我国能源电力转型实现路径和关键技术

“十四五”是“两个一百年”奋斗目标的历史交汇期，是加快推进能源技术革命的关键时期。能源领域技术创新规划，是部署和落实能源行业“十四五”科技研发工作的纲领性文件，是能源科技战线落实碳达峰、碳中和行动方案、贯彻国家“十四五”规划的具体技术指南。需紧密围绕国家能源发展重大需求和能源技术革命重大趋势，结合我国能源电力基础条件和高质量发展需求，统筹规划，开展系统性、战略性、前瞻性的技术布局。为推动我国能源电力转型、落实“两个构建”，需考虑5个方面实现路径。一是大力开发利用可再生能源，发展核能、生物质能、地热能等非化石能源综合利用，在电力系统中形成以非化石能源为主的电源结构，是实现能源转型的关键；二是积极推动煤电灵活性改造，为高比例可再生能源电力系统运行提供紧急备用和灵活调节能力，探索煤电碳资源综合利用，以有助于煤电实现低碳无碳转型；三是持续推进终端用能的电气化，实现以电为中心的多能互补用能结构，大幅提高电能在终端能源消费中比重，提高能源综合利用效率；四是加强电力电子和储能等关键技术创新，通过数字化转型，推动新一代输配电网和能源互联网建设，促进高比例可再生能源电力消纳，确保电力系统安全稳定运行；五是完善能源转型各项政策，坚持市场化改革方向，加快完善推动绿色电力、碳交易市场建设，助力国家应对气候变化碳中和目标的实现。技术进步是构建新型电力系统的根本动力，围绕未来电力系统以新能源为主体的发展需求，笔者综合考虑新能源开发、传统能源转型两个角度，从系统安全、低碳减排、综合能源、灵活性需求等多个方面，提出以下0类关键技术需求：）高效低成本电网支持型可再生能源发电和综合利用技术；2）燃煤发电提高灵活性低碳排放和碳资源利用技术；3）高可靠性低损耗新型电力电子元器件装置和系统技术；4）安全高效低成本长寿命新型储能技术；5）清洁高效低成本氢能生产储运转化和应用技术；6）超导输电和新型综合输能技术；7）新型电力系统规划运行调度和仿真控制保护技术；8）数字化智能化综合能源电力系统技术；9）信息物理融合的能源互联网/物联网技术；0）综合能源电力市场技术。综合能源生产单元（IEPU）设想“双碳”目标下，我国能源电力系统清洁低碳转型任务艰巨，如何科学推进传统煤电升级改造及有序退出、同时促进新能源消纳成为能源转型路径规划和相关战略制定的重要议题。一方面，由于资源禀赋及行业发展历史等原因，我国仍保有大量燃煤火电机组，且当前大量在役火电厂发电效率已基本达到瓶颈，单纯大规模推广碳捕集及封存技术代价昂贵，若采用简单关停处理方式，又不利于一定时期内能源供应平稳过渡，同时涉及国有资产保值增值、就业等多方面问题，迫切需要有效手段，有序推进存量煤电机组的升级改造，充分发挥其基础性保障和调节作用；另一方面，由于以风光发电为主的可再生能源，具有波动性和间歇性，机组出力不确定性强，抗扰动能力和动态调节能力弱，新能源高比例接入将对电力系统安全稳定运行带来巨大挑战，系统灵活调节资源的需求显著提升。为应对上述问题，本文提出一种融合火电机组碳捕集、燃煤机组混烧生物质、可再生能源电解水制氢、甲烷/甲醇合成等技术的设想——综合能源生产单元（IntegratedEnergyProductionUnit，IEPU），期望能作为火电低碳/无碳转型路径方案的一种选择。综合能源生产单元基本结构如图所示，其基本工作方式为：白天利用低成本的光伏发电制取绿氢，夜间利用低谷时段电网供电或火电机组发电，利于电解制氢系统持续稳定工作，产出的氢气与煤电机组捕集的CO2进一步合成生产甲烷/甲醇等绿色燃料或化工产品。图综合能源生产单元典型结构示意图不限于图所示的一种典型结构，IEPU可有不同类型的结构方案：IEPU所需的CO2可由火电厂碳捕集，未来也可从空气中捕集；IEPU可由风光发电与电解水制氢装置、水电厂与电解水制氢装置组成，生产的绿氢与空气中氮气耦合制氨；IEPU可由燃气电厂与风光发电及电解水制氢、储氢耦合组成，未来燃气电厂的燃料将由绿氢提供，成为应对长周期能源不平衡的绿色重要措施。IEPU本身可以是实体的也可以是虚拟的。IEPU将电解制氢、可再生能源发电、甲醇/甲烷/氨合成、二氧化碳捕集等设备集成为一体，具有以下两个方面的优点：一是以电解制氢装置作为可控负荷，通过与火电、水电等可调机组联合运行，在单元内部各子系统协同优化的同时，实现与电网互动，成为具有高灵活性的虚拟发电单元，为高比例新能源电力系统应对长周期能源供需不平衡提供灵活性支撑；二是通过二氧化碳直接与氢气合成，生产甲烷、甲醇等便于存储、运输的绿色燃料或作为重要化工原料产品，一方面可规避大规模二氧化碳捕集后压缩及封存的高额成本投入，另一方面借助合理可行的产品收益模式，有利于火电企业推广应用二氧化碳捕集与利用技术，在促进火电行业碳减排及转型发展的同时，所生产的氢气本身及与二氧化碳、氮气合成生成的绿色燃料化工原料产品，也可为能源相关领域化石燃料和原料替代提供一定的来源补充。综合能源生产单元解决方案与数字化智能化技术相结合，可构成未来能源供应侧的智慧型基本单元，与预想的能源消费侧智慧型基本单元一起，组成未来新型电力系统能源生产消费的基础单元结构，可能对电网的储能需求、灵活性供应及调控模式产生重要影响。该发展模式的实现将会促进能源领域不同行业之间的融合，对此需要体制机制的突破和创新。编辑：吴苏灵校对：高慧君

　　 　　 　　 　　 　　 　　 　　 　　 　　

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