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    • 碳中和背景下的清洁能源消纳问题

        联合国环境规划署(UNEP)于近日发布了一份题为《与自然和平相处》(Making Peace with Nature)的报告,指出地球正面临着气候变化、生物多样性遭破坏及污染问题三大危机。报告的主要作者表示,长此以往“我们的后代将继承一个充满极端天气事件的世界——这里海平面上升、动植物大量灭绝、有着不安全的粮食和水,以及未来暴发流行病的可能性越来越大的世界。”近年来有科研文献报告,人类制造的碳排放已是全球火山碳排放的100倍;在过去的10~12年中,人类活动造成的二氧化碳排放总量与造成地球第5次物种大灭绝时的总量相当,达到约400亿吨。呼吁减少人为碳排放的声音逐年高涨,碳减排日益成为全球气候治理的最大公约数,实现碳中和成为全球发展理念的又一次重大变革。

        我国向世界宣布力争2030年前实现碳达峰和2060年前实现碳中和后,“中国30·60”目标迅速在全球传开,被国际社会认为是自1992年联合国达成《气候变化框架公约》以来,应对气候变化最重大的国家解决方案,将会给中国和全球带来重要而深刻的积极影响,意义非凡。

        碳中和目标的提出,意味着我国能源转型将迈出更加积极的步伐,清洁能源的发展将获得更好的社会与市场动力。有人说,清洁能源产业将迎来倍增的黄金时代,清洁能源产业要从目前的“小池塘”走向更加广阔的“太平洋”。在预示着清洁能源将迎来更快发展之际,如何解决好未来的清洁能源消纳问题,成为业界许多人关心的焦点与热点。在群策群力的研讨中,笔者提出一些自己的认知与思考。

        避免用清洁能源发展的“跃进式”

        应对碳中和进程的“压缩式”

        世界银行及英国石油公司(BP)等有关国际组织和能源机构发布的数据显示,欧盟及有关经合组织的国家和地区,从碳达峰到碳中和,跨度时间长达60年,而我国只有其一半的时间即30年,可谓是一个“压缩式”进程,而且我国在这段时间还同时迎来了能源结构转型、能源体制改革、能源体系再造等许多需要“压缩式”进行和完成的大事。同时,这些发达国家或后工业化国家,是在实现了能源消费和碳排放“双达峰、双下降”的情景下奔向碳中和的,我国是在能源消费和碳排放“双上升”的情景中起步奔向碳中和,2019年我国能源碳排放量高达98亿吨碳当量,基数大、时间紧,难度远超其他国家。

        我们有尽快实现碳中和的强烈愿望,因为我国不仅是世界上受碳排放损失最大的国家,2018年损失高达3676亿美元(世界银行数据),相当于美国的2.1倍,占国民收入(GNI)的比重达到2.6%,明显超出1.4%的世界平均水平,更重要的是我们有早日实现“美丽中国”的梦想,有早日建成人类环境共同体的理想。同时,我们也有快速发展清洁能源以促使早日碳达峰的基础和能力,我国有全球最庞大的风、光发电设施制造和装备力量,有建设和管理各种大型和超大型风、光发电场站的实践与经验。但是,我们不能凭着自己的强烈愿望毫无顾忌地“跃进式”发展风、光发电清洁能源。

        经过多年的大力发展,我国风、光发电清洁能源规模的增长已经不仅仅取决于自身的制造装备能力、技术进步水平、有关实践经验等,在一定程度上也取决于整个电力系统的重构速度。我国现有的电力系统是在以化石能源为主的基础上建立起来的,虽然消纳清洁能源的规模和效率一直在不断提升,但是始终不尽如人意。2020年,我国风、光发电利用率有进一步的提升,但是弃风电量仍有166.1亿千瓦时,同比上升0.5个百分点;弃光电量52.6亿千瓦时,与上年基本持平。而从2020年第四季度的情况看,全国弃风电量49.7亿千瓦时,同比上升23.3%;弃光电量18.3亿千瓦时,同比上升38.6%。

        清洁能源消纳遇到问题,许多人首先想到的是电网,或认为电网建设滞后,或认为电网尽力不够等。特别在电网公司是电力统购统销的主体时,觉得电网公司承担起清洁能源消纳全部责任是理所当然的。但是,最终消纳清洁能源的是电力用户,不是电网,清洁能源的消纳问题本质上是供需匹配问题。所以,清洁能源的消纳靠的是整个电力系统,而不仅仅是电网。过去,在清洁能源上网电量还不是特别大的情况下,清洁能源的消纳问题在电网方面的协调下可以得到相应解决,而当清洁能源电量超出一定规模后,仅靠电网来协调解决问题就非常困难。一般来说,当风、光发电量占到整个电力系统的40%以上时,传统电网的调节方式便难以为继。截至2020年底,我国风电、光伏并网装机容量分别为2.8亿千瓦、2.5亿千瓦,合计占总装机容量的比重约为24%,全年风电、光伏累计发电量7270亿千瓦时,占全年总发电量的比重约9.8%;根据国网能源研究院发布的数据显示,2060年我国陆上风电、光伏发电两者装机容量占比之和将达到约60%,两者发电量占比之和将达到约45%,应对如此高比例的风、光清洁能源消纳问题,仅靠在现有的系统运行模式上进行修修补补是不行的。不仅需要电源、电网等在构成形态上发生高质量的转变,更为关键的是电力系统要与时俱进地进行高质量的转型、重构、再造。而这需要时间。

        所以,我们不能凭着早日实现碳中和的强烈愿望,盲目地推动风、光等清洁能源大干快上。要防止出现激进的、与电力系统转型优化发展不相适应的清洁能源急速发展情况,避免出现相互攀比、只顾局部利益不顾大局、不讲科学的急躁竞争情形,从而避免出现清洁能源消纳的相关问题。实现碳中和,不是“百米冲刺跑”,而是一场长达多年的“马拉松”,不能操之过急。

        当然,在防范“速胜”思想以免导致欲速则不达的同时,也要防止过分“稳健”而导致后期出现被动局面。今年是实现“中国30·60”目标的开局之年,相关方面应该认真谋划、科学研判,制定好与碳中和进程相适应的清洁能源阶段性发展规划,使清洁能源实现速度与质量的平衡发展。尤其是要确保到2030年风电、太阳能发电总装机容量达到12亿千瓦以上,这是确保我国如期实现碳达峰和碳中和的重要底线。

        抓住碳中和背景下能源发展重点

        克服清洁能源消纳相关难点

        国家统计局于2020年2月发布的《2019年国民经济和社会发展统计公报》显示,2019年末全国大陆城镇常住人口8.48亿人,常住人口城市化率从1990年的26.4%上升到了2019年的60.6%。预计到2035年,这一比例将达到70%以上。有关资料显示,我国只占全国土地面积13%的百强城市,居住着全国50%以上的人口,创造了全国70%以上的GDP。作为第二、三产业重要的空间载体,我国城市的经济产出占比已经超过90%,其能源电力占比逼近95%。有国际环保组织呼吁,全球城市约占地球陆地面积的3%,却产生了全球72%的温室气体排放。所以,碳中和的重点在城市。

        当前中国的城镇化正步入城市群都市圈时代。有关方面表示,预计到2030年,我国2亿新增城镇人口的80%左右将分布在19个城市群。以中心城市为引领的都市圈城市群,是当前以及未来支撑我国经济高质量发展的主要平台。城市的交通、基础设施、第二和第三产业、信息和互联网、居民生活等,需要大量的能源,尤其需要名副其实的清洁能源,是清洁能源具有广阔前景的用武之地,是助力未来巨量清洁能源消纳的“能源湖”。

        能源技术在不断进步,能源技术进步的核心是高效化、智慧化,从而要求未来能源体系的核心是电气化。不论是城市能源结构转型、能源系统重构、能源体系升级,还是城市能源网新建,主要发展方向是电气化或再电气化,电能在终端用能的比例将不断上升。有关方面表示,目前我国的交通用能领域电气化率只有约1%,2050年要上升到30%以上;目前建筑用能领域的电气化率若在25%左右,2050年要提升至60%以上;目前工业用能的电气化率约为30%,2050年要提高到70%以上。据有关方面研究测算,未来仅在交通、建筑、信息领域的电能替代所产生的电力需求,就相当于新增一个电力系统。

        按照工信部提出的2025年全国电动车保有量3000万辆测算,届时其年用电量将达到约500亿千瓦时。如果运用有关技术能够使电动汽车自有电池的电力与电网的电力实现交互利用,将可以大力增强电力系统调节的灵活性,甚至可以重构电力系统调峰储能模式,进而有力提升清洁能源消纳占比水平。

        随着碳中和目标的不断推进,光伏发电将会在城市能源发展方面发挥重要作用。在光伏发电与储能成本不断下降的情景下,分布式光伏+储能,将可以大量应用于智慧建筑、智慧城市管理、信息数据处理、科研基地、工业园区、光伏车棚、光伏充电、光伏幕墙、移动光伏电源、居民生活用电等许多方面。有关研究表示,在信息领域,2025年的5G基站总需求将会达到约600万个,仅此一项的年用电力需求即达到1000亿千瓦时。而数据中心的能源需求,2025年的用电量可达4000亿千瓦时。

        所以,我们要不断提升城市能源体系建设理念,抓住城市能源体系变革、升级与发展的巨大机遇,做好清洁能源发展的科学布局,提升清洁能源的消纳水平。要改变对于我国能源禀赋“缺油、少气、多煤”的传统理解,风能、太阳能等能源同样是我国能源禀赋中的重要资源,在做能源规划和建设布局时应将所有能源类型一视同仁加以科学考虑。破除过去依赖“西电东送”、“北煤南运”等平衡能源供求思维,树立起“外来能源与身边能源相结合”、“集中式供电与分布式发电相结合”等新的能源平衡思想。通过数字化、网络化、智能化等现代科学技术,因地制宜地积极发展分布式能源、虚拟电厂、微型电网、综合能源系统、智慧能源系统、风光储一体化、发供用一体化、海上陆面地下能源资源相结合等能源系统,不断创新能源利用模式、能源管理方式、能源发展形式,减少清洁能源长距离输送,提高清洁能源就地生产和消纳水平,使用能负荷地的能源资源得到充分、有效、合理利用,使清洁能源的消纳障碍最大程度地得到化解。

        不断提高清洁能源出力的可预测性

        整体提升电力系统的灵活性

        风、光发电清洁能源之所以会遇到较大的消纳问题,其中一个重要原因是其发电出力具有较大的难以预测性。其出力曲线往往与负荷曲线不相匹配,有些情况下甚至是背道而驰。如果清洁能源的可预测性能够达到传统能源的可预测性水平,可以在很大程度上减少清洁能源消纳的障碍。

        我国目前风、光发电清洁能源的预测水平,一般认为日前预测精度小于40%,两三个小时预测精度在80%左右,而国外较先进的预测水平24小时准确率达到90%以上,说明我国风、光发电清洁能源的出力预测水平尚有较大的提升空间。

        我国目前的风、光发电清洁能源,占比还相对较小,还属于扶植照顾对象,出力的预测性差、波动性大,对系统产生的一些问题和困难,电网和传统能源会尽力帮助解决,清洁能源可以在一定程度上“任任性”;将来清洁能源的占比要大幅提高,成为主体能源,一些传统能源被挤走,不能再出力相帮了,清洁能源要承担起主体责任,也无法再“任性”了。所以,提高出力的预测性,平衡好出力的波动性,是风、光发电清洁能源必须要跨越的铁槛。

        为了尽快适应“中国30·60”目标对清洁能源高占比要求,上述问题的解决,时间上不宜拖延,速度上不能慢慢来,而是应尽快提上议事日程。

        提高风、光发电清洁能源出力的可预测性,除了要提高对风速风向、光照强度等天气因素预测的准确性、增强预测的持续性等,更重要的是要利用现代科学技术提升预测的科学化智慧化水平,创新预测手段和方式,并借助国外的先进经验,对标先进的实践典范,开拓性、创造性地开展相关工作,持续性、强制性提高有关工作能力。从而使清洁能源的消纳水平不断获得提升。

        当然,提升风、光发电清洁能源的消纳水平,增强电力系统应对清洁能源扰动的灵活性,也是一个非常重要的问题。关于灵活性,不是新话题,业界已议多时。这里想提出的是,增强灵活性,不能只盯着煤电,而是要整体性提高电力系统的灵活性。

        一是因为煤电之外,加入其他因素参与灵活性调节,效果也同样不错。有研究团队报告,让气电、储能及需求响应等多种资源参与系统调节,弃风电量可减少近40%,煤电启停次数可下降近30%。二是推进“源网荷储一体化”、“风光水火储一体化”等也可以较好地增加系统调节的灵活性。三是煤电的灵活性改造技术、成本投入和环境影响等存在局限性。四是如果只是指望煤电来解决灵活性问题,将会使煤电的减量化进程大受影响,进而影响碳达峰目标的实现进程。

        解决清洁能源的消纳问题,既不能仅仅依靠提升煤电的灵活性,也不能仅仅依靠电源侧的灵活性改进,而是应该多管齐下、综合施策,电源侧与需求侧共同努力,源网荷与配送储共同提升,数字化与智慧化携手共进。

        当然,解决清洁能源消纳问题的根本性办法,是努力构建适应大规模高比例清洁能源发展的新型电力系统。当前的电力系统是以传统能源为基础建立起来的,只有进行整体性变革或重构,才能迎来适应清洁能源大发展的崭新局面。

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