新型电力系统中各种发电方式的现状和研究方向

南京南瑞继保电气有限公司 程文君

在2020年9月的第75届联合国大会上，习近平主席为表示中国应对全球气候变化的决心，首次提出了双碳目标。在这个大背景下，各行各业都需要进行低碳转型，而电力作为我国碳排放占比最大的行业，电力系统的低碳转型备受关注。在2021年3月召开的中央财经委员会第九次会议上，电力行业明确提出了接下来四十年的发展方向，即：要构建清洁低碳安全高效的能源体系，控制化石能源总量，着力提高利用效能，实施可再生能源替代行动，深化电力体制改革，构建以新能源为主体的新型电力系统。

构建新型电力系统需要充分利用现有的电力系统，尽可能降低投资成本、还要同时保证建设过程中的用电安全。因此需要了解我国现有的各种发电方式，且对以后想要建成的新型电力系统有所规划。我国现有各种发电方式的发电占比和新型电力系统下预期的发电占比[1]可见下表。

表1 各种发电方式在不同时期的发电占比

1 火电

由于可再生能源发电有严重受限于日照、季节、风力等自然气象条件这个“不可控”的短板，因此作为我国电力稳定生产、供应和灵活性调节的“压舱石”，在碳中和的前提下依然推荐保留一定规模的火电。针对火电不可避免的碳排放，后续需要解决以下两个问题：使火电生产更高效、清洁、低碳、灵活；通过CCUS 技术移除火电产生的碳排放。

CCUS 技术是指碳捕获、利用和封存技术，它可以移除火电产生的碳排放，从而使火电在以后的新型电力系统中依然保留。目前CCUS 商业化还存在能耗大、成本高等问题。因此后续还需研究低成本、低能耗的碳捕集技术，大规模碳排放的封存和转化技术、与生物质耦合的负碳排放技术[2]。

2 水电

水力发电效率高，发电成本低，机组启动快，调节容易，且是清洁能源，因此水电在电力系统中的地位将长期保持不变。但由于水电利用自然水流，受自然条件的影响较大。后续还需继续推进高海拔高寒地区水电开发。同时基于新型电力系统中对储能系统有极大的需求，因此还要研究如何将现有水电站改造为混合式抽水储能电站。

3 核电

核燃料能量密度高、核电运营成本低，且是清洁能源，所以我国将逐步提升核电的发电占比，规划由现在的5%提升至2060年的16%。在这个前提下，还需对核能电厂的放射性废料的处理、热污染处理、反应器事故预防和处理等方面进行深入的研究。

4 新能源发电

在双碳目标下，我国将大力提升新能源发电的占比，规划由现在的9.5%提升至2060年的61%。新能源发电主要指光伏发电和风电。由2020年中国风能太阳能资源年景公报中的数据可以得出，我国太阳能资源理论储量达1.9万亿千瓦，而全国各省平均首年利用小时数应不低于1000小时。我国陆地70米高度风能技术可开发量超过50亿千瓦[3]，而全国各省平均年利用小时数应不低于1500小时。同时由《中国能源大数据报告（2021）》中的数据可以看到，2020年全国电能消耗总量不到8万亿千瓦时[4]，因此只要充分开发利用，光伏发电和风能发电完全能在电力系统中占主体地位，从而构建成以新能源为主体的新型电力系统。

4.1 风电

风能蕴量巨大，在国家政策措施的推动下，我国的风电产业已经走过了粗放式的数量扩张阶段，目前我国的风电产业增长持续稳定，更加注重于提高质量、降低度电成本。目前我国的风电产业主要是陆上集中式风电，海上风电及分散式风电也在陆续建设。而在双碳目标前提下，风电后续发展应围绕以下几个方面：

我国很多经济发达、用电紧张地区偏偏平均风速较低，随着近几年大叶片、高塔筒技术的提升，以后能实现风能分散化和就地消纳的低风速风机发电技术将逐渐成为陆上风电发展的趋势。

由于海上风电资源更为广阔，且更紧邻电力负荷中心，因此以后应着力发展海上风电，加快布局近海深水发电，并逐渐向远洋风电发展。

随着风电发展逐步趋向于分散化和海洋化，风电的智能化程度也急需提升。通信技术、信息技术、控制技术等可以被广泛应用于风电，这些技术结合智能算法可以实现风电的智能化开发管理、诊断运维和并网控制。

另外还需继续推进风电设备核心技术国产化，提高风机发电转化效率，降低风电成本。

4.2 光伏发电

光伏发电是利用半导体界面的光生伏特效应而将太阳能直接转变为电能，整个发电过程没有燃料消耗，没有任何排放，也没有机械转动部件。光伏发电系统构成简单、投资少，且发电时间与用电高峰基本相符，不仅适用于发电侧，也是目前为止最适用于用电侧的发电系统，因此光伏发电是最具可持续发展理想特征的可再生能源发电技术。要想在以后实现大规模应用，在未来的电力系统中占主体地位，光伏发电还有以下问题需要考虑：

光伏发电是直接从光能到电能的能量转换过程。根据热力学分析，其最高理论发电效率可达80%以上。但现有的太阳能电池由硅制成，硅面板的制造成本比较高，且晶硅光伏组件的转化效率现在最高为24%左右，后续突破空间有限。因此光伏发电急需研究新的太阳能电池材料，如钙钛矿等，以实现光伏发电更高的发电效率和更低的度电成本。

光伏发电能量密度低，占地面积大，为了克服这个不足，后续可以利用现有建筑物的屋顶和立面来构建光伏发电系统，持续进行光伏建筑一体化发电技术的研究。

光伏发电也急需向智能化发展，大型光伏电站中，可以通过智能控制算法来控制光伏组件支架角度，从而提高发电效率。光伏发电的智能化研究还包括不影响电站发电前提下的发电系统智能诊断、智能运维以及智能并网控制，从而达到提升效率、降低成本和有效支撑电网稳定运行的目标。

我国很多地区虽然太阳能资源丰富，非常适合大力发展光伏发电项目，但这些地区用电需求增长缓慢，太阳能电力消纳困难，“弃光”问题严重。因此后续还需继续进行光伏过剩产能转化路径的探索和研究，如光伏与农业一体化研究，光伏制氢等。

5 储能系统

随着新能源发电的发展，越来越多的风电和光伏发电需要接入电网，而风电、光伏发电严重受限于日照、季节、风力等自然气象条件，具有不稳定性、间歇性的特点，随着可再生能源发电占比的提升，可再生能源发电对电网的不稳定性影响将愈发严重，在这种前提下，急需通过充放电灵活的储能系统来降低新能源发电在不同时间尺度的波动性、间歇性，从而实现消纳、削峰填谷、为电力系统提供频率和电压支撑，改善电能质量等多重作用，从而大大提高电力系统的安全稳定水平。

目前常见的应用于电力系统的储能技术有以下几种。

5.1 抽水储能

抽水储能具有大规模能量吞吐能力，放电时间为小时级及以上，具有长时间尺度的电网调峰及电力平衡能力。当前国内外运营的储能项目以抽水储能为主要方式，但抽水储能存在投资周期长、响应速度慢的问题。

5.2 压缩空气储能

压缩空气储能具有储能效率高、使用寿命长、储放容量大、投资成本较低等优点。但其需要大型储气装置、一定的地质条件和依赖燃烧化石燃料。

5.3 飞轮储能

飞轮储能容量大、速度快，将其与风力发电相结合，可使风能的利用效率获得大幅度提高，同时降低发电成本。但飞轮储能能量密度不高，自放电率高，且维护费用也比较高。

5.4 蓄电池储能

蓄电池储能可靠性高、模块化程度高。常用的储能电池有铅酸蓄电池，磷酸铁锂电池和三元锂电池。这三种电池在一些关键性能指标上的对比可见表2。储能对电池的要求包括高安全、低成本、环保、高寿命。磷酸铁锂电池比三元锂电池高温更安全，循环寿命高，更便宜。而与铅酸蓄电池相比，磷酸铁锂电池的充电次数高六七倍，能量密度也高三四倍，因此目前来看，磷酸铁锂蓄电池是蓄电池储能的最优方案，但从长远来看还需进一步提升电池性能及安全性，降低电池成本。需要加快全固态锂电池技术的研发和应用，推进以钠离子电池、金属-空气电池、多价离子电池等为代表的下一代新型电池技术研发[5]。

表2 电池关键性能指标对比

5.5 氢储能

锂电池的能量密度即使提升至极限值，可能也不到氢燃料电池的百分之一，因此从长远来看，氢储能或许能取代锂电池，成为储能系统的主力军。但要想氢储能取代锂电池，后续还需研究如何降低制氢成本，如何提高氢气储运和燃料电池的安全性。

5.6 超级电容器储能

超级电容器储能充电时间短、高温安全性高、使用寿命长，但其能量密度要比蓄电池储能低，因此导致续航能力差，不过后续可以在材料上进行突破，以石墨烯材料为基础的新型超级电容器是重点研究方向。

对于新型电力系统，随着越来越多的新能源电力的接入，越来越多的储能电站也随之建成。近两年来国内外储能电站爆炸事故时有发生，储能电站的安全问题愈加突显。储能电站的安全主要涉及火灾安全、化学安全和机械安全等，针对不同的储能形式，应该展开不同的研究，制定不同的安全风险应对措施。

6 结语

综上所述，在双碳目标约束下，要想建设以新能源为主体的新型电力系统，以后的研究方向还需围绕以下几个方面：深入研究CCUS 技术移除火电产生的碳排放；继续推进高海拔高寒地区水电开发，并研究如何将现有水电站改造为混合式抽水储能电站；多措并举提升核电站和储能电站的安全性；降低光伏发电和风能发电的度电成本，进而也可进一步降低绿氢制作成本，从而促进氢储能技术的发展；积极展开新材料研究，包括钙钛矿太阳能电池、石墨烯超级电容、新型储能电池材料等；进一步提升风电和光伏发电的智能化程度，既便于风电系统和光伏发电系统的智能化监测和运维，风电和光伏发电的智能并网算法也能有效减少对电网的冲击，支撑电网的稳定运行。