構(gòu)建100%可再生能源系統(tǒng)架構(gòu)及能源轉(zhuǎn)型路徑探討

構(gòu)建100%可再生能源系統(tǒng)架構(gòu)及能源轉(zhuǎn)型路徑探討許洪華郭金東鄂春良邵桂萍2024年8月17日■系統(tǒng)、全局思維：能源系統(tǒng)最優(yōu)，全社會(huì)利益最大◆實(shí)現(xiàn)碳中和需求：◆保障能源安：能源革命巨大機(jī)遇◆大膽假設(shè)：100%可再生能源能源零碳體系能夠?qū)崿F(xiàn)上述目標(biāo)嗎?一、建立100%可再生能源體系可能嗎?二、如何構(gòu)建100%可再生能源系統(tǒng)?四、100%可再生能源如何解決季節(jié)差的問題?■2020年我國碳排放超過美國、歐盟和印度之和+工業(yè)：42%5其他工業(yè)過程建筑0我國CO?氣體排放現(xiàn)狀(2020年),單位：億噸基于2020年能源統(tǒng)計(jì)年鑒數(shù)據(jù)估算我國可再生能源資源豐富、產(chǎn)業(yè)技術(shù)領(lǐng)先■風(fēng)光資源豐富>技術(shù)可開發(fā)量超過1400億千瓦，已開發(fā)量?jī)H0.7%>可開發(fā)資源量的7%即100億千瓦就滿足能源需求>全球70%以上的光伏組件，60%的風(fēng)電裝備產(chǎn)自中國風(fēng)光已成為最便宜能源已裝機(jī)需求量7如何構(gòu)建未來能源架構(gòu)?■國際和我國的研究表明，構(gòu)建以可再生能源為主體的新型能源系統(tǒng)不僅技術(shù)可行，在經(jīng)濟(jì)上也比用化石能源更便宜aeGrospowargonarationwillalmostdoublewithrenowabenerayproviding85%ofelectriclty.ERI:中國高比例可再生能源情景：2050年IRENA:《全球能源轉(zhuǎn)型：2050路線圖》構(gòu)建以可再生能源為主體的能源系統(tǒng)對(duì)我國有利■我國可再生能源資源完全滿足需求，能源供應(yīng)更安全0鈾資源煤石油天然氣鈾資源煤石油天然氣能源資源100%可再生能源體系能夠保證能源安全嗎?√分層、分區(qū)域構(gòu)建源網(wǎng)荷一體、冷熱電聯(lián)供可再生能源系統(tǒng)，就地消納、就近協(xié)同,遠(yuǎn)距離輸送調(diào)劑的能源體系國國從資源、技術(shù)、產(chǎn)業(yè)、經(jīng)濟(jì)性、綠色可持續(xù)發(fā)展等方面來看，構(gòu)建100%可再生能源體系完全可以滿足中國未來能源需求!一、建立100%可再生能源體系可能嗎?二、如何構(gòu)建100%可再生能源系統(tǒng)?四、100%可再生能源如何解決季節(jié)差的問題?我國未來可再生能源體系架構(gòu)EnaroysystamFlexibltyModularTeChnologyandKeyEqui■風(fēng)光主導(dǎo)能源■多能互補(bǔ)、源網(wǎng)荷一體■綠電綠熱綠氫聯(lián)合驅(qū)動(dòng)■多場(chǎng)景綜合應(yīng)用■化石能源作為原料非能源利用，綠氫實(shí)現(xiàn)可再生能源系統(tǒng)的跨季節(jié)調(diào)節(jié)鑫顰游設(shè)計(jì)EneroyDesign煤炭Coal太陽能Solar高滲逝豐可再生能源核能Nuclear作為原料使用卡諾話環(huán)卡諾話環(huán)熱的一熱、電、氫Storago鋼鐵Iron高載能行業(yè)數(shù)據(jù)中心DadaConter電氫能外送縣城區(qū)域1005源100%可再與高載能耦合技術(shù)低成本綜合能源系統(tǒng)技術(shù)典型場(chǎng)景應(yīng)用示范典型場(chǎng)景應(yīng)用示范ScenariosRADTestandEvaluationPlatform,Sustai我國未來能源體系架構(gòu)可再生能源為主可再生能源為主化石能源電力系統(tǒng)不同階段不同種類能源及能源系統(tǒng)定位和作用中周科學(xué)院挑戰(zhàn)2:實(shí)現(xiàn)碳中和及轉(zhuǎn)型過程中的能源利用典型場(chǎng)景及技術(shù)經(jīng)濟(jì)性CHINESEACADEVYOF新應(yīng)用場(chǎng)景發(fā)生巨大變化系統(tǒng)運(yùn)行模式系統(tǒng)架構(gòu)多源互補(bǔ)、冷熱電聯(lián)供源網(wǎng)荷一體化能源規(guī)劃及發(fā)展路徑可再生能源為主的能源架構(gòu)體系及模塊化技術(shù)可再生能源和化石能源系統(tǒng)協(xié)同技術(shù)能源和其它領(lǐng)域融合技術(shù)挑戰(zhàn)3、如何充分挖掘煤炭"能源安全壓艙石"作用能源安全能源轉(zhuǎn)型雙碳目標(biāo)0對(duì)外依存度持續(xù)上升0—光伏(晴朗)—風(fēng)電(大風(fēng))劇烈波動(dòng)陰雨發(fā)電量?jī)H為晴朗的0數(shù)據(jù)來源：中科院工熱所數(shù)據(jù)來源：CarbonBrief已探明煤炭數(shù)據(jù)來源：國家統(tǒng)計(jì)局、懷柔國家實(shí)驗(yàn)室總體判斷煤炭占我國一次能源儲(chǔ)量的93.8%,是唯一能夠滿足緊急情況下能源需求的資源·煤炭碳排放規(guī)模巨大，碳捕集利用與封存(CCUS)技術(shù)需求強(qiáng)烈挑戰(zhàn)4:集中開發(fā)、遠(yuǎn)方消納遭遇瓶頸，分布式面臨系統(tǒng)穩(wěn)定和管理變革■遠(yuǎn)距離輸電面臨外送通道不足和跨區(qū)管理的雙重壓力■跨省區(qū)輸電成本高：大部分區(qū)域就地開發(fā)可再生能源比遠(yuǎn)距離輸送更經(jīng)濟(jì)■高滲透率分布式能源需要現(xiàn)有的電網(wǎng)及供能體系技術(shù)和管理的變革挑戰(zhàn)5:高載能行業(yè)是減碳困難戶，與可再生能源和綠氫結(jié)合需示范■高載能工業(yè)面臨降本和減碳的雙重壓力■低成本可再生能源和高載能、綠氫技術(shù)結(jié)合，有望加速實(shí)現(xiàn)我國最難減碳領(lǐng)域的碳源網(wǎng)荷一源網(wǎng)荷一體化技術(shù)自備電網(wǎng)風(fēng)電自備電網(wǎng)風(fēng)電熱電網(wǎng)②電網(wǎng)②①高滲透率風(fēng)/光源氫光電我國高載能產(chǎn)業(yè)碳排放占比示意圖可再生能源資源與高載能產(chǎn)業(yè)就地協(xié)同17/44 全應(yīng)用場(chǎng)景分析◆全場(chǎng)景分析◆區(qū)域分布和發(fā)展模式研究全場(chǎng)景邊遠(yuǎn)農(nóng)牧區(qū)大基地Largebase與高載能耦合本地消納縣域100%可再生能源通過大電網(wǎng)供能電網(wǎng)支撐的自發(fā)自用完全自給自足分布式光伏、風(fēng)電、供熱、生物質(zhì)分布式多能互補(bǔ)multi-energycomplementa海上風(fēng)電、海上光伏海上風(fēng)光海上風(fēng)光能源島無大電網(wǎng)或電網(wǎng)末端(100%可再生能源綜合供能)邊遠(yuǎn)海島典型場(chǎng)景分類18/44典型應(yīng)用場(chǎng)景研究■可再生能源和高載能產(chǎn)業(yè)結(jié)合>高比例可再生能源多能互補(bǔ)及源網(wǎng)荷儲(chǔ)一體化>鋼鐵工藝流程電熱氫耦合運(yùn)行與協(xié)同控制■縣域100%可再生能源系統(tǒng)>建設(shè)冷熱電聯(lián)供的100%可再生能源系統(tǒng)，零碳，更經(jīng)濟(jì)■鄉(xiāng)村振興邊遠(yuǎn)農(nóng)牧區(qū)>可再生能源和節(jié)能建筑結(jié)合解決用電、取暖、炊事等用能需求■大規(guī)模外送基地(西部和海上)源/儲(chǔ)源/儲(chǔ)電網(wǎng)源/荷/儲(chǔ)獨(dú)立運(yùn)行多源主動(dòng)構(gòu)網(wǎng)獨(dú)立運(yùn)行多源主動(dòng)構(gòu)網(wǎng)系統(tǒng)靈活性互動(dòng)①預(yù)測(cè)經(jīng)濟(jì)性配比能源平衡經(jīng)濟(jì)調(diào)度全流程靈活性>大基地遠(yuǎn)距離外送和在負(fù)荷附近就近開發(fā)可再生能源系統(tǒng)的成本孰高孰低■園區(qū)、建筑等典型場(chǎng)景可再生能源綜合系統(tǒng)>利用分布式可再生能源解決園區(qū)、建筑的冷熱電用能需求，實(shí)現(xiàn)區(qū)域100%可再生能源供能風(fēng)光助力唐山市鋼鐵綠色低碳轉(zhuǎn)型意義重大■唐山風(fēng)光可開發(fā)量：3770萬kW●風(fēng)資源可開發(fā)量：陸上320萬kW,海上1670萬kW■年總發(fā)電量：827億kWh■現(xiàn)有技術(shù)：2022年唐山鋼鐵電量769億kWh,100%綠電替代可節(jié)約成本229億元■純氫冶煉/電爐煉鋼技術(shù)：按1.24億噸產(chǎn)量計(jì)算年用電量3149億kWh,帶動(dòng)周邊1.9億kW風(fēng)光就地消納唐山全國(億kWh/年)風(fēng)光裝機(jī)容量(億kW)風(fēng)光總投資(萬億元)風(fēng)光年發(fā)電量(億kWh/年)2022年粗鋼產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)全國/河北/唐山鋼鐵行業(yè)需要風(fēng)光裝機(jī)測(cè)算鐵化聯(lián)產(chǎn)低碳低成本區(qū)域綜合能源系統(tǒng)示范白…白…分分…片王l片王k鐵合金生產(chǎn)工藝儲(chǔ)氫罐儲(chǔ)氫罐儲(chǔ)氫作為靈活性調(diào)節(jié)手段洗漳冷卻靜電除塵柜COz尾氣(17000Nm2/h)低漕體CO2(20萬噸/年)干*(2萬噸/年1制氫6.26萬噸/年煤氣壓縮精脫硫甲醇產(chǎn)量提升3倍助力風(fēng)光消納34裝機(jī)200萬kWCO提純裝置需棉甲即(8萬噸/年)結(jié)晶裝置乙醇(1.6T/h)眼酸甲乙面(2萬噸/年1碳圖二乙皆(5千噸/年)現(xiàn)有規(guī)劃數(shù)據(jù)中心行業(yè)綠電替代助力碳減排■“草原云谷”-內(nèi)蒙古算力核心區(qū)■經(jīng)認(rèn)定的數(shù)據(jù)中心企業(yè)參與電力多邊交易，0.29~0.30元/kWh■按100%綠電替代測(cè)算，2025年，年均電費(fèi)成本降低17.4億元，支撐風(fēng)電新增裝機(jī)■按目前30%綠電率測(cè)算綠電100%替代，到2025年，降低數(shù)據(jù)中心電耗二氧化碳排放量960萬噸/年已投運(yùn)項(xiàng)目已投運(yùn)項(xiàng)目已簽約項(xiàng)目數(shù)據(jù)中心綠電替代風(fēng)光裝機(jī)測(cè)算我國大部分縣域可以就地就近實(shí)現(xiàn)100%可再生能源，有望比現(xiàn)有的能源供應(yīng)成本明顯降低。農(nóng)牧區(qū)100%RE解決方案■總設(shè)計(jì)原則>采用100%RE解決農(nóng)牧區(qū)全部用能需求，包括取暖/炊事/照明/供暖/熱水等需求。>大電網(wǎng)覆蓋區(qū)積極發(fā)展分布式光伏項(xiàng)目，采用自發(fā)自用余電上網(wǎng)模式，確保項(xiàng)目投資收益。大電網(wǎng)未覆蓋區(qū)采用太陽能分布式發(fā)電與蓄熱型電加熱供暖相結(jié)合，加快實(shí)施示范點(diǎn)建設(shè)。>改善型方案達(dá)到我國中東部發(fā)達(dá)地區(qū)用能水平，舒適型村戶供能方案對(duì)標(biāo)發(fā)達(dá)國家用能水平>按JGJ26《嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》供暖能耗為22.6kWh/m2。按蓄熱功率1.6kW,按日加熱時(shí)長(zhǎng)3小時(shí)，日可以蓄熱4.8kWh,可以滿足連續(xù)2個(gè)陰雨天的供暖需求。農(nóng)牧區(qū)100%RE解決方案電網(wǎng)情況電網(wǎng)覆蓋區(qū)大電網(wǎng)未覆蓋區(qū)建設(shè)類型改善型舒適型改善型舒適型戶均電負(fù)荷(kW)4545供暖面積(m2)供熱負(fù)荷(kW)電熱水器功率儲(chǔ)電容量(kWh)0>本方案人均月用電量目標(biāo)：85~178kWh年用電量(kWh)改善型舒適型供熱熱水其他電器光伏發(fā)電(元/kW)蓄熱式電暖器(元/kW)電熱水器(元/臺(tái))儲(chǔ)能系統(tǒng)(元/Wh)儲(chǔ)能系統(tǒng)1次更換(元/Wh)農(nóng)牧戶建筑節(jié)能改造(萬元)5農(nóng)牧戶超低能耗建筑(萬元)農(nóng)牧區(qū)100%RE解決方案建設(shè)內(nèi)容舒適型村容量(kW)投資(萬元)容量(kW)投資(萬元)容量(kW)投資(萬元)容量(kW)投資(萬元)分布式光伏蓄熱器電暖器2626電熱水器111儲(chǔ)能系統(tǒng)kWh0000更換儲(chǔ)能電池2次0000能源系統(tǒng)投資合計(jì)改善型戶舒適型戶改善型戶舒適型戶分布式光伏4蓄熱器電暖器電熱水器儲(chǔ)能系統(tǒng)0000更換儲(chǔ)能電池2次0000能源系統(tǒng)投資合計(jì)中國科學(xué)院■能量平衡及電功率即時(shí)平衡您認(rèn)為100%RE體系最難解決的供能需求是什么?中闊科學(xué)院沙戈荒外送基地滿足碳中和需求嗎?經(jīng)濟(jì)性如何?-是電力系統(tǒng)還是能源互聯(lián)網(wǎng)：輸電還是輸氫、輸氣、輸熱-是總體的源、受和中間送端都是一個(gè)“源網(wǎng)荷儲(chǔ)”,還是簡(jiǎn)單化的就是多能互補(bǔ)的純?cè)?、高壓輸送和受端單純的?(氫、熱、氣)-系統(tǒng)最佳容量配比、一體化調(diào)度還是分離■現(xiàn)有煤電的年滿發(fā)小時(shí)數(shù)已經(jīng)到4000多小時(shí)了，還要新建煤電、外送50%煤電對(duì)嗎?CHINESEACADEMYOF中國科學(xué)院多能互補(bǔ)可再生能源外送基地需要什么樣的煤電?CHINESEACADEMYOF■是否有可能用現(xiàn)有10%的煤電裝機(jī)、20%的發(fā)電量，完全支撐同樣容量■是否有可能用現(xiàn)有10%的煤電裝機(jī)、20%的發(fā)電量，完全支撐同樣容量■10萬kW鍋爐+100萬kW發(fā)電機(jī)+10h儲(chǔ)熱■并支撐多風(fēng)光裝機(jī)30%以上，去掉電化學(xué)儲(chǔ)能煤電如何在我國能源轉(zhuǎn)型中發(fā)揮最大作用，并最終“去煤”?■抽水蓄能是國內(nèi)外公認(rèn)的最技術(shù)經(jīng)濟(jì)的調(diào)節(jié)手段■利用煤電鍋爐改造、儲(chǔ)熱調(diào)節(jié)靈活性改造比抽水蓄能技術(shù)經(jīng)濟(jì)性更好!■現(xiàn)有煤電的靈活性改造、儲(chǔ)熱靈活性改造可大規(guī)模支撐新增風(fēng)電、光伏裝機(jī)■基于卡諾循環(huán)的儲(chǔ)熱發(fā)電系統(tǒng)可完全“去煤”,并發(fā)揮類似抽蓄的作用■還有一系列增加風(fēng)、光消納的技術(shù)手段：預(yù)測(cè)、V2G、負(fù)荷響應(yīng)、源網(wǎng)荷協(xié)同等■政策機(jī)制方面的非技術(shù)手段同等重要?，F(xiàn)有的分布式光伏、分散式風(fēng)電的發(fā)展模式可持續(xù)嗎?■配電網(wǎng)支撐10%左右的農(nóng)戶農(nóng)村安裝光伏，電網(wǎng)壓力大■要把每個(gè)戶用系統(tǒng)可觀、可測(cè)、可控、可調(diào)能做到嗎?經(jīng)濟(jì)代價(jià)多大，起多大作用?■農(nóng)村屋頂光伏潛力巨大，當(dāng)?shù)責(zé)o法消納的電力一次輸送到更高電壓電網(wǎng)和更大范圍，能擴(kuò)大多少分布式光伏裝機(jī)?■有更科學(xué)經(jīng)濟(jì)的方案嗎?我國能源轉(zhuǎn)型現(xiàn)實(shí)路徑分析■煤電靈活性改造與抽蓄、燃?xì)廨啓C(jī)、新型儲(chǔ)能技術(shù)路線相比，技術(shù)成本最低■充分利用已有煤電裝機(jī)進(jìn)行靈活性改造+儲(chǔ)熱+抽蓄：可支撐風(fēng)光裝機(jī)100億千瓦容量調(diào)節(jié)范圍煤電靈活性調(diào)節(jié)20億千瓦煤電+儲(chǔ)熱深度靈活性改造40億千瓦煤電改造為不用煤的儲(chǔ)熱電池80億千瓦煤電深度靈活性改造+儲(chǔ)熱+抽蓄100億千瓦煤電支撐風(fēng)光裝機(jī)粗略測(cè)算表充分利用現(xiàn)有火電轉(zhuǎn)型的優(yōu)點(diǎn)>現(xiàn)有煤電裝機(jī)都保留，保障緊急狀況及極端氣候基本供能安全>基本不新建煤電機(jī)組>新建的主要考慮調(diào)節(jié)能力，小鍋爐+儲(chǔ)熱+大發(fā)電機(jī)>已有發(fā)電裝備及技術(shù)、人員>電網(wǎng)體系，土地>從30~100%靈活調(diào)節(jié)到100%可再生能源可分段、分別改造■和現(xiàn)有電力體系有機(jī)融合>大規(guī)模儲(chǔ)熱調(diào)節(jié)，慣性及電量>低電力電子化35/44一、建立100%可再生能源體系可能嗎?二、如何構(gòu)建100%可再生能源系統(tǒng)?四、100%可再生能源如何解決季節(jié)差的問題?■可再生能源出力情況風(fēng)電：春秋季大，冬季小>光伏：冬季發(fā)電能力弱星現(xiàn)“春秋垂大，冬季小”特征星現(xiàn)“春秋垂大，冬季小”特征■裝機(jī)◆有效發(fā)電能力占比92022年風(fēng)力發(fā)電出力06月7