中科院院士院士周孝信:能源轉(zhuǎn)型中我國(guó)新一代電力系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)
2017城市能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展(北京)論壇暨能源互聯(lián)網(wǎng)示范項(xiàng)目建設(shè)與合作研討會(huì)于2017年12月1日在北京裕龍國(guó)際酒店一層宴會(huì)廳舉辦。主題報(bào)告環(huán)節(jié)主持人:中關(guān)村能源互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)盟秘書(shū)長(zhǎng) 王百升主題報(bào)告演講者:
2017城市能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展(北京)論壇暨能源互聯(lián)網(wǎng)示范項(xiàng)目建設(shè)與合作研討會(huì)于2017年12月1日在北京裕龍國(guó)際酒店一層宴會(huì)廳舉辦。
主題報(bào)告環(huán)節(jié)主持人:中關(guān)村能源互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)盟秘書(shū)長(zhǎng) 王百升
主題報(bào)告演講者:中科院院士院士 周孝信
演講主題:能源轉(zhuǎn)型中我國(guó)新一代電力系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)
下面為您帶來(lái)周孝信院士的精彩演講
周孝信:
我今天題目叫做“能源轉(zhuǎn)型中我國(guó)新一代電力系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)”。主要內(nèi)容有幾個(gè):
第一,能源轉(zhuǎn)型與電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型。搞了一輩子電力系統(tǒng),電力系統(tǒng)要不要轉(zhuǎn)型。
我國(guó)能源轉(zhuǎn)型與革命的目標(biāo)。習(xí)總書(shū)記2014年提出了能源發(fā)展戰(zhàn)略思想,從那時(shí)候開(kāi)始,給我們指明了方向。
我個(gè)人理解,以可再生能源逐步替代化石能源,實(shí)現(xiàn)可再生能源,清潔、低碳、高效能源體系,在一次能源生產(chǎn)和消費(fèi)中占更大份額。它是新一代的能源系統(tǒng),是我們能源革命核心目標(biāo)。
能源轉(zhuǎn)型主要指標(biāo)在我們國(guó)家發(fā)改委和能源局,他們?cè)谌ツ臧l(fā)布的一些規(guī)劃和戰(zhàn)略里面,2020年一次能源 消費(fèi)總量是50億噸標(biāo)準(zhǔn)煤,非化石能源占一次能源消費(fèi)15%以上。電力也有相應(yīng)的目標(biāo),在“十三五”里提出來(lái)。
2030年,能源消費(fèi)革命的戰(zhàn)略進(jìn)一步的明確這樣一個(gè)思路。特別提到2030年初步構(gòu)建現(xiàn)在的能源體系,還有很重要特征,非化石能源發(fā)電量在2030年,力爭(zhēng)達(dá)到50%,2050年非化石能源占比超過(guò)一半,要建成這樣一個(gè)現(xiàn)代能源體系,就是清潔低碳安全高效這樣一個(gè)體系。
關(guān)于一次能源的消費(fèi),消費(fèi)結(jié)構(gòu)情況,這個(gè)現(xiàn)在看來(lái)有不同的一些想法,一個(gè)情景一一個(gè)情景二,整個(gè)一次能源消費(fèi)里面到2050,煤占20%,油氣占30%,非化石能源占50%。煤占得比較多,2050年,煤占40%,油氣30%和化石能源30%,這個(gè)戰(zhàn)略和國(guó)家戰(zhàn)略不符。
2050年的情況還比較遠(yuǎn),2030年,大家一件基本上是一致的。
能源轉(zhuǎn)型過(guò)程里邊,我們電力系統(tǒng)起什么樣的作用?剛才講非化石能源在一次能源消費(fèi)中占比,比重,這個(gè)指標(biāo)是非常核心的指標(biāo)。指標(biāo)要依靠什么來(lái)完成?事實(shí)上是依靠電力系統(tǒng)發(fā)電來(lái)完成,什么發(fā)電?非化石能源發(fā)電完成,占比要占整個(gè)非化石能源90%以上,主要是水電、核電、太陽(yáng)能發(fā)電、風(fēng)電、生物質(zhì)這些加起來(lái)。要想實(shí)現(xiàn)國(guó)家能源轉(zhuǎn)型目標(biāo),電力系統(tǒng)首先要轉(zhuǎn)型。
我們用一個(gè)很簡(jiǎn)單的模型做的計(jì)算,基于國(guó)家能源發(fā)展戰(zhàn)略目標(biāo)來(lái)估算電力怎么辦。算下來(lái)的情況,就是這張圖。2020年的情況,2030年和2050年的情況。2020年,戰(zhàn)略聯(lián)盟,提出能源消費(fèi)總量是50億噸標(biāo)煤,非化石能源占比按15%,人均用電按5千度,非化石能源的電量占比34.5%,這些完全可以實(shí)現(xiàn)。
2030年的情況,能源消費(fèi)60億噸標(biāo)煤,非化石能源占比20%,人均年用電量按6千度算。算的結(jié)果,裝機(jī)容量要到27億千瓦/時(shí),非化石能源發(fā)電量占比接近50%,剛才提到那個(gè)指標(biāo),戰(zhàn)略報(bào)告里邊提出要50%,我這算下來(lái)48%,也都差不多50%。
2050年的情況,人均消費(fèi)總量還要降低,按55億噸標(biāo)煤,我們很大提高能源利用效率,效率增長(zhǎng)使能源消費(fèi)總量可以降低,我們最近做過(guò)一些分析,認(rèn)為完全是沒(méi)問(wèn)題的。非化石能源占比25%,人均用電量按9千度算。裝機(jī)容量到50億千瓦。還有非化石能源電量占比,占78%,扣除核電10%,剩下70%左右是由可再生能源來(lái)提供的,包括水、電、風(fēng)電、太陽(yáng)能。要想達(dá)到我們國(guó)家的戰(zhàn)略目標(biāo),就必須這樣做。2050年這樣一個(gè)情況,高比例可再生能源能不能在電力系統(tǒng)里運(yùn)行,我們最近也做了研究,模擬往下算,應(yīng)該是可以的,但是條件是什么?需要更多的儲(chǔ)能,網(wǎng)間的傳輸線路要加強(qiáng),另外我們發(fā)電資源靈活性要更高,包括火電。在這樣的情況下是可以運(yùn)行的。我們也有個(gè)數(shù),今天沒(méi)有說(shuō),因?yàn)閳?bào)告還沒(méi)出來(lái)。
這是剛才算的結(jié)果,做的一個(gè)趨勢(shì)。能源轉(zhuǎn)型和電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型,從國(guó)家標(biāo)來(lái)看我們電力系統(tǒng)必須轉(zhuǎn)型。
第二,新一代電力系統(tǒng)及其主要技術(shù)特征。
哪幾個(gè)技術(shù)特征,歸納四條。一條,高比例可再生能源,電力系統(tǒng)里面將來(lái)是高比例再生能源,發(fā)電量要達(dá)到70%,裝機(jī)容量就更高了。第二,高比例的電力電子裝備,這是和可再生能源相關(guān),西部清潔能源東輸,直流輸電。第三,多能互補(bǔ)的綜合能源電力系統(tǒng),以電力系統(tǒng)為中心,多種能源協(xié)調(diào)、互補(bǔ),提高能源利用效率。第四,信息物理融合的智能電力系統(tǒng),在智能電網(wǎng)的基礎(chǔ)上擴(kuò)充,所謂深度融合比原來(lái)那個(gè)想法可能更進(jìn)一步。
什么叫新一代電力系統(tǒng)?在幾年前我曾提出三代電網(wǎng),第三代電網(wǎng)是新情況下,電力系統(tǒng)發(fā)展和原來(lái)是不一樣的,和上個(gè)世紀(jì)前50年,小機(jī)組小電壓的情況,和后幾十年大機(jī)組超高壓的情況不一樣,化石能源講日漸枯竭,環(huán)境要求越來(lái)越高,全球氣候變化等等原因,第二代電力系統(tǒng),依靠大電網(wǎng)超高壓,不可持續(xù)的模式,要轉(zhuǎn)型,轉(zhuǎn)為第三代電力系統(tǒng),可再生能源和清潔能源發(fā)電為主,骨干電源分布式電源結(jié)合,主干電網(wǎng)和局域網(wǎng)結(jié)合。一句話,基于可再生能源和清潔能源可持續(xù)發(fā)展綜合能源電力發(fā)展的模式。
高比例可再生能源系統(tǒng),實(shí)際上目前西部、北部一些省份是高比例了,像新疆已經(jīng)超過(guò)了35%,像甘肅,41%,這些都是比較高的。即便是內(nèi)地的省份,它的比例不高,但是 絕對(duì)值也是很大,像山東、江蘇這些。看未來(lái)情況,這個(gè)比例還要高,未來(lái)的方向,從技術(shù)來(lái)看一定是高比例,可再生能源系統(tǒng),帶來(lái)一些問(wèn)題。包括未來(lái)還要繼續(xù)發(fā)展,風(fēng)電成本逐步降低,光伏成本逐步降低等等還有光熱發(fā)電,當(dāng)然也面臨系統(tǒng)著大挑戰(zhàn),在西部面臨可再生能源進(jìn)入弱電網(wǎng)的挑戰(zhàn),還有棄風(fēng)棄光這些技術(shù)問(wèn)題,我們希望通過(guò)技術(shù)問(wèn)題解決,重要的還是體制問(wèn)題。
第二個(gè),高比例電力電子裝備。首先我看直流輸電。右邊這張圖,把特高壓直流發(fā)電放在這個(gè)圖上,這個(gè)都有數(shù)據(jù),不細(xì)說(shuō)了。這個(gè)發(fā)展還是很大很快,有一些工程在建設(shè)之中。還有新發(fā)展,柔性直流輸電。它有很多的優(yōu)點(diǎn),傳統(tǒng)的直流輸電遇到一些困擾,比如換相失敗等等問(wèn)題,柔性直流輸電,通過(guò)新一代的輸電,已經(jīng)在一些地方做一些示范的工程,而且現(xiàn)在正在對(duì)于一個(gè)張北到北京四端柔性直流輸電工程,也算示范工程,核準(zhǔn)開(kāi)始建設(shè),據(jù)說(shuō)是很快。
大電網(wǎng),像風(fēng)能、太陽(yáng)能、光伏接入電網(wǎng)都是里邊變流器接入。
高比例電力電子裝備電力系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性問(wèn)題,還有慣性減小,傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中等干擾不怕,因?yàn)橛袘T性,發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子,里邊儲(chǔ)存的能量可以對(duì)系統(tǒng)頻率擾動(dòng)抑制變化,接入電網(wǎng)都是變流器逆變器,使整個(gè)慣性大大減小,對(duì)我們是很大的挑戰(zhàn),現(xiàn)在正在想辦法解決。包括逆變器、變流器里邊能不能加以控制,和儲(chǔ)能配合。
第三個(gè)特點(diǎn),多能互補(bǔ)的綜合能源電力系統(tǒng)。
我們分成兩類,一個(gè)是源端基地綜合能源電力系統(tǒng),我們國(guó)家從可再生能源發(fā)展,最豐富的資源還是在我們國(guó)家西部,從未來(lái)2050年發(fā)展,我們需要幾十億千瓦的風(fēng)能、太陽(yáng)能,純粹依靠東部的分布式發(fā)展還是不行不夠,還是要在西部大規(guī)模的發(fā)展,發(fā)展,你就得當(dāng)?shù)卦趺窗阉闷饋?lái),一部分輸送出來(lái)。這個(gè)就是搞一個(gè)綜合能源系統(tǒng)。首先西部可再生能源包括一部分常規(guī)的能源,把它互聯(lián)起來(lái),相互補(bǔ)充,實(shí)現(xiàn)多能互補(bǔ),中東部的輸電,很大程度上提高東部線路上的利用率。另外一個(gè),我就地利用,這個(gè)事以后做?為什么?我們沒(méi)有那么多能力,把幾十億千瓦的電往東送,是不可能的,我們做了一個(gè)簡(jiǎn)單的分析,幾年前,西電東送到底你有多大的可能性?你送多大的容量就差不多了,我們是4.5到5.5億千瓦,目前是多少?目前1.7億,我們十三五是2.7億,在西部還是要就地轉(zhuǎn)化,轉(zhuǎn)化成不同能量的形式,保證儲(chǔ)能、氫能,還有金屬空氣電池等等,多種多樣的辦法,我認(rèn)為是必須的。儲(chǔ)能我們眼界要寬一點(diǎn),還要考慮別的,我們國(guó)家能源確實(shí)需要西部的能源往東部輸送,純輸電是做不到的,我們做電力系統(tǒng),不要把這些都?jí)旱诫娏ο到y(tǒng)身上,它做不完。
還有一個(gè),終端消費(fèi)綜合能源消費(fèi)系統(tǒng)。這個(gè)大家都很清楚,用戶的多能互補(bǔ),包括區(qū)域、城市、園區(qū)等等,熱電能聯(lián)產(chǎn),多種能源的互補(bǔ),最大的好處能源利用效率可以大幅度提供。
第四,信息物理融合智能電力系統(tǒng)。
智能電網(wǎng)基礎(chǔ)上,我們進(jìn)一步到能源互聯(lián)網(wǎng),這個(gè)能源互聯(lián)網(wǎng),核心的 意思是三個(gè)層次,一個(gè)是以電力系統(tǒng)核心和紐帶,多種能源互補(bǔ) 互聯(lián)互通的能源網(wǎng),我認(rèn)為能源互聯(lián)網(wǎng)首先是一個(gè)能源網(wǎng)不是單純的信息網(wǎng)。通過(guò)多能互補(bǔ),大幅提高能源綜合利用效率。第二點(diǎn),能源系統(tǒng)與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)深度融合的信息物理系統(tǒng)。這兩方面的含義,一個(gè)以互聯(lián)網(wǎng)思維和技術(shù)改造傳統(tǒng)電力系統(tǒng)。電力系統(tǒng)的思維是垂直,我發(fā)電你用電,現(xiàn)在看來(lái)需要互聯(lián)網(wǎng)這個(gè)思維,要辨別,以用戶為中心,它也可以提供一部分能源等等,供能單位還要為它創(chuàng)造價(jià)值。這個(gè)是改造電力系統(tǒng),廣泛應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù),大幅提升能源電力系統(tǒng)的靈活性、適應(yīng)性、智能化和運(yùn)營(yíng)管理水平,大幅度提高接收波動(dòng)性可再生能源的能力,助力能源轉(zhuǎn)型。我們電力要學(xué)習(xí)互聯(lián)網(wǎng)的做法,另外互聯(lián)網(wǎng)也要學(xué)習(xí)我們,早期互聯(lián)網(wǎng)就是學(xué)習(xí)電力系統(tǒng),電力系統(tǒng)能做到的事它做不到,十幾年前,你們電力系統(tǒng)太好了,電機(jī)插電就有了,我們不行,我們不能一插計(jì)算能力就有了,分析信息就來(lái)了,現(xiàn)在都可以做到,所以我覺(jué)得這兩種網(wǎng)一個(gè)信息網(wǎng)一個(gè)是我們的電力網(wǎng)、能源網(wǎng),相互之間深度融合,首先是理念深度融合,完了是技術(shù)深度融合。第三,以用戶為中心能源電力運(yùn)營(yíng)商業(yè)模式和業(yè)務(wù)業(yè)態(tài),向用戶提供 便捷互動(dòng)的能源、電力綜合服務(wù),助力能源市場(chǎng)化和相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展,提高人民生活質(zhì)量。
下面幾類技術(shù)突破和全局性影響,我把它歸結(jié)五條。
第一,高效低成本太陽(yáng)能風(fēng)能發(fā)電技術(shù)。真是說(shuō)達(dá)到這樣一個(gè)高比例的水平,你的成本必須降低,而且效率要提高。現(xiàn)在看來(lái)還達(dá)不到這點(diǎn),這些年進(jìn)步非常快,特別是太陽(yáng)能發(fā)電進(jìn)步非常快,真正說(shuō)實(shí)現(xiàn)我們最后的目標(biāo),實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)型必須要做到。
有重點(diǎn)突破的技術(shù),一個(gè)是光伏電池要提高效率,現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)室做效率可以很高,工業(yè)化的生產(chǎn)還實(shí)現(xiàn)不了,聽(tīng)說(shuō)是20%不到的 水平。
第二,寬禁帶半導(dǎo)體電力電子器件。現(xiàn)在半導(dǎo)體比較脆弱,電力電子比較脆弱,一個(gè)是體積也大 ,頻率高,效率損害就比較大,波載能力也比較低,怎么辦?要新一代的電力電子,就是寬禁帶半導(dǎo)體的電力電子器件。但是難度也很大,但是我覺(jué)得,也是必須突破的。
第三,儲(chǔ)能技術(shù)。我們?cè)诂F(xiàn)有的儲(chǔ)能、儲(chǔ)電技術(shù)進(jìn)步基礎(chǔ)上要進(jìn)一步的發(fā)展,而且擴(kuò)展我們的儲(chǔ)能的視野,不僅僅儲(chǔ)電還有儲(chǔ)熱還有儲(chǔ)別的,儲(chǔ)金屬。使我們的儲(chǔ)能在未來(lái)電力系統(tǒng)中發(fā)揮一個(gè)非常關(guān)鍵的作用,沒(méi)有它是不行的,這個(gè)技術(shù)上還要進(jìn)一步突破。
第四,先進(jìn)輸電線路技術(shù)。大家去過(guò)西北沒(méi)有,河西走廊,最窄的地方十幾公里寬,那里邊密集排列了西能東輸各種各樣的線,包括高壓輸電線包括輸油管道、輸氣管道都在那兒過(guò),將來(lái)大量西電東送,我走廊是不夠的,怎么辦?想辦法,技術(shù)突破,一個(gè)突破高強(qiáng)度低成本絕緣技術(shù),使我們的線路,不一定用架通線,我們底下走電纜,成本要低、強(qiáng)度要高,這是有可能做到的。還有一個(gè),我們用超導(dǎo)輸電。最近有一個(gè)項(xiàng)目要進(jìn)行研究,就是管道又輸電又輸燃料,每鋼人超導(dǎo)輸電管子里邊也輸氫,也是一個(gè)輸能管道。電壓是直流輸電,里邊還送一部分氫氣,液態(tài)氫。當(dāng)然這僅僅是一個(gè)設(shè)想,十幾年前,我把它圖拿來(lái),但現(xiàn)在這么多年沒(méi)有進(jìn)展。現(xiàn)在超導(dǎo)技術(shù)也有進(jìn)步,我們很有想法,也是專家?guī)啄昵疤岢鰜?lái),我這管道不要通氫氣,可不可以直接通液化天然氣,它的溫度是110度K,溫度比較高,這么高的溫度,超導(dǎo)材料還沒(méi)做到這么高,高溫超導(dǎo)沒(méi)高這程度,現(xiàn)在是93K五,我如果把超導(dǎo)天然氣液化溫度降到這樣一個(gè)范圍,提了25度到90K,這個(gè)時(shí)候兩個(gè)就配起來(lái),又能輸液化天然氣混合氣體又能輸電,這是最近發(fā)布的重點(diǎn)專項(xiàng),《行動(dòng)指南》里有,這是前幾年專家提出來(lái)的設(shè)想,如果能實(shí)現(xiàn)當(dāng)然非常好,目前還是一個(gè)理念能不能實(shí)現(xiàn)的問(wèn)題,能實(shí)現(xiàn)成本到底怎么樣,是下一步的問(wèn)題。
第五,人工智能。人工智能大家談得很多也很關(guān)注。到底會(huì)起什么作用?工業(yè)部門、電力系統(tǒng)、能源部門起什么作用,這個(gè)還是要繼續(xù)探討,電科院準(zhǔn)備做這個(gè)工作,在準(zhǔn)備進(jìn)行研討了。但是這個(gè)事要關(guān)注。首先要做大數(shù)據(jù),大數(shù)據(jù)分析。話說(shuō)大數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)從哪兒里,曾嶸教授講的,芯片,就是傳感通信兩功能都有,價(jià)格很便宜,叫做無(wú)所不在的傳感器,把我們裝備信息全部收集起來(lái),也不耗能,或者耗能耗得很少,又很便宜,這樣的話大數(shù)據(jù)就有基礎(chǔ)了,就叫物聯(lián)網(wǎng)。還有深度學(xué)習(xí),神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),這都是反應(yīng)。最近一個(gè)新發(fā)展,叫阿爾法狗 Zero,不需要你這些經(jīng)驗(yàn),都可以自主來(lái)學(xué)習(xí),進(jìn)步,這些東西不太好說(shuō),我們能不能用,不能知道,但是這些事大家要關(guān)注。
建設(shè)清潔低碳安全高效的新一代能源系統(tǒng)是我國(guó)新一輪能源革命的核心目標(biāo),實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的關(guān)鍵作用。
電力系統(tǒng)以化石能源為主向低半可再生能源轉(zhuǎn)型,將對(duì)能源轉(zhuǎn)型目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)起關(guān)鍵作用。
第三代電力系統(tǒng)100多年來(lái)第一第二電力系統(tǒng)的傳承和發(fā)展,是推動(dòng)能源轉(zhuǎn)型發(fā)展、構(gòu)成新一代能源核心系統(tǒng)的電力系統(tǒng)。
高比例可再生能源、高比例電力電子裝備,以及信息物理深度融合智能化是新一代的顯著技術(shù)。
幾類技術(shù)的突破有可能對(duì)未來(lái)能源電力系統(tǒng)的發(fā)展帶來(lái)全局性、變革性甚至顛覆性的影響。謝謝大家!
(發(fā)言為現(xiàn)場(chǎng)速記整理,未經(jīng)本人審核)
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