全社會成本。我們也做了極端成本,極端的成本跟這個也類似,實際的場景是介于這兩個之間的。因此,能看到,實際上就地開發模式全社會成本的角度看是合算的,而且是很明顯的,在這些數據中,大家看到可靠性成本差別很大,然后網損成本差別很大,過網費也有一定的差別,這些東西是造成就地開發與就地模式這種情況很核心的要素。所以我們可以斷言,這種結論是明顯優越的。

    下面說一下分布式的電源對可靠性、韌性的影響。

    按照美國電科院預測,美國實際上已經進入數字化社會了,對供電的可靠性的要求非常高。目前美國對供電可靠性的要求六個9的用戶占8%到10%。按照美國的預測未來二十年到三十年的比例會占到60%,我們現在國家大力提倡數字化,因此我們的數字化成果發展相對更快一些,所以在可靠性上很重要。在傳統供電模式下,僅通過提高電網的配電自動化水平,最多可實現99.9999%的供電可靠性,無法滿足更高供電可靠性的電能需求。可以這個可靠性的改善是非常重要的。

    下面就關于電網的韌性,這個問題呢在最近這些年國際上電網的研究中大家非常重視。就是在遇到極端的天氣、偶然事故、認為破壞、恐怖襲擊等狀況時,網絡拓撲發生研究破壞,市電系統會停止供電,大量用戶遭遇停電事故。

    當系統中存在分布式電源時,一定區域的系統可以通過孤島運行,在故障期間繼續向負荷供電,尤其是向部分重要負荷供電;這種控制和運行方式可大大提高系統的供電。

    潛在的分布式電源不容忽視,這個需求非常的響應。我國工業用電的節省潛力巨大,與此同時第三產業負荷和居民符合具有可平移負荷(電網友好用戶)的充分潛能,這種能力有助于降低電網的峰谷差率,從而提高電力資產的利用率和供電效率,和在緊急情況下支援電網,有助于高比例風光發電的更好消納。但是要實現用戶配合,必須要雙贏,所以電價必須要靈活,所以我們搞智能電網就說,如果不搞電力市場化,那么智能電網的實施是事倍功半,所以我們的電網必須進行提質改革。

    電動汽車呢是最重要的分布式儲能,美國能源部關于智能電網的介紹,把電動汽車說成是EV和PHEV。后來互聯網的很多應用就很快推行出來了,他認為電動汽車很可能在智能電網的實施和推光中起到了非常重要的作用。電動汽車持續快速增長,據預測2030年電動汽車的保有量將高大8000萬輛,電池容量24億KWH。電氣車輛不僅是一個大功率的電器,同時也可成為電網中儲能裝置,所以管理好這些移動的儲能設備,可以為風、光、火、儲的大規模配合堅奠定堅實的基礎。

    最后我說一下,因為前面說智能電網是解決21世紀能源的發展戰略的一個重要的一項工作,那么智能電網是什么?最近我們也不斷在提能源互聯網。

    智能電網由前述分析可知,實現高比例分布式風光電能的消納的關鍵在于實現其多變性的就地(終身)解決,即未來電網也必須將責任分攤到終端承擔,所以需要采用需求響應、儲能、電動汽車有序充電等多種技術。因此,需要一個功能合理的現在電網,來集成相關各方,并提高能源脫碳,轉利用過程的效率,這個電網就是智能電網和成熟的市場環境。

    那么大量的分布式的可再生能源,這樣的電源傳統的電網是適應不了,解決的辦法就是智能電網,智能電網最本質的特征是:電力和信息的雙向流動性;并由此建立起一個高度自動化和廣泛分布的能量交換網絡;把分布式計算(互聯網、云和大數據)和通信的優勢引入電網,達到信息的實時交換和設備層上電力近乎瞬時的供需平衡。

    我們要強調這個智能電網已經到了家家戶戶中,已經到了最低的配電網,所以是一個典型的電網。所以可以說智能電網是多能源網絡的一個核心。

    這個是智能電網和傳統電網的功能區別,我們一開始就講了這個,最近我們出了一本書,叫做智能電網的基本理念和關鍵技術,大批量的出版,估計在十天里就可以上市,大家可以看到,傳統電網和智能電網的區別,一個是用戶可以積極參與電網優化運行,可以容納全部發電和儲能選擇,可以使新產品、新服務和信市場成為可能,為數字經濟提供電能質量,優化資產利用和高效運行,預測及并對系統干擾做出英,對自然災害等的破壞可以迅速恢復運行。

    智能電網是這樣的一個結構,前面有一個系統電力系統,將來這個電網基本上都是這樣的一個分布式的智能的結構。正是因為這樣的體系結構所以它的安全性和可靠性才特別好。

    下面是Rifkin的第三次工業革命,就是人類社會必將邁進一個新時代,屆時可再生能源和互聯網技術將融合以創造一套強大的新基礎措施,即所謂的第三次工業革命。

    在這一愿景中,數以億萬的人們會從他們的家中、辦公室和工廠的可再生能源中生產綠色能源,并在能源互聯網中彼此分享,就像現在我們在線創造和分享信息一樣,通過部署各種儲能技術,能量將本地存儲在每一棟建筑和整個基礎設施里。

    我們學校現在也有多少老師在做能源互聯網,但是以智能電網為核心的網絡其中包括燃氣網絡、電力網絡和熱力網絡。

    電力與燃氣、熱力系統的聯系日益緊密,未來將形成以智能電網為核心的綜合能源系統。綜合能源系統是恩能源互聯網的載體;

    能源革命的實現高度依賴于未來高比例分布式可再生能源的開發與利用,我國中東部地區和城市應該會可能為此做出貢獻。這就是我最后的結論,也是我們的研究結果,不足之處歡迎大家批評指正。

    (以上內容整理自中國(山西)國際清潔能源高峰論壇中國工程院院士、天津大學教授余貽鑫作能源發展戰略與趨勢方面的演講)

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