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深入研究电力系统前沿技术 推动绿色低碳转型

2023-01-18 08:21来源:中国电力企业联合会关键词:新型储能储能技术储能应用收藏点赞

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为贯彻落实“四个革命、一个合作”能源安全新战略,加强电力行业重大问题研究,推动电力系统绿色低碳转型,助力实现碳达峰碳中和目标,国家能源局组织开展了碳达峰碳中和背景下电力系统转型若干重大问题研究,并委托中国电力企业联合会完成《电力系统前沿技术跟踪研究》子课题的研究。

中国电力企业联合会基于对世界范围内电力系统转型趋势分析、对电力系统前沿技术的跟踪研究,分析了关于未来电力系统转型过渡蓄势阶段、能源结构切换阶段、近零排放及碳中和决胜阶段三个阶段的技术支撑,提出了有关建议。

一 电力系统转型发展趋势

电力系统作为未来能源体系的核心组成部分,其转型发展趋势具有以下五个主要特征:一是高比例可再生能源广泛接入。二是高比例电力电子装备大规模应用。三是多能互补综合能源利用。四是数字化智能化智慧能源发展。五是清洁高效低碳零碳转型。

因此,需推动电力系统向适应大规模高比例新能源方向演进,增强电源协调优化运行能力,完善区域电网主网架结构,推动电网之间柔性可控互联,构建规模合理、分层分区、安全可靠的电力系统,提升电网适应新能源的动态稳定水平。积极发展以消纳新能源为主的智能微电网,实现与大电网兼容互补,加快新型储能技术规模化应用,大力提升电力负荷弹性。

二 电力系统相关前沿技术的发展趋势

当前,全球能源电力技术创新进入高度活跃期,绿色低碳是能源电力技术创新的主要方向,电力系统前沿技术集中在先进可再生能源发电及综合利用技术、新型电力系统及其支撑技术、安全高效核能技术、绿色高效化石能源开发利用技术、能源电力系统数字化智能化技术以及电力系统市场技术等重点领域。推进电力系统的绿色低碳、安全高效、数字化、智能化技术创新已经成为全球发展趋势。

1.水力发电

水力发电前沿技术发展趋势主要体现在:向创新流域水电综合管理体系、打造流域清洁能源综合基地、依托水电梯级建设储能工厂及以抽水蓄能服务新型电力系统等方面发展、抽水蓄能与热能存储的耦合做为未来技术发展方向有望与其他存储技术竞争。

2.新能源

风电前沿技术发展趋势主要体现在:装备制造技术向“大功率、高塔架、大叶片”方向发展,开发建设技术向“深远海、大漠、高原”区域发展,运维管理技术向“智能化、信息化、标准化、集群化”方向发展,风电综合利用技术向“就近消纳、多能互补、融合创新”方向发展。

太阳能发电前沿技术发展趋势主要表现在:装备制造技术迭代加速。开发建设技术朝太阳能与储能相结合、太阳能发电平价上网、光伏发电在绿色建筑中的广泛应用以及分布式光伏发电市场大规模应用方向发展;聚光太阳能发电 (CSP)技术正围绕获得更高的发电效率及系统集成方向发展。

地热能发电前沿技术发展趋势主要表现在:因地制宜推进中低温地热发电技术应用以及对增强型地热系统的研究及开发利用。

海洋能前沿技术趋势主要表现在:因地制宜的推进和开发适合于本国的高效海洋能发电技术,传统拦坝式潮汐能技术有待进一步提升、潮流能规模化利用持续推进,已成为海洋能商业化重点方向。

氢能前沿技术趋势主要表现在:采用风光等可再生能源耦合制氢的方式制绿氢,海上风电制氢是未来绿氢生产的主力之一。质子交换膜PEM电解水技术与风电、光伏具有良好的匹配性,是未来5-10 年的发展趋势。固体氧化物SOE水电解技术处于初步示范阶段。SOE水电解的发展取决于相关材料技术的突破情况。混氢天然气输氢技术有望成为氢能应用的关键引擎。

3.生物质能

生物质能发电前沿技术趋势主要表现在:因地制宜规模化采用农林废弃物和城市固体废物与燃煤直接耦合发电及推进分布式能源发展。

新型电力系统及其支撑技术

1.输电技术

研究发展更高电压、更大容量的交直流输电技术,特别是柔性直流输电技术对于新型电力系统建设中大规模新能源消纳和电网智能化、数字化建设将起到重大作用。海底电缆向大容量特高压技术方向发展将成为实现跨洋能能源电力互联的关键。随着高温超导输电技术的不断发展,超导直流输电与低温液体燃料输送管道相结合,可望成为未来能源输送的技术选择之一。另外,研究SF6气体的完全替代已成为发展特高压交直流输电的一项重要环保技术。

2.储能技术

作为电力系统中应用最为广泛的一种储能技术,抽水储能机组向超高水头、高转速可变速、超大容量方向发展,结合实际开展海水和利用废弃矿洞地下式抽水蓄能电站关键技术研究也是其发展方向之一。

在新型储能技术方面,目前锂离子电池在新型储能产品中占据主导地位,是储能调频市场的主流技术,但急需攻关解决其在大规模应用过程中出现的安全、可靠性等问题。钠离子电池已逐步实现了从基础研究到工程应用的跨越,因其资源丰富、性价比高、安全性好等优点,有望在中低速电动车及大规模储能领域取代或部分取代锂离子电池和铅酸电池而获得广泛应用。全钒液流电池是技术成熟最高的液流电池技术路线,且中国拥有资源方面的优势,应加快研发及产业化工作。压缩空气储能技术具有储能容量大、储能周期长、系统效率高、运行寿命长、投资小等优点,非常适用于长时储能的大规模物理储能技术,配合海上风电的大规模开发,利用深处海水静压,进行压缩空气储能也是其未来着重发展的方向。在电力调频等领域,飞轮储能较传统储能拥有充放电更快、寿命更长等优势。

安全高效核能技术

研发设计小型反应堆,提高堆型的安全性、多应用性,是未来核电发展一个重要选择,第四代堆是核能下一步的发展方向。钠冷快堆是目前第四代堆中技术成熟度最高、最接近商用的堆型,也是世界主要核大国继压水堆之后的重点发展方向。我国的高温气冷堆技术世界领先,在此基础上发展超高温气冷堆,将是核能多用途利用的重要方式之一。钍基熔盐堆是第四代反应堆中唯一使用液态燃料的堆型,在固有安全性、经济性、核资源可持续发展,以及防核扩散等方面具有其它反应堆无法比拟的优点。铅基堆将成为小型和微型核动力的优选技术路线之一。

可控核聚变的发展已经开始从基础研究阶段逐步向核工程阶段过渡发展。应发挥我国新型举国体制优势,逐步搭建聚变能的技术开发体系和工业体系,集中力量开展核聚变工程和技术攻关。

绿色高效化石能源开发利用技术

1.清洁煤电

随着镍铁基、镍基高温材料研发的不断突破,更高参数的630℃、760℃等级先进高参数超超临界发电前沿技术将成为下一代火力发电主力机组技术。加快高参数、大容量机组关键高温部件的自主研发及制造,以及从主机设备、系统布置等方面进行设计创新,努力减少高温材料的使用,降低工程投资,是目前中国乃至全世界的研究方向之一。

超超临界循环流化床发电技术是适合我国国情的关键技术。超临界二氧化碳循环发电技术是热力发电领域一项重要的变革性技术,是未来能源综合利用的一个发展方向,其优良特性使得其系统具有良好的应用前景和研究价值,要加强对高温关键部件在超临界CO2环境下高温腐蚀问题、系统设计优化问题、关键设备开发研制以及系统灵活性问题等关键技术研究攻关。

IGCC作为一种高效、低污染的洁净煤发电技术,已走过概念验证和工业示范阶段,提高其运行可用率、降低投资费用和发电成本是IGCC未来发展的主要方向。IGFC处于起步阶段,煤气净化提纯技术、以固体氧化物燃料电池 (SOFC) 为代表的高温燃料电池技术、系统耦合控制技术等相关技术研究正逐步开展。

在碳中和背景下,CCUS技术不仅是实现化石能源近零排放重要技术选择,以及电力、工业部门深度减碳和低碳转型的关键技术保障,而且与生物质能、直接空气捕集等结合可实现大规模负碳效应。技术聚焦于捕集效率更高、能耗更低的第二代碳捕集技术以及高效低成本直接空气碳捕集技术(DAC)技术的研发。CO2电化学转化技术、矿化利用技术是非常有前景的大规模固定CO2利用路线。CO2地质封存利用技术中,技术目前唯一达到了商业化利用水平的是CO2-EOR驱油技术。二氧化碳驱替煤层气利用目前仍处于先导试验阶段,技术目前还尚未成熟,部分技术问题有待解决。碳深海封存在理论上潜力巨大,仍处于理论研究和模拟阶段,封存成本很高,在技术可行性和对海洋生物的影响上还需要更进一步的研究。

生物质、固废与燃煤耦合混烧是未来降低煤电机组的碳排放量,加强燃煤发电的可持续性,以及煤电走向低碳化一条现实可行的路径。探索优化耦合燃烧技术,完善生物质、固废燃料储运技术,加强污染物协同治理研究是当前工程实际运行中仍需关注的问题。

2.燃气发电

实现燃气轮机国产化是发展气电行业的首要关键,目前H级重型燃气轮机还没有实现自主可控,需加强对燃气轮机部件的一些核心设计技术,特别是热端部分的设计制造技术、燃气轮机的控制技术的完善、提升以及燃机适应非常规燃料技术方向的研究。

能源电力系统数字化智能化技术

针对新型电力系统下节点繁多的高电力电子化的装备,研发高精度、高可靠、快响应、智能化、微型化的状态传感装置是进一步的重点研究方向。研究和利用大数据、云计算、物联网、人工智能、区块链、5G等新技术,并将这些技术进行组合应用于电网智能调度运行控制与智能运维、电力行业数字化智能发电、火电厂数字化智能化、核电数字化智能化以及综合智慧能源系统等不同的场景,驱动电力行业自身转型升级和可持续发展,聚焦新一代信息技术和能源电力融合发展,开展能源电力领域用数字化、智能化共性关键技术研究,推动源网荷储用与数字化、智能化技术深度融合,引领能源电力产业转型升级,是构建清洁低碳安全高效能源电力体系的发展方向。

电力系统市场技术

适应新能源、分布式发电、储能、电动汽车等新型电力市场主体灵活参与、成本合理回报的电力市场机制,创新电力市场商品类型、交易周期、出清机制,提出适应集中式与分布式电源共同发展、需求侧响应广泛参与的电力市场模式设计,激励电能生产及利用新技术推广应用成为电力市场理论及机制创新研究的主要方向。另外依托电力市场一体化支撑平台技术、电力系统优化引擎及分析技术以及基于区块链技术的电力市场、电力碳排放权交易市场机制设计与应用等方面前沿技术研究,将逐步形成“云—台—链—智”融合的新一代电力交易系统,并将全面支撑我国多层次统一电力市场高效协同运营。

关于未来电力系统转型的三个阶段技术支撑

第一阶段(当前至2030年):

此阶段属于电力系统转型过渡蓄势阶段。重点技术攻关方向为在保证能源电力安全的前提下构建高比例可再生能源系统逐步替代化石能源。重点研发太阳能高效低成本光电光热转化、深海高空风电高效转化、生物质高效转化与高值利用、海洋能规模化高效利用、分布式多能互补与供需互动、灵活友好并网等关键核心技术,同时加快推进大规模长寿命物理储能技术应用,发展安全、高效、经济、可持续的先进核能系统。

第二阶段(2030年至2040年):

此阶段属于能源结构切换阶段。重点技术攻关方向为促进高比例可再生能源电力消纳与多能源载体综合利用,大幅增加可再生能源在能源生产和消费中的比重,并逐步成为主体能源。重点挖掘源网荷储各环节的能力,要利用好可中断负荷、虚拟电厂、跨省跨区交易等调节手段,推进新型储能、电动汽车、氢储能等技术的利用。发展新型电化学能量储存与转化机制,实现长寿命、低成本、高能量密度、高安全和易回收的新型储能技术广泛应用。促进人工智能、大数据、物联网先进信息通信等技术与电力技术的深度融合。

第三阶段(2040年至2060年):

此阶段属于近零排放及碳中和决胜阶段。重点技术攻关方向为通过光伏发电、风电成为主要发电方式,实现能源结构多元化及电力供需平衡高度耦合;以深度脱碳、碳捕集和封存等技术为工作重点,助推能源和电力生产进入负碳阶段,实现全社会碳排放净零。重点是实现高效光、电、热、生物转化利用二氧化碳机理等方面关键技术的突破,应用绿氢等绿色燃料以及CCUS等技术作为应对减排难点的重要手段。

三 有关建议

一是加强政策引领和顶层设计,完善科学创新体制机制。建议加快完善电力前沿技术攻关的政策、法规、标准、形成以电力为核心的能源结构转型集成技术创新政策体系;建立科学高效的电力科技创新发展机制;设计符合我国实际的电力系统减碳、脱碳技术实施路径;全链条系统提升国家创新体系的整体能效。

二是加强自主科技创新与产业升级。建议加大对能源电力转型发展具有引领作用的基础研究及前沿技术研发的支持力度,集中优势资源力争取得重大突破;推动先进产品规模化、产业化快速应用,降低建设成本,构建起全产业链条、协同联动的自主能源电力科技创新生态系统。

三是加强国际能源电力领域技术合作。建议有效利用全球创新资源,高起点推进科技创新,通过国际气候变化合作机制,加强绿色低碳发展国际技术合作、交流,促进应对气候变化的技术创新与技术转让,处理好低碳转型过程中的知识产权问题,有序推进能源电力前沿技术在国内示范及应用。培育绿色低碳能源电力技术创新生态圈,构建区域科技创新合作共同体。

四是完善市场机制,发展绿色金融。建议进一步完善和稳步推进市场化改革及机制建设,鼓励技术和制度创新,发展绿色金融,引导社会资金流向绿色低碳领域。加大关键脱碳减碳技术研发的资金扶持力度,提高研发经费投入产出效率。同时,以数字化、智能化技术构建适应性平台,支撑可再生能源和清洁煤电的发展和高效运行,实现系统低碳化、清洁化发展。

五是发挥电力行业协会作用和企业在突破性科技创新方面主体作用。建议充分发挥行业协会的平台与桥梁作用,深入研究能源电力技术发展的共性问题,持续开展调查研究,反映行业企业诉求,加强能源电力领域技术标准建设。能源电力相关企业作为先进技术应用及示范的主体,要进一步强化产学研合作,解决发展转型中的重大技术问题,加快科研成果的转化,尽快将前沿科技成果从实验室走向企业应用,在应用中加以逐步完善。


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