双碳目标下构建新型电力系统的研究和思考
周孝信
中国科学院院士、中国电力科学研究院名誉院长
未来能源大会-院士论坛
尊敬的理事长，各位院士，各位专家早上好，非常荣幸再次参加我们能源研究会举办的未来能源大会。
今天给大家报告的题目主要还是想在“双碳”目标的实现，以及实现的过程中，对我们构建新型电力系统到底会造成什么样的影响，我们应该怎么配合，来实现碳达峰和碳中和?
现在谈三个问题，我们新型电力系统的主要问题是什么。新型电力系统安全稳定经济运行的新挑战。现在“双碳”目标的实现对我们电力系统来说带来了很大的变化，最主要的变化就是可再生能源的比例大幅度上升，特别是新能源将带来哪些挑战?
其中一个很重要的问题就是怎样提供调节的灵活性，来配合刚才杜院士讲的新能源的间歇性、随机性和波动性，这就需要我们提供很巨大的一个灵活性的资源，怎么配合好，怎么提供?另外就是韧性，遇到一些极端的情况下怎样能够保证基本电力的供应和能源的供应，这就是韧性的问题。可恢复性，造成很大影响的情况下，大范围电力供应不足的情况下如何很快地恢复?
主要的特征，前四个是高比例的可再生能源，还有高比例的电力电子装备，一个是多能互补，一个是数字化、智能化，最近我们结合“双碳”目标，结合最近的发展我们提出两个，一个是清洁高效低碳零碳电力系统，直接对应目标，还有高韧性的可靠电力系统。
看一下这两张图，左边的图就是装机容量，右边的图是发电量。这个就是一个变化趋势，2020-2060年的过程，绿颜色的是风光装机，从2020年很小的5.3千瓦一直到2060年接近60亿千瓦，大量的可再生能源。同时煤电，从目前的12亿千瓦降到4亿千瓦左右，不是没有，在一个紧急情况下它会发挥重要的作用。
还有碳排放的图，也是2020-2060年，分三个阶段，一个阶段是碳达峰阶段，从现在开始到2030年，2030-2050年之间叫作加速减碳的阶段，能源碳排放大幅度降低，电力系统的碳排放也是大幅度降低，电力系统的碳排放占整个能源系统的30%多，所以电力系统的发展中，可再生能源通过这样的途径降碳，对我们国家的碳达峰、碳中和带来重大贡献，做得好不好影响巨大。到了2060年大概也就是几亿吨的情况，电力系统不到10亿吨。
还有经济运行的新挑战，哪些挑战?首先看详细的情况，将带来什么样的挑战?这是2050年电力发展的前景预测，我们最近结合“双碳”目标做了如下情境：这个时候装机容量是75亿千瓦，非化石能源占比84%，风光占比72%，发电量占比58%。这是人均电量，到2050年，太阳能发电的电量占32%，风电电量占25%，煤电电量占57%，气电电量占6.7%，关键的时候将起很大的作用。
我把电力系统安全稳定经济运行的性能要求分成六个。一个是灵活性，新能源为主，电力系统灵活性要求特别高，传统也有这个要求，水电调节也要调峰。再就是韧性，它是电力系统应对突变事件必备的条件。前一个是必要条件，尽管以前不怎么提韧性，现在包括灵活性也是最近几年提出来的，之前也有这个要求。下面是稳定性、可靠性，可靠性是一个基础的条件，没有设备的可靠运行谈不上可靠性，大面积停电很难恢复。还有一个经济性，它是一个前提条件。新能源带来的几个性，与过去相比带来非常大的变化，像灵活性刚才说了是一个巨大的需求，还有气候的敏感性，对电力系统的影响，现在世界气候变化不正常，这种极端情况是比较频繁的，所以是新的要求。
稳定性更是，随着新能源的发展，接的设备都是电子设备，稳定带来的现象也不一样，还有可靠性就不说了。经济性也是，我们发展新能源有很多配套的东西，配套的设备和措施都需要钱，最后带来经济性，电价要提高的，经济性要求建立一个绿色市场化的机制，这也是很难做的事情。
下面是我们做的具体案例，首先看电力系统灵活性和韧性的定义，这两个性的定义都是美国6-7年前提出的，北美的电力可靠性协会有一个说法，电力系统供需两侧响应系统的不确定性变化的能力，我们国内已经做了研究，也有更详细、更精确的定义，参考文献都有。还有韧性也是，韧性是美国工程院提出的，也是比较简单的说法，能够认识到长时间、大面积停电事故发生的可能性，事故前充分的准备，事故发生时最小化的影响，事故发生后快速恢复，从事故中获取经验，我们国内也做了这样的研究，特别是上海电力公司做了很详细的研究。
特别是最近17部委联合印发的《国家适应气候变化战略2035》，其中提到增强我国经济社会系统的气候韧性，这个概念提得非常好，特别是基础设施，包括能源设施，包括设施本身，包括其中一些关键技术都提出了很明确的韧性要求。
下面举一个例子，接着2050年我们预测的情况，我们缩小成一个大概比较小的省未来的情况，过去全国人口14亿多人，现在这个地方是2324万人，缩小58倍，人均用电量不变，比较和原来一样的，这么高比例可再生能源的系统，而且比较小的一个省份未来可能面临的一个情况。
再说一下前两年提出的一个概念，希望建立综合能源生产单元，这个单元里面包括火电厂、燃煤电厂和生物质混烧的电厂，包括光伏电站。另外我们可以有一部分做成的甲烷或者直接燃烧氢气，推动燃气轮机，这样的单元具有多方面性能，有各种各样的产品，而且我们把火电厂淘汰，利用起来发挥作用。
这样一个系统它的灵活性资源我们列了一个表，灵活性资源和调节能力大家可以看，包括常规煤电、常规气电都可以调节，水电也可以调节。抽水蓄能和新型储能，抽水蓄能建设很猛，这里面是200万千瓦+100万千瓦，把这些电源去掉之后剩下的部分给IEPU，里面煤电120万千瓦，气电400万千瓦，就是自己生产出来的氢气或者生产出来的绿色天然气，拿来作为燃料。
再一个就是电解制氢，这个非常重要，如果没有电解槽就没有调节能力，下面的表IEPU的调节能力负376万-500万千瓦之间波动，抽水蓄能+新型储能是负300万-正300万之间波动，IEPU的性能差不多，建立抽水蓄能和化学储能性能是差不多的，它是更好的，没有时长限制，这个IEPU里面的机组可以发下去，或者天然气罐子容量不够，取决于氢和甲烷的生存能力，火电也有这个限制。
但是抽水蓄能也好，化学储能也好，它的时长充电2-8小时，8小时很大了。我们做一个曲线看看，我们做简化分析，下面是太阳能的曲线，上面是复合，风电比较平稳，这是两个典型的。左边的图是夏季典型日，黄色的这一大块面积就是太阳能光伏发的电，在这样的情况下出现多少次，大概要出现2天时间就没有了。风和光也是一样的，都是最小的。
我们IEPU发的绿色电，用绿色的燃料发出来的。如果不用燃气，电量大概是多少?1.5亿千瓦时，正常的6亿千瓦时，缺的部分电量正常日电量的1/4，在这样的情况下如果这部分大的1.5亿千瓦时电量，全国抽水蓄能容量太大了，要装3750万千瓦的储能运行10小时才能有这个电量，我们也估算了，这个投资巨大。
我们用IEPU的概念是用废弃的火电用的燃气轮机的电，我们没有仔细算成本是多少，估计差数量级的，真的可以考虑一下未来怎么应对我们波动性、灵活性，这种情况是两个性，一个灵活性，一个韧性，3天用电怎么满足?这都是我们需要进一步研究的问题。
关于电网我说两句。灵活性仿真分析表明，在风电光伏总量超过70%的情况下，电力正常运行时除了要有足够的煤电、气电、各类储能提供有效性资源调节之外，需要设置光伏电解水制氢等能源转化的装置，这个制氢平常也可以用，到了紧急时刻要出力，在极端条件下需要动用长周期绿色能源储备，比如说甲烷等绿色气体燃料参与能源电力调整。我们看到一个材料，是美国洛杉矶电力局的，他们的方案就是这样的，2035年要净零排放了，90%的情况都可以对付，10%的情况怎么办?最后就是要用氢来解决。
下面这个是总量120万千瓦煤电，400万千瓦绿色燃气机组，400万千瓦电解水制氢组成的新型IEPU组合，可以提供负376-500万千瓦的正负双向调节能力，而功率调节性能堪比抽水蓄能电站和新型储能的组合，它的优势具有调节市场基本不受限的优势，可以实现大规模能量的宽裕。
我今天汇报就到这里，谢谢大家。
“第四届未来能源大会”入选中国科协重要学术会议
被收录中国科协《重要学术会议指南（2022）》
未来能源大会
是一个致力于探索未来能源发展趋势的研究与交流平台。FEC通过组织一系列活动，汇聚国内外参与者分享从“传统能源”向“未来能源”趋势下的智慧成果。 促进全球能源协调、高效和可持续发展，推动建立智能、开放和共享的现代能源生态体系。
