新型電力系統中各種發電方式的現狀和研究方向

南京南瑞繼保電氣有限公司 程文君

在2020年9月的第75屆聯合國大會上，習近平主席為表示中國應對全球氣候變化的決心，首次提出了雙碳目標。在這個大背景下，各行各業都需要進行低碳轉型，而電力作為我國碳排放占比最大的行業，電力系統的低碳轉型備受關注。在2021年3月召開的中央財經委員會第九次會議上，電力行業明確提出了接下來四十年的發展方向，即：要構建清潔低碳安全高效的能源體系，控制化石能源總量，著力提高利用效能，實施可再生能源替代行動，深化電力體制改革，構建以新能源為主體的新型電力系統。

構建新型電力系統需要充分利用現有的電力系統，盡可能降低投資成本、還要同時保證建設過程中的用電安全。因此需要了解我國現有的各種發電方式，且對以后想要建成的新型電力系統有所規劃。我國現有各種發電方式的發電占比和新型電力系統下預期的發電占比[1]可見下表。

表1 各種發電方式在不同時期的發電占比

1 火電

由于可再生能源發電有嚴重受限于日照、季節、風力等自然氣象條件這個“不可控”的短板，因此作為我國電力穩定生產、供應和靈活性調節的“壓艙石”，在碳中和的前提下依然推薦保留一定規模的火電。針對火電不可避免的碳排放，后續需要解決以下兩個問題：使火電生產更高效、清潔、低碳、靈活；通過CCUS 技術移除火電產生的碳排放。

CCUS 技術是指碳捕獲、利用和封存技術，它可以移除火電產生的碳排放，從而使火電在以后的新型電力系統中依然保留。目前CCUS 商業化還存在能耗大、成本高等問題。因此后續還需研究低成本、低能耗的碳捕集技術，大規模碳排放的封存和轉化技術、與生物質耦合的負碳排放技術[2]。

2 水電

水力發電效率高，發電成本低，機組啟動快，調節容易，且是清潔能源，因此水電在電力系統中的地位將長期保持不變。但由于水電利用自然水流，受自然條件的影響較大。后續還需繼續推進高海拔高寒地區水電開發。同時基于新型電力系統中對儲能系統有極大的需求，因此還要研究如何將現有水電站改造為混合式抽水儲能電站。

3 核電

核燃料能量密度高、核電運營成本低，且是清潔能源，所以我國將逐步提升核電的發電占比，規劃由現在的5%提升至2060年的16%。在這個前提下，還需對核能電廠的放射性廢料的處理、熱污染處理、反應器事故預防和處理等方面進行深入的研究。

4 新能源發電

在雙碳目標下，我國將大力提升新能源發電的占比，規劃由現在的9.5%提升至2060年的61%。新能源發電主要指光伏發電和風電。由2020年中國風能太陽能資源年景公報中的數據可以得出，我國太陽能資源理論儲量達1.9萬億千瓦，而全國各省平均首年利用小時數應不低于1000小時。我國陸地70米高度風能技術可開發量超過50億千瓦[3]，而全國各省平均年利用小時數應不低于1500小時。同時由《中國能源大數據報告（2021）》中的數據可以看到，2020年全國電能消耗總量不到8萬億千瓦時[4]，因此只要充分開發利用，光伏發電和風能發電完全能在電力系統中占主體地位，從而構建成以新能源為主體的新型電力系統。

4.1 風電

風能蘊量巨大，在國家政策措施的推動下，我國的風電產業已經走過了粗放式的數量擴張階段，目前我國的風電產業增長持續穩定，更加注重于提高質量、降低度電成本。目前我國的風電產業主要是陸上集中式風電，海上風電及分散式風電也在陸續建設。而在雙碳目標前提下，風電后續發展應圍繞以下幾個方面：

我國很多經濟發達、用電緊張地區偏偏平均風速較低，隨著近幾年大葉片、高塔筒技術的提升，以后能實現風能分散化和就地消納的低風速風機發電技術將逐漸成為陸上風電發展的趨勢。

由于海上風電資源更為廣闊，且更緊鄰電力負荷中心，因此以后應著力發展海上風電，加快布局近海深水發電，并逐漸向遠洋風電發展。

隨著風電發展逐步趨向于分散化和海洋化，風電的智能化程度也急需提升。通信技術、信息技術、控制技術等可以被廣泛應用于風電，這些技術結合智能算法可以實現風電的智能化開發管理、診斷運維和并網控制。

另外還需繼續推進風電設備核心技術國產化，提高風機發電轉化效率，降低風電成本。

4.2 光伏發電

光伏發電是利用半導體界面的光生伏特效應而將太陽能直接轉變為電能，整個發電過程沒有燃料消耗，沒有任何排放，也沒有機械轉動部件。光伏發電系統構成簡單、投資少，且發電時間與用電高峰基本相符，不僅適用于發電側，也是目前為止最適用于用電側的發電系統，因此光伏發電是最具可持續發展理想特征的可再生能源發電技術。要想在以后實現大規模應用，在未來的電力系統中占主體地位，光伏發電還有以下問題需要考慮：

光伏發電是直接從光能到電能的能量轉換過程。根據熱力學分析，其最高理論發電效率可達80%以上。但現有的太陽能電池由硅制成，硅面板的制造成本比較高，且晶硅光伏組件的轉化效率現在最高為24%左右，后續突破空間有限。因此光伏發電急需研究新的太陽能電池材料，如鈣鈦礦等，以實現光伏發電更高的發電效率和更低的度電成本。

光伏發電能量密度低，占地面積大，為了克服這個不足，后續可以利用現有建筑物的屋頂和立面來構建光伏發電系統，持續進行光伏建筑一體化發電技術的研究。

光伏發電也急需向智能化發展，大型光伏電站中，可以通過智能控制算法來控制光伏組件支架角度，從而提高發電效率。光伏發電的智能化研究還包括不影響電站發電前提下的發電系統智能診斷、智能運維以及智能并網控制，從而達到提升效率、降低成本和有效支撐電網穩定運行的目標。

我國很多地區雖然太陽能資源豐富，非常適合大力發展光伏發電項目，但這些地區用電需求增長緩慢，太陽能電力消納困難，“棄光”問題嚴重。因此后續還需繼續進行光伏過剩產能轉化路徑的探索和研究，如光伏與農業一體化研究，光伏制氫等。

5 儲能系統

隨著新能源發電的發展，越來越多的風電和光伏發電需要接入電網，而風電、光伏發電嚴重受限于日照、季節、風力等自然氣象條件，具有不穩定性、間歇性的特點，隨著可再生能源發電占比的提升，可再生能源發電對電網的不穩定性影響將愈發嚴重，在這種前提下，急需通過充放電靈活的儲能系統來降低新能源發電在不同時間尺度的波動性、間歇性，從而實現消納、削峰填谷、為電力系統提供頻率和電壓支撐，改善電能質量等多重作用，從而大大提高電力系統的安全穩定水平。

目前常見的應用于電力系統的儲能技術有以下幾種。

5.1 抽水儲能

抽水儲能具有大規模能量吞吐能力，放電時間為小時級及以上，具有長時間尺度的電網調峰及電力平衡能力。當前國內外運營的儲能項目以抽水儲能為主要方式，但抽水儲能存在投資周期長、響應速度慢的問題。

5.2 壓縮空氣儲能

壓縮空氣儲能具有儲能效率高、使用壽命長、儲放容量大、投資成本較低等優點。但其需要大型儲氣裝置、一定的地質條件和依賴燃燒化石燃料。

5.3 飛輪儲能

飛輪儲能容量大、速度快，將其與風力發電相結合，可使風能的利用效率獲得大幅度提高，同時降低發電成本。但飛輪儲能能量密度不高，自放電率高，且維護費用也比較高。

5.4 蓄電池儲能

蓄電池儲能可靠性高、模塊化程度高。常用的儲能電池有鉛酸蓄電池，磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池。這三種電池在一些關鍵性能指標上的對比可見表2。儲能對電池的要求包括高安全、低成本、環保、高壽命。磷酸鐵鋰電池比三元鋰電池高溫更安全，循環壽命高，更便宜。而與鉛酸蓄電池相比，磷酸鐵鋰電池的充電次數高六七倍，能量密度也高三四倍，因此目前來看，磷酸鐵鋰蓄電池是蓄電池儲能的最優方案，但從長遠來看還需進一步提升電池性能及安全性，降低電池成本。需要加快全固態鋰電池技術的研發和應用，推進以鈉離子電池、金屬-空氣電池、多價離子電池等為代表的下一代新型電池技術研發[5]。

表2 電池關鍵性能指標對比

5.5 氫儲能

鋰電池的能量密度即使提升至極限值，可能也不到氫燃料電池的百分之一，因此從長遠來看，氫儲能或許能取代鋰電池，成為儲能系統的主力軍。但要想氫儲能取代鋰電池，后續還需研究如何降低制氫成本，如何提高氫氣儲運和燃料電池的安全性。

5.6 超級電容器儲能

超級電容器儲能充電時間短、高溫安全性高、使用壽命長，但其能量密度要比蓄電池儲能低，因此導致續航能力差，不過后續可以在材料上進行突破，以石墨烯材料為基礎的新型超級電容器是重點研究方向。

對于新型電力系統，隨著越來越多的新能源電力的接入，越來越多的儲能電站也隨之建成。近兩年來國內外儲能電站爆炸事故時有發生，儲能電站的安全問題愈加突顯。儲能電站的安全主要涉及火災安全、化學安全和機械安全等，針對不同的儲能形式，應該展開不同的研究，制定不同的安全風險應對措施。

6 結語

綜上所述，在雙碳目標約束下，要想建設以新能源為主體的新型電力系統，以后的研究方向還需圍繞以下幾個方面：深入研究CCUS 技術移除火電產生的碳排放；繼續推進高海拔高寒地區水電開發，并研究如何將現有水電站改造為混合式抽水儲能電站；多措并舉提升核電站和儲能電站的安全性；降低光伏發電和風能發電的度電成本，進而也可進一步降低綠氫制作成本，從而促進氫儲能技術的發展；積極展開新材料研究，包括鈣鈦礦太陽能電池、石墨烯超級電容、新型儲能電池材料等；進一步提升風電和光伏發電的智能化程度，既便于風電系統和光伏發電系統的智能化監測和運維，風電和光伏發電的智能并網算法也能有效減少對電網的沖擊，支撐電網的穩定運行。