要實現碳達峰、碳中和目標，大規(guī)模、高比例發(fā)展零碳能源是必然趨勢。
以水風光為代表的零碳能源特別是風光等新能源，雖然具有清潔零碳等諸多優(yōu)勢，但也存在間歇性、波動性等短板。在構建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)大背景下，不穩(wěn)定的新能源成為主力電源，調峰就成為世界性難題。甚至有電力專家認為，一旦風光等間歇性電源成為主力，如果沒有很好的調峰手段，電網可能存在重大風險。
如何破解這一世界性難題?國家電力投資集團公司黨組書記、董事長錢智民說，國家電投給出的答案是兩個字——“融合”，即以融合為思路，源網荷儲協(xié)同互動，通過多品種能源互補的綜合智慧能源，實現電力系統(tǒng)的平衡和穩(wěn)定。
目前，國家電投已經開展了420個綜合智慧能源項目，總投資超過1310億元。近日，在該企業(yè)在北京、安徽、山東、青海等省份的試驗和示范項目進行了調查采訪。
多能融合——水光互補項目讓原本具有間歇性、波動性和隨機性的光伏電源實現平穩(wěn)并網
位于青海海南藏族自治州的龍羊峽水電站是黃河上游龍青段規(guī)劃中的第一座大型梯級電站，1976年開工建設，1989年4臺機組全部投產發(fā)電，其庫容達247億立方米，相當于1700個杭州西湖。
2013年開始，國家電投在距離龍羊峽直線距離36公里的共和縣，建設了85萬千瓦裝機的光伏電站，由此促成了全球規(guī)模最大的水光互補發(fā)電工程。
把光伏電站建在水電站旁邊，國家電投頗費了心思。
光伏發(fā)電的“軟肋”是晚上不能發(fā)電，而水電的“短腿”是存在豐枯水期變化。如何讓這兩種零碳能源優(yōu)勢互補，實現“1+1>2”?
國家電投想到的方案是“水光互補”——當太陽光照強時，多用光伏發(fā)電，水電或停用或少發(fā);當天氣不好或夜晚影響到光伏出力時，則通過控制系統(tǒng)及時調節(jié)，讓水電多出力。這樣，將水電和光伏發(fā)電“打捆”送出，可使原本具有間歇性、波動性和隨機性的光伏電源實現平穩(wěn)并網，從而降低對電網的影響。
7月23日，在龍羊峽水電站看到，前一天水電和光伏發(fā)電“打捆”送出的電量是3455萬千瓦時。國家電投黃河公司龍羊峽發(fā)電分公司黨委書記、總經理黃青剛介紹：“水輪機組的調節(jié)非常方便，只需幾秒鐘就能對光伏發(fā)電的變化作出反應。這樣就把原本間歇、隨機、功率不穩(wěn)定的‘鋸齒’形光伏電源，調整為均衡、優(yōu)質、安全的平滑穩(wěn)定電源，進而可以減少電力系統(tǒng)為吸納光伏電站發(fā)電所需的備用容量。”
在水光互補中，水電的確可以彌補夜晚光伏發(fā)電的缺口。但是，白天光伏多出力，是否會擠占水電的效益?
黃青剛說，從近幾年運行情況看，水電站送出線路的年利用小時數反而從原來的4621小時提高到5019小時，也就是說，水光“打捆”后，“蛋糕”做得更大了。即便真的出現水電出力下降，若算綜合效益，仍然劃算。比如龍羊峽水庫，目前發(fā)電的重要性只排第四位，排在前三位的是防洪、防凌和供水。少發(fā)電就意味著多蓄水，這對于缺水的西北地區(qū)尤為重要。
不只是水光互補，新的美好藍圖正在鋪展——“十四五”規(guī)劃綱要提出“建設一批多能互補的清潔能源基地”，黃河上游和幾字灣也被列入大型清潔能源基地。
“離這里不遠處還有一座拉西瓦水電站!”指著下游方向，黃青剛難掩激動：“我們依托黃河上游清潔能源基地，探索構建新型電力系統(tǒng)，準備利用海拔高差建設龍羊峽清潔能源調控樞紐工程，以水電拉動新能源開發(fā)，在用電低谷時用泵把水抽上來、高峰時放水發(fā)電。依靠青海豐富的風光資源，我們有信心建成水風光儲多能互補調節(jié)中心。”
技術融合——“分布式能源+信息技術+儲能技術”讓新能源就近就地消納
如果說多能融合有望緩解新能源調峰壓力，那么，分布式能源和信息技術、儲能技術的融合，則能幫助新能源就地消納，甚至能部分化解我國新能源資源分布和負荷中心不平衡的難題。
在聞名全國的安徽鳳陽縣小崗村，一場綜合智慧能源試驗正拉開帷幕。
“屋頂免費裝上光伏板，每年能少花200多元電費，我們非常歡迎。”“大包干”帶頭人之一、今年70多歲的嚴金昌躍躍欲試。
嚴金昌家不遠處，地源熱泵為游客中心、養(yǎng)老中心等區(qū)域提供集中供熱和供冷，光伏車棚、光伏座椅、智慧路燈等設施成為小崗村的一道新風景。“未來整個項目建成后，小崗村可實現清潔能源電量全替代。”國家電投安徽小崗村綜合智慧能源有限公司總經理高陽說。
長期以來，我國新能源資源和需求一直存在逆向分布——一邊是西北部地區(qū)“風光”資源豐富、自我消納能力弱，另一邊卻是東中部地區(qū)資源稟賦有限、用電需求和減排壓力巨大。如果能在東中部地區(qū)見縫插針、就近就地挖掘分布式新能源的潛力，實現自發(fā)自用，就可以減輕對長距離送電的過度依賴，緩解新能源送出壓力。
不過，分布式能源大量接入，同樣會給電力系統(tǒng)穩(wěn)定帶來挑戰(zhàn)。打個比方，過去電網像一艘巨輪，以后分布式電源多了，可能就是無數艘小噸位貨船、小船和巨輪共同組成船隊，彼此之間的協(xié)調配合就顯得特別重要。于是，能源與互聯(lián)網、大數據甚至物聯(lián)網等新技術的融合需求也浮出水面。
“10點，4847千瓦;12點，14541千瓦;18點，43623千瓦……”在小崗村“天樞一號”綜合智慧能源管控與服務平臺上，一條波動的光伏日預測曲線，輕點鼠標，還能切換到用電負荷、冷熱負荷等預測曲線。
“基于歷史數據和氣象信息，這個‘智慧大腦’能夠預測用戶用能需求，并在多種能源之間進行優(yōu)化配置、削峰填谷。比如光伏出力小了，可以讓生物質能補上。這就相當于將點多面廣、隨機多變的分布式電源，‘打捆’成相對平穩(wěn)、出力可控的成片電源，從而增強了新能源的穩(wěn)定性。”高陽說。
分布式能源雖然前景廣闊，但要真正實現自發(fā)自用，甚至最終做到離網運行，還有賴于儲能技術的突破。目前，全球儲能技術中最主流的技術路線是抽水蓄能和電化學儲能，而用富余的“風光”電制氫，甚至利用峰谷電差儲熱、儲冷，同樣大有可為。
在位于北京昌平區(qū)的寶之谷國際會議中心，園區(qū)西側矗立著一個10余米高的大罐子，這是國家電投自主研發(fā)的“冷熱雙蓄水罐”。幾米外，還有一個長近4米、寬2.5米的“集裝箱”，這是儲能的又一種形式——超威鈉鹽電池儲能系統(tǒng)，年儲電量可達33萬千瓦時，利用峰谷價差，每年可節(jié)省用電成本35萬多元。中電智慧綜合能源服務有限公司總經理張越說，去年他們拆掉了3臺燃氣鍋爐，改成利用夜間谷電時段進行制熱或制冷，白天高峰電價時段放熱或放冷，再配合上空氣源熱泵、污水源熱泵等設備，“每年可減少燃燒天然氣80萬立方米，換算下來每年可節(jié)省資金約280萬元。”
跨界融合——參與城市供暖和海水淡化，傳統(tǒng)電站定位悄然轉變
新能源異軍突起的同時，火電站等傳統(tǒng)發(fā)電企業(yè)的地位難免有所下降。近年來，一些省份的火電、核電機組已出現降功率運行的情況。資本密集的火電、核電等企業(yè)能否成功適應新趨勢，既關乎自身發(fā)展，也事關我國能否順利構建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)。
山東半島東南部的海濱小城海陽市，三面環(huán)海的岬角頂端，兩座雪白的“大圓罐”十分惹眼。這是海陽核電一期1、2號機組的核島。在這里，反應堆把水加熱，產生大量高溫蒸汽，驅動汽輪機發(fā)電。目前，這兩臺世界最先進的第三代核電機組已累計發(fā)電超過570億千瓦時。
讓國家電投山東核電有限公司董事長吳放津津樂道的，除了先進的核電機組，還有從核電常規(guī)島延伸出的兩條白色管道。
“這兩條管道不是用來輸電的，而是向城區(qū)供熱。”海陽核電設計管理處工程師劉憲嶺解釋，管道一頭連著核電廠內供熱首站，另一頭連著廠外熱力公司。在核電廠內，從核電機組抽出的高溫蒸汽將管道中的水加熱到120攝氏度。隨后，熱水被輸送到熱力公司換熱總站，釋放熱量后再返回電廠，如此循環(huán)往復，實現源源不斷的熱量輸出。
為啥一座世界最先進的核電站干上了城市供暖的營生?“目前，核電站年發(fā)電小時還不錯，但未來我們這樣的核電站也存在給新能源發(fā)電讓路的壓力，因此必須居安思危，不能只做發(fā)電這一篇文章。”吳放說，他們想到的第二篇文章，是和電關系最緊密的“熱”。
任何電廠都有大量余熱，把余熱利用起來就會提高效益。“核電站實際熱效率比最先進的火電機組要低10個百分點，只有36.7%。把核電的熱直接拿出一部分來供暖，可以提高核電的熱效率，綜合效益更高。而且，減少余熱排放還有利于海洋生態(tài)保護，可謂一舉多得。”吳放說。
對海陽市來說，核電供熱也能帶來減碳紅利。
“以前靠鍋爐供暖，燒煤鍋爐房里黑乎乎的。”站在已經停運的5層樓高大鍋爐前，豐源熱力臨港分公司經理潘世偉細數起燒煤供暖的種種不便：“一不環(huán)保，二不經濟，三不省心。燃煤鍋爐故障率高，還要請工人24小時三班倒上煤，冬季光是臨時招工就得20人。”
如今，在鍋爐房隔壁，一座潔白小巧的板式換熱器解決了各種問題。據測算，海陽實現全市核電供暖后，每個采暖季可節(jié)約原煤10萬噸，減排二氧化碳18萬噸、煙塵691噸、二氧化硫1188噸，相當于種植1000公頃闊葉林。“今年冬天，海陽將成為全國首個零碳供暖城市。”吳放說。
“水熱同產”，是吳放他們“跨界”的第三篇文章。
“海水淡化要消耗大量熱能或電能，我們與清華大學共同研發(fā)了‘水熱同產’裝置，利用核電站的高溫蒸汽嘗試海水淡化。”海陽核電設計管理處工程師張真說，經過檢測，淡水品質很高，可直接飲用，且生產用能全部來自供熱蒸汽，不額外耗能，實現了在零碳供熱的同時零能耗制水，“山東半島一些地區(qū)較為缺水，未來大規(guī)模應用的前景廣闊。”
推進融合——尋求共贏，讓“有錢的少花錢、沒錢的不花錢”
采訪中，錢智民講述了讓他印象深刻的一個故事：幾年前，企業(yè)想給青海三江源地區(qū)的牧民安裝光伏發(fā)電設備，讓他們可以用電做飯取暖?？赡撩駛兊姆e極性并不高：“撿牛糞燒飯一分錢都不要，安裝光伏還要花錢。”
錢智民從中敏銳地感覺到，推進融合發(fā)展，就必須找到多方共贏的路徑，讓“有錢的少花錢、讓沒錢的不花錢”，讓原來想解決、解決不了的問題找到新的解決方法，這樣，融合“大戲”才能唱成、唱好。
“小崗村最頭疼的事是啥?”小崗村項目開工前，國家電投安徽公司提出的第一個問題，不是要不要建光伏屋頂、智慧路燈，這讓小崗村黨委副書記、村委會主任周群之馬上有了興趣：“秸稈焚燒是最讓我們頭痛的事情，你們能幫助解決?”
原來，小崗村每年有近3萬噸秸稈需要處理，因為環(huán)保要求，不能一燒了之。于是，要么深耕掩埋，但每畝成本需要30元至50元;要么送到15公里外的電廠，運輸又不方便。“我們曾對不燒秸稈的村民出臺了獎勵政策，但有村民說，‘你別給我錢，幫我把秸稈弄走就行’。”周群之說。
針對這一痛點，國家電投在綜合智慧能源項目中規(guī)劃了一條2萬噸的秸稈綜合利用生產線，充分利用當地的秸稈、垃圾、糞便等生物質廢棄物發(fā)電，實現了變廢為寶。
綜合智慧能源項目的探索，還為小崗村的產業(yè)發(fā)展帶來了更多可能。在小崗村改革大道西側的農光互補項目，只見一間小房子正在“生產”植物。沒有土壤、沒有化肥，綠油油的生菜正在一層層白色栽培板中茁壯成長……
“我們打算利用光伏電源，開展水培蔬菜生產，不僅生長速度比室外快，而且能夠大大減少對土地的占用。”高陽說，下一步他們還準備在光伏板下種植黑豆或洋姜，幫助小崗村興產業(yè)、增收入。據了解，農光互補、屋頂光伏、秸稈綜合利用等項目每年預計能給小崗村村集體、村民增收約530萬元。
在距離小崗村2000多公里的青海塔拉灘生態(tài)光伏園里，一群綿羊在悠閑地吃草。41歲的馬漢臺村牧民向占魁每天騎著摩托車放養(yǎng)“光伏羊”，每月能有3000元收入。
“光伏板能夠降低風速和水分蒸發(fā)量，非常適合草的生長。因此過去的戈壁灘，現在長出了綠草。但是，草太長了會影響發(fā)電，還有火災隱患。后來我們干脆養(yǎng)羊來‘除草’，結果卻創(chuàng)造了一個產業(yè)。”光伏園負責人吳世鵬說。現在，這片600多平方公里的土地上已經放養(yǎng)了5000多只羊，為向占魁等十幾戶牧民帶來了實實在在的收入。
未來，如何全面推進融合發(fā)展?錢智民認為，關鍵要從小崗村、寶之谷等綜合智慧能源示范項目的探索中，找到技術路徑和商業(yè)模式。
“特別是商業(yè)模式，以往電力企業(yè)不太注重，大家認為反正就是建一個電廠，投資幾十億元、上百億元，建好后發(fā)電就行了，還要啥商業(yè)模式。但融合發(fā)展要兼顧多種利益，探索出讓各參與方都受益、都有積極性的商業(yè)模式。”錢智民說，國家電投將在水火核風光氣等產業(yè)融合發(fā)展基礎上，積極與供給側、用戶側以及農業(yè)、交通運輸、建筑冶金等進行跨界式“大融合”發(fā)展，爭取繼續(xù)領跑。
“融”出能源應用新篇章(手記)
實現碳達峰、碳中和，意義重大，任務艱巨。我國發(fā)電行業(yè)龍頭企業(yè)之一的國家電投主動作為、積極探索，以多維度、深層次的融合發(fā)展思路，力爭為我國未來能源應用場景樹立樣板。
融合，必登高望遠。只有堅持高起點、高標準、高定位，著眼長遠、系統(tǒng)謀劃、整體設計，才能更好打破舊格局、開創(chuàng)新局面。長期以來，我國電力系統(tǒng)運行中源網荷儲條塊分明，而國家電投建設的水光互補光伏電站將水電和光伏發(fā)電“打捆”送出，成功實現平穩(wěn)并網、綜合效益多贏，這正是融合帶來的好處。
融合，要破舊立新。構建新型電力系統(tǒng)的融合之路沒有現成經驗可循，如何融合、與誰融合都需一步步探索。從小崗村的綜合智慧能源網到戈壁荒灘上光伏產業(yè)園的“光伏羊”，再到核電站輸送能源的首個零碳濱海新城……國家電投的“清潔能源+”融合實踐探索出了新思路，也帶動了新技術新產業(yè)發(fā)展，讓人看到了廣闊前景。
融合，靠眾人拾柴。實現碳達峰、碳中和，面臨諸多挑戰(zhàn)，靠各自為戰(zhàn)、單槍匹馬不可能成功，需要更多方面相互借力、齊心協(xié)力，共同下好一盤棋。從中央到地方、從政府部門到相關企業(yè)，有關方面都行動起來，才能最終建立以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)，既滿足全社會用能需求，又守護好祖國碧水藍天。
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