自从党中央提出构建“以新能源为主体的新型电力系统”国家能源战略后,能源行业内,百花齐放,百家争鸣,行业专家都从自己熟悉的专业角度解析什么是新型电力系统。争论的焦点是:应对新能源的爆发性增长,应如何重构电力系统的物理形态与体制机制。尽管目前存在大量问题有待解决,但其中最紧迫、最关键的难题是:如何解决更大范围和更长周期的电力电量平衡问题。目前电化学只能是小时级别的储能,不能解决多天、月度、季度的长时间储能难题。
本文将从能源经济学的角度,思考如何高质量推动新型电力系统建设。第一,新能源的配送应尽可能利用现有的传输系统,以降低新型电力系统的投资与运行成本。第二,应尽可能利用现有火力发电基地的空间,实现电网与土地资源再利用。第三,应发挥电与氢能不同优势。电能运输成本低、安全、可靠,但不宜大量存储;氢能能量密度高,电制氢技术相对成熟,氢作为电能储存的载体是可行的;并且在很多炼钢、化工、交通运输行业,氢能有广阔的应用前景;但其运输成本高、技术不成熟,易发生安全事故,挥发性强。第四,应优先利用新能源发电,提升终端能源的再电气化;新能源发电的波动性则通过“以电制氢、氢再发电”的储能方式解决;国际上已将氢能作为电能季节性存储的载体。第五,考虑我国新能源资源与水资源的逆向分布,应充分利用我国独创的高压输电技术实现西电东送,在原火电厂基地制氢、再发电,并循环利用水资源。第六,电与氢能应融合发展,实现互联互通、互补互利。基于上述思路,本文提出新能源为主、电网配送、电氢融合的新型电力系统战略选择,主要构想如下。
2. 通过“以电制氢、氢再发电”,确保新型电力系统长时间尺度的供需平衡。将大量的新能源发电通过电网汇聚到水资源丰富的火电基地,在新能源发电供大于求时,电价价格极低,开展电制氢,以氢能的方式存储电能;新能源发电供不应求时,电价价格极高,氢能发电,将氢能转化为电能;不同时间电价之差足以补偿“以电制氢、氢再发电”的成本,这就解决了新能源为主的电力系统中电力电量长周期平衡的难题,同时也解决了未来电力系统在持续多天、少风无光情况下电力供应安全问题。
4. 以电网作为新能源配送载体,其成本远低于氢的运输成本。当利用新能源制氢后,如何输送又是一大难题。运输氢首先需要加压或液化,然而液化过程耗能较多,需要消耗运输的氢所蕴含能量的30%,相当于每运输1公斤氢气消耗7到10千瓦时能量。由于冷氢与环境温度之间存在较大的温差,因此对所用材料和绝热有很高的要求。通常,液态氢运输适用距离应该超过400至1000公里,并且运输温度应该保持在零下253°C左右。这样的运输条件必然使成本居高不下。有一种观点认为:氢能的另一个运输构想是让氢与二氧化碳反应生成甲烷,再通过管道输送。事实上,甲烷化反应将释放大量的热,增加这一步转化将降低整体终端能源效率,与此同时该技术还需要大量的二氧化碳作为原料,这一想法的经济性与适用性还需进一步论证。
6. 本构想采用“西电东送、东部制氢、适时发电”是经济可行的。“以电制氢、氢再发电”是将西部地区富余的新能源发电,通过输电线路转移到中东部地区,并在东部靠近负荷中心的地方制氢,后续再以液氢的形式就地储存、就地利用。按照现在的技术,若不考虑液氢的长时间储存,根据现在的技术水平,这部分富余电能的度电输送到中东部,成本约为0.46元;若考虑液氢的长时间储存,则储存一周、一个月时的度电成本分别约为1.05元与1.16元。随着西电东送输电线路利用率由于储电而大幅度提升,“以电制氢、氢再发电”技术的不断进步和大规模应用,成本将大幅度下降。相比直接利用西部富余的新能源发电就地制氢,以陆路交通运输方式输送到东部再进行发电,本构想安全、便捷,具备显著的经济优势!
8. 氢能发电的技术已非常成熟。在美国俄亥俄州的汉尼拔小镇,通用电气的涡轮被设计成能够使用80%的天然气和20%的氢气,将在未来实现只燃烧100%氢气。氢是宇宙中含量最丰富的元素,它与氧气结合燃烧,就可以用来驱动现代燃气轮机,以接近零碳排放发电。2020年,韩国有一座50兆瓦的氢能发电站已并网运行,阳光电源公司也将有一座500千瓦的氢能发电站并网运行。当火电逐渐退出运行后,原厂址能够为制氢、储氢和氢能发电提供足够的空间。
10. 该构想将大幅度提升整个大电网线路的利用率。电网线路利用率偏低是由用户用电曲线决定的,电网按照满足用户最大负荷的原则规划建设,必然在负荷非高峰时段利用率降低。如果能够大量地以氢能形式储存电能,必然可实现电力削峰填谷,从而提升电网设备的利用率,可大幅度提升西电东送的特高压线路利用率,西部晚上富余的风电可全部用于各基地的制氢,白天负荷高峰时再利用氢气发电。
12. 这一构想将以最简单和经济的方式解决以新能源为主体、电力电子化电力系统调度运行所面临的难题。由于火电厂变成了氢能发电机,则其可以提供负荷中心的电压支撑;氢能发电机是旋转的,也必然为电网运行提供大量的转动惯量;氢能发电可快速启停,可以为电网提供大量事故备用;可利用低谷时段、远距离输电、大量储能,避免电网远距离重载送电,而整体提升大电网的运行稳定性。
通过上述可行性分析,以新能源为主体的新型电力系统的物理形态逐渐清晰了。电网类似于互联网一样将无处不在的新能源和电力用户万物相连,这就是杰米里·里夫金所倡导的能源互联网;以氢能为载体的大规模储能电站将逐渐替代火力发电机组,将熨平新能源发电和用户用电之间的时空大范围不平衡,大幅度提升电网设备的利用率;以氢能发电机提供负荷中心电网的电压支撑和备用容量,替代火电机组为大电网提供转动惯量;将提升终端能源的电气化水平,以承载新能源的电网替代天然气与供热管道,电网将以经济、可靠、安全、快捷、绿色的方式实现新能源汇聚、传输、配送到千家万户,并且可以在需要绿氢的地点、以友好地利用新能源发电的方式开展制氢,以满足各行各业对氢能的需求;将在火电机组退役以后,在原基地上开展大规模制氢、储氢和氢能发电,获得了开展大规模制氢的空间资源,并与电网实现了物理上的高度融合。期待这一构想能够推动我国能源转型高质量的发展!