碳中和背景下新能源與儲能技術的發展研究

喬亞鵬,李佳東,霍敏艷

(1.華能招標有限公司，北京 102200；2.西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710054；3.西安西熱水務環保有限公司，陜西 西安 710054)

1 引言

習近平總書記在75屆聯合國大會上宣布，我國二氧化碳的排放量要在2030年前達到峰值，在2060年要實現碳中和的目標。能源活動是我國二氧化碳排放的主要因素，其排放量的50%為雙碳的實現目標，在此碳中和背景之下，將新能源與儲能技術合理地運用到社會之中，可有效地保障能源和社會的健康發展，對此，我國應該推動能源供給的發展，進而在能源發展的過程中注重新能源和儲能技術的發展，確保能夠實現碳中和的發展目標和方向，也能夠推動社會的持續性發展建設，也為我國新能源大規模的發展奠定良好的基礎保障。

2 研究背景

在2006年我國頒布了可再生能源使用的相關法律法規，新能源的開發利用逐漸應用到各個行業中，根據相應的調查可知，在碳中和背景下新能源與儲能技術已有了新的發展，如新能源早在我國2006年的時候，就有關于新能源裝機的出現，20世紀初期的新能源瓦數一般為220萬千瓦，發展還不成熟，僅僅占據了全世界比例的3%，還需不斷改進。進入2020年，我國開始大力推行新能源，新能源的發展突飛猛進，據調查，2020年新能源裝機已經達到了5.3億千瓦，新能源系統已經占據了73%，在全球而言首屈一指。在新能源系統中開始出現很多組件，包括多晶硅、硅片等，在2020年占據市場平均率高達70%以上，在全球處于支配的地位。風電品牌在全球也占據前十五名的地位，其比例更超過了50%。為了實現碳中和，我國將在2030年實現非化石能源的消費比重占比到25%，并將其當作目標開發新能源的使用與消費。新能源的電力要占比總發電量到26%，也要建設新能源為主體的新型電力系統，進而保障我國新能源的開發與使用，也可推動我國社會經濟水平的持續增長。

3 新能源大規模發展存在的瓶頸

3.1 國土空間利用現狀和規劃體系難以支撐新能源大規模發展

眾所周知，我國西部地區的空間資源較為豐富，且該地區的資源較為廣闊化，對于當地的每個人而言，人均土地的面積比較大，但是國家西南部地區有的自然風光環境比較差，若想有效保護該地區的自然環境，新能源項目的開發極為重要。在本次研究中筆者將以我國西部地區為準，進而在西部地區開展新能源建設，尋找新能源發展與當地土地環境中兩者之間的平衡點，確保新能源順利開展與應用。而在我國中東北地區中，由于用電量的需求比較大，所產生的用電負荷增大，所以在發展新能源項目時，可以在我國中東部地區開發小型的新能源項目。且該地區適合發展分散式的接入新能源項目的建設工作，但是在建設過程中，又會對山體、林地產生一定的影響，在運營的過程中也會產生較大的噪音、光影，進而對周圍居民的正常生活以及生活質量產生嚴重的影響。另外，光伏發電占地面積較大，其單位的土地產值也較低，在經濟發達的地區政府部門都不愿意配合開發，浙江、福建等地區現今主要以生態修復工作為主，注重環境質量，為了保障生態環境的健康發展，應當在國家的支持下，合理利用國土空間，在客觀角度上限制了新能源的開發。

3.2 新能源發電的固有波動性帶來的消納困難問題及系統穩定性問題

根據我國新能源在發展中的現狀分析可知，新能源具有間歇性、波動性的特點，這些特點的產生與我國用電負荷的變化有直接關系，功率在預測的過程中無法準確地估算。在運行的過程中也缺乏完善的市場回報機制。我國電力負荷曲線尖峰化明顯，持續時間不超出48h，以上的問題都會導致電力實時難以平衡，這不僅會嚴重影響社會與企業用電，還會導致新能源消納受到影響，也是當前急需解決的新能源發電不穩定的問題。

現今我國新能源大規模發展建設，電力系統的可再生高比例能源、高比例電子設備的特點極為明顯。從電氣特征進行分析，電力系統的等值轉動慣量明顯降低，系統的抗擾動能力也明顯減弱。從故障的角度進行分析，故障從局部逐漸影響全局進而形成連鎖反應產生沖擊，新的故障形式、擾動形式已經產生。從穩定的特點進行分析，系統的穩定性也逐漸復雜，系統也會頻繁發生無功不足、電壓不穩等問題。對此，相關的政府部門立足于碳中和背景下促進國家環保綠色發展的角度，制定出有效的新能源發電對策，有效地發展儲能技術，使得新能源有效地發揮出對于社會經濟的促進價值，使得國家有效地實現碳中和能源健康發展的發展目標。

3.3 新能源發電設備及技術快速更新迭代，國內企業技術研發實力不足

在新時代的發展下，國家新能源的發展規模隨著發展逐漸擴大，尤其是近十五年的時間里，國家新能源發電設備技術迭代更新。在其迅速發展下，新能源發電設備的效率也逐漸凸顯出來。而在國家新能源發電設備中，光伏領域中的技術也是屈指可數的，我國的光伏領域技術中不斷地引進先進理念，從光伏技術到生產線均已迭代更新，得到了較好的發展。據相關的統計表明，我國的光伏技術已多次刷新了全球晶硅電池轉化效率，國家在新能源發電上的技術已經達到了國際化的水平。

在碳中和發展的背景下進行分析可知，目前國家在新能源的發展上雖然取得了成就，但是仍然存在著很多不足之處，需要日后進行改進，逐漸完善研發方面，才能有助于推動國家新能源技術行業的發展，使其達到可持續發展的標準。針對我國新能源發電設備以及技術的更新看，國內一些企業的技術研發實力不足的因素主要包括如下幾個方面：①國家在高校教育領域內，碳中和下新能源技術的發展仍然會處于理論階段，國內所研究的路線脫離了我國的實際需求，多以國外熱點為主，忽視了原創技術；②在產品研發上，我國的專利技術并不多，一些關鍵技術由國外事先注冊了專利，從而我國失去了技術產權的保護。可見，在新能源發展過程中，執行體系存在問題，導致了技術以及我國研發新能源的人才流失嚴重化，不利于企業的發展與建設。根據相關數據可知，2020年新能源企業的研發投入比例只占3%，在新能源大規模發展的背景下企業要優先搶占市場份額，并推動新能源產業規模的持續性發展與建設，但其能源的轉換效率提升較慢，影響新能源以及企業的發展建設。

3.4 新能源發電系統性綜合成本進一步增加

2020年，國家召開了第75屆聯合國大會，在大會中提出了有關于碳中和的發展，我國在碳中和方面2030年要實現碳達峰，2060年則要實現碳中和，也就是說力求實現二氧化碳的零排放的目標。其中大力發展新能源對碳排放量有顯著性效果，新能源產品的上市可以有效降低二氧化碳的排放量。但是對新能源發展的現狀做出分析可知，在新能源的大力發展背景下，無論是對國家土地，還是對所投資的成本費用、技術成本、項目開發費用等，這些綜合費用成本呈逐漸上升的趨勢。究其原因是在新能源建設上，對電的需求量比較高，對系統調節運行的要求也就越高，所以應當擴大規模，加大投資建設的力度，從而新能源發電系統性綜合成本大幅度增加。

4 新能源發展趨勢判斷

4.1 優化布局，促進規模化發展

近年來隨著一些能源企業的不斷發展，在能源領域中碳排放量有所增加，并且碳排放量的占比特別高，從而在二氧化碳等室溫氣體排放量加劇的情況下，加劇了對空氣的污染。而在新時期發展下，則提出了新能源發電的探討，且從目前新能源發電的幾種大規模利用以及生產消納的平衡發展趨勢可見，三北地區的風光資源儲量較為豐富，適合大規模的開發與建設，對此，在開發建設的過程中要進行統一的規劃、建設以及運營，進而充分發揮出規模效應，也能夠有效地分攤開發、建設以及運營成本，更能夠降低電力價格，有效地滿足企業與社會對于電力的安全運用需求，促進社會生活與經濟的健康發展。在國家大力推進新能源發電技術以及先進特高壓電網技術下，“十四五”時期又著重強調了特高電壓外輸電通道的傳輸以及效率的研發工作，目的是確保電力輸出的傳輸效率。可以采取“風電+”“光伏+”等開發模式，也可以在荒山丘陵、公路鐵路、邊坡等空間資源的土地進行建設。在建設以及開發的過程中建立大數據中心的信息產業，更利于推動與其融合的建設發展。

西南地區主要以河流為主，可以利用各大河流進行水電調節。對外送通道輸送能力進行開發以及提升，通過優化布局的方式促進規模化發展。在優化的過程中，需要先對周邊的資源進行勘查，合理化利用周邊的資源，建設綜合基地，確保新能源市場的發展建設。同時，還可以降低風電的成本費用問題。在“十四五”時期也難以實現平價。在風能資源建設的過程中可以結合沿海城市的經濟發展水平確定發展規模和補貼方法。海上風電的發展規律主要以海上項目為主，主要穩步推進離海岸線較遠的項目建設，也便于研究深海一體化漂浮式風電技術。

4.2 發展儲能，促進高比例消納

可再生能源的發展下，在電力系統中出現了很多短板的問題，這些短板問題制約了大規模發展可再生能源的發展，而若想實現碳中和，促進可再生資源的發展，需要積極響應國家對發展儲能的要求，才能實現可再生資源發展。在2020年年末時，我國在儲能上的容量達到了290千瓦，但非水可再生能源的比例逐漸提高，電力系統的能源儲能需要逐漸提升。根據數據比例進行分析，要想滿足電力系統的調節要求，則需要不斷地改進，定位目標在2030年時儲備抽水蓄能裝備機的容量達到1.4億千瓦為宜，2060年要達到1.7億千瓦。從抽水蓄能的角度進行分析，我國抽水蓄能站的資源較為有限。要想實現新能源高比例的消納目標，就要對儲能進行調節與規劃。抽水儲能電站也應該進行資源調查，明確其建設規模的同時制定好發展布局，推動大型抽水蓄能電站的建設與發展，也能夠加快新項目的建設和新能源的發展。在電化學的新型儲能，要推動電源側、電網側等建設，更要合理安排布局，也要重點對儲能技術進行研究，提高電池制造水平的同時還要提高電池的容量和密度，更要降低其成本、控制使用安全、延長使用壽命。

4.3 新能源領域創新研發力度持續增強

新能源領域的創新研發需要大量的資金支持，更需要關鍵的設備對其技術進行研發。現今具備的研發評價體系應該借助美國、德國等經驗建立可再生能源的實驗室，并以此為紐帶創新研發資源，確保前沿技術的研發與創新。另外，也可以征求業界的建議和意見，能夠在發展中制定長期技術發展以及創新的目標，對國家新能源開發與技術研究創立專項，并調動全產業鏈的技術進行創新。國家也要完善知識產權的法律法規，建立更為全面的執行體系，進而激發企業技術創新的積極性，推動產業的升級和新能源大規模的發展建設。

4.4 破除體制障礙，建立市場決定電價的機制

國家在碳中和背景下發展新能源，需要推翻原有的資源稟賦依舊不均衡的問題，在發展中需要打破一些制度的束縛，加強新能源發展的精準性。需要更多靈活性資源。目的是為電力系統的安全穩定高效運行提供有利的支撐。從目前的電力市場品種進行分析，目前市場上電力品種資源豐富化，這些電力品種按照長短等進行分解后，需要實現現貨交易，進而才能夠實現連續交易，對此，要破除體制的障礙，企業需要不斷完善價格的交易機制，建立市場決定電價的機制，確保市場具有競爭性，對儲能大規模的發展提供了有力的保障。在推動市場發展的基礎上，還需要擴大市場的交易范圍，這樣才能夠打破省級之間的壁壘，也能夠建立綠色的市場化交易平臺，通過價格機制的確定體現新能源的綠色低碳屬性，也能夠推動我國碳中和的發展和目標的實現。

5 結語

在“十三五”時期，我國新能源的發展成效較為顯著，新能源已經從備用能源逐漸轉變為助力能源，其階段是新能源的重要發展階段，但在新能源的發展階段中我國也面臨了國土空間、系統成本、技術創新等方面的問題。“十四五”時期，新能源的布局推動了其大規模的發展和建設，對此，要持續增加其研發的力度，進而為碳中和目標的實現奠定良好的基礎保障。