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构建新一代能源系统的设想 周孝信

更新时间:2016-12-27 16:03:16
构建新一代能源系统的设想,首先说一下能源革命和电网使命的变化。这个能源革命大家都知道,习主席在去年提出了能源革命的几个重要的观点。
    我的理解以可再生能源逐步替代花生能源,实现可再生能源和核能在清洁能源在一次生产和消费中占更大的份额,建立可持续发展的能源系统,是这个新能源革命主要的目标。
    在这个新能源革命的条件下,我们的电网面临着新的使命,或者说电网的任务发生了很大的变化,有这么几点。
    一点是电网将成为大规模新能源电力传输和分配的网络,第二点和分布式的电源、储能装置、能源综合高效利用系统有机融合,成为灵活、高效的智能能源网络,我们的电网要扩展,智能电网变成一个智能的能源网。第三点具有极高的供电可靠性或者功能的可靠性,基本排除大面积停电的风险。第四点是和信息通信系统广泛融合,建成能源电力、信息综合的一个服务体系,这是一个电网使命的变化。
    根据这样一个电网使命的变化,回顾一下电网的发展历史,可以分成三代,考察了国内外发展的情况,所谓第一代电网就是上个世纪初到50年代,它的特点是小机组,小电网这么一个特征。所谓第二代电网就是二次世界大战以后,这50年发展了规模经济,大规模的电网,大的机组,超高压输电,这是规模经济的一个时代。所谓第三代电网就是在新的能源革命条件下,在环境问题和能源问题出现了一些以前没有预料到的情况下,电网的转型,就是第三代电网,我提到清洁能源发电是占一个很大的比例,不同的国家,不同的情况。当时我们想中国60%以上,现在看来超过这个数了。还有骨干电源和分布式电源要结合的,另外大型主干电网和局域的相结合,其他的特点不说了。
    所谓第三代电网是一二代电网的传承和发展,支持大规模电力,大幅度降低安全风险,广泛重合信息通信系统,使电网的可持续化发展阶段。智能电网,未来电网,新一代电网,下一代电网,各种各样的说法,按我的说法就是第三代电网,从历史角度来看。
    目前处在从第二代电网向第三代电网的过渡阶段,这个阶段多长,我们当时认为50年。今天的题目是从第三代电网到新一代能源系统,这个是什么意思,这个也是驱动力,就是当前我国能源电力发展面临诸多重大的挑战,最近几年挑战更加严峻。
    我国2014年碳排放占全球总量29%,位居第一,化石燃料污染造成的雾霾现象严重,急需大规模、高比例开发利用可再生能源。我们以前设想的比例,可能要超过了。2014年底我国风电和太阳能发电并网装机达到12.亿千瓦,总发电量占3.2%,仍然难担大任。总体能源利用效率低下,综合能源效率不足40%,我们急需大幅度提高能源综合利用效率,来减少能源消耗的总量,这是很重要一个事情。电网承受波动性可再生能源电力的能力受限,2014年全国平均气风率8%,三北地区都存在不同地区的气风现象,对大规模、高比例风电、光电的等可再生能源的消纳问题仍然未找到有效的解决途径,需要采取新的综合解决方案,我个人认为是光靠电网解决是困难的,要综合解决。
    习主席于2014年提出推动能源消费供给技术和体制四大革命和全方位加强国际合作长期发展的战略,中国政府庄严承诺在2030年左右二氧化碳排放达到峰值并努力早日达峰。2013年前硅化石能源比一次能源消费比重提高到20%左右,这是我们中国政府的承诺,今年年底要开气候大会,是个什么情况,正在讨论呢。因此在我国建立新一代能源可以包括电力系统,是践行能源革命、确保能源安全、应对全球气候变化和实现政府重任的重要举措。
    现在说一下什么叫新一代能源系统,是以电力为中心、以电网为主干的,各种一次、二次能源的生产、传输、使用、存储和转换装置,以及它们的信息、通信、控制和保护装置直接或间接连接的网络化物理系统。
    构建新一代能源系统的目标是最大限度开发利用可再生能源,最大幅度提高能源综合利用效率两大目标。新一代能源系统是新形势下第三代电网的概念向综合能源系统的一个扩展。
    与传统能源系统比较,新一代能源系统的主要特征是这么几个特征,一个实现可再生能源优先,因地制宜多元能源结构,第二集中分布并举、相互协同的可靠能源生产和供应模式,第三个各类能源综合利用,工序互动、节约高效的用能方式。第四个面向全社会的平台性、商业兴和用户的服务性。
    这是问题,建立以电力为中心,电网为主干新一代能源系统需要克服我国长期存在的各类能源计划单列、条块分割,缺乏有效的能源市场配置等系统性缺陷。我认为现在是个系统性缺陷,是难以实现的,但是应该借助现在的改革,电力改革,能源改革,来重新配置我们的资源。
    当然有些重大的科学工程技术问题,包括源端、受端和传输等等,源端特别是我国西部,大规模可再生能源的生产、存储、转换、消费整个链条中的系统科学,没有转换综合利用的科学和相关工程科学技术。受端,各类分布式能源、储存和需求消费中实现高效、互补、综合利用链条中的系统科学和相关工程科学技术。传输,以电网为主干的新型输电、输能方式,和网络构建的系统科学和新型输电方式统称科学技术。
    下面谈一下源端能源电力系统,包括西电东送估算,构建西部的输电网,直流输电网,还有源端综合能源利用等等。这个是我们前一段做的一个课题,预测一下未来的发展,是以人均用电量的增长作为一个坐标,来看其他能源的发展,人均用电量从目前四千千瓦时继续增长,增长到六千、八千到一万,有这个可能性,反正这个坐标是这么画的,这样的情况下有清洁能源的限制,希望能够60%、70%,这样的情况下全国的电量是怎样的情况,这是发电总容量,这是总电量,从目前的5万亿一直往上张,涨到大概12万亿左右。这个是清洁能源的百分比,是从目前25%左右一直涨到60%到70%,这个是可再生能源占多少,20%左右,增长到50%,是这么一个趋势。
    年代是可以滑动的,这是13年的数,20年、30年、50年,是这样一个比例,我们很难精确预测这个年代。但是人均电量是可以预测的,这个是准的,到多少就是多少。这个是西电东送的估计,电力大概是4.5亿左右千瓦,总的电量是两万亿,算到2050年的情况是这样的。这个是它发展的情况,不细说了。
    根据这样一个情况,我们是要在西部提出西电东送的方案,两个方案,一个是用目前的端对端直流输电,另外一个在西部形成一个网,是用直流输电构成的,我们目前来说正在进行一些研究,看看有没有这个可行性。从分析来讲还是有很多好处,可以实现西部的风电,太阳能、水电等等这些可再生能源相互之间的协调,相互之间的补充、配合,送到东部的输电的利用率就可以很高,否则刚才的方案很难适应环境情况的变化,还有稳定性的问题等等。
    希望说了,要靠我们电网来解决西部大规模的风电、太阳能和水电的输送,这个是有一定的困难,要搞源端的综合能源系统,弃风和光做氢和天然气,和燃气管网配合起来,这样就能够很好的利用,同时转化成其他能源的形式,也是很好储能的方式。现在正在做的一些想法,我觉得非常好,风电、煤电、电解铝综合的系统在源端或者在内蒙他们正在做,还有风电、光电、储能、储热,供电的综合系统,这个系统也是在做,做类似的工程,在西部,比如在青海的一些地方做这个事情,就综合解决来解决能源的充分利用。
    受端的综合能源系统不说了,把供电、供气、供热、供冷这些系统要统一规划设计,协调优化运行,提高能源综合利用效率,这个潜力还是很大的,这个和电网配合。
    下面说一下以互联网思维审视电力系统,大家谈很多能源互联网,我还是看看我们传统的电力系统,我认为它具有网络化的基本特征,因为电源结构是分散的,网络连到千家万户本身就是网络化的特征,我们并不需要这个电从哪家电厂生产的,就是从网上取电,这是计算机信息系统多年奋斗才能实现的理想,之前说跟我们学习,计算机没有这样一个网络,那个时候互联网刚刚开始的时候,科学计算叫大规模科学计算,他们去用网格,把大的计算机资源,用网络连接起来,当然后来就出来了互联网、云计算,他们说是跟你们电网学的。
    但是我们还有很多我们的问题,我们电力系统不支持多种一次、二次能源相互转化,我们集中统一管理调动控制系统不适应大规模分布式的发电以及用电,传统的电力系统功能也不适应分散化的用户等等,能源互联网谈的很多事我们还不能适应。以互联网思维建设改造传统电力系统,这是我提出的三个层次,一个层次多能源互联互通,提高一次和二次能源综合利用效率,这也是新一代能源系统的目标。借鉴互联网机器扩展的网络技术,能源路由器、大数据,特别是分布式可再生能源,为用户提供支持。这个是互联网的一些思维改造我们传统的电力系统,特别配电系统,有一些新的思路,也发出新的装置,包括电力装置等各种装置的应用,这个我们都是可以做的。
    第三个层次,就是催生能源生产消费服务的新业态和商业模式,这个是我们过去很少考虑的,互联网的企业很多的宣传都是在商业模式上,在服务模式上下工夫,我们搞能源的,搞电的要学习,我们也要来改造我们传统电力系统,这个是三个层次的问题。
    新一代能源系统的核心目标是最大限度开发利用可再生能源,最大幅度提高能源综合利用效率,新一代能源系统应以电力为中心,电力以智能电网为主干,涵盖三个智能能源网络,传统电力系统具有典型的互联网特征,与信息、互联网进一步广泛融合,以互联网思维改造传统电力系统,是构建新一代能源系统的关键步骤。构建新一代能源系统需要大力推进我国能源和电力体系改革,克服我国长期存在各类问题。