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碳中和背景下的清潔能源消納問(wèn)題

中國(guó)電力企業(yè)管理發(fā)布時(shí)間:2021-04-09 10:21:10

聯(lián)合國(guó)環(huán)境規(guī)劃署(UNEP)于近日發(fā)布了一份題為《與自然和平相處》(Making Peace with Nature)的報(bào)告,指出地球正面臨著氣候變化、生物多樣性遭破壞及污染問(wèn)題三大危機(jī)。報(bào)告的主要作者表示,長(zhǎng)此以往“我們的后代將繼承一個(gè)充滿極端天氣事件的世界——這里海平面上升、動(dòng)植物大量滅絕、有著不安全的糧食和水,以及未來(lái)暴發(fā)流行病的可能性越來(lái)越大的世界?!苯陙?lái)有科研文獻(xiàn)報(bào)告,人類(lèi)制造的碳排放已是全球火山碳排放的100倍;在過(guò)去的10~12年中,人類(lèi)活動(dòng)造成的二氧化碳排放總量與造成地球第5次物種大滅絕時(shí)的總量相當(dāng),達(dá)到約400億噸。呼吁減少人為碳排放的聲音逐年高漲,碳減排日益成為全球氣候治理的最大公約數(shù),實(shí)現(xiàn)碳中和成為全球發(fā)展理念的又一次重大變革。

我國(guó)向世界宣布力爭(zhēng)2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰和2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和后,“中國(guó)30·60”目標(biāo)迅速在全球傳開(kāi),被國(guó)際社會(huì)認(rèn)為是自1992年聯(lián)合國(guó)達(dá)成《氣候變化框架公約》以來(lái),應(yīng)對(duì)氣候變化最重大的國(guó)家解決方案,將會(huì)給中國(guó)和全球帶來(lái)重要而深刻的積極影響,意義非凡。

碳中和目標(biāo)的提出,意味著我國(guó)能源轉(zhuǎn)型將邁出更加積極的步伐,清潔能源的發(fā)展將獲得更好的社會(huì)與市場(chǎng)動(dòng)力。有人說(shuō),清潔能源產(chǎn)業(yè)將迎來(lái)倍增的黃金時(shí)代,清潔能源產(chǎn)業(yè)要從目前的“小池塘”走向更加廣闊的“太平洋”。在預(yù)示著清潔能源將迎來(lái)更快發(fā)展之際,如何解決好未來(lái)的清潔能源消納問(wèn)題,成為業(yè)界許多人關(guān)心的焦點(diǎn)與熱點(diǎn)。在群策群力的研討中,筆者提出一些自己的認(rèn)知與思考。

避免用清潔能源發(fā)展的“躍進(jìn)式”

應(yīng)對(duì)碳中和進(jìn)程的“壓縮式”

世界銀行及英國(guó)石油公司(BP)等有關(guān)國(guó)際組織和能源機(jī)構(gòu)發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示,歐盟及有關(guān)經(jīng)合組織的國(guó)家和地區(qū),從碳達(dá)峰到碳中和,跨度時(shí)間長(zhǎng)達(dá)60年,而我國(guó)只有其一半的時(shí)間即30年,可謂是一個(gè)“壓縮式”進(jìn)程,而且我國(guó)在這段時(shí)間還同時(shí)迎來(lái)了能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型、能源體制改革、能源體系再造等許多需要“壓縮式”進(jìn)行和完成的大事。同時(shí),這些發(fā)達(dá)國(guó)家或后工業(yè)化國(guó)家,是在實(shí)現(xiàn)了能源消費(fèi)和碳排放“雙達(dá)峰、雙下降”的情景下奔向碳中和的,我國(guó)是在能源消費(fèi)和碳排放“雙上升”的情景中起步奔向碳中和,2019年我國(guó)能源碳排放量高達(dá)98億噸碳當(dāng)量,基數(shù)大、時(shí)間緊,難度遠(yuǎn)超其他國(guó)家。

我們有盡快實(shí)現(xiàn)碳中和的強(qiáng)烈愿望,因?yàn)槲覈?guó)不僅是世界上受碳排放損失最大的國(guó)家,2018年損失高達(dá)3676億美元(世界銀行數(shù)據(jù)),相當(dāng)于美國(guó)的2.1倍,占國(guó)民收入(GNI)的比重達(dá)到2.6%,明顯超出1.4%的世界平均水平,更重要的是我們有早日實(shí)現(xiàn)“美麗中國(guó)”的夢(mèng)想,有早日建成人類(lèi)環(huán)境共同體的理想。同時(shí),我們也有快速發(fā)展清潔能源以促使早日碳達(dá)峰的基礎(chǔ)和能力,我國(guó)有全球最龐大的風(fēng)、光發(fā)電設(shè)施制造和裝備力量,有建設(shè)和管理各種大型和超大型風(fēng)、光發(fā)電場(chǎng)站的實(shí)踐與經(jīng)驗(yàn)。但是,我們不能憑著自己的強(qiáng)烈愿望毫無(wú)顧忌地“躍進(jìn)式”發(fā)展風(fēng)、光發(fā)電清潔能源。

經(jīng)過(guò)多年的大力發(fā)展,我國(guó)風(fēng)、光發(fā)電清潔能源規(guī)模的增長(zhǎng)已經(jīng)不僅僅取決于自身的制造裝備能力、技術(shù)進(jìn)步水平、有關(guān)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)等,在一定程度上也取決于整個(gè)電力系統(tǒng)的重構(gòu)速度。我國(guó)現(xiàn)有的電力系統(tǒng)是在以化石能源為主的基礎(chǔ)上建立起來(lái)的,雖然消納清潔能源的規(guī)模和效率一直在不斷提升,但是始終不盡如人意。2020年,我國(guó)風(fēng)、光發(fā)電利用率有進(jìn)一步的提升,但是棄風(fēng)電量仍有166.1億千瓦時(shí),同比上升0.5個(gè)百分點(diǎn);棄光電量52.6億千瓦時(shí),與上年基本持平。而從2020年第四季度的情況看,全國(guó)棄風(fēng)電量49.7億千瓦時(shí),同比上升23.3%;棄光電量18.3億千瓦時(shí),同比上升38.6%。

清潔能源消納遇到問(wèn)題,許多人首先想到的是電網(wǎng),或認(rèn)為電網(wǎng)建設(shè)滯后,或認(rèn)為電網(wǎng)盡力不夠等。特別在電網(wǎng)公司是電力統(tǒng)購(gòu)統(tǒng)銷(xiāo)的主體時(shí),覺(jué)得電網(wǎng)公司承擔(dān)起清潔能源消納全部責(zé)任是理所當(dāng)然的。但是,最終消納清潔能源的是電力用戶,不是電網(wǎng),清潔能源的消納問(wèn)題本質(zhì)上是供需匹配問(wèn)題。所以,清潔能源的消納靠的是整個(gè)電力系統(tǒng),而不僅僅是電網(wǎng)。過(guò)去,在清潔能源上網(wǎng)電量還不是特別大的情況下,清潔能源的消納問(wèn)題在電網(wǎng)方面的協(xié)調(diào)下可以得到相應(yīng)解決,而當(dāng)清潔能源電量超出一定規(guī)模后,僅靠電網(wǎng)來(lái)協(xié)調(diào)解決問(wèn)題就非常困難。一般來(lái)說(shuō),當(dāng)風(fēng)、光發(fā)電量占到整個(gè)電力系統(tǒng)的40%以上時(shí),傳統(tǒng)電網(wǎng)的調(diào)節(jié)方式便難以為繼。截至2020年底,我國(guó)風(fēng)電、光伏并網(wǎng)裝機(jī)容量分別為2.8億千瓦、2.5億千瓦,合計(jì)占總裝機(jī)容量的比重約為24%,全年風(fēng)電、光伏累計(jì)發(fā)電量7270億千瓦時(shí),占全年總發(fā)電量的比重約9.8%;根據(jù)國(guó)網(wǎng)能源研究院發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示,2060年我國(guó)陸上風(fēng)電、光伏發(fā)電兩者裝機(jī)容量占比之和將達(dá)到約60%,兩者發(fā)電量占比之和將達(dá)到約45%,應(yīng)對(duì)如此高比例的風(fēng)、光清潔能源消納問(wèn)題,僅靠在現(xiàn)有的系統(tǒng)運(yùn)行模式上進(jìn)行修修補(bǔ)補(bǔ)是不行的。不僅需要電源、電網(wǎng)等在構(gòu)成形態(tài)上發(fā)生高質(zhì)量的轉(zhuǎn)變,更為關(guān)鍵的是電力系統(tǒng)要與時(shí)俱進(jìn)地進(jìn)行高質(zhì)量的轉(zhuǎn)型、重構(gòu)、再造。而這需要時(shí)間。

所以,我們不能憑著早日實(shí)現(xiàn)碳中和的強(qiáng)烈愿望,盲目地推動(dòng)風(fēng)、光等清潔能源大干快上。要防止出現(xiàn)激進(jìn)的、與電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型優(yōu)化發(fā)展不相適應(yīng)的清潔能源急速發(fā)展情況,避免出現(xiàn)相互攀比、只顧局部利益不顧大局、不講科學(xué)的急躁競(jìng)爭(zhēng)情形,從而避免出現(xiàn)清潔能源消納的相關(guān)問(wèn)題。實(shí)現(xiàn)碳中和,不是“百米沖刺跑”,而是一場(chǎng)長(zhǎng)達(dá)多年的“馬拉松”,不能操之過(guò)急。

當(dāng)然,在防范“速勝”思想以免導(dǎo)致欲速則不達(dá)的同時(shí),也要防止過(guò)分“穩(wěn)健”而導(dǎo)致后期出現(xiàn)被動(dòng)局面。今年是實(shí)現(xiàn)“中國(guó)30·60”目標(biāo)的開(kāi)局之年,相關(guān)方面應(yīng)該認(rèn)真謀劃、科學(xué)研判,制定好與碳中和進(jìn)程相適應(yīng)的清潔能源階段性發(fā)展規(guī)劃,使清潔能源實(shí)現(xiàn)速度與質(zhì)量的平衡發(fā)展。尤其是要確保到2030年風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電總裝機(jī)容量達(dá)到12億千瓦以上,這是確保我國(guó)如期實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰和碳中和的重要底線。

抓住碳中和背景下能源發(fā)展重點(diǎn)

克服清潔能源消納相關(guān)難點(diǎn)

國(guó)家統(tǒng)計(jì)局于2020年2月發(fā)布的《2019年國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》顯示,2019年末全國(guó)大陸城鎮(zhèn)常住人口8.48億人,常住人口城市化率從1990年的26.4%上升到了2019年的60.6%。預(yù)計(jì)到2035年,這一比例將達(dá)到70%以上。有關(guān)資料顯示,我國(guó)只占全國(guó)土地面積13%的百?gòu)?qiáng)城市,居住著全國(guó)50%以上的人口,創(chuàng)造了全國(guó)70%以上的GDP。作為第二、三產(chǎn)業(yè)重要的空間載體,我國(guó)城市的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出占比已經(jīng)超過(guò)90%,其能源電力占比逼近95%。有國(guó)際環(huán)保組織呼吁,全球城市約占地球陸地面積的3%,卻產(chǎn)生了全球72%的溫室氣體排放。所以,碳中和的重點(diǎn)在城市。

當(dāng)前中國(guó)的城鎮(zhèn)化正步入城市群都市圈時(shí)代。有關(guān)方面表示,預(yù)計(jì)到2030年,我國(guó)2億新增城鎮(zhèn)人口的80%左右將分布在19個(gè)城市群。以中心城市為引領(lǐng)的都市圈城市群,是當(dāng)前以及未來(lái)支撐我國(guó)經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展的主要平臺(tái)。城市的交通、基礎(chǔ)設(shè)施、第二和第三產(chǎn)業(yè)、信息和互聯(lián)網(wǎng)、居民生活等,需要大量的能源,尤其需要名副其實(shí)的清潔能源,是清潔能源具有廣闊前景的用武之地,是助力未來(lái)巨量清潔能源消納的“能源湖”。

能源技術(shù)在不斷進(jìn)步,能源技術(shù)進(jìn)步的核心是高效化、智慧化,從而要求未來(lái)能源體系的核心是電氣化。不論是城市能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型、能源系統(tǒng)重構(gòu)、能源體系升級(jí),還是城市能源網(wǎng)新建,主要發(fā)展方向是電氣化或再電氣化,電能在終端用能的比例將不斷上升。有關(guān)方面表示,目前我國(guó)的交通用能領(lǐng)域電氣化率只有約1%,2050年要上升到30%以上;目前建筑用能領(lǐng)域的電氣化率若在25%左右,2050年要提升至60%以上;目前工業(yè)用能的電氣化率約為30%,2050年要提高到70%以上。據(jù)有關(guān)方面研究測(cè)算,未來(lái)僅在交通、建筑、信息領(lǐng)域的電能替代所產(chǎn)生的電力需求,就相當(dāng)于新增一個(gè)電力系統(tǒng)。

按照工信部提出的2025年全國(guó)電動(dòng)車(chē)保有量3000萬(wàn)輛測(cè)算,屆時(shí)其年用電量將達(dá)到約500億千瓦時(shí)。如果運(yùn)用有關(guān)技術(shù)能夠使電動(dòng)汽車(chē)自有電池的電力與電網(wǎng)的電力實(shí)現(xiàn)交互利用,將可以大力增強(qiáng)電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)的靈活性,甚至可以重構(gòu)電力系統(tǒng)調(diào)峰儲(chǔ)能模式,進(jìn)而有力提升清潔能源消納占比水平。

隨著碳中和目標(biāo)的不斷推進(jìn),光伏發(fā)電將會(huì)在城市能源發(fā)展方面發(fā)揮重要作用。在光伏發(fā)電與儲(chǔ)能成本不斷下降的情景下,分布式光伏+儲(chǔ)能,將可以大量應(yīng)用于智慧建筑、智慧城市管理、信息數(shù)據(jù)處理、科研基地、工業(yè)園區(qū)、光伏車(chē)棚、光伏充電、光伏幕墻、移動(dòng)光伏電源、居民生活用電等許多方面。有關(guān)研究表示,在信息領(lǐng)域,2025年的5G基站總需求將會(huì)達(dá)到約600萬(wàn)個(gè),僅此一項(xiàng)的年用電力需求即達(dá)到1000億千瓦時(shí)。而數(shù)據(jù)中心的能源需求,2025年的用電量可達(dá)4000億千瓦時(shí)。

所以,我們要不斷提升城市能源體系建設(shè)理念,抓住城市能源體系變革、升級(jí)與發(fā)展的巨大機(jī)遇,做好清潔能源發(fā)展的科學(xué)布局,提升清潔能源的消納水平。要改變對(duì)于我國(guó)能源稟賦“缺油、少氣、多煤”的傳統(tǒng)理解,風(fēng)能、太陽(yáng)能等能源同樣是我國(guó)能源稟賦中的重要資源,在做能源規(guī)劃和建設(shè)布局時(shí)應(yīng)將所有能源類(lèi)型一視同仁加以科學(xué)考慮。破除過(guò)去依賴“西電東送”、“北煤南運(yùn)”等平衡能源供求思維,樹(shù)立起“外來(lái)能源與身邊能源相結(jié)合”、“集中式供電與分布式發(fā)電相結(jié)合”等新的能源平衡思想。通過(guò)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化等現(xiàn)代科學(xué)技術(shù),因地制宜地積極發(fā)展分布式能源、虛擬電廠、微型電網(wǎng)、綜合能源系統(tǒng)、智慧能源系統(tǒng)、風(fēng)光儲(chǔ)一體化、發(fā)供用一體化、海上陸面地下能源資源相結(jié)合等能源系統(tǒng),不斷創(chuàng)新能源利用模式、能源管理方式、能源發(fā)展形式,減少清潔能源長(zhǎng)距離輸送,提高清潔能源就地生產(chǎn)和消納水平,使用能負(fù)荷地的能源資源得到充分、有效、合理利用,使清潔能源的消納障礙最大程度地得到化解。

不斷提高清潔能源出力的可預(yù)測(cè)性

整體提升電力系統(tǒng)的靈活性

風(fēng)、光發(fā)電清潔能源之所以會(huì)遇到較大的消納問(wèn)題,其中一個(gè)重要原因是其發(fā)電出力具有較大的難以預(yù)測(cè)性。其出力曲線往往與負(fù)荷曲線不相匹配,有些情況下甚至是背道而馳。如果清潔能源的可預(yù)測(cè)性能夠達(dá)到傳統(tǒng)能源的可預(yù)測(cè)性水平,可以在很大程度上減少清潔能源消納的障礙。

我國(guó)目前風(fēng)、光發(fā)電清潔能源的預(yù)測(cè)水平,一般認(rèn)為日前預(yù)測(cè)精度小于40%,兩三個(gè)小時(shí)預(yù)測(cè)精度在80%左右,而國(guó)外較先進(jìn)的預(yù)測(cè)水平24小時(shí)準(zhǔn)確率達(dá)到90%以上,說(shuō)明我國(guó)風(fēng)、光發(fā)電清潔能源的出力預(yù)測(cè)水平尚有較大的提升空間。

我國(guó)目前的風(fēng)、光發(fā)電清潔能源,占比還相對(duì)較小,還屬于扶植照顧對(duì)象,出力的預(yù)測(cè)性差、波動(dòng)性大,對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生的一些問(wèn)題和困難,電網(wǎng)和傳統(tǒng)能源會(huì)盡力幫助解決,清潔能源可以在一定程度上“任任性”;將來(lái)清潔能源的占比要大幅提高,成為主體能源,一些傳統(tǒng)能源被擠走,不能再出力相幫了,清潔能源要承擔(dān)起主體責(zé)任,也無(wú)法再“任性”了。所以,提高出力的預(yù)測(cè)性,平衡好出力的波動(dòng)性,是風(fēng)、光發(fā)電清潔能源必須要跨越的鐵檻。

為了盡快適應(yīng)“中國(guó)30·60”目標(biāo)對(duì)清潔能源高占比要求,上述問(wèn)題的解決,時(shí)間上不宜拖延,速度上不能慢慢來(lái),而是應(yīng)盡快提上議事日程。

提高風(fēng)、光發(fā)電清潔能源出力的可預(yù)測(cè)性,除了要提高對(duì)風(fēng)速風(fēng)向、光照強(qiáng)度等天氣因素預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性、增強(qiáng)預(yù)測(cè)的持續(xù)性等,更重要的是要利用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)提升預(yù)測(cè)的科學(xué)化智慧化水平,創(chuàng)新預(yù)測(cè)手段和方式,并借助國(guó)外的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn),對(duì)標(biāo)先進(jìn)的實(shí)踐典范,開(kāi)拓性、創(chuàng)造性地開(kāi)展相關(guān)工作,持續(xù)性、強(qiáng)制性提高有關(guān)工作能力。從而使清潔能源的消納水平不斷獲得提升。

當(dāng)然,提升風(fēng)、光發(fā)電清潔能源的消納水平,增強(qiáng)電力系統(tǒng)應(yīng)對(duì)清潔能源擾動(dòng)的靈活性,也是一個(gè)非常重要的問(wèn)題。關(guān)于靈活性,不是新話題,業(yè)界已議多時(shí)。這里想提出的是,增強(qiáng)靈活性,不能只盯著煤電,而是要整體性提高電力系統(tǒng)的靈活性。

一是因?yàn)槊弘娭?,加入其他因素參與靈活性調(diào)節(jié),效果也同樣不錯(cuò)。有研究團(tuán)隊(duì)報(bào)告,讓氣電、儲(chǔ)能及需求響應(yīng)等多種資源參與系統(tǒng)調(diào)節(jié),棄風(fēng)電量可減少近40%,煤電啟停次數(shù)可下降近30%。二是推進(jìn)“源網(wǎng)荷儲(chǔ)一體化”、“風(fēng)光水火儲(chǔ)一體化”等也可以較好地增加系統(tǒng)調(diào)節(jié)的靈活性。三是煤電的靈活性改造技術(shù)、成本投入和環(huán)境影響等存在局限性。四是如果只是指望煤電來(lái)解決靈活性問(wèn)題,將會(huì)使煤電的減量化進(jìn)程大受影響,進(jìn)而影響碳達(dá)峰目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)進(jìn)程。

解決清潔能源的消納問(wèn)題,既不能僅僅依靠提升煤電的靈活性,也不能僅僅依靠電源側(cè)的靈活性改進(jìn),而是應(yīng)該多管齊下、綜合施策,電源側(cè)與需求側(cè)共同努力,源網(wǎng)荷與配送儲(chǔ)共同提升,數(shù)字化與智慧化攜手共進(jìn)。

當(dāng)然,解決清潔能源消納問(wèn)題的根本性辦法,是努力構(gòu)建適應(yīng)大規(guī)模高比例清潔能源發(fā)展的新型電力系統(tǒng)。當(dāng)前的電力系統(tǒng)是以傳統(tǒng)能源為基礎(chǔ)建立起來(lái)的,只有進(jìn)行整體性變革或重構(gòu),才能迎來(lái)適應(yīng)清潔能源大發(fā)展的嶄新局面。

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