零碳能源解決方案

譯者按：目前我國(guó)正在建設(shè)以大規(guī)?？稍偕茉窗l(fā)電為主體，安全高效的新型電力系統(tǒng)，但由于可再生能源自身具有隨機(jī)性、波動(dòng)性和間歇性等特點(diǎn)，需要平衡電源來(lái)維持電網(wǎng)的穩(wěn)定性。燃?xì)廨啓C(jī)是大規(guī)模能源轉(zhuǎn)換效率最高的成熟裝置，是實(shí)現(xiàn)化石能源清潔高效利用和促進(jìn)“風(fēng)光氣儲(chǔ)”一體化的最佳選擇。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，燃?xì)廨啓C(jī)的應(yīng)用可以確保可再生能源的高利用率，并在需要時(shí)通過(guò)燃料靈活性保障能源的供應(yīng)安全，這將為能源系統(tǒng)的脫碳和可再生能源在電網(wǎng)中的全面部署做出重大貢獻(xiàn)。中國(guó)航發(fā)燃機(jī)正在大力研究燃?xì)廨啓C(jī)與可再生能源的結(jié)合與應(yīng)用，并編譯了本文，以期引發(fā)行業(yè)更多有益的思考。

支持未來(lái)零碳能源的整體解決方案

ETN（European Turbine Network）對(duì)歐盟委員會(huì)（European Commission）的倡議表示支持，在更新后的戰(zhàn)略能源技術(shù)規(guī)劃（SET-Plan）中，明確行動(dòng)和研究需求，確定其優(yōu)先級(jí)，并將其與能源聯(lián)盟（Energy Union）的支柱相匹配。我們很高興有機(jī)會(huì)參加本次利益攸關(guān)者的閉門研討會(huì)，本次研討會(huì)的主題是關(guān)于議題文件4：能源系統(tǒng)（提高能源系統(tǒng)的適應(yīng)性、安全性及智能性）。會(huì)上，我們強(qiáng)調(diào)了在未來(lái)能源系統(tǒng)中采取整體解決方案的重要性。

風(fēng)能和太陽(yáng)能等可再生能源（RES）具有隨機(jī)性和無(wú)慣性的特點(diǎn)，隨著其在能源系統(tǒng)中的份額不斷增加，能源生產(chǎn)模式正在發(fā)生改變，需要平衡電源來(lái)維持電網(wǎng)的穩(wěn)定性以及新的創(chuàng)新性解決方案。目前，燃?xì)獍l(fā)電廠的角色也正在發(fā)生改變，由基荷發(fā)電轉(zhuǎn)為備用電源以控制并保持電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在這種情況下，燃?xì)廨啓C(jī)備用電廠需要在保持低排放的同時(shí)，具備比當(dāng)前發(fā)電廠更快的穩(wěn)定執(zhí)行加載和減載。燃?xì)廨啓C(jī)還需要在其最低的環(huán)境負(fù)荷（發(fā)電廠仍可在NOx排放限制值內(nèi)連續(xù)運(yùn)行的負(fù)荷）下“停放”，甚至在電網(wǎng)不需要其電力時(shí)關(guān)停。

為了使燃?xì)廨啓C(jī)能夠在前文所述的環(huán)境下以經(jīng)濟(jì)高效和最優(yōu)化的方式運(yùn)行，并在長(zhǎng)期內(nèi)發(fā)展低排放或零排放混合動(dòng)力系統(tǒng)，ETN預(yù)計(jì)許多技術(shù)領(lǐng)域需要進(jìn)一步地研發(fā)和優(yōu)化。從短期來(lái)看，燃?xì)廨啓C(jī)可以通過(guò)平抑電網(wǎng)中可再生能源發(fā)電帶來(lái)的波動(dòng)，以及燃用如天然氣、沼氣、工業(yè)廢氣或垃圾填埋氣等低碳燃料，幫助可再生能源融入能源效系統(tǒng)。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，燃?xì)廨啓C(jī)的應(yīng)用可以確?？稍偕茉吹母呃寐剩⒃谛枰獣r(shí)通過(guò)燃?xì)廨啓C(jī)的燃料靈活性保障能源供應(yīng)安全。這將為能源系統(tǒng)的脫碳和可再生能源在電網(wǎng)中的全面部署做出重大貢獻(xiàn)。根據(jù)議題文件4提及的燃料靈活性選項(xiàng)，ETN已經(jīng)確定了將現(xiàn)有技術(shù)及其與可再生能源耦合技術(shù)作為優(yōu)先選項(xiàng)進(jìn)行研發(fā)。

1、目標(biāo)

ETN同意議題文件4中提出的總體目標(biāo)。正如國(guó)際能源署（International Energy Agency，IEA）所預(yù)見(jiàn)的那樣，在未來(lái)幾十年內(nèi)，傳統(tǒng)發(fā)電作為可再生能源系統(tǒng)的備用電源仍將長(zhǎng)期存在。ETN認(rèn)為，應(yīng)提出到2050年的能源系統(tǒng)路線圖，以激勵(lì)所需的長(zhǎng)期投資。

2、能源網(wǎng)絡(luò)、系統(tǒng)和集成

ETN同意該主題的描述，但認(rèn)為有必要在能源系統(tǒng)的所有參與者之間明確規(guī)定共同的戰(zhàn)略和要求。目前，為實(shí)現(xiàn)可再生能源的集成并滿足客戶的需求，電網(wǎng)改造得到了高度重視。然而，這種方法不能確保發(fā)電技術(shù)能夠滿足這些要求?？紤]到集中發(fā)電運(yùn)營(yíng)商、可再生能源運(yùn)營(yíng)商、輸電系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商、數(shù)字系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商、付費(fèi)托管方等的要求，待開發(fā)的新技術(shù)、系統(tǒng)和服務(wù)應(yīng)能夠支撐綜合能源系統(tǒng)，目的是根據(jù)影響利益相關(guān)者的資本支出和運(yùn)營(yíng)支出，將電力成本降至最低。應(yīng)考慮開展?fàn)顟B(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)和預(yù)測(cè)工具方面的研發(fā)工作，因?yàn)檫@將優(yōu)化整個(gè)歐洲能源系統(tǒng)。

“實(shí)時(shí)”監(jiān)控設(shè)備的存在允許測(cè)量和評(píng)估電網(wǎng)內(nèi)的所有主要能源消耗條目。這就允許采取相應(yīng)的戰(zhàn)略決策來(lái)提高能源系統(tǒng)的效率。大數(shù)據(jù)分析和云計(jì)算等IT解決方案可以實(shí)現(xiàn)智能負(fù)載分配，減少峰谷負(fù)載需求之間的差異。目前的網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)能夠管理生產(chǎn)最佳點(diǎn)，但它無(wú)法控制和影響需求。還應(yīng)特別關(guān)注集中和分散式發(fā)電混合技術(shù)的優(yōu)化集成。

3、靈活的備份和生成

電網(wǎng)、系統(tǒng)和集成應(yīng)基于瞬態(tài)運(yùn)行期間的系統(tǒng)穩(wěn)定性，即頻率控制。頻率下降或增長(zhǎng)的原因是電網(wǎng)中間歇性發(fā)電的份額不同。由于一些常規(guī)發(fā)電廠的關(guān)閉，電網(wǎng)中現(xiàn)有慣性質(zhì)量的時(shí)間常數(shù)減小，導(dǎo)致初始頻率的更大增長(zhǎng)。因此，預(yù)計(jì)會(huì)出現(xiàn)頻率偏差和振蕩：到2050年，德國(guó)80%的可再生能源和其他歐洲國(guó)家60%的可再生能源中的一小部分，3GW擾動(dòng)造成的頻率偏差將從390MHz增加到900MHz，而根據(jù)仿真結(jié)果，振蕩頻率將增加兩倍以上。燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電廠的不同組合可能會(huì)導(dǎo)致控制和平衡問(wèn)題。

為此，可以通過(guò)歐洲電力系統(tǒng)的詳細(xì)模型來(lái)計(jì)算負(fù)載流量以及分析電壓和傳輸極限。需考慮以下因素：

·到目前為止，間歇性可再生能源無(wú)法提供電網(wǎng)服務(wù)；

·頻率控制（一次和二次控制）、因電廠減少而產(chǎn)生的電壓控制以及由此產(chǎn)生的電網(wǎng)慣性；

·負(fù)載流量增加可能導(dǎo)致電壓不穩(wěn)定性增加（失去無(wú)功功率）。傳統(tǒng)電廠對(duì)電網(wǎng)的作用之一是電壓控制，但其數(shù)量正在不斷減少，導(dǎo)致電網(wǎng)不穩(wěn)定性增加。

通過(guò)現(xiàn)有電廠改造以及采用創(chuàng)新性解決方案，預(yù)期將對(duì)提高發(fā)電靈活性起主要作用。

4、創(chuàng)新性解決方案

帶有聚光太陽(yáng)能發(fā)電（CSP）的燃?xì)廨啓C(jī)混動(dòng)系統(tǒng)：由于CSP的可調(diào)度性（與蓄熱系統(tǒng)結(jié)合），這是可再生能源技術(shù)中的獨(dú)特屬性，因此可以將其視為最可行的可再生能源之一。然而，盡管經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，現(xiàn)代CSP電廠的電力成本仍然很高。為了降低成本，需要對(duì)技術(shù)進(jìn)行逐步的改進(jìn)?；旌咸?yáng)能燃?xì)廨啓C(jī)電廠已被證明是傳統(tǒng)蒸汽循環(huán)聚光太陽(yáng)能電廠的一種有前途的替代方案?；谔?yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的燃?xì)廨啓C(jī)未來(lái)發(fā)展關(guān)鍵問(wèn)題已被確定，具體如下。

首先，為了最大限度地提高燃?xì)廨啓C(jī)與CSP電廠的太陽(yáng)能集成度，燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒溫度應(yīng)保持與太陽(yáng)能接收器溫度相近，導(dǎo)致低溫和低熱效率。因此，混合聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)是一種可行的解決方案，這是因?yàn)榕c簡(jiǎn)單循環(huán)相比，高太陽(yáng)能份額和高效率之間的權(quán)衡并不明顯。這使得燃燒溫度降低，而對(duì)電廠總熱耗率的影響較小，從而在更高的名義太陽(yáng)能份額下實(shí)現(xiàn)更經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行。

其次，為了兼顧碳減排和保持電力低成本，有必要將蓄熱裝置和后發(fā)電循環(huán)整合到混合太陽(yáng)能燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電廠中。針對(duì)該應(yīng)用場(chǎng)景優(yōu)化設(shè)計(jì)的燃?xì)廨啓C(jī)電廠的性能與傳統(tǒng)電廠的任意組合相比，無(wú)論從低排放還是從低發(fā)電成本的角度，均具有顯著優(yōu)勢(shì)。

5、現(xiàn)有電廠改造

ETN同意擬議的系統(tǒng)方法，該方法旨在提高電力系統(tǒng)的靈活性和有效容量以消納可再生能源發(fā)電的份額增長(zhǎng)。不過(guò)，ETN認(rèn)為現(xiàn)有技術(shù)，尤其是用于RES的備用電源技術(shù)，還需要升級(jí)，以加快向低碳經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型。根據(jù)議題文件中的目標(biāo)和發(fā)電靈活性的需求，應(yīng)以優(yōu)化現(xiàn)有發(fā)電廠的靈活性為目標(biāo)進(jìn)行研究。

可以預(yù)見(jiàn)的是，后發(fā)電循環(huán)方面對(duì)于提高現(xiàn)有聯(lián)合循環(huán)電廠的靈活性做出最有價(jià)值的貢獻(xiàn)。鑒于聯(lián)合循環(huán)電廠的燃?xì)廨啓C(jī)模塊是針對(duì)特定運(yùn)行工況開發(fā)的，現(xiàn)有電廠的靈活性來(lái)源于后發(fā)電循環(huán)，這需要很長(zhǎng)時(shí)間才能達(dá)到蒸汽輪機(jī)運(yùn)行所需的蒸汽品質(zhì)。余熱鍋爐的變化有助于更快地啟動(dòng)。

6、其他

ETN想強(qiáng)調(diào)的是，議題文件4中未提及分布式發(fā)電。ETN認(rèn)為，對(duì)于分布式發(fā)電，需要就現(xiàn)有技術(shù)與可再生能源的融合提出創(chuàng)新性解決方案，以便于消費(fèi)者使用，從而實(shí)現(xiàn)冷熱電聯(lián)產(chǎn)，并提高建筑物的能源綜合利用效率。燃?xì)廨啓C(jī)熱電聯(lián)產(chǎn)可以在支撐可再生能源和應(yīng)對(duì)現(xiàn)代電網(wǎng)挑戰(zhàn)方面發(fā)揮重要作用。在歐洲，燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)能夠在系統(tǒng)層面上支撐可再生能源，并作為一種需求響應(yīng)形式實(shí)現(xiàn)多重效益。

ETN完全支持SET Plan提出的方法，并愿意為您隨時(shí)澄清和闡述這些意見(jiàn)。我們也愿意回答任何進(jìn)一步的問(wèn)題，期望能夠受邀參加SET-Plan指導(dǎo)小組會(huì)議，討論本議題文件，以便密切關(guān)注討論情況。