高比例可再生能源“两点论”

高比例可再生能源“两点论”——访中国工程院院士余贻鑫

高比例可再生能源新时代

《能源评论》：党的十九大报告提出，要加快生态文明体制改革，建设美丽中国，您认为，能源电力行业，如何在能源革命进程中落实这一号召？

余贻鑫：建设美丽中国、推进能源革命，需要高比例可再生风能和太阳能发电。习近平主席2015年在巴黎气候大会上宣布，2030年中国单位GDP二氧化碳排放要比2005年下降60%~65%。根据国家发改委能源研究所、美国劳伦斯伯克利国家实验室、落基山研究所、能源基金会等机构的研究(《重塑能源：中国》)，预计：2050年我国电力占整个终端能源消费的比例将提高到41%以上，2050年电能的总发电量约10.8万亿kWh(基于能源利用效率大幅度提升的假设)；2050年煤电在我国电能构成中的占比将降低至12.4%；可再生能源发电量占比将达到68%以上，非化石能源发电量达到82%，其中风电和太阳能发电量的比例达到47.3%以上(风电为24.7%，太阳能发电为22.6%)。

《能源评论》：对于我国可再生能源资源的家底，您怎么看？

余贻鑫：众所周知，德国是利用太阳能很先进的国家，而我国的太阳能资源条件要比德国好很多。中国76%国土面积上的风能，以及几乎百分百国土面积的太阳能都具有开发的潜力，仅太阳能资源一项，就可以远远满足我国远景(2050年)用电需求，而且不论是东部地区还是西部地区太阳能资源都十分富裕。以京津地区为例，即使不考虑技术进步使得光电转换效率提高的影响，按照光伏年利用小时数取1100小时计算，只需铺盖我国国土面积的1.0%左右就可产生2050年全社会总用电量10.8×1012kWh。对于分布式光伏而言，可利用土地和建筑屋顶或墙面也是重要的资源条件。我国拥有世界最大量的建筑，太阳能与建筑结合及一体化，可以充分利用建筑以及太阳能资源，降低成本，具有规模发展的广阔前景。预计2020年分布式建筑光伏最大可装机容量达7.5亿千瓦，2050年达10亿千瓦。中国不能用于耕作的沙漠和滩涂，总面积为128万平方公里，其中戈壁面积为57万平方公里，有充足的土地资源发展太阳能发电。此外农田和鱼塘的上方空间也是可以利用的，如农光互补、渔光互补等。与此同时，国际上已在探索利用路面铺设太阳能光伏，而我国现有人均城市道路的面积已达15平方米。应该注意的是伴随着我国大规模的快速城镇化进程，预计2030年全国城镇建筑面积可达400亿平方米，相当于未来20年内再造一个中国。一方面，这样大规模的城镇建设，是无法直接采用当前西方发达国家的用能模式的，必须大力开展全方位节能模式和节能技术创新，这就为分布式太阳能光伏的发展提供了难得的机遇；另一方面也为太阳能光伏的发展提供了土地和空间资源。

《能源评论》：与大多数新技术类似，可再生能源发展也面临成本过高的挑战，您认为未来趋势是什么？

余贻鑫：随着技术的进步，这些问题都会逐渐解决。以光伏为例，由于材料科学和电子技术的发展，从1977年到2013年，光伏的价格下降到之前的1%，而且光伏的价格还在以每年10%甚至更快的速度下降。在国际上，2016年3美分/kWh的风电和5美分/kWh的光伏电力已成为新常态。在我国，目前太阳能光伏发电的成本大概为0.45元/kWh甚至更低，光伏发电和电网平价已经或者即将来临。

《能源评论》：除了成本之外，风能和太阳能还有间歇性、多变性和不确定性，以及储能价格相对高昂的痛点，这个难题如何破解？

余贻鑫：风能和太阳很难单独运行，需要采用一些功率补偿或者平滑的措施，其中包括：大电网的吸纳、需求侧管理、分布式小型燃油燃气发电、储能，乃至综合能源系统等。为此，需要一个功能合理的现代电网，来集成它们，并提高能源脱碳、转化与利用过程的效率，这个电网就是智能电网。

我国现实的挑战是，电网中用于功率平滑的可调容量很低。从全球来看，中国的可调容量只是美国的1/8，德国的1/4。所以在开发风电和光伏时，我国西北地区采取了风光火打捆的模式，利用火电机组的调节容量。这样做一方面降低了火电机组的热效率和年运行小时数，另一方面由于火电机组的可调节的范围在其额定容量的50%~100%间，必然伴生大量的火电，这不是我们所希望的。但是相当长一段时间内，我国还是需要依赖火电机组作为调节容量的，应该开展增大火电机组调节范围的研发工作，使其可以在20%~100%范围内进行调节。与此同时，我们应该加速抽水蓄能的开发，因为它是目前最便宜的储能方式。由于国际上有关电动汽车储能的研究投入力度很大，分布式储能价格也会逐渐减低。

大量分布式可再生能源和用户侧能量管理系统的接入提高了电力系统终端（如配电网、微网、工厂、建筑和家庭）的供需不确定性。需要强调的是，供给侧与需求侧的不确定性共同构成了未来电网运行所面临的最大挑战。解决该问题的关键在于实现不确定性的就地(终端)解决，未来电网必须将责任分摊到终端承担。

电网第二次智能化新挑战

《能源评论》：实际上，电网的智能化一直在推进中，您认为其终点在哪里？人工智能与深度学习技术，会给智能电网发展带来什么影响？

余贻鑫：智能电网的特征包括智能化、高效、包容、激励、机遇、重视质量、抗扰能力、环保等，智能化只是这些特征之一。

电网的第一次智能化发生在1970年代，在输电系统的(数以千计的)变电站中安装了远方终端单元(RTU)，每2-10秒收集一次实时数据，并把它们送到能量管理系统 (EMS)控制中心，控制中心里的计算机使用复杂的软件对系统中的发电机和输电线进行实时的监视、分析和控制。对于输电来说，这个电网是相当智能的，只是电力消费者完全不了解它。当时通信与信息技术成本较高，这种模式难以推广到配用电系统。然而，目前通信与信息技术的成本已大幅下降，为其向配电和用电领域推广应用准备好了条件。与此同时，环境压力与能源转型，以及数字化社会对电网可靠性、韧性（抵御灾害和攻击的能力）、电能质量和节能降损的要求日益严格，成了电网第二次智能化的原动力。毋容置疑的是，由于环境压力与能源转型这一原动力的出现，电网第二次智能化的强劲程度远高于电网的第一次智能化。而且由于现在的配电网络是按单向潮流设计的，不具备有效集成大量分布式电源的技术潜能。所以电网第二次智能化的重点发展领域在配用电侧，借以集成高比例的分布式电源和加强电力公司与用户的互动。

智能电网的进一步发展是智能能源网（又称能源互联网或综合能源系统），其实施需要几十年，它将伴随能源转型的全过程。

20多年前，电力系统领域就开展了人工智能方法（如专家系统和人工神经网络等）在电力系统中应用的研究，也涉及人工智能中的众多数学方法，由于现在计算机能力的大幅度提升，它会成功地应用到智能电网的更多方面，特别是会在EMS中得到很好的应用。至于深度学习技术，我的课题组已把它应用到“非侵入式负荷分解装置”中，它利用用户出口处的电压和电流信号，识别户内各种电器实时的用电（有功和无功）功率，这种精细到户内设备的用电信息在电力公司优化电网的规划、运行与管理，电力用户节省耗电量和电费，及全社会把提高生态文明意识付诸实践等方面具有重要意义。

《能源评论》：我国要建成智能电网还需多久？在发展过程中，需要做出哪些改变和适应？

余贻鑫：智能电网(Smart Grid)的愿景，在智能化及诱人的视野方面是极不寻常的。它将像互联网那样改变人们的生活和工作方式，并激励类似的变革。但实现智能电网，由于其本身的复杂性和涉及广泛的利益相关者，需要漫长的过渡、持续的研发和多种技术的长期共存。我估计，中国实现智能电网至少需要20年甚至更长时间。电网变迁的过程必将改变整个行业的业务模型。智能电网面临的挑战极其广泛，涉及许多技术、体制和社会问题，而最主要的是要确立分布式电源和用户广泛参与的理念。

短期内，我们可以着眼于实现一个较为智能的电网(smarter grid)。它利用已有的或不久的将来就可配置的技术，使目前的电网更有效；在提供优质电力的同时，也提供相当大的社会效益，如较小的环境影响等。

智能电网最本质的特征是，电力和信息的双向流动性，并由此建立起一个高度自动化和广泛分布的能量交换网络；把分布式计算和通信的优势引入电网，达到信息实时交换和设备层次上电力近乎瞬时的供需平衡。

在我国，高度自动化已被广泛接受，但广泛分布式现在还在深入认识过程当中。风能和太阳能应用的主流形式是分布式的，“分布式电源+智能电网”更加关注本地控制和减少对外依赖，是“颠覆性”的改变，其对日常生活、社会和经济发展存在潜在的巨大影响。

实施智能电网发展战略不仅使用户能够获得高安全性、高可靠性、高质量、高效率和价格合理的电力供应，还能提高国家的能源安全水平，改善环境，推动可持续发展，同时激励市场不断创新，从而提高国家的国际经济竞争力。智能电网的关键是利用各种技术、资源和市场机制以实现高效。智能电网的预期效益是明显的，这些效益包括：供电的安全性、韧性、可靠性和电能质量提高方面的收益；电力设备、人身和赛博安全方面的收益；能源使用效率收益；环境保护和可持续发展的收益以及直接经济(容量、燃料和运维成本)效益。而从广义层面来看，由于技术涉猎广泛，智能电网的一个关键目标是要催生新的技术和商业模式，实现产业革命，以确保子孙后代繁荣昌盛。网络领袖思科预言，智能电网比互联网拥有大得多的市场空间。事实上，智能电网是典型的大规模物联网。