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在“双碳”背景下,电力行业清洁低碳转型面临巨大压力。天然气发电具有清洁、高效、灵活等优势,成为电力行业低碳转型的重要过渡路径。随着风电、光伏发电等新能源规模快速提升,电网调峰压力进一步增大,燃气电厂作为灵活调峰电源的作用将更加突出,为新能源高比例消纳和电力系统安全稳定运行保驾护航。
(来源:微信公众号“ 中能传媒研究院” 作者:杨永明 中能传媒能源安全新战略研究院)
一、天然气发电优势
(一)调峰灵活
气电灵活性高,是调峰调频的优质电源。天然气发电具备启停灵活、爬坡速率快等优势,可以有效且迅速的调节出力水平,用于电网调峰。对比GE Gas Power测算的不同电源类型的可靠容量系数,气电是除核电外第二可靠的调峰电源。相比于煤电,气电的响应速度更快、负荷变化能力更强。相关研究显示,燃煤电厂的冷启动时间为10小时以上,而单循环燃气电厂的启动只需几分钟;同时,气电机组在短时间内的最大负荷变化也远高于煤电机组。因此,气电为最优的调峰电源之一。
(二)清洁低碳
与煤电相比,气电更具清洁性。从碳排放上看,天然气的主要成分甲烷是含碳量最小、含氢量最大的烃,因此气电的碳排放强度比煤电低。典型的9F燃气发电机组碳排放强度仅为345克/千瓦时,而煤电机组则高达838克/千瓦时,气电机组的碳排放强度比煤电低将近60%。从氮排放上看,根据《火电厂大气污染物排放标准(GB13223-2011)》,我国目前对于燃煤机组的氮氧化物排放限值为100毫克/立方米,经过超低排放改造的机组排放限值为50毫克/立方米,而北京、天津、深圳等多个地区对燃气机组的氮氧化物排放限值都设在30毫克/立方米以下,远低于燃煤机组。此外,燃煤机组主要通过外部的脱硝系统来处理烟气中的氮氧化物,而燃气电厂主要通过提高燃烧技术从而从源头主动控制氮排放,能有效避免二次污染。从硫排放上看,燃气电厂的燃料中硫含量较少,因此尾端二氧化硫排放也较少,E级、F级燃气电厂的二氧化硫排放浓度分别约为2.20毫克/立方米、0.84毫克/立方米,明显低于燃煤电厂的16毫克/立方米。从其他污染物上看,燃煤机组的烟尘排放浓度是燃气机组的1.8~2.4倍,且会产生放射物、重金属与固体废物。因此,无论从何种污染物来看,燃气发电机组相较于燃煤机组都更加低碳清洁。
二、天然气发电现状
(一)国外天然气发电情况
从全球范围看,天然气发电的应用现状因各国能源政策、资源禀赋以及市场需求的不同而有所差异。在欧美国家和亚洲新兴市场,天然气发电在满足日益增长的电力需求的同时,对新能源规模化发展起到了重要保障作用。
在美国,天然气发电装机容量在全美电力总装机容量中的占比超过40%,是其主力电源之一。页岩气革命使得美国天然气供应充足且价格相对低廉,而成熟的天然气市场使得天然气发电成本较低,这大大促进了天然气发电的发展。美国的环境法规,如《清洁空气法》等,鼓励使用低排放的燃料,推动煤炭向天然气转型。许多州还出台了碳排放交易和碳税政策,进一步推动天然气发电替代高碳排放的煤电。在资源优势和政策法规的引导下,天然气发电在美国电力系统中逐渐取代了部分煤电,成为电力结构转型的关键力量。美国能源部发布《迈向100%清洁电力之路》报告,计划2035年实现100%清洁电力,清洁能源发电占比将由44%提升至71%,煤电机组加速退役,天然气发电在电力系统中的调峰作用进一步显现,装机有望进一步增加。
在德国,天然气发电装机容量相对较小,约占全国总装机容量的15%左右。尽管比例不如美国高,但在德国的能源转型中,天然气发电同样发挥了关键作用。一方面,大规模的可再生能源(如风电和光伏)占据了德国电力系统的重要地位,但其间歇性和波动性对电网稳定性提出了挑战。天然气发电可以灵活调节负荷,作为调峰电源弥补可再生能源发电的不稳定性。另一方面,随着德国淘汰核电和减少煤电,天然气发电被视为一种可靠的低碳过渡能源。德国的能源转型政策也强调了天然气作为低碳过渡能源的作用。德国政府计划新建1000万千瓦燃气电厂用于调峰,支撑可再生能源发电占比由当前的60%左右提升至2030年的80%,并持续退出核电、煤电,目前已与欧盟委员会就新建电厂的融资框架达成一致。值得一提的是,俄乌冲突前,德国主要依赖从俄罗斯进口天然气,这使得天然气发电的供应安全和成本受地缘政治影响较大。近两年来,德国正加快推动能源多元化和天然气供应来源的多样化。
在亚洲,新兴市场发展气电满足不断增长的电力需求,如印尼拥有丰富的天然气储量,天然气发电占比达到15%以上;越南政府发布电力政策草案,鼓励发展天然气发电项目;泰国则更依赖进口LNG,天然气发电占总发电量的60%以上。
(二)国内天然气发电情况
近年来,我国鼓励因地制宜建设天然气发电,装机规模及相关产业实现较快发展。数据显示,2014—2023年,我国天然气发电装机规模从5679万千瓦增加至1.3亿千瓦,发电用气量由275亿立方米增加至685亿立方米,发电装机年均增长9.5%,高于全国电力总装机年均增速。从装机分布上看,我国天然气发电装机规模排名靠前的广东、江苏、浙江、北京、上海等地,均为经济较发达的负荷中心省(市)。
另据国家能源局发布的《中国天然气发展报告(2024)》,2023年,国民经济回升向好,市场调节作用增强,用气结构持续优化,多能互补成效初显,市场需求较快增长。全年天然气消费量3945亿立方米,增量282亿立方米,同比增长7.6%;天然气在一次能源消费总量中占比8.5%,较上年提高0.1个百分点。从消费结构看,发电用气同比增长7%,占比17%,新增气电装机超过1000万千瓦,总装机规模达到1.3亿千瓦,气电顶峰保供能力显著增强,在迎峰度夏、冬季保供中发挥重要作用。2023—2024年采暖季期间,面对“极端天气增多、冷暖交替频繁、寒潮影响广泛”等气候特征,政府与企业加强联动,发挥协调机制作用,压实民生保供责任,完善应急保障体系,确保安全平稳过冬。天然气行业协同保障气、电时段性双调峰,冬季高峰气电日发电量达到日常均值的2.5倍以上。
可以说,天然气发电在保障北方重点地区冬季供暖、满足东部发达地区电力需求、改善大气环境质量等方面发挥了积极作用。但总体上看,我国天然气发电装机和发电量占比仍远低于全球平均水平,整体仍呈现装机占比小、发电量比重低、年利用小时数不高等特点。据统计,截至2023年底,我国天然气发电装机容量在总装机中占比约4.3%,利用小时数约2436小时,年发电量约占全社会用电量的3.2%。与其他灵活性资源相比,气电在全国范围内处于“不温不火”的状态。
三、我国天然气发电前景分析
(一)政策逐渐明朗助力气电产业清晰定位
从政策面来看,近年来,国家不断出台政策,持续优化天然气消费结构,按照相关规划,在气源有保障、气价可承受、调峰需求大的地区有序发展调峰气电项目。同时又积极推进风、光、气多能互补项目试点示范,推动天然气发电与新能源融合发展,加快构建并完善新型电力系统。
其中,2021年10月,国务院印发的《2030年前碳达峰行动方案》明确提出,大力推动天然气与多种能源融合发展,因地制宜建设天然气调峰电站。2022年2月,国家发展改革委、国家能源局印发《关于完善能源绿色低碳转型体制机制和政策措施的意见》,提出因地制宜建设既满足电力运行调峰需要、又对天然气消费季节差具有调节作用的天然气“双调峰”电站;按照电力系统安全稳定运行和保供需要,加强煤电机组与非化石能源发电、天然气发电及储能的整体协同。2024年6月,国家发展改革委发布的《天然气利用管理办法》指出,天然气利用优先类为有利于保障国家能源安全和实现双碳目标、有利于产业结构优化升级,有利于保障民生、提升人民群众生活水平,具有良好经济性和社会效益的天然气利用方向。此外,在“优先类”用气项目中新增气源落实、具有经济可持续性的天然气调峰电站,将煤炭基地基荷燃气发电项目从“禁止类”调整至“限制类”,解除了这些地区对于天然气发电的绝对限制,为不同地区因地制宜发展天然气发电提供了政策支撑。随着政策的不断细化,天然气发电的定位将愈发清晰。
(二)电力调峰需求提升拓展气电应用空间
随着新能源装机的大规模投产,我国电力调峰需求还将提升。电源侧调峰应用范围较广,包括气电在内的火电与新能源发电相结合实现多能互补,在电网灵活性调峰中能够发挥重要作用。2023年9月,国家能源局发布的《对十四届全国人大一次会议第2675号建议答复的复文摘要》就指出,天然气是当前及中长期解决新能源调峰问题的重要途径之一。
从装机规划看,“十四五”期间东部经济发达地区与川渝等产气省份气电投资建设意愿较强。其中,东部经济发达地区整体用电量较大,保供与调峰需求较强,同时地区经济承受能力较强、土地资源相对紧缺,而发电效率更高、调峰能力更强、占地更小的燃机项目,可以在中短期内满足其电力保供和降碳的双重需求,因此气电作为基荷电源之一受重视程度高。如广东省规划3600万千瓦气电装机;浙江省提出发挥气电过渡支撑作用,“十四五”期间新增气电装机700万千瓦以上,到2025年气电装机达到1956万千瓦,气电发电量占省内发电量的比重提高到19%以上;山东省强调有序推动燃气机组项目建设,到2025年,燃气机组装机达到800万千瓦;上海市提出,部分区域将从煤气并重逐步转向全部为气电,到“十四五”末气电规模达1250万千瓦。
川渝等地区天然气资源丰富,作为产气大省拥有发展气电的产业优势,同时,地区水力发电占比较大,但由于水电具有季节性及区域性分布特征,发电稳定性不高,具备调峰功能的电源重要性凸显。因此,川渝地区的气电装机目标较高且明确。如四川省提出,“十四五”期间将不再新核准建设煤电项目,而将新增超600万千瓦的天然气发电装机规模;重庆市提出,到2025年重庆规划新增500万千瓦、储备600万千瓦的气电装机。
目前,东南沿海及气源较为充足的省份已结合“十四五”规划,安排新增了一定的调峰气电规模,增强当地的电力供应保障与系统调节能力。据“十四五”规划,到2025年,全国气电装机容量将达到1.5亿千瓦左右,相比于2020年的9000万千瓦,增幅显著。根据最新的统计数据,截至2023年底,全国气电装机容量已超过1.2亿千瓦,距离规划目标仅剩不到3000万千瓦。虽然2020年末未完成“十三五”期间气电装机容量达到1.1亿千瓦的规划目标,但“十四五”规划目标有望在2025年如期完成。
(三)经济性始终是影响气电发展关键因素
受“贫油少气”资源禀赋制约,气电在我国发电版图中始终是一个小众角色。推动天然气发电健康发展,重在解决气源和价格两大核心问题。
气源方面,近年来我国天然气进口依存度都维持在40%以上,尽管我国着力推进天然气进口来源多元化,但来自土库曼斯坦、俄罗斯、澳大利亚、卡塔尔和马来西亚5国的进口量仍占总进口量的80%左右,进口集中度较高。2023年,我国天然气进口总量为1656亿立方米,其中管道气进口量为671亿立方米,LNG进口量为984亿立方米,中国再次成为世界第一大LNG进口国,天然气进口易受国际市场供需关系、地缘政治及各类突发事件影响,供应和价格不确定性较大。例如,管道气的履约量可能随着生产国的产量、天气、国内政局稳定情况等因素波动,LNG的供应可能会受欧亚竞购等因素影响。2022年在全球重大地缘冲突爆发、气源紧张时期,欧洲与亚洲LNG市场价格波动曾创下历史纪录,对多国能源安全造成较大威胁。即便是在价格相对平稳的时期,国际天然气市场价格也会受到许多重大市场事件的影响,不确定性风险长期存在,无形中给天然气打上了“供应紧张”的标签。要想打消地方政府部门以及电力部门发展气电时的顾虑,首先要确保天然气资源供应保障能力。
价格方面,我国天然气资源相对短缺,对外依存度较高,致使燃气发电机组的发电成本偏高,经济性相对较差。根据业内相关测算,国内气电综合成本区间约为0.59~0.72元/千瓦时,远高于煤电、水电、核电。在气电经济性难以保障的背景下,为维持燃气电厂盈利能力,国家与地方政府往往需要支付高额补贴去支撑其电价,因此我国气电建设投资意愿较弱。为了将天然气发电的多重优势转化为经济价值,亟需进一步完善电力市场价格机制,建立气电价格联动机制,因地制宜出台容量电价加电量电价的“两部制”电价等政策,合理疏导天然气发电项目成本。
(四)技术创新对气电发展是机遇也是挑战
除了气源气价,气电发展还会受到燃机技术等多个因素影响。燃气轮机是气电的核心设备。目前,我国已具备轻型燃气轮机自主化生产能力。重型燃气轮机方面,近日我国自主研制的300兆瓦级F级重型燃气轮机在上海临港首次点火成功。300兆瓦级F级重型燃气轮机是我国首次自主研制的最大功率、最高技术等级重型燃气轮机,技术指标与国际主流F级重型燃气轮机基本相当。此次成功实现燃气轮机点火,是继2024年2月首台样机总装下线以来取得的又一重要里程碑成果,标志着F级重型燃气轮机项目研制全面进入整机试验验证阶段。长期以来,全球重型燃气轮机市场由少数西方企业垄断。由于在技术层面缺少话语权,导致整机检修维护高度依赖原厂商,维修周期、时间及费用不可控,给燃气电厂生产经营带来很大挑战。因此,自主研发高性能燃气轮机不仅关乎工业技术,更是关乎国家战略竞争力的重要一环,对保障我国能源安全和绿色发展具有重要意义。
另一方面,放眼整个电力系统,风电和光伏等随机性电源迅速发展,需要各种灵活性电源发展同步跟进。从各类技术迭代情况和发展趋势看,未来电化学储能、电动汽车车网互动(V2G)、氢能发电等新型储能调峰技术不断进步,逐步实现商业化后,将对气电发展形成较大竞争。在建设新型电力系统背景下,面对各类新型储能调峰技术的快速发展,能否通过科技创新加快突破发电用重型燃气轮机关键技术,提高能源利用效率和发电运营效率,降低检修运维成本和风险,决定了气电发展的窗口期
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