能源转换这一世界难题的中国破解方案

能源转换这一世界难题的中国破解方案

李  林

独立撰稿人、能源领域资深观察员

就目前全球较成熟实用的电网发电清洁能源包括水电、核电、风电和（阳）光电四个大类。风电和光电的增长潜力巨大，是当下清洁新能源开发利用的重点。但这两种发电能源都有一个显著的缺点：受天气变化的影响较大，有时发电多，有时发电少，甚至还会出现连续一段时间发不出电来。为了应对这个问题，新能源发展较快的国家和地区目前大都采取了增加传统的化石燃料机组的措施以确保电网运行的安全和稳定。

美国因为页岩气价格低廉，而汽轮机容易启停，因此现在大量使用燃气机组作为电网的备用电源，有些州的电网运营商向美国能源部提交了文件，请求允许使用更多的化石燃料发电来防止大规模停电

德国宣布将火电机组由“基荷电力”改变为“调节电力”，其最低负荷率由现在的40%下降到20%，还要求机组5分钟内的爬坡和退坡能力由现在的5-10%提高到20-40%。

希腊和荷兰宣布延长燃煤电厂运行时间；奥地利重启了南部一座已经关停的燃煤发电厂；历来主要依靠核电的法国，宣布取消燃煤电厂运行限制，延长燃煤电厂的使用寿命。

根据国家相关部门提供的数据，我国2023年风电发电装机从7600多万千瓦增加到4.4亿千瓦以上，增长了近5倍，光伏发电装机从1900多万千瓦增长到6亿千瓦以上，增长了30多倍。然而2023年我国煤电发电的占比从上年的57%大幅提升为70%（图1）。这都是为了让电网能够消纳更多清洁新能源发电，只得增加煤电机组的装机容量和提高煤电机组的旋转备用(Spinning reserve)。

图1 我国电网近年煤电发电所占比例变化

从全国现在的情况来看，为缓解系统有效容量充裕性不足引发的问题，各地纷纷重新规划煤电建设，煤电已经进入了一个增长回暖期，其装机呈现反弹增长。

但是煤电机组并不是一种适合随时启停的发电设备，也不宜长时间低负荷和超低负荷运转。采用这样的运行模式后发电成本大幅上升，有人估算过为此每度电将增加好几毛钱的成本。

这样就形成了一个怪圈：为了多消纳清洁新能源就必须上更多的煤电机组。这其实是一种结构性的矛盾，依赖这样的路径实现碳中和绝无可能。

这种情况目前世界各国大同小异，大家都一筹莫展，已经成为了一个世界难题。

准确地把握问题是解决问题的很重要的前提

首先要厘清两个与此密切相关的问题。

第一个问题是能源界目前流传着一个“新能源不可能三角”的说法，见图2：

图2 清洁新能源转换中的“不可能三角”

这一不可能三角的意思是说在新能源转换中，只能选择得到三个预设中目标的一个，最多两个，不可能三个全得。

我们认为产生这种说法的思维方式错误了。从偏于哲学的角度来看，人类生存和生活于其中的这个世界，她的底层逻辑一定与人类进步发展的大方向是一致的。利用化石燃料获取能源只是人类发展进步历程中的过渡阶段，实现清洁新能源的转换是大势所趋，是客观规律，不可能出现这样的不可能三角。

换一种考虑问题的方式，从所谓“不可能三角”得出结论是：局限在传统思维模式中和现行运转机制去考虑清洁新能源的变革替换是走不通的。

有了革命性的新思维，就有可能“柳暗花明又一村”，找到突破性的解决方案。

需要统一思想的是，我们在碳中和行动中要达到的远远不仅是清洁、安全和经济三个目标，我们还要确保清洁新能源转换必须立足自有资源，技术及装备自主可控，保护耕地，借势可以促进区域发展平衡，巩固和提升扶贫攻坚的成果，彻底解决油气对外依存度过高等多方面的重大目标，让实现碳中和行动强有力地引领和推动未来几十年我国经济持续增长。

对于正在奋力实现伟大民族复兴的中国，这是必须的。

第二个问题是目前社会上许多人说新能源是“垃圾能源”，理由是新能源作为电网发电能源“不连续，不稳定”。

没错，风电和光电都深受气候影响，发电出力确实是不连续和不稳定的。

这里我要问了：电网的日常负荷是稳定的和连续的吗？

事实是电网负荷常态本身是不稳定的，绝大部分负荷是不连续的，因此电网需要的电力根本就不是稳定的和连续的。电网从它诞生那天开始遇到的问题都和日常执行的操作，都是让电网的发电曲线与日日夜夜不断变化的负荷曲线尽可能地能够保持重合，或者说匹配。这个问题处理不好轻则降低了发电质量，重则电网崩溃。

目前新能源上网发电后带来的新问题是，以前电网运行要面对的只需要盯住受电侧的随机的波动变化，及时地给发电侧下达指令调整发电出力。现在遇到的情况是受电侧和发电侧都成了随机波动的，清洁新能源发电的高峰低谷时段与用电负荷的高峰低谷往往又并不不匹配，因此电网运行调控的难度大为提升，对煤电的依赖反而增加了。

正确解决问题的前提是正确地提出问题。这里所说的“正确”就是回归事实，回归常识，回归科学。目的是厘清思路，排除干扰，聚焦实际问题，解决实际问题。

清洁新能源上位替换化石能源的技术路径

为了说明问题，便于讨论问题，我们画了一幅有一定代表性的我国东部沿海地区某个时刻的示意性电网日负荷变动情况曲线图（图3）：

图3 电网全天负荷曲线示意图

假设我国在电网中以水电、核电、风电和光电替代了化石能源实现了碳中和，则这几种能源叠加后的发电出力情况可以表现如下图（图4）所示：

图4 清洁新能源发电出力叠加曲线示意图

在图中我们看到风电的出力曲线和水电、核电一样，都是一条连续的水平直线，这是因为发电机组分布在全国不同地区，即使有的机组无风或者风小影响到了出力，将所有风电发电作为一个整体来观察，其产生的发电曲线波动就很小了，风电出力曲线将表现为如图所示的一条连续的水平直线。

由于我们的国土横跨4个时区，在我国的华北和西北地区连绵分布着大片的终年阳光灿烂的不适合林农的荒漠及半荒漠地带，其年日照小时数相当于其他地区的2-3倍，如果我们在这些地区建设一条从东向西的连续分布的太阳能发电基地，因为时差的原因“东方不亮西方亮”，这一基地在电网中的发电出力曲线将会拟合形成一条如上图所示的抛物线。

顺便说一下，能让光电出力能够形成一条时间轴跨度约为16小时的抛物线，在世界大国中只有中国，这是我们得天独厚的优势。美国虽然幅员辽阔，但太阳辐射富裕区仅集中于其西南地区，因此产生了业界人士熟悉的所谓“鸭子曲线”。欧洲大陆阳光资源很差，欧洲人曾经有计划想在北非建设一条带状太阳能发电基地，资源没有问题，但北非已经不是欧洲殖民地了，还有其他的一些具体问题，北非光电计划最后就不了了之了。

将上面的电网全天负荷变化示意图（图3）与清洁新能源发电出力叠加曲线示意图（图4）合并放在一起，可以得到下图（图5）：

图5 清洁新能源发电出力曲线与电网负荷曲线重合情况示意图

在图5我们可以看到，由水电、核电和风电可以承担起电网的基础发电出力，光电则负担起了电网的变动负荷的发电出力，出现这样的情况是因为人类的活动与太阳照耀大地的时段基本同步。这不是我们交了好运，只是表明了这个世界运行遵循的底层逻辑是理性的及合理的，不存在什么清洁新能源“不可能三角”之类的bug。

但是，这里依然留下了一个待解决的问题：尽管清洁新能源发电出力曲线基本笼罩了电网的负荷曲线，但并不是完全重合的，电网动态的削峰填谷调控仍然必不可免。

这个问题的可行解决方案是，交由光电担负起电网削峰填谷的任务。也就是说光电今后将既是电网发电的主力，也是电网完成日常削峰填谷操作的主力。这样考虑的原因很简单很现实：因为未来的国家电网的规模之大将与目前不可同日而语，由于基数实在太大，电网任何一个不大的调控作业都将牵动巨量电力的并网或者撤下，只有光电才有能力承担和完成这一任务，其他的都属于杯水车薪。这是基本事实。

这也意味着今后电网的削峰填谷任务将从受电侧转移至发电侧，从传统的分量调控转变为总量调控。

这将是电力行业已有一百多年历史的传统运行发生的一次重大的革命性转变，是一次技术观念的深刻转变，也是一条别无选择的必由之路。

还需要指出的是，当光电按照负荷峰谷起伏同步调整电量大小并网发电以后，电网对清洁新能源的消纳问题自然就不存在了，也无须煤电勉为其难地上阵“收拾局面”了。当光电从现在开始就按照这样的相似曲线逐步扩大其在电网发电中的份额，最终清洁新能源取代化石燃料的历史性变革也就可以平稳无缝地实现了：

图6 清洁新能源逐步上位替换化石能源示意图

还需要补充说明的是，我们在前面的讨论中使用一幅东部地区某个时间白天电网负荷变化曲线的示意图作为全国的代表，而实际的全国电网的负荷曲线与这幅图差别很大，但基本变化趋势大体相同，解决方式一样：必须在发电侧建立大规模随时可调度的备用电力。

碳中和行动的关键性核心技术

现在还有一个问题：光电今后在日常运行中将以何种方式或手段如何完成削峰填谷的任务。

需要削峰时，调控操作很简单，按需撤下光电机组就行了。光电支持“热拔插”，无须旋转备用，操作方便，操作成本较低。

需要填谷时则比较麻烦一些，当水电、核电和风电都开足了马力运行，而太阳已经“下山”了时，由谁来保障电网的正常运转？解决方案是：光电在担当发电主力的同时，还必须完成一定的备用蓄能任务。

光电承担大规模蓄能任务需要一项关键性的核心技术——光热塔式熔岩延迟发电/熔岩蓄能发电：

图7 光热塔式熔岩发电/延迟发电主要流程示意图

光热塔式熔岩发电技术的流程里，来自吸热塔的高温熔岩需要先存储在高温熔岩储罐里，因此这种发电方式先天带有储能功能。

由于熔岩发电的技术特性，还可以将光伏发电削峰时的电力或者其他情况下多余出来的电力直接以熔岩形式蓄能，待需要时并网发电。

目前塔式代熔岩发电/蓄能技术在我国已经成熟，综合运行成本已经有一定的竞争力，并且正在逐步下降。现在需要做的是政策上能够对熔岩发电/蓄能给与扶持和引导，用行政方式规定光电的开发建设须搭配建设一定比例的储能能力建设，同时建成验收后方能接受调度并网发电。

此外，还有一个非常重要的技术问题不能被忽视，通过熔岩直接或者蓄能后发电还附带解决了清洁新能源转换中一个长期存在的大难题：为电网提供转动惯量和无功支撑，消除了大比例新能源消纳对电网带来的安全和稳定风险，对于维持新型电网运行的频率和电压稳定有极高的价值。非常完美的解决方案。

构建以清洁新能源发电为绝对主力的新型电力体系

通过前面的讨论可以看到，从中国的国情出发，解决清洁新能源转换难题在工程和技术上需要实现三个缺一不可的变革：

△    在华北和西北的阳光富集地带建立从东到西连续的带状超大型太阳能发电基地；

△    将全国所有大型水电、核电、风电和光电汇集后承担电网基础负荷及变动负荷；

△    光电既要成为未来电网发电的主力，也要成为电网蓄能调峰填谷的主力。

显而易见，按照这样的思路，现有的从爱迪生时代以来的传统电网是无法适应的，我们需要建成一个新的覆盖全国的750kv或者800kv电压等级的网状物理拓扑结构电网，这个电网的逻辑拓扑结构将遵循电工学原理，每一个节点的电流都具有相同的电工学指标。可以将这样的电网大致想象为一个城市的运行良好的自来水供水管网，无论打开哪一个水水龙头放水，其水压都是基本稳定的。

图8 750kv网状物理拓扑结构国家电网示意图

电网越大运行越安全，供电质量越容易稳定，这是早就为人熟知的基本原理，但是当电网扩大到一定规模以后，其运行调控管理的难度就呈几何级数增长，人工调度无法应付。

2009年时任美国总统的奥巴马曾宣布要在美国建立智能电网，但后来这一设想并未得到实现，主要原因在于建成智能电网所需的各方面科学技术当时均尚未具备或尚未成熟，其中包括：大数据处理，5G/6G，云，虚拟仿真，数字孪生，计算机辅助决策，基于机器学习的AI等等，现在这一切已经基本具备。建设并运行一个覆盖全国的超级大电网在今天的中国已经不再是一个美丽的梦想。

我们深知这将是一个新型的电力系统，需要对全国各等级的变配电实现全面的重建改造，需要对整个国家电力的组织、运行、经营和管理体系做彻底的改革。

我们完全可以想象实现这样的变革难度之大，也不会低估这项变革涉及各方面的复杂程度，但我们认为这样大的决心需要有。类似于核聚变这样的更先进的清洁新能源一定会到来，到那时更必须有我们这里说到的网状物理拓扑结构电网。电网大变革迟早都得完成，借势碳中和着手推动完成这项变革是最优选择，功在当代，利在千秋。

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