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构建新型电力系统需要保留一定容量的常规电源

作者:刘哲 刘婧 王娜 来源:国家电网报 发布时间:2021-12-07 浏览:

中国储能网讯:随着碳达峰、碳中和目标稳步推进,非化石能源发电在我国电源结构中的占比将逐渐上升。从我国发展实际和技术现状来看,电力系统升级处在由化石能源为主体向新能源为主体转变的过渡阶段,火电等常规化石电源仍是目前最稳定可靠的电源。在构建新型电力系统的背景下,需推进常规化石电源清洁化利用,优化电源发展策略,助力碳达峰、碳中和目标实现。

构建新型电力系统需要保留一定容量的常规电源

能源安全是关系经济社会发展的全局性、战略性问题。现阶段,保留一定容量的常规化石电源有其必要性和合理性。风、光等新能源发电具有随机性、波动性。储能是平抑新能源发电不确定性的重要一环,但受限于连续运行时间、成本疏导、站址选择等因素,仅靠电化学储能或抽水蓄能来增加新能源发电容量在目前并不是一种经济高效的脱碳策略。

据中国电科院测算,基准场景下,2030年同步机组的出力占总负荷之比大于50%的累计时段约达全年时长的100%;2060年同步机组出力占总负荷之比大于50%的累计时段仍达全年时长的53%。同时,风电、光伏发电机组皆是锁相同步电流源。因此,未来新型电力系统的基本运行机制仍是交流同步运行。高比例新能源的接入和高比例电力电子设备的应用,将导致电力系统转动惯量持续下降,调频、调压能力不足。

以2019年8月英国大停电事故为例,事故发生前共有2100万千瓦风电和1300万千瓦太阳能发电接入系统,取代了大部分传统煤炭和天然气发电,使得系统抗扰动能力大幅下降。在这次事故中,电力系统仅损失187.8万千瓦出力,就导致频率下降至48.8赫兹。

从国际经验来看,煤电、气电等常规电源的长期存在并不影响低碳目标实现。德国“富煤、少油、少气”的资源禀赋与我国相似。自2011年实施能源转型计划以来,德国为摆脱能源大部分依靠进口的困境,大力发展清洁能源,减少二氧化碳排放量。2019年,德国非化石能源电量占比已达56%,但仍保留了7840万千瓦的化石能源发电装机作为风电、光伏发电等波动性电源的应急备用。其中煤电、气电仍是最重要的化石电源,装机7400万千瓦,占总装机的34%;发电量2470亿千瓦时,占总电量的43%。

常规化石电源如何实现清洁化利用

虽然构建新型电力系统仍需保留一定容量的常规化石电源,但对照碳达峰、碳中和目标,常规化石电源亟须改变现有的生产利用方式。目前,能源燃烧是我国主要的二氧化碳排放源,电力行业排放约占能源行业排放的41%。推进煤电等化石电源的清洁化利用对实现碳达峰、碳中和目标至关重要。

●技术减碳实现低碳化

一是实施化石电源清洁化改造,推动自身提效减碳。以上

海368万千瓦需要等容量改造的煤电机组为例,按年运行4120小时测算,碳排放约1342万吨。通过清洁化改造,度电供电煤耗可从331克标准煤下降到270克标准煤,降幅近20%,同等电量下这部分煤电机组碳排放约1095万吨,能够降碳近20%。

二是实施灵活性改造,配合新能源发电实现结构减碳。目前我国煤电总装机容量已近11亿千瓦,若最低稳燃负荷能下降20%,就能增加约0.22亿千瓦的调峰裕度。利用煤电的深度调峰能力对冲新能源随机性、间歇性、波动性等风险,将大幅降低对配套储能的建设需求,增加新能源消纳潜力。

●原料脱碳实现近零碳化

生物质发电每发一千瓦时电,仅排放18克二氧化碳,且纯生物质作为发电燃料时与风、光一样,碳排放均按零排放计算。生物质与煤耦合混烧是可推广的一种方式,相比传统生物质发电效率更高,同时还能减少燃煤机组的燃料成本和二氧化碳排放总量。

无论是纯生物质燃烧还是生物质与燃煤耦合燃烧,都已在发达国家成为主流的生物质能发电技术。值得注意的是,当燃煤电厂转型成为纯生物质零煤电厂时,不仅在碳排放方面具有可再生能源的特质,也具备传统燃煤电厂的优点。

●碳捕集利用与封存实现负碳化

“化石电源+碳捕集利用与封存”可以保障电力系统在安全稳定运行下实现净零排放。碳捕集利用与封存技术能够捕捉火电厂生产过程中排放的二氧化碳,在减少碳排放的同时利用二氧化碳产生经济效益,是已知最主要的电源侧负碳技术。

我国碳捕集利用与封存项目起步较晚,各环节所需技术大部分还处在基础研究阶段。“化石电源+碳捕集利用与封存”模式的规模化应用面临高成本等挑战。截至今年10月,全国碳市场碳排放配额成交价格约在40~50元/吨之间,但上海某电厂碳捕集等示范项目处理二氧化碳的成本为500~1000元/吨。据生态环境部环境规划院测算,预计到2030年,碳捕集利用成本能下降至310~770元/吨;到2060年,成本有望进一步降至140~410元/吨。

随着碳捕集利用与封存等负碳技术逐渐成熟、成本不断下降,“化石电源+碳捕集利用与封存”模式可以实现规模化应用,填补风电、光伏发电等零碳电源的增量缺口,在碳中和后期发挥关键作用。

统筹安全、绿色、经济,进一步优化电源发展策略

“十四五”时期,应坚持清洁低碳是方向、能源保供是基础、能源安全是关键、能源独立是根本的基本原则,统筹安全、绿色、经济,进一步优化电源发展策略,助力碳达峰、碳中和目标实现。

推动常规化石电源性能改造,更好发挥压舱石作用。有力引导推动化石电源清洁化、灵活性改造,进一步深化“化石电源+碳捕集利用与封存”研究,实现化石电源清洁化利用。对于大受端电网,还需要进一步研究外来电和本地电之间的比例和关系、新能源发电和常规电源之间的比例和关系,保障电力安全可靠供应。

加强技术创新应用,更好地适应新能源发展。研究“双高”特征下的电网安全控制技术,进一步提高新能源发电机组涉网性能,加快光热发电技术推广应用;推进大容量高电压风电机组和光伏发电技术创新,加快大容量、高密度、高安全、低成本储能装置研发;推动氢能利用、碳捕集利用和封存等技术研发。

联合各方力量,优化碳达峰、碳中和目标实现路径。从能源安全和电力保供实际出发,在优化电源布局、推进碳达峰碳中和落地上主动引导、建言献策,全力争取政府、行业支持,呼吁各方共同参与研究。

  (作者单位:国网上海市电力公司企业智库)

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关键字:新型电力系统

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