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我国能源转型过程中,需要攻克的技术瓶颈有哪些?

作者:杨晓冉   来源:中国能源报   时间:2023-05-15

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4月27日,由中电联与国家电网公司等共同主办的首届电力行业科技创新大会在北京召开。当前我国能源电力产业发展迅速,转型步调稳健,可再生能源装机量不断增长。与此同时,我国目前仍以化石能源消费为主的现状以及未来电力系统大量接入新能源,为能源电力转型发展带来新挑战,仍需各类科技创新持续助力。

新能源产业发展迅猛

国家能源局总工程师向海平用一组数据介绍我国近年在电力安全保供能力及绿色低碳转型方面的“成绩单”:截至2022年底,我国电力装机规模达到25.6亿千瓦,发电量8.8万亿千瓦时,均稳居世界第一。过去十年,我国非化石能源消费比重提高7.8%,其中2022年非化石能源发电装机占比49.6%,特别是风电、太阳能发电快速发展,年发电量首超1万亿千瓦时,相当于10个三峡电站的发电量。

具体到新能源产业,我国风电、光伏发电装机容量居全球第一。“2021年,风电装机约3.3亿千瓦,发电量6526亿千瓦时,占比7.7%;光伏发电装机3.1亿千瓦,发电量占比3.8%,风、光总发电量占比11.5%。”中国工程院院士汤广福指出,我国新能源发展快空间大,但相对值较低。

汤广福进一步分析,从水电和核电看,常规水电开发量达6.9亿千瓦,装机容量3.5亿千瓦,约占我国总装机的14.9%,发电量占比为7%;核电总装机容量0.53亿千瓦,约占全国总装机的2.2%。

“目前我国储能装机容量达4600万千瓦,占全球总装机的22%,其中化学储能装机占比为12.5%;氢能产量居世界首位,但绿氢占比仍然较低,其中天然气和煤制氢占80%。预期2030年,氢能的终端消费比达到5%,2050年达到10%。”汤广福介绍。

目前我国已建成横跨东西、纵贯南北、覆盖全国、连通周边有关国家的能源基础设施输送网络,“西电东送”能力超3亿千瓦,比2012年增长1.6倍。

转型仍面临多重挑战

基于当前我国化石能源的生产和消费情况,汤广福指出,要清醒认识到化石能源仍是消费主体的现实。他表示,我国能源转型仍面临几大挑战,“首先,如何发挥煤炭兜底保障作用。2060年我国煤电装机大约达7亿千瓦,这部分机组如何变成新型灵活性机组是个问题;其次,要找寻并开发油气战略性接替资源,我国目前在非常规油气开发、深井设备、核心技术以及海上油气开发相关技术方面都还有瓶颈。”

中国科学院工程热物理研究所副所长吕清刚也认为,能源转型要着重考虑可再生能源大量接入后系统所需的灵活调峰资源。“平抑可再生能源波动性和稳定需求之间的矛盾是重要课题,需要调峰电源支撑,当前两大技术方向主要是储能和煤电灵活性调峰。”

吕清刚进一步指出,目前我国在物理储能和化学储能方面已与国际技术不相上下,未来应大力发展大规模、长周期、高效率、低成本的储能技术。“但同时,储能还不能完全解决现存调峰问题。未来大量可再生能源接入后系统对煤电机组调峰要求会更苛刻,所以煤电调峰改造也将面临安全、经济和效率问题。”

持续挖掘技术创新潜力

在能源转型形势下,电力行业正不断挖掘科技创新潜力。

据向海平介绍,我国新技术新模式新业态逐步培育壮大,主流储能技术总体达到世界先进水平,电化学储能、压缩空气储能技术进入商业化示范阶段。虚拟电厂、智慧能源站等各类新技术、新模式、新业态持续涌现,对能源产业发展产生深远影响。

据了解,对于新能源大量接入带来的问题,柔性直流和直流电网是实现新能源友好接入、服务构建新型电力系统的关键技术。

“新能源随机性、波动性大,与电网负荷特性不匹配,其接入电网末端会使得电网网架薄弱,加之变流器耐受能力低,还会导致系统扰动并易发生连锁脱网。而柔直电网的电压高度可控,可以自主建立稳定电压,并将电网中心搬到新能源并网点。加之其具有暂态性能好、接入范围广、并网规模大的特性,可将不同类型的能源及不同区域的机组互济互补。”国家电网公司特高压事业部副主任黄勇解释。

在科技部原秘书长张景安看来,当前数字化浪潮正促进电力行业加快数字化转型。

“随着数字电网快速发展,电力装备面临快速精准实时响应、多元化数据融合、安全可信数据传输、多样化业务协同等挑战。而伴随新型电力系统加快建设,越来越多的电力终端部署在开放环境下,电力系统网络安全边界逐渐模糊、装置运行环境苛刻,实现以甚于芯片内生安全的装备安全防护,将是未来电力工控装备的重要发展要求。”南方电网公司数字集团总经理李鹏指出,未来在网络化、数字化、智慧化的新型电力系统中,芯片是承载数字电网算力、算法、算元的关键载体,将成为建设运行数字电网的关键基础。

“南方电网公司目前已成功研制首套芯片化继电保护装置和首颗全国产电力专用芯片,形成电力专用芯片‘创新架构—高效集成—自主算法—安全可控’的原创技术链系。在配用电领域,基于‘伏羲’芯片研制全国产配电自动化终端、集中器、智能开关等装置,能够支撑装置实现实时/非实时多业方协同运行、内核级错识检测与冗余备份。”李鹏说。