中国电力工业变革与发展的战略选择(三)

  （3）关于新能源发电的成本

    成本偏高是制约新能源发展最主要的因素。实践证明，只有市场规模的扩大，成本才能进一步降低。近年太阳能、风能发电成本大幅度下降，就主要是技术进步与市场规模扩大共同作用的结果。有关研究表明，太阳能光伏组件累计产量每翻一番，价格降低约20%。美国2006年预测光伏发电成本与常规发电成本将于2015年趋于一致，德国2007年预测二者到2017年趋同。目前我国集中利用的太阳能光伏发电最低成本已经降到0.73元/千瓦时，考虑产业链合理利润后上网电价为1.34元/千瓦时。不久前，我国主要光伏电池生产厂商联合宣布，到2012年实现光伏发电上网电价1元/千瓦时的目标。

    近年来风力发电成本也经历了迅速下降的过程。目前我国国产陆上风电机组成本已下降到6000元/千瓦，发电成本可降至0.375元/千瓦时。世界风能理事会的有关研究认为，风电成本的进一步下降，将60%依赖规模化发展，40%依赖技术进步。过去的风电成本下降更多的是依靠技术进步，以后的进一步下降则更多依赖于规模化、系列化和标准化。该理事会估计到2020年，陆上风机的总体造价还可以在2006年基础上再下降20%-25%，海上风机的造价可以降低40%以上，发电成本可以同幅下降。

    在全球气候变暖的严峻形势下，征收碳税将势在必行，同时化石燃料的价格将会随着储量的减少而逐渐提高，这也会导致传统发电成本与新能源发电成本差距的缩小（麦肯锡公司估计，2007年我国煤炭开采和消费造成的外部成本可达现有煤炭成本的150%。因此，如果加上外部成本，煤电的上网电价将大幅度提高）。

    （4）关于新能源发电的并网问题。

    无论风能还是太阳能发电都必须妥善解决好接入电网系统问题，特别是远距离、大规模光伏电站、风电场的电力传输，必须与超导电缆技术的实际应用相结合。

    风电场的出力随着风速的变化呈不稳定性特点，太阳能发电功率随不同季节、每天的时间段以及不同的天气状况会发生很大的变化，从而给电网平衡调度、安全稳定以及电能质量带来影响，而且随着并网规模的逐渐增加，影响会越来越大，这是必须面对并认真加以解决的问题，也是智能电网建设需要着力研究解决的问题。

    风能、太阳能发电与储能装置相结合，是解决并网问题的重要途径之一。比较成熟的大规模储能技术主要是抽水蓄能电站，但受自然条件制约，无法大规模发展。目前有望取得实际应用的大规模储能技术主要有蓄电池、压缩空气储能、超导储能、飞轮储能、超级电容器储能、氢储能等。近年来大功率、大容量（电量）、长寿命、响应迅速的蓄电池技术有了较大发展，如钒电池充放电状态切换只需要0.02秒，响应速度1毫秒，目前美国商业化示范运行的钒电池功率已达6MW，可以很好地配合新能源发电。在新能源的分布式利用情况下，还可以与蓄冷、蓄热技术相结合。

    总之，电力企业应当以开放的姿态，积极支持新能源的开发利用。在战略规划、投资理念、接入系统设计、科技创新、技术支持以及管理创新等诸多方面及早研究，未雨绸缪，从理论上和实践上做好充分的准备。建议尽快从国家层面设立若干不同规模和特点的新能源技术（包括后文将要提到的智能电网、高温超导电力技术）开发应用综合示范区或特区，为今后大规模推广应用积累经验，同时为适应后《京都议定书》时代的要求打造创新型的“国家名片”。

    2、加大分布式电源建设力度

    分布式电源是目前能够大幅度提高化石能源终端利用效率的最佳方式之一，具有广阔的市场和应用前景。分布式电源目前尚无完全统一的定义，一般是相对于传统的集中供电方式而言的，主要是指以小规模、模块化、分散式的方式布置在用户附近的发电系统，该系统可独立地输出电、热和（或）冷能。目前，分布式电源的方式主要有：一是高效的热电联产或冷热电联产系统，采用燃气轮机、蒸汽轮机、微型燃气轮机等；二是可再生能源利用，如太阳能发电、风力发电、小水电、生物质能发电等；三是蓄电池，例如，与新能源发电相配合的蓄电池、电动汽车蓄电池等。分布式电源有以下主要优点：

    一是大幅提高能源利用率。冷热电联产等分布式电源根据用户的不同需求，对能量实行梯级利用，最大限度提高能效，而且可以避免远距离输送冷热能的损失（5%左右）以及大电网的输配电损失（目前我国为6.5%－7.5%），从而大幅度提高能源综合利用效率。如目前技术条件下分布式燃气冷热电三联供系统的能源利用率可达70%-90%，而燃煤电厂只有30%-45%。

    二是有效降低环境污染、节约土地。由于分布式电源能效高，而且主要利用比煤炭清洁的天然气、太阳能、风能等，所以污染物排放低。如天然气蒸汽-燃气联合循环发电的二氧化碳排放量为燃煤电厂的57%左右（如图3），氮氧化物的排放量不到燃煤电厂的20%。由于分布式电源布置在用户侧，直接与配网连接，所以还可减少变电站及电力线路走廊建设用地。

    三是进一步提高供电可靠性。分布式电源设备启停方便，负荷调节灵活，各系统相互独立，可弥补集中供电系统在安全稳定性方面的不足。如在突发严重灾害、电网崩溃等情况下，保障重要用户的电力供应。由于未来要大规模应用太阳能和风能发电，而这两种发电方式都存在输出功率不稳定的特点，需要在终端配置分布式能源加以配合，所以分布式电源还发挥着调峰调频的作用。城市化的发展对电力供应提出了新的要求，负荷更为集中，可靠性要求更高，大力发展分布式电源，是较好的选择之一。

    分布式电源虽然规模较小，但是其能效高、污染小，所以与传统意义上低效率、高污染的“小火电”完全不同。

    分布式电源最重要的价值是最大限度地提高常规能源的利用效率。常规能源主要是天然气、煤层气等，一般采用蒸汽-燃气联合循环，二次能源实行冷热电或热电联供为主。我国天然气已探明储量并不丰富，将宝贵的气源用于分布式发电，是比用于常规电厂更有价值的利用方式。燃煤的热电联产机组，也是重要的分布式电源形式，特别是在我国北方地区，应当因地制宜地大力发展热电联产。目前，我国现役电厂中还有大量中小型纯凝气式发电机组，可以有选择地将位于城市周边的机组改造为热电联产，提高综合能效，这在技术上、经济上都被证明是可行的。除常规能源外，分布式电源还可以利用太阳能、风能、生物质能等新能源作为一次能源。

    为推进分布式电源的发展，当前需要重点开展以下工作：

    （1）加强对分布式电源整体性影响的研究。

    研究用户侧分布式电源模式对电力系统安全稳定的影响，对电网调度运行的影响，对设备停电检修安全性的影响以及电力企业为分布式供能系统所提供的安全备用的代价，从整体上研究分布式电源在我国未来的发展模式，确保真正体现该项技术的技术经济性优势。

    （2）研究微网接入、运行技术，制定相关标准。

    重点研究在并网条件下，分布式电源系统的优化集成与匹配设计技术，以及分布式电源微网系统并网关键技术。明确接入系统短路电流限制、保护配置、电压控制方式、电能质量指标等技术规范。

    （3）做好分布式能源规划。

    强大的电网是支持分布式电源发展的基础，而分布式电源又是对大电网的有益补充。在大规模开发利用新能源的情况下，分布式电源还承担着调峰调频、保证电网安全稳定的重要作用，对电网的智能化程度要求很高。因此，分布式电源是电力系统的重要组成部分，必须纳入电力系统统一规划。政府需要出台有关政策，支持分布式电源的发展，并将分布式电源列入城市规划，预留建设用地。

    电网发展的战略选择：智能电网与超导电力技术

    近期以来，智能电网与高温超导技术引起了行业内外的广泛关注，这实际上是电力行业长期酝酿的技术革命正在出现突破的重要标志。积极发展新能源与分布式电源以顺应全球资源与环境约束的大趋势，绝非仅仅为了改变电源结构，而是社会生产方式乃至生活方式的重大变革，也是能源利用方式的根本性突破。对于电网来说，并非只是对传统发展方式的修补升级就能适应上述变化，而是要求电力传输技术与运行方式进行重大变革。而智能电网和高温超导技术应是实现这场变革的主要技术基础和物质载体，二者将与新能源及分布式电源一起，共同构建未来的新型电力体系。

    1、建设智能电网

    “智能电网”是近年来提出的一个新概念。应当说，在现有的电网自动化、信息化建设中已经体现了智能电网的部分技术含量，如“数字化变电站”、“配网自动化”等。目前对智能电网尚无统一的定义，对其涵义和意义的理解更是见仁见智。就意义来讲，笔者认为，智能电网是21世纪电力工业新的而绝非常规技术路线的必然产物，其最大价值在于它是实现能源变革的重要技术支撑和网络平台。

    许多专家认为，电网中太阳能、风能等可再生能源（不包括水电）的比例可达20%-30%。这些新型电力的大量接入及其多变性使发电资源发生了根本性变化。多变的可再生能源利用、分布式发电、需求响应、微电网和超导电网的接入以及电动运输体系和建筑智能管理等的应用，使得电力网络愈发复杂。比如电力将从不同位置进入网络，使传统的自上而下式的无源网络变为有源网络，电力潮流从发电厂向用户单向输送变为多向，信息从单向流动变为在电网企业和用户之间双向互动，等等。对此，常规的接入系统方式和电网结构已不能适应，必须重新设计和改造电力网络，以便对大量可再生能源的多变性进行管理，支持分布式发电和分布式存储，平滑电源输出负荷以避免电网受到冲击，并满足电力系统多向潮流和双向通信的需要，这就要求大大提升电网的智能化水平，建设更加智能化的技术支持系统，这是建设智能电网最重要的意义所在。

    智能电网建设的目标应当包括但不限于以下方面：

    一是新能源优化。智能电网作为大规模推进新能源发展的技术支撑，支持太阳能发电、风电等新能源、分布式电源以及微电网、超导电网的接入，并有效防止风电等新能源功率多变性、潮流多向性等特点对电网的冲击，保证电能质量。

    二是可靠性优化。通过在线故障检测、隔离及恢复技术、停电管理等，保障电网安全稳定运行，降低大面积停电风险，提高供电可靠率。

    三是输配电运行优化。通过对电网运行数据、设备状态数据的实时收集与分析，提高电网运行管理水平。

    四是资产优化。通过设备实时远程监控与报警、设备状态评估、先进的维修管理等，提高资产利用率，充分发挥资产绩效。

    五是需求侧管理和服务优化。通过压缩负荷或转移负荷，并充分利用价格杠杆的作用，更好地管理高峰负荷，同时为客户提供更多的消费选择，降低客户成本，提高系统资源配置效率。

    六是环境优化。从社会环境来看，智能电网的目标是和谐电网；从自然环境来看，智能电网的目标是绿色电网。

    特别需要强调的是，智能电网的发展，将从根本上促进电网企业转变需求侧管理思路与方法，拓展服务领域，提高终端能效。目前，错峰、避峰和负荷控制仍然是电网企业实施需求侧管理的重要内容，而新的形势要求需求侧管理把提高终端能效放在突出位置。为此，电网企业需要在宏观和微观两个层面付诸行动，在宏观层面，严格执行国家政策，通过实施差别电价、限制高能耗产业用电等措施，促进产业结构的优化调整和经济增长方式的转变；在微观层面，通过向用电客户推广使用节能新技术、新产品，为客户开展节能服务，提高终端能效水平。

    节能服务融入需求侧管理具有重要的意义，不但为提高终端能效创新了有效的途径，而且也拓展了电网企业优质服务的内涵和社会价值。今后随着新能源发电规模和领域的扩展，电动运输体系将逐渐普及，电网企业可以利用自身优势，在提供相关服务（如集中式的蓄电池充电与配置）方面发挥重要作用。由此，电网企业将从单一的电力供应商，转向综合性的能源供应服务商，进而为开展集约化的能源服务、最大限度提高终端能源利用效率、节约社会成本做出更大的贡献。实现这样的转型，不但需要电网企业自身坚持创新，充分运用市场化的手段，还需要国家监管政策、财政政策的支持。

    2008年，美国克西尔能源公司据称在科罗拉多州的波尔德(Boulder)市建成了全美第一个智能电网。该公司表示，智能电网将是一个使可再生能源得以优化利用，并使环境得以最大程度保护的解决方案。2009年5月18日，美国公布了《初始智能电网互动性标准框架1.0版》（InitialSmartGridInteroperabilityStandardsFramework,Release1.0，共16项标准），同时将显著增加对智能电网项目的奖励资助力度，最多可达2亿美元，比原来提高10倍；智能电网示范项目资助从4000万美元提高到1亿美元。

    综上所述，智能电网是能源变革中电网技术进步的过程，而不是一个简单实现的工程项目。智能电网也不是一般意义上的技术进步，而是涉及整个电力系统乃至全社会的系统工程，涉及发展理念、管理体制、技术路线以及企业文化等方面的重大变革。随着信息技术的快速发展，建设智能电网已经具备了坚实的科技基础。虽然目前智能电网正在我国热议，但在实际建设上尚无实质性进展。当务之急是要结合国情实际，明确智能电网的科学涵义，研究规范智能电网的基本框架标准，并在此基础上制定我国智能电网发展规划，选择适当区域开展试点，扎扎实实地推进，避免误入歧途或流于空谈。

    2、高度重视并加快高温超导技术的研发利用

    高温超导技术是21世纪有可能为电力工业带来革命性变化的唯一高科技储备，也是未来新能源变革的重要技术支撑。所谓“高温”是相对于绝对零度（-273.15℃）而言的。一般超导材料在接近绝对零度时电阻为零，所以在应用上会遇到制冷等障碍。1986年发现了高温超导现象，即导体电阻为零的临界温度大大高于绝对零度。目前的高温超导电缆一般在液氮温度（-196℃）区间运行。

    高温超导技术的应用非常广阔，大致可分为三类：大电流应用（强电应用），包括超导发电、输电和储能；电子学应用（弱电应用），包括超导计算机、超导天线、超导微波器件等；抗磁性应用，主要用于磁悬浮列车和热核聚变反应堆等。著名的超导专家马梯阿斯（B.T.Matthias）曾经断言：“如果在常温下，例如在27℃左右实现超导，那么现代文明的一切技术都将发生变化。”专家提醒人们应以更长远的眼光来关注和重视高温超导的未来。事实上，正如半导体一样，当1947年威廉·肖克利及其同事发明晶体管时，谁会想到半导体会拥有今天这样无可替代的地位呢？同样，光导纤维的发明也给通信领域带来了革命性的变化。从趋势来看，超导电力技术也正沿着从金属结构到非金属结构的类似路径发展。

    自高温超导现象发现以来，科学家们先后研制了第一代铋系（BSCCO）和第二代钇系（YBCO）高温超导材料（高温超导体是金属氧化物，在本质上是陶瓷材料，所以称为陶瓷超导材料）。由于第一代铋系材料的高成本以及一些性能问题如磁场下临界电流的急剧衰减等，使其大规模应用前景变得渺茫，科学家不得不将研究重点转移到开发第二代YBCO材料上来，后者具有更为优异的磁场下性能，是真正的液氮温区下强电应用的超导材料。第一代铋系和第二代钇系高温超导材料都属于铜基超导体。2008年，日本和中国科学家相继报告发现了一类新的铁基超导材料，该发现被美国《科学》杂志评为2008年十大科学进展之一。专家认为，铁基超导体比传统铜基超导体具有更为广泛的应用前景，而且通过比较铁基与铜基超导体的异同之处，科学家就有可能彻底揭开高温超导的形成机理，为进一步研究高温超导技术打开理论之门。

    在目前各类应用中，高温超导输电与电网企业最为相关。正如人们用更高容量的光纤代替铜导线建设“信息高速路”一样，超导技术的应用也将给电力工业带来根本性的变化，形成显著提高效率和负载能力的“电力高速路”。与常规输电线路相比，高温超导电缆主要具有以下优势：

    一是传输容量大。同样截面的高温超导电缆的输送能力是常规电缆的3～5倍。根据测算，110kV超导电缆设计输送容量可达常规线路500kV水平，220kV超导电缆接近1100kV特高压输送容量（表7）。而且，由于超导电缆无需考虑相互间的磁场影响，可以在有限空间内方便地增加回路数，成倍增加输送容量。

    表7：高温超导电缆与常规输电线路输送容量对比

    注：高温超导电缆设计电压不超过220kV。

    资料来源：北京云电英纳超导电缆有限公司。