快訊 來源：中國電力企業(yè)管理 2023-06-30 09:00:26
黨的二十大報告提出，積極穩(wěn)妥推進碳達峰碳中和，深入推進能源革命，加快規(guī)劃建設新型能源體系，并特別強調要確保能源資源重要產業(yè)鏈、供應鏈的安全。目前，我國已建成世界上規(guī)模最大的電網，但化石能源仍占我國能源結構主體地位，能源轉型窗口期短、任務重、技術挑戰(zhàn)大。
我國能源發(fā)展現(xiàn)狀
(資料圖片僅供參考)
當前，我國能源總體呈現(xiàn)以下幾個特點：化石能源仍占主體地位，二氧化碳排放總量大，風電、光伏增長迅猛，水電、核電穩(wěn)步增長，建成世界上規(guī)模最大的電網，油氣“全國一張網”格局初步形成，儲能規(guī)模和占比不斷上升，氫能產量居世界首位，消費端產業(yè)結構偏重工業(yè)，節(jié)能降耗難度高。
近年來，我國對化石能源的清潔替代速度較快，但依然要清醒認識到，化石能源仍是消費的主體能源。據(jù)國家統(tǒng)計局數(shù)據(jù)，2021年我國煤炭消費29.3億噸標準煤，占能源消費總量56%，占世界煤炭消費總量53.8% ；2021年，我國原油消費總量6.8億噸，占能源消費總量18.5%，對外依存度高達72%；2021年，我國天然氣消費總量3690億立方米，占能源消費總量8.9%，對外依存度44.3%。
據(jù)《中國電力發(fā)展展望2022》（簡稱電力展望報告）發(fā)布數(shù)據(jù)，我國碳排放總量大，比美國、歐盟、印度碳排放量的總和還高——2021年我國二氧化碳排放總量超過108億噸，約占全球排放總量的32%；全球碳排放86.9%來自能源系統(tǒng)，而能源系統(tǒng)碳排放中83%來自化石能源，我國發(fā)電行業(yè)碳排放占其中的44%。以上數(shù)據(jù)充分說明要抓住主要矛盾，而如何實現(xiàn)能源電力系統(tǒng)的清潔化就是這個主要矛盾。
新能源發(fā)展方面，我國風電、光伏增長迅猛，均為全球裝機第一。電力展望報告數(shù)據(jù)顯示，截至2021年，我國累計并網風電裝機約3.3億千瓦，占總裝機13.8%，發(fā)電量6526億千瓦時，占比4.8%；截至2021年，我國累計光伏裝機約3.1億千瓦，占總裝機12.9%，發(fā)電量3259億千瓦時，占比2.4%。與英國、德國等新能源發(fā)電占比高達40%以上的國家相比，我國雖然進步快、空間大，但新能源發(fā)電占比相對值還比較低。
水電和核電發(fā)展方面，電力展望報告統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，我國常規(guī)水電技術可開發(fā)量6.9億千瓦，經濟可開發(fā)量約4億千瓦；2021年常規(guī)水電裝機容量達到3.5億千瓦，約占我國總裝機14.9%，發(fā)電量為9507億千瓦時，占總發(fā)電量7%；2021年我國核電總裝機容量0.53億千瓦，約占我國總裝機2.2%，發(fā)電量4071億千瓦時，占總發(fā)電量3%，平均利用小時數(shù)達7802小時。目前，隨著轉型成本的提高，水電可開發(fā)量有望實現(xiàn)更大突破。除檢修時間外，核電基本實現(xiàn)了“多發(fā)滿發(fā)”。
電網方面，據(jù)電力展望報告，從2010到2021年，我國電網規(guī)模增長近一倍，是目前世界上規(guī)模最大的電網（220千伏及以上輸電線路84.3萬千米，變電設備容量約50億千伏安）；截至2021年底，我國“西電東送”規(guī)模約2.9億千瓦，占總裝機量12.2%；2021年，全國省間交易電量約14844億千瓦時，占總用電量17.9%。
儲能方面，2021年我國儲能累計裝機約4600萬千瓦，占全球總量的22%。其中抽水蓄能裝機容量為3639萬千瓦，占電力總裝機的1.5%；2021年我國電化學儲能在總儲能中占比12.5%，但我國鋰礦和鈷礦資源僅占全球6%和1%，從資源上難以支撐未來電化學儲能大規(guī)模發(fā)展需求。對于目前流行的“新能源標配儲能”模式，電化學儲能的主要發(fā)力點在于負荷側，源側應僅作為輔助。需要特別強調的是，鋰礦資源是有限的，不應把轉型變成另一種約束。電化學儲能未來何去何從尚未有定論，但對于物理儲能、壓縮式儲能，尤其是壓縮空氣儲能等其他新型儲能方式，要大力支持、加快發(fā)展。
氫能方面，我國氫能產量居世界首位，但以灰氫為主，綠氫還有待發(fā)展。據(jù)中國能源大數(shù)據(jù)報告(2022)，2021年我國氫能產量達3300萬噸，居世界首位，其中煤制氫和天然氣制氫占比近八成；2030年氫能在終端能源消費中占比達5%，2050年可達10%；2050年，燃料電池發(fā)電裝機量將達到5.28億千瓦，占總發(fā)電裝機8.5%。氫能發(fā)展的關鍵問題在于核心技術沒有取得突破，盡管有巨大的市場空間，但還是要靠核心技術創(chuàng)新降低成本。未來，跨周跨季節(jié)長時儲能主要靠氫能。氫燃料電池方面，還有技術瓶頸需要克服，理論上效率可以達到80%，但關鍵在于產量能否上去。
能源消費方面，我國城鎮(zhèn)聚集了63.89%的人口，能源消費總量占比達85%，產生75%碳排放；2020年生產了全球57%鋼鐵、57%鋁、58%水泥和32.5%汽車，我國單位GDP能耗約為經合組織國家3倍、世界平均水平1.5倍；2020年，我國工業(yè)終端用能折合為18.3億噸標煤，占總能耗38%（同一數(shù)據(jù)美國<20%、日本<30%）。近年來，我國也開展了產業(yè)調整工作，包括在全球鋼鐵、鋁產能占比有所下降，但絕對值并沒有下降，這涉及產業(yè)結構、人員就業(yè)等一系列復雜問題。因此，將來的重點還是要實現(xiàn)清潔能源替代。綜上所述，我國工業(yè)結構偏重、轉型難度大，呼吁工業(yè)領域要大力推進“以電代煤、以氫代煤”。
能源轉型路徑
總體而言，世界能源轉型呈現(xiàn)出一條較為清晰的轉型路徑——“煤炭-石油天然氣-可再生能源”。我國目前仍處在以煤炭為主導的第一階段，由煤炭最終向可再生能源轉變，需要借助一定必要的石油天然氣，這是不可逾越的發(fā)展規(guī)律，但我國也不可能轉到以石油天然氣為主導的第二階段。當前，歐美西方國家都是以石油天然氣為主導，所以他們也正經歷著痛苦的轉型過程。
以美國為例，為了實現(xiàn)能源獨立——2005年美國頁巖油氣革命成功，目前能源對外依存度低于4%。而且頁巖氣還是一種清潔能源，因此美國的能源獨立也在一定程度上影響其軍事布局和對中東策略。
歐盟的低碳發(fā)展走在了全世界的前列——推進“去煤化”，發(fā)展可再生能源，2020年非化石能源占比28.8%。俄烏沖突，包括最近俄羅斯三個核電站的關閉，對歐盟整體能源轉型節(jié)奏也沒有造成太大的影響。即便去年寒冬出現(xiàn)天然氣極端高價引發(fā)一定的能源危機，大方向也是支持能源轉型的，這一方向從未改變。
而日本則以節(jié)能作為優(yōu)先事項——2020年日本能源對外依存度96%，其單位GDP能耗僅為世界平均水平的54%。
我國能源轉型的總體思路是構建清潔、低碳、安全、高效的現(xiàn)代能源體系：能源生產加速向清潔低碳轉型，能源消費方式更加靈活多樣，能源傳輸系統(tǒng)根本性變革重塑。
能源生產方面，要實現(xiàn)可再生能源發(fā)電規(guī)模與占比快速提升，化石能源消耗逐步降低并實現(xiàn)清潔轉型。此外，在加快構建新型能源體系過程中，多能廣域時空協(xié)調互濟需求日益凸顯?？傊?，實現(xiàn)煤炭的清潔化利用是關鍵。
能源消費方面，終端負荷不確定性顯著增強，能源消費方式與模式日趨多元化，能源與數(shù)字深度融合。
能源傳輸方面將發(fā)生根本性變革重塑，能源平衡范圍增大、平衡方式復雜化，新型電力系統(tǒng)同步穩(wěn)定機制改變，電、氫、氣多能流緊密耦合，交直流電網拓撲嵌合方式復雜化，能源系統(tǒng)結構發(fā)生根本性改變，電力系統(tǒng)電力電子化程度進一步提升。
能源轉型路上，需要切實推進以下六項關鍵工作：
一是快速開發(fā)和提升風光資源占比。目前，我國風光裝機全球第一、但發(fā)電量占比不夠，在英國、德國，新能源已經是第一大電量主體。我國風光裝機預計到2030年將超過火電，占比約39%，成為第一大裝機主體，2045年占比超50%。風光發(fā)電量到2040年后超過火電，占比超33%，成為第一大電量主體，2055年占比約50%。在風光占比快速提升的推動下，預計非化石能源裝機和電量到2030年占比約63%和46%，2060占比約91%和94%。按此測算倒推，我國風光發(fā)電2030年總裝機容量將要遠超過12億千瓦的原定目標。
二是穩(wěn)步推進電源結構轉型。我國火電2030年裝機容量達峰，約15.8億千瓦，其中煤電2030年裝機容量達到峰值，約13.7億千瓦，之后將快速下降，氣電2040年裝機容量將達到峰值，約3億千瓦并趨于穩(wěn)定。常規(guī)水電的經濟可開發(fā)資源將在2030年之前開發(fā)完畢，總裝機容量約5億千瓦。積極穩(wěn)妥發(fā)展核電，預計2050年裝機容量達峰，約2.3億千瓦，若考慮內陸核電則2060年可增至4億千瓦以上。筆者此前在中廣核調研時了解到，中廣核已長達6年沒有新項目獲批，如果類比電網或其他發(fā)電企業(yè)，6年沒有新項目企業(yè)可能將面臨淘汰、倒閉。核電發(fā)展速度遠未達預期，行業(yè)從業(yè)者急切希望提高或者穩(wěn)定發(fā)展預期，從而保障核電設備國產化進程和產業(yè)鏈上下游的生存與發(fā)展。
三是加強油氣增儲上產。深地、深水、非常規(guī)油氣是我國油氣的戰(zhàn)略接替資源，可采量大于89億噸（常規(guī)油氣3倍）。2035年，我國非常規(guī)石油產量將超過5000萬噸，約占全國石油總產量25%；非常規(guī)天然氣產量可達到1300億立方米，約占全國天然氣總產量50%。煤制油氣是保障國家安全的戰(zhàn)略性技術，煤制油氣產品的經濟化、規(guī)?；?、多元化是重要發(fā)展方向。
四是提高大規(guī)模遠距離輸電和電網柔性互濟能力。東中部2060年用電需求約達9.4萬億千瓦時，跨區(qū)輸電在2030年和2060年分別約2.7萬億千瓦時和6萬億千瓦時，跨區(qū)輸電規(guī)模將擴大4倍以上；“西電東送”在相當長時間內仍將存在。未來跨省跨區(qū)電力流將逐漸增大，潮流由單向變?yōu)殡p向，柔性調節(jié)能力增大，以充分發(fā)揮電網的間接儲能作用。目前，我國大規(guī)模遠距離輸電主要是“西電東送”，而西南水電在高溫下的反向送電、雙向潮流等互濟工作還存在不足。電網跨區(qū)、跨省、“西電東送”的聯(lián)絡線發(fā)展不平衡問題也較為突出。也正是由于跨區(qū)調劑互濟能力不足，我國在電源裝機規(guī)模已經如此之大的基礎上還需要不停地開發(fā)新電源。柔性互濟能力是未來加強電網結構的重要發(fā)展方向。
五是構建以電為中心的終端能源消費格局。2060年社會用電量增至15.7萬億千瓦時，電能在終端用能占比將從目前27%提高到2060年接近70%。隨著電能替代進度加速，交通、鍋爐、制冷等領域原來大量使用的煤炭、油氣等能源，將逐步由綠色的電能所替代。
六是加強多種能源互聯(lián)互通。加強“西氣東輸”“南氣北上”“東北入關”等油氣管網建設，構建天然氣“全國一張網”，消除輸氣瓶頸、強化資源靈活調配和互供互保能力，提高設施資產利用效率。實現(xiàn)西部能源基地、東部海上電能、天然氣、氫氣、液態(tài)儲氫載體（液氨、甲醇）等多種介質融合輸送和能源互聯(lián)互通，以及超臨界/密相二氧化碳管道輸送，提高系統(tǒng)整體效率。
能源轉型面臨的挑戰(zhàn)
能源轉型路上，還存在諸多挑戰(zhàn)和瓶頸需要突破：
第一，如何發(fā)揮煤炭的兜底保障作用？我國富煤、少油、貧氣的基本國情，決定著我國不可能走歐美能源轉型之路，必須充分發(fā)揮煤炭在能源轉型全過程兜底保障的作用。新型電力系統(tǒng)背景下，要“讓煤電逼近氣電特性”，2060年7億千瓦的燃煤發(fā)電需要從兜底保供向靈活調節(jié)電源轉變，必須提升機組的調節(jié)幅度和調節(jié)速率。我國原有燃煤機組普遍為額定負荷50%~100%設計，變負荷速率僅為2%/分鐘，與國際領先水平還有較大差距。
第二，如何開發(fā)油氣這一戰(zhàn)略接替資源？我國要保障2億噸原油產量“紅線”，非常規(guī)油氣是上產增收的主力軍。美國在上世紀50年代就開始布局非常規(guī)油氣理論創(chuàng)新和技術研發(fā)，助力實現(xiàn)能源獨立。我國非常規(guī)油氣地質研究起步較晚，旋轉導向和隨鉆測量、致密氣分層壓裂、“甜點區(qū)”綜合地質預測等技術與國外差距較大，核心裝備尚需進口。
第三，如何降低二氧化碳捕集與封存成本？美國在25年前就開始布局碳捕集與封存技術。二氧化碳捕集成本占CCUS全鏈條成本的70~75%，降低其成本至關重要。我國碳捕集材料、關鍵設備、系統(tǒng)優(yōu)化與國外差距較大，導致機組發(fā)電凈效率大幅下降。陸地封存方面，我國在勘探選址、運移模擬技術等方面與國外存在較大差距；海洋封存方面，深海海水中二氧化碳水合物固化與監(jiān)測技術尚屬空白。到2060年，我國有10~15億噸二氧化碳無法削減，保障基礎負荷的火電必然產生一定的碳排放，因此CCUS是唯一出路。目前，我國在這一領域進行了一些探索，但科技研發(fā)和投入還遠遠不夠。
第四，如何提升風光發(fā)電效率、降低發(fā)電成本？目前，硅基電池占有90%以上市場份額，已達效率瓶頸；新型光伏發(fā)電技術成熟度低、產業(yè)化進程較慢，鈣鈦礦光伏電池尚存在大面積組件制備效率低、衰減快等問題。我國風電技術與國外相比差距較大，6兆瓦以上風電機組核心零部件國產化率較低，其中軸承國產化率僅為16%，偏航和變槳軸承尚處于研制階段，齒輪箱軸承和發(fā)電機軸承國產化率分別為0.58%和0.2%。
第五，如何適度加快核電發(fā)展？我國是少數(shù)擁有完整核燃料循環(huán)和核工業(yè)體系的國家之一，但與國外發(fā)達國家相比仍存在一定差距，例如閉式核燃料循環(huán)一體化處理技術受制于人，需要加快突破第三代核電及下一代先進核能技術；反應堆研發(fā)手段、堆芯及安全性系統(tǒng)設計能力還存在明顯短板；核燃料增殖、耐強輻照材料、防護與核應急等核心關鍵技術不能自主可控；先進快堆、高溫氣冷堆、小堆等技術尚需探索。
第六，如何構建新型電網形態(tài)、開發(fā)先進輸電技術？因缺少氣電等靈活電源，我國對新型電力系統(tǒng)形態(tài)及其發(fā)展路徑的探索更加迫切；變革電源并網方式、電網拓撲結構和調節(jié)能力，構建新型電力系統(tǒng)，這是國際空白、世界性難題。先進輸電技術不僅要滿足新能源靈活高效送出，同時還具有主動支撐、故障快速隔離等能力。與之相關的高壓電力電子器件、高端的電介質材料、電工絕緣材料、電工磁性材料及元件、新型絕緣氣體、高性能電氣功能材料等基本上都屬于“卡脖子”問題。
第七，如何發(fā)掘多元靈活調節(jié)電源？目前，我國靈活調節(jié)電源以氣電、抽水蓄能為主，預計2030年抽水蓄能裝機將超過1.2億千瓦（目前0.32億千瓦），2060年可能超過6億千瓦，成為重要的靈活調節(jié)電源之一。未來，靈活煤電、氣電、新型儲能（含氫能）將得到快速發(fā)展，占比快速提升（約30億千瓦），為可再生能源消納提供強有力的支撐。
第八，如何打造氫能技術體系？制氫、輸氫及燃料電池發(fā)電體系與國外差距大，整體落后10年左右時間。亟需突破電解水制氫用多孔隔膜微觀結構及性質調控機理，高穩(wěn)定性催化劑結構設計方法，燃料電池催化劑電位循環(huán)的電化學衰退機理和優(yōu)化設計方法。亟需實現(xiàn)氫能、儲能的催化劑、電極等關鍵材料的開發(fā)，實現(xiàn)規(guī)?；G氫制備和電力存儲，滿足新型電力系統(tǒng)削峰填谷、消納可再生能源的需要。
第九，如何更好地發(fā)揮需求側管理價值？供需互動方面：2030年，在無序充電情景下，國家電網峰值負荷將增加1.53億千瓦，相當于區(qū)域峰值負荷13.1%，我國缺乏規(guī)?；嚲W互動、調控與需求響應優(yōu)化的整體解決方案。信息交互方面，海量多元用戶與電網雙向信息交互不足，靈活資源利用水平低，分布式能源消納受限；數(shù)字孿生、人工智能算法等與國外差距大，電力專用芯片、元器件等“卡脖子”問題和短板技術仍然需長期攻關。電力市場方面，跨省跨區(qū)備用、調頻、儲能、峰谷差、火電調峰等電價形成機制均有待完善。
能源轉型重點技術方向
能源轉型路上，需要加強下面幾個重點技術方向的攻關、探索和成果轉化等工作：
一是化石能源高效開發(fā)與清潔利用技術。開發(fā)煤炭高效燃燒和靈活調峰、煤炭與綠氫耦合轉化制油氣、非常規(guī)和深地油氣勘探開發(fā)、低成本二氧化碳捕集封存等關鍵技術，為保障我國能源安全和實現(xiàn)“雙碳”目標提供技術支撐。
二是大規(guī)模清潔能源開發(fā)技術。開發(fā)變革性光伏發(fā)電、深遠海大容量風力發(fā)電機組、先進核能技術、清潔能源廣域時空互補等關鍵技術，支撐清潔能源的大規(guī)模開發(fā)和高效互補利用。
三是多能流柔性傳輸與安全運行技術。開發(fā)新型電力系統(tǒng)形態(tài)構建、先進輸電技術與裝備、源傳輸系統(tǒng)安全防御、油氣氫電多能流轉換和柔性傳輸?shù)汝P鍵技術，大幅提升系統(tǒng)柔性傳輸和資源靈活調配能力，實現(xiàn)大規(guī)模新能源安全可靠消納，保障能源傳輸安全。
四是多能融合與能效提升技術。開發(fā)多元用戶大規(guī)模供需互動、多能源協(xié)同高效利用、能源系統(tǒng)數(shù)字化賦能、工業(yè)流程再造節(jié)能減排等關鍵技術，實現(xiàn)源網荷儲之間的協(xié)調互動，同時大幅度提升終端能效水平。
能源轉型過程中，無論是現(xiàn)有技術的升級替代，還是新型、變革性技術的研發(fā)，都面臨一系列重大挑戰(zhàn)。開展碳達峰、碳中和行動，要打造國家戰(zhàn)略科技力量，集中優(yōu)勢資源開展有組織攻關，支撐構建清潔低碳安全高效的新型能源體系。
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