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劉吉臻:儲(chǔ)能發(fā)展須從工程示范中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題

中國(guó)電力企業(yè)管理發(fā)布時(shí)間:2023-12-01 13:08:00  作者:鄧卓昆

  人物簡(jiǎn)介:劉吉臻 男,1951年8月出生,漢族,山西嵐縣人。中國(guó)工程院院士,教授,博士生導(dǎo)師。1993年8月起,歷任原華北電力學(xué)院副院長(zhǎng),華北電力大學(xué)副校長(zhǎng)、保定校區(qū)校長(zhǎng);1998年6月起任原武漢水利電力大學(xué)校長(zhǎng);2001年1月至2016年11月任華北電力大學(xué)校長(zhǎng);現(xiàn)任“新能源電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”主任,“973計(jì)劃”項(xiàng)目首席科學(xué)家。兼任中國(guó)電機(jī)工程學(xué)會(huì)副理事長(zhǎng)、公共安全科學(xué)技術(shù)學(xué)會(huì)副理事長(zhǎng)、中國(guó)能源研究會(huì)智能發(fā)電專委會(huì)主任委員、英國(guó)工程技術(shù)學(xué)會(huì)會(huì)士(FIET)、第十二屆全國(guó)政協(xié)委員。

  長(zhǎng)期致力于發(fā)電廠自動(dòng)化技術(shù)研究,帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)攻克了行業(yè)發(fā)展面臨的多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)難題,取得了具有開創(chuàng)性、系統(tǒng)性的研究成果。獲國(guó)家科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)1項(xiàng)、二等獎(jiǎng)2項(xiàng),其他省部級(jí)及以上獎(jiǎng)項(xiàng)7項(xiàng)。出版《新能源電力系統(tǒng)建模與控制》等學(xué)術(shù)著作5部,獲授權(quán)發(fā)明專利20余項(xiàng),發(fā)表SCI論文100余篇。

  今年7月,中央全面深化改革委員會(huì)第二次會(huì)議提出:“要立足我國(guó)生態(tài)文明建設(shè)已進(jìn)入以降碳為重點(diǎn)戰(zhàn)略方向的關(guān)鍵時(shí)期,完善能源消耗總量和強(qiáng)度調(diào)控,逐步轉(zhuǎn)向碳排放總量和強(qiáng)度雙控制度。要深化電力體制改革,加快構(gòu)建清潔低碳、安全充裕、經(jīng)濟(jì)高效、供需協(xié)同、靈活智能的新型電力系統(tǒng),更好推動(dòng)能源生產(chǎn)和消費(fèi)革命,保障國(guó)家能源安全。”

  近日,在“2023年全球能源轉(zhuǎn)型高層論壇儲(chǔ)能產(chǎn)學(xué)研融合發(fā)展分論壇”上,華北電力大學(xué)教授、中國(guó)工程院院士、新能源電力系統(tǒng)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任劉吉臻深入闡述了我國(guó)能源轉(zhuǎn)型的背景及發(fā)展思路,對(duì)儲(chǔ)能在新型電力系統(tǒng)中的定位、發(fā)展方向和問(wèn)題挑戰(zhàn)展開了詳細(xì)分析。劉吉臻表示,近年來(lái)我國(guó)能源發(fā)展指導(dǎo)思想不斷調(diào)整、更加務(wù)實(shí),“清潔低碳、安全充裕、經(jīng)濟(jì)高效、供需協(xié)同、靈活智能”成為我國(guó)能源電力轉(zhuǎn)型發(fā)展二十字方針,新型電力系統(tǒng)建設(shè)也將成為儲(chǔ)能發(fā)展的核心推動(dòng)力,儲(chǔ)能要發(fā)揮更大作用必須堅(jiān)持因地制宜,重視其安全性和經(jīng)濟(jì)性。

  我國(guó)能源轉(zhuǎn)型的背景及發(fā)展思路

  2022年,我國(guó)一次能源消費(fèi)總量折合54.1億噸標(biāo)準(zhǔn)煤,占世界能源消費(fèi)總量的26.5%,超過(guò)1/4;煤炭、石油、天然氣和非化石能源占一次能源消費(fèi)總量比重分別為56.2%、17.9%、8.4%和17.5%;煤炭消費(fèi)30.4億噸標(biāo)煤,占世界消費(fèi)總量的54.8%,超過(guò)1/2;能源相關(guān)二氧化碳排放量105.5億噸,約占世界二氧化碳總排放量的1/3。劉吉臻指出,我國(guó)仍處于“煤基能源時(shí)代”,以煤為主的能源結(jié)構(gòu)在短期內(nèi)難以根本改變,我國(guó)面臨著煤炭仍占主導(dǎo)地位、環(huán)境污染碳排放高、用能效率較低、新能源技術(shù)創(chuàng)新能力不足、能源安全形勢(shì)嚴(yán)峻等種種問(wèn)題與挑戰(zhàn)。

  為應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn),劉吉臻認(rèn)為,應(yīng)大力推動(dòng)化石能源清潔化、清潔能源規(guī)?;投喾N能源綜合化。第一,化石能源清潔化即發(fā)展煤炭等化石能源清潔高效開發(fā)利用技術(shù),降低化石能源消費(fèi)量和占比;第二,清潔能源規(guī)?;窗l(fā)展可再生能源和先進(jìn)核能技術(shù),大幅提高非化石能源占比;第三,多種能源綜合化即提高電能在終端能源消費(fèi)中的比重,突破電網(wǎng)、儲(chǔ)能、氫能等綜合能源技術(shù)。

  對(duì)于新型電力系統(tǒng)與能源轉(zhuǎn)型二十字方針,劉吉臻所負(fù)責(zé)的新能源電力系統(tǒng)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室給出了具體的定義和解釋——隨著大規(guī)模新能源電力接入電網(wǎng),電力系統(tǒng)需要在隨機(jī)波動(dòng)的負(fù)荷需求與電源之間實(shí)現(xiàn)能量供需平衡,其結(jié)構(gòu)形態(tài)、運(yùn)行控制方式及規(guī)劃建設(shè)與管理模式發(fā)生根本性變革,逐步形成以新能源電力生產(chǎn)、傳輸、消費(fèi)為主體的新一代電力系統(tǒng),即新型電力系統(tǒng)。“清潔低碳”即提高綠色發(fā)電裝機(jī)、電量占比,“安全充裕”即資源供給安全、系統(tǒng)運(yùn)行安全、發(fā)電和電網(wǎng)能力充足,“經(jīng)濟(jì)高效”即完善市場(chǎng)機(jī)制、建立新型電力市場(chǎng),“供需協(xié)同”即建立源網(wǎng)荷儲(chǔ)一體化運(yùn)行模式,“靈活智能”即數(shù)字賦能、建立靈活智能的控制系統(tǒng)。

  新型儲(chǔ)能發(fā)展現(xiàn)狀與關(guān)鍵技術(shù)最新動(dòng)向

  近年來(lái),在推進(jìn)能源轉(zhuǎn)型與構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的大背景之下,儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)受到全社會(huì)、全球各國(guó)的高度關(guān)注,我國(guó)新型儲(chǔ)能技術(shù)研發(fā)、儲(chǔ)能系統(tǒng)集成、儲(chǔ)能示范應(yīng)用、儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)化等領(lǐng)域發(fā)展極其活躍。

  當(dāng)前,全球儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)發(fā)展呈現(xiàn)以下四大發(fā)展特點(diǎn)和趨勢(shì):

  第一,全球儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)處于快速增長(zhǎng)期。截至2022年底,全球已投運(yùn)儲(chǔ)能項(xiàng)目規(guī)模達(dá)到2.4億千瓦,同比增長(zhǎng)15%。2022年,儲(chǔ)能新增規(guī)模超過(guò)3000萬(wàn)千瓦,比2021年翻一番。其中,中國(guó)、歐洲和美國(guó)新增規(guī)模占比分別為36%、26%和24%,三者合計(jì)占全球新增市場(chǎng)的86%。

  第二,電化學(xué)儲(chǔ)能將成增量主體,負(fù)荷側(cè)儲(chǔ)能呈爆發(fā)式增長(zhǎng)。截至2022年底,全球電化學(xué)儲(chǔ)能累計(jì)裝機(jī)4500萬(wàn)千瓦,年增長(zhǎng)率達(dá)到80%,其中鋰離子電池仍占據(jù)主導(dǎo)地位。

  第三,新型電力系統(tǒng)建設(shè)將成為儲(chǔ)能發(fā)展的核心推動(dòng)力。儲(chǔ)能是構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的重要技術(shù)和基礎(chǔ)裝備,有利于新能源快速增長(zhǎng)和全球電氣化程度提升。據(jù)有關(guān)機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè),從2022~2050年,全球風(fēng)光等新能源發(fā)電量占比將由14.4%提升至50%,電力在終端能源消費(fèi)中的占比將由20%提升至50%以上。

  第四,儲(chǔ)能技術(shù)成本下降和政策布局將助推產(chǎn)業(yè)持續(xù)擴(kuò)張。隨著技術(shù)日漸成熟和產(chǎn)能擴(kuò)張,儲(chǔ)能成本快速下降,以鋰離子電池為例,2022年全球平均價(jià)格約150美元/千瓦時(shí),比2013年下降了近80%。

  值得關(guān)注的是,我國(guó)新型儲(chǔ)能發(fā)展勢(shì)頭非常迅猛。截至2022年底,全國(guó)新型儲(chǔ)能裝機(jī)規(guī)模約870萬(wàn)千瓦/1805萬(wàn)千瓦時(shí),平均儲(chǔ)能時(shí)長(zhǎng)2.1小時(shí)。全國(guó)已投運(yùn)新型儲(chǔ)能項(xiàng)目中,鋰離子電池占比約94.5%,鉛酸(碳)電池占比約1.7%,液流電池占比約1.6%。壓縮空氣儲(chǔ)能發(fā)展提速,占比約為2.0%。

  從技術(shù)角度出發(fā),新型儲(chǔ)能應(yīng)重點(diǎn)明確“促進(jìn)新能源大規(guī)模開發(fā)消納、支撐電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行和保障用戶靈活高效用電”的三大功能定位:

  促進(jìn)新能源大規(guī)模開發(fā)消納方面。一是在新能源富集地區(qū),通過(guò)建設(shè)系統(tǒng)友好型新能源電站、新能源場(chǎng)站配建儲(chǔ)能、租賃共享儲(chǔ)能等形式,平滑輸出功率,減少新能源棄電,保障新能源高效消納利用。二是支撐大規(guī)模新能源外送,例如在沙漠戈壁荒漠大型新能源基地,儲(chǔ)能可提升外送通道利用率和通道可再生能源電量占比;再如大規(guī)模海上風(fēng)電基地,儲(chǔ)能有助于提升海上風(fēng)電消納利用水平和容量支撐能力。

  支撐電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行方面,新型儲(chǔ)能可用于保供、調(diào)節(jié)、穩(wěn)定、替代和應(yīng)急。保供即可支撐電力保供,利用儲(chǔ)能應(yīng)對(duì)尖峰負(fù)荷,提供頂峰供電服務(wù);儲(chǔ)能還可承擔(dān)備用容量中的負(fù)荷備用及旋轉(zhuǎn)事故熱備用。調(diào)節(jié)即提升系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力,電網(wǎng)側(cè)接入新型儲(chǔ)能資源統(tǒng)一調(diào)度,電源側(cè)可構(gòu)建“火儲(chǔ)聯(lián)調(diào)”或火電、核電等傳統(tǒng)電源配儲(chǔ)能。穩(wěn)定即提高電網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定水平,發(fā)揮調(diào)頻、調(diào)壓、事故備用、爬坡、黑啟動(dòng)等功能,提升系統(tǒng)抵御突發(fā)事件和故障后恢復(fù)能力。替代即延緩輸配電設(shè)備投資,在輸電走廊資源和變電站站址資源緊張地區(qū),用儲(chǔ)能代替輸配電設(shè)備。應(yīng)急即實(shí)現(xiàn)應(yīng)急備用,新型儲(chǔ)能在極端條件下可保證穩(wěn)定、不間斷供電,提升重要負(fù)荷中心的應(yīng)急保障能力。

  保障用戶靈活高效用電方面,一是提供需求側(cè)響應(yīng)能力,利用雙向互動(dòng)智能充放電技術(shù)參與電力市場(chǎng)調(diào)節(jié),通過(guò)“低充高放”,降低用戶的整體用電成本,同時(shí)響應(yīng)電網(wǎng)調(diào)節(jié)需求,提升智能高效用電水平。二是滿足用戶高質(zhì)量用能需求,針對(duì)用電量大且對(duì)供電可靠性、電能質(zhì)量要求高的電力用戶,支撐高品質(zhì)用電;針對(duì)分散終端用戶,以及具備條件的農(nóng)村用戶,提高用能質(zhì)量、降低用能成本。三是服務(wù)用戶綠色低碳用能,不間斷電源、充換電設(shè)施等可作為用戶側(cè)分散式儲(chǔ)能設(shè)施,電動(dòng)汽車、智慧用電設(shè)施等雙向互動(dòng)智能充放電也可發(fā)揮儲(chǔ)能的作用。

  當(dāng)前,規(guī)?;瘧?yīng)用的新型儲(chǔ)能技術(shù)主要有鋰離子電池儲(chǔ)能、液流電池儲(chǔ)能和壓縮空氣儲(chǔ)能;試點(diǎn)示范的新型儲(chǔ)能技術(shù)主要有鈉離子電池儲(chǔ)能、抽汽蓄能、壓縮二氧化碳儲(chǔ)能、重力儲(chǔ)能、氫(氨)儲(chǔ)能、飛輪和超級(jí)電容器。而尚處于研發(fā)攻關(guān)階段的新型儲(chǔ)能技術(shù),國(guó)內(nèi)外將重點(diǎn)以低成本、高安全、大規(guī)模為研發(fā)方向,攻克現(xiàn)有技術(shù)短板。固態(tài)電池、金屬空氣電池、多電子二次電池、熱泵儲(chǔ)能、液態(tài)空氣儲(chǔ)能等技術(shù)領(lǐng)域是研究熱點(diǎn),但多數(shù)技術(shù)仍處于實(shí)驗(yàn)室研發(fā)階段,距離規(guī)?;瘧?yīng)用仍有一定距離。

  需要重新評(píng)估儲(chǔ)能在新型電力系統(tǒng)中的地位和作用

  “電荷最大的一個(gè)缺點(diǎn)是難以實(shí)現(xiàn)大量的堆積。截至2022年,全球電化學(xué)儲(chǔ)能累計(jì)裝機(jī)4500萬(wàn)千瓦,但與更為龐大的發(fā)電裝機(jī)相比,儲(chǔ)能所發(fā)揮的作用很有限,且新型儲(chǔ)能也無(wú)法提供保障電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行所需的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等必要元素。”劉吉臻分析道,“在構(gòu)建新型電力系統(tǒng)過(guò)程中,關(guān)鍵還是在于‘源網(wǎng)荷’環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)供需協(xié)同、靈活智能,儲(chǔ)能在新型電力系統(tǒng)中也必將有發(fā)揮其作用的一席之地,新型電力系統(tǒng)建設(shè)也將成為儲(chǔ)能發(fā)展的核心推動(dòng)力。”

  劉吉臻表示,行業(yè)要系統(tǒng)、準(zhǔn)確評(píng)估儲(chǔ)能在新型電力系統(tǒng)中的定位和作用,保持清醒的頭腦與認(rèn)識(shí),穩(wěn)妥有序推動(dòng)儲(chǔ)能發(fā)展。

  劉吉臻還指出,把儲(chǔ)能置于構(gòu)建新型電力系統(tǒng)這一宏大命題下,有兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題:

  第一個(gè)問(wèn)題是儲(chǔ)能“放”在“源網(wǎng)荷”哪個(gè)環(huán)節(jié)更合適?

  第二個(gè)問(wèn)題是儲(chǔ)能的品類繁多,電化學(xué)儲(chǔ)能、抽水蓄能、壓縮空氣儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能等,縱橫交錯(cuò),究竟孰優(yōu)孰劣?

  劉吉臻表示,要回答上述兩個(gè)問(wèn)題,關(guān)鍵還是要緊扣能源轉(zhuǎn)型二十字方針,即兼顧安全性和經(jīng)濟(jì)性,從近期、長(zhǎng)期和遠(yuǎn)期角度,明晰儲(chǔ)能的定位,堅(jiān)持技術(shù)中立原則,穩(wěn)妥有序推進(jìn)儲(chǔ)能的示范應(yīng)用和規(guī)?;茝V。以沙戈荒新能源大基地為例,儲(chǔ)能的應(yīng)用目標(biāo)是促進(jìn)新能源的大規(guī)模開發(fā)和消納,目前“新能源配火電、配抽水蓄能或電化學(xué)儲(chǔ)能”,關(guān)鍵在于“配多少”和“怎么用”。

  從技術(shù)需求來(lái)看,新型儲(chǔ)能發(fā)展的應(yīng)用場(chǎng)景、儲(chǔ)能規(guī)模、儲(chǔ)能時(shí)長(zhǎng)及應(yīng)用地區(qū),都需要因地制宜、對(duì)癥下藥。劉吉臻舉例說(shuō)明道,最近寧夏靈武電廠投入了1.24兆瓦的飛輪儲(chǔ)能示范項(xiàng)目,探索解決火電機(jī)組一次調(diào)頻能力不足的問(wèn)題。系統(tǒng)投入運(yùn)行至今約2年,不僅有效解決了該廠原有的一次調(diào)頻考核不合格問(wèn)題,幫助電廠實(shí)現(xiàn)扭虧為盈,且項(xiàng)目?jī)H需3年左右的時(shí)間即可收回全部初期投資,小小的飛輪發(fā)揮了巨大的作用,該項(xiàng)目可在全國(guó)范圍內(nèi)同類型電廠推廣。

  “因此,還是要多做示范,實(shí)踐出真知,只有在工程示范過(guò)程中,才能發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題,紙上談兵不可取??偠灾欢ㄒ淹ㄟ^(guò)技術(shù)攻關(guān)解決重大難題放在首位,核心是圍繞低成本、高安全和規(guī)?;膬?chǔ)能應(yīng)用場(chǎng)景。”劉吉臻總結(jié)道。

  本文刊載于《中國(guó)電力企業(yè)管理》2023年10期


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