构建100%可再生能源系统架构及能源转型路径探讨

构建100%可再生能源系统架构及能源转型路径探讨许洪华郭金东鄂春良邵桂萍2024年8月17日■系统、全局思维：能源系统最优，全社会利益最大◆实现碳中和需求：◆保障能源安：能源革命巨大机遇◆大胆假设：100%可再生能源能源零碳体系能够实现上述目标吗?一、建立100%可再生能源体系可能吗?二、如何构建100%可再生能源系统?四、100%可再生能源如何解决季节差的问题?■2020年我国碳排放超过美国、欧盟和印度之和+工业：42%5其他工业过程建筑0我国CO₂气体排放现状(2020年),单位：亿吨基于2020年能源统计年鉴数据估算我国可再生能源资源丰富、产业技术领先■风光资源丰富>技术可开发量超过1400亿千瓦，已开发量仅0.7%>可开发资源量的7%即100亿千瓦就满足能源需求>全球70%以上的光伏组件，60%的风电装备产自中国风光已成为最便宜能源已装机需求量7如何构建未来能源架构?■国际和我国的研究表明，构建以可再生能源为主体的新型能源系统不仅技术可行，在经济上也比用化石能源更便宜aeGrospowargonarationwillalmostdoublewithrenowabenerayproviding85%ofelectriclty.ERI:中国高比例可再生能源情景：2050年IRENA:《全球能源转型：2050路线图》构建以可再生能源为主体的能源系统对我国有利■我国可再生能源资源完全满足需求，能源供应更安全0铀资源煤石油天然气铀资源煤石油天然气能源资源100%可再生能源体系能够保证能源安全吗?√分层、分区域构建源网荷一体、冷热电联供可再生能源系统，就地消纳、就近协同,远距离输送调剂的能源体系国国从资源、技术、产业、经济性、绿色可持续发展等方面来看，构建100%可再生能源体系完全可以满足中国未来能源需求!一、建立100%可再生能源体系可能吗?二、如何构建100%可再生能源系统?四、100%可再生能源如何解决季节差的问题?我国未来可再生能源体系架构EnaroysystamFlexibltyModularTeChnologyandKeyEqui■风光主导能源■多能互补、源网荷一体■绿电绿热绿氢联合驱动■多场景综合应用■化石能源作为原料非能源利用，绿氢实现可再生能源系统的跨季节调节鑫颦游设计EneroyDesign煤炭Coal太阳能Solar高渗逝丰可再生能源核能Nuclear作为原料使用卡诺话环卡诺话环热的一热、电、氢Storago钢铁Iron高载能行业数据中心DadaConter电氢能外送县城区域1005源100%可再与高载能耦合技术低成本综合能源系统技术典型场景应用示范典型场景应用示范ScenariosRADTestandEvaluationPlatform,Sustai我国未来能源体系架构可再生能源为主可再生能源为主化石能源电力系统不同阶段不同种类能源及能源系统定位和作用中周科学院挑战2:实现碳中和及转型过程中的能源利用典型场景及技术经济性CHINESEACADEVYOF新应用场景发生巨大变化系统运行模式系统架构多源互补、冷热电联供源网荷一体化能源规划及发展路径可再生能源为主的能源架构体系及模块化技术可再生能源和化石能源系统协同技术能源和其它领域融合技术挑战3、如何充分挖掘煤炭"能源安全压舱石"作用能源安全能源转型双碳目标0对外依存度持续上升0—光伏(晴朗)—风电(大风)剧烈波动阴雨发电量仅为晴朗的0数据来源：中科院工热所数据来源：CarbonBrief已探明煤炭数据来源：国家统计局、怀柔国家实验室总体判断煤炭占我国一次能源储量的93.8%,是唯一能够满足紧急情况下能源需求的资源·煤炭碳排放规模巨大，碳捕集利用与封存(CCUS)技术需求强烈挑战4:集中开发、远方消纳遭遇瓶颈，分布式面临系统稳定和管理变革■远距离输电面临外送通道不足和跨区管理的双重压力■跨省区输电成本高：大部分区域就地开发可再生能源比远距离输送更经济■高渗透率分布式能源需要现有的电网及供能体系技术和管理的变革挑战5:高载能行业是减碳困难户，与可再生能源和绿氢结合需示范■高载能工业面临降本和减碳的双重压力■低成本可再生能源和高载能、绿氢技术结合，有望加速实现我国最难减碳领域的碳源网荷一源网荷一体化技术自备电网风电自备电网风电热电网②电网②①高渗透率风/光源氢光电我国高载能产业碳排放占比示意图可再生能源资源与高载能产业就地协同17/44 全应用场景分析◆全场景分析◆区域分布和发展模式研究全场景边远农牧区大基地Largebase与高载能耦合本地消纳县域100%可再生能源通过大电网供能电网支撑的自发自用完全自给自足分布式光伏、风电、供热、生物质分布式多能互补multi-energycomplementa海上风电、海上光伏海上风光海上风光能源岛无大电网或电网末端(100%可再生能源综合供能)边远海岛典型场景分类18/44典型应用场景研究■可再生能源和高载能产业结合>高比例可再生能源多能互补及源网荷储一体化>钢铁工艺流程电热氢耦合运行与协同控制■县域100%可再生能源系统>建设冷热电联供的100%可再生能源系统，零碳，更经济■乡村振兴边远农牧区>可再生能源和节能建筑结合解决用电、取暖、炊事等用能需求■大规模外送基地(西部和海上)源/储源/储电网源/荷/储独立运行多源主动构网独立运行多源主动构网系统灵活性互动①预测经济性配比能源平衡经济调度全流程灵活性>大基地远距离外送和在负荷附近就近开发可再生能源系统的成本孰高孰低■园区、建筑等典型场景可再生能源综合系统>利用分布式可再生能源解决园区、建筑的冷热电用能需求，实现区域100%可再生能源供能风光助力唐山市钢铁绿色低碳转型意义重大■唐山风光可开发量：3770万kW●风资源可开发量：陆上320万kW,海上1670万kW■年总发电量：827亿kWh■现有技术：2022年唐山钢铁电量769亿kWh,100%绿电替代可节约成本229亿元■纯氢冶炼/电炉炼钢技术：按1.24亿吨产量计算年用电量3149亿kWh,带动周边1.9亿kW风光就地消纳唐山全国(亿kWh/年)风光装机容量(亿kW)风光总投资(万亿元)风光年发电量(亿kWh/年)2022年粗钢产量统计全国/河北/唐山钢铁行业需要风光装机测算铁化联产低碳低成本区域综合能源系统示范白…白…分分…片王l片王k铁合金生产工艺储氢罐储氢罐储氢作为灵活性调节手段洗漳冷却静电除尘柜COz尾气(17000Nm²/h)低漕体CO2(20万吨/年)干*(2万吨/年1制氢6.26万吨/年煤气压缩精脱硫甲醇产量提升3倍助力风光消纳34装机200万kWCO提纯装置需棉甲即(8万吨/年)结晶装置乙醇(1.6T/h)眼酸甲乙面(2万吨/年1碳图二乙皆(5千吨/年)现有规划数据中心行业绿电替代助力碳减排■“草原云谷”-内蒙古算力核心区■经认定的数据中心企业参与电力多边交易，0.29~0.30元/kWh■按100%绿电替代测算，2025年，年均电费成本降低17.4亿元，支撑风电新增装机■按目前30%绿电率测算绿电100%替代，到2025年，降低数据中心电耗二氧化碳排放量960万吨/年已投运项目已投运项目已签约项目数据中心绿电替代风光装机测算我国大部分县域可以就地就近实现100%可再生能源，有望比现有的能源供应成本明显降低。农牧区100%RE解决方案■总设计原则>采用100%RE解决农牧区全部用能需求，包括取暖/炊事/照明/供暖/热水等需求。>大电网覆盖区积极发展分布式光伏项目，采用自发自用余电上网模式，确保项目投资收益。大电网未覆盖区采用太阳能分布式发电与蓄热型电加热供暖相结合，加快实施示范点建设。>改善型方案达到我国中东部发达地区用能水平，舒适型村户供能方案对标发达国家用能水平>按JGJ26《严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准》供暖能耗为22.6kWh/m²。按蓄热功率1.6kW,按日加热时长3小时，日可以蓄热4.8kWh,可以满足连续2个阴雨天的供暖需求。农牧区100%RE解决方案电网情况电网覆盖区大电网未覆盖区建设类型改善型舒适型改善型舒适型户均电负荷(kW)4545供暖面积(m²)供热负荷(kW)电热水器功率储电容量(kWh)0>本方案人均月用电量目标：85~178kWh年用电量(kWh)改善型舒适型供热热水其他电器光伏发电(元/kW)蓄热式电暖器(元/kW)电热水器(元/台)储能系统(元/Wh)储能系统1次更换(元/Wh)农牧户建筑节能改造(万元)5农牧户超低能耗建筑(万元)农牧区100%RE解决方案建设内容舒适型村容量(kW)投资(万元)容量(kW)投资(万元)容量(kW)投资(万元)容量(kW)投资(万元)分布式光伏蓄热器电暖器2626电热水器111储能系统kWh0000更换储能电池2次0000能源系统投资合计改善型户舒适型户改善型户舒适型户分布式光伏4蓄热器电暖器电热水器储能系统0000更换储能电池2次0000能源系统投资合计中国科学院■能量平衡及电功率即时平衡您认为100%RE体系最难解决的供能需求是什么?中阔科学院沙戈荒外送基地满足碳中和需求吗?经济性如何?-是电力系统还是能源互联网：输电还是输氢、输气、输热-是总体的源、受和中间送端都是一个“源网荷储”,还是简单化的就是多能互补的纯源、高压输送和受端单纯的荷?(氢、热、气)-系统最佳容量配比、一体化调度还是分离■现有煤电的年满发小时数已经到4000多小时了，还要新建煤电、外送50%煤电对吗?CHINESEACADEMYOF中国科学院多能互补可再生能源外送基地需要什么样的煤电?CHINESEACADEMYOF■是否有可能用现有10%的煤电装机、20%的发电量，完全支撑同样容量■是否有可能用现有10%的煤电装机、20%的发电量，完全支撑同样容量■10万kW锅炉+100万kW发电机+10h储热■并支撑多风光装机30%以上，去掉电化学储能煤电如何在我国能源转型中发挥最大作用，并最终“去煤”?■抽水蓄能是国内外公认的最技术经济的调节手段■利用煤电锅炉改造、储热调节灵活性改造比抽水蓄能技术经济性更好!■现有煤电的灵活性改造、储热灵活性改造可大规模支撑新增风电、光伏装机■基于卡诺循环的储热发电系统可完全“去煤”,并发挥类似抽蓄的作用■还有一系列增加风、光消纳的技术手段：预测、V2G、负荷响应、源网荷协同等■政策机制方面的非技术手段同等重要。现有的分布式光伏、分散式风电的发展模式可持续吗?■配电网支撑10%左右的农户农村安装光伏，电网压力大■要把每个户用系统可观、可测、可控、可调能做到吗?经济代价多大，起多大作用?■农村屋顶光伏潜力巨大，当地无法消纳的电力一次输送到更高电压电网和更大范围，能扩大多少分布式光伏装机?■有更科学经济的方案吗?我国能源转型现实路径分析■煤电灵活性改造与抽蓄、燃气轮机、新型储能技术路线相比，技术成本最低■充分利用已有煤电装机进行灵活性改造+储热+抽蓄：可支撑风光装机100亿千瓦容量调节范围煤电灵活性调节20亿千瓦煤电+储热深度灵活性改造40亿千瓦煤电改造为不用煤的储热电池80亿千瓦煤电深度灵活性改造+储热+抽蓄100亿千瓦煤电支撑风光装机粗略测算表充分利用现有火电转型的优点>现有煤电装机都保留，保障紧急状况及极端气候基本供能安全>基本不新建煤电机组>新建的主要考虑调节能力，小锅炉+储热+大发电机>已有发电装备及技术、人员>电网体系，土地>从30~100%灵活调节到100%可再生能源可分段、分别改造■和现有电力体系有机融合>大规模储热调节，惯性及电量>低电力电子化35/44一、建立100%可再生能源体系可能吗?二、如何构建100%可再生能源系统?四、100%可再生能源如何解决季节差的问题?■可再生能源出力情况风电：春秋季大，冬季小>光伏：冬季发电能力弱星现“春秋垂大，冬季小”特征星现“春秋垂大，冬季小”特征■装机◆有效发电能力占比92022年风力发电出力06月7