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中国工程院院士黄其励:以氢电耦合为支撑 加快构建新型能源体系

 更新时间:2023-08-31    点击量:398

人物简介:
黄其励,中国工程院院士,蒸汽工程领域著名专家,教授级高级工程师,博士生导师。现任国家电网有限公司一级顾问,兼任国家能源集团电力领域科学家、北京师范大学国家安全与应急管理学院战略发展委员会副主任。中国电机工程学会会士、科普委员会主任委员、标准化委员会副主任委员,中国电动车充电基础设施促进联盟专家委员会委员,中国科学技术协会全国蒸汽工程学科科学传播专家,长期从事燃烧领域科学技术研究、工程应用和电力企业的技术管理等工作。在燃煤清洁高效发电、可再生能源发电、节能环保和能源发展战略研究等领域做出重要贡献。主持实施90余项重大技术改造项目、主持或参加60 余项国家能源发展战略研究。获国家科技进步奖两项、省部级科技进步奖二十余项、第十三届光华工程科技奖,发表技术论文70余篇,参编技术著作5部,主编或主持出版科普著作若干。

当前,积极应对气候变化、推动绿色低碳发展成为全球共识。随着新一轮科技革命和产业革命深入发展,能源电力系统的安全高效、绿色低碳转型及数字化智能化技术创新已成为全球发展趋势。党的二十报告就深入推进能源革命、加快构建新型能源体系、确保能源安全等作出明确部署。

随着新能源的高速发展,新能源渗透率上升对电力系统安全稳定运行提出了众多技术上、体制机制上的新挑战,电力发输配用系统的传统逻辑也迎来变革。近日,中国工程院院士、国家电网有限公司一级顾问、国家能源集团电力领域科学家黄其励围绕能源生产消费利用场景的变化趋势、电力系统发展的新方向、氢能的角色定位和发展,系统阐述了关于新型电力系统建设的关键问题与破题路径。

电力发展成果丰硕但仍任重而道远

黄其励表示,近年来,我国电力发展呈现出四大向好迹象:一是电力供应保障能力稳步增强,二是电力绿色低碳转型不断加速,三是电力技术创新水平持续提升,四是电力体制改革攻坚成效突出。尽管成果丰硕,但黄其励也表示,与西方发达国家碳达峰碳中和窗口期较长不同,我国碳达峰碳中和时间短、任务重,我国还处在迈向第二个百年奋斗目标新征程中基本实现社会主义现代化的个阶段,经济发展与能源发展仍未脱钩,诸多系统性、“卡脖子"难题还有待攻克。

,新能源发展面临多重挑战。长期以来,我国电源结构以煤电为主,灵活调节电源不足,需加强灵活调节电源和储能设施建设,发挥负荷侧调节潜力,在新能源发电快速发展形势下,要提升电力系统的安全性、灵活性,以确保支撑能源电力低碳转型。尤其是西部、北部、西南部新能源集中开发、远距离大规模输送,对电网安全稳定运行提出更高要求,东中部分布式电源快速发展,需要进一步提升配电网智能化水平和承载能力。“过去我们电力装机主体是相对稳定、可调的煤电和水电,未来将转向以不稳定的新能源为主;过去是发输配用瞬时平衡的刚性平衡电网,未来将转向能源生产和消费双向转化的柔性多元电网;电网的结构形态也将从逐级升压逐级降压、单向潮流为主的传统电网,转向交直流混联、微电网、局部电网、用户可调负荷等兼具各种新负荷特性的综合性电网。"黄其励指出。

第二,能效水平亟待提高。目前,我国能源利用方式比较粗放,能源效率偏低。我国单位GDP能耗是全球平均水平的1.4倍,发达国家的3~4倍,能源科学消费和碳排放“双降",还有较大提效空间。亟待树牢节能提效是“能源"理念,加快形成科学合理、简约适度、绿色低碳的生产生活方式,培育绿色、健康消费习惯,增强全社会节能意识。

第三,科技创新能力亟须增强。随着能源转型深入推进,电力系统技术创新进入“无人区",许多传统理论将出现革命性变化,诸多技术创新没有现成的经验可以借鉴。基础研究能力仍存在近、中、长期短板,建设新型电力系统的理论创新、技术突破、基础材料、元器件、软件等方面存在不足。黄其励指出:“电力系统不论是在基础理论、工程技术还是平衡特性上,都会出现巨大的变化和挑战,我们需要进一步加大力度,从技术研究到工程应用,努力深化创新,提供完整可行的解决方案。"

“三化五新"成为电力发展新特征

实现“双碳"目标,能源是主战场,电力是主力军,电网是头兵。近期,国家能源局发布《新型电力系统发展蓝皮书》,全面阐述了新型电力系统的内涵特征、发展路径。《蓝皮书》指出,新型电力系统是新型能源体系的重要组成和实现“双碳"目标的关键载体。那么新型电力系统,到底“新"在哪里?

黄其励将新型电力系统的“新"总结为“三化五新":能源生产加速清洁化、能源消费高度电气化、能源利用高效化,电源出现新结构、负荷出现新特性、电网出现新形态、技术出现新基础、运行出现新特性。

“三化"意味着能源生产、消费、利用场景均出现变革——能源生产方面,能源主体调整带来电源主体的变化,电源从以可控常规电源为主体,逐步转换为以随机性“靠天吃饭"的新能源为主体,引起电力系统运行特性改变;能源消费方面,能源深度脱碳使电能成为能源主体,带来社会生产生活用能方式转变,终端用能方式向电气化、智能化发展;能源利用方面,能源转化及利用效率需要提升,以电为枢纽的能源资源配置方式将进一步提升和加强,涉及到网络资源及模式匹配的变革。

“五新"是指电源新结构、负荷新特性、电网新形态、技术新基础、运行新特性——一是电源结构由连续可控出力的煤电占主导,向强不确定性、弱电网友好型的新能源发电占比大幅度提升转变;二是负荷特性由传统的刚性、单向、发--用瞬时平衡型,向柔性、多元以及生产与消费柔性互动、多元以及生产与消费双向型转变;三是电网形态由单向、逐级升/降压输电为主的刚性传统电网,向包括交直流混联大电网、微电网、局部直流电网和可调节负荷的能源互联网转变;四是技术基础由同步发电机为主导的机械电磁系统,向由电力电子设备和同步机共同主导的混合系统转变;五是运行特性由源随荷动的实时平衡、大电网一体化控制模式,向源网荷储协同互动的非实时平衡大电网与分布式微电网协同控制模式转变。

“新型电力系统以满足经济社会高质量发展的电力需求为首要目标,以高比例新能源供给消纳体系为主线,以源网荷储多元协同灵活互动为任务,以坚强智能柔性电网为核心平台,以技术创新和体制机制创新为基础,新型电力系统是我国实现中国式现代化的关键。"黄其励总结道。

氢能全面发展关键在于降低成本

随着具有随机、波动、弱可控特征的新能源在电力系统中的渗透率逐步攀升,新型电力系统调节能力不足的矛盾愈发突出。目前,抽水蓄能等常规储能所占比例尚不高,电化学储能、压缩空气等新型储能方式刚刚起步,只能满足小时级、跨日的短期储能需求。受温室气体排放和厄尔尼诺现象影响,全球气温飙升、异常气候模式出现,比如“极热无风"以及绵长的雨季,复杂气候对新能源发电出力影响加大。电力系统急需寻找能够满足跨周乃至跨季需要的长周期储能介质,降低供电成本,提高电力系统调节能力和吸纳能力,而氢能或许就是解题的密钥。

“氢能可作为各类能源之间的桥梁,与化石能源和可再生能源实现双向联动,通过平抑、吸纳新能源的波动,以及部分替代化石能源,提高清洁能源在能源结构中的占比,助力新型能源系统的安全保障。"黄其励介绍道。他还指出,氢能属于技术密集的高科技行业,行业链条长、关联产业多,从制氢、储氢到用氢环节多,关键在于实现氢能产业核心技术、关键设备、重要原材料的自主化和降本增效。

成本始终是氢能应用推广需要突破的门槛。以氢能产业下游环节为例,三年前,国内氢燃料电池系统的报价约为6000/千瓦,而今年,价格已降至原来的一半,且系统质量也有所提升。黄其励说:“我国燃料电池产品功率已经达到了200千瓦,部分产品达到250千瓦~300千瓦,使用寿命可以达到20000小时,系统成本2000~3000/千瓦,具有一定的竞争力。将来我们需要更大的规模、更低的成本、更好的经济性和环保性,促进氢能产业技术发展。"

展望未来,一方面,氢能在新型电力系统中可以起到支撑和调节的作用,另一方面,氢能未来可以成为国家能源体系的重要组成部分。黄其励将新能源和氢能比作一对情侣,两者在促进对方发展的同时,自身也得到了发展。他建议在两者的发展上加强技术研发、努力协同创新、推进产业示范、完善标准管理。

“氢电耦合未来有三个方向,‘电—氢’、‘氢—电’和‘电—氢—电’双向,这对‘恋人’永远手牵手在一起。"黄其励表示。

种方向是需求侧“电—氢"单向氢电耦合的应用,以绿色氢能为燃料,为氢能车、重卡车和河流船舶提供动力。西北、东北、东南、中南地区都在推动氢能重卡等工具车的示范应用。根据中国氢能联盟研究院预测,到2030年交通用氢折算用电量约1650亿千瓦时,对应的电解槽装机4000万千瓦。在需求侧的工业场景,将绿色氢能作为原料,去替代灰氢和煤炭的工业应用。未来可围绕大型化工基地和冶金工厂开展应用,以鄂尔多斯、宁东、榆林等大型能源化工基地和河北、山东、江苏钢铁生产基地为核心进行应用。

电源侧“电—氢"的单向氢电耦合应用也具有现实意义。在应用模式上,是“新能源-电力-氢能"的单向转化,在新能源出力高峰时期进行转化存储。从规模能力上看,根据中国氢能联盟研究院预测,2030年我国具备电解槽8000~1亿千瓦的装机;至2060年具备电解槽5亿~8亿千瓦。

第二种方向是“氢—电"单向氢电耦合应用,应用模式是通过氢能电站协同掺氢/纯氢燃气轮机,在负荷高峰时提供作用。欧美国家应急电源以天然气发电为主,天然气发电调峰能力强、灵活机动,但我国属于“贫气"的国家,氢能则是天然气的“平替"乃至“上位替代品"。在规模能力上,随着技术成熟和产业规模化发展,氢储能参与发电将在中远期具备一定的市场空间。

第三种方向是“电—氢—电"双向氢电耦合应用。在应用模式上,在新能源大发或用电低谷时制氢,在用电高峰或新能源不足时利用氢能发电上网。氢能及其衍生品有作用周期长、规模大的优势,可成为抽水蓄能、电化学储能等储能技术的有效补充,联合配置,推动各类储能技术的协同发展。

最后,黄其励呼吁以氢电耦合为支撑,加快构建新型能源体系。新型电力系统是新型能源体系的重要组成部分,我们要深刻理解把握构建新型电力系统的价值判断和方法,分三步走,通过加速转型期(当前至 2030) 、总体形成期(2030 年至2045 ) 、巩固完善期 (2045年至 2060 ),向着碳达峰碳中和目标稳步迈进。虽任重道远,但务期必成,唤起工农千百万,同心干。


文章来源于电联新媒,作者邓卓昆
注:已获得转载权

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