中電聯(lián)：深入研究電力系統(tǒng)前沿技術(shù)，推動綠色低碳轉(zhuǎn)型

中國電力企業(yè)聯(lián)合會作為電力行業(yè)的平臺與橋梁，通過深入研究能源電力技術(shù)發(fā)展的共性問題，牢固樹立中電聯(lián)在電力行業(yè)科技創(chuàng)新方面的智庫作用，充分反映電力科技創(chuàng)新成果，準(zhǔn)確研判未來技術(shù)發(fā)展趨勢，在國家和社會層面發(fā)揮引領(lǐng)性作用。

 

為貫徹落實“四個革命、一個合作”能源安全新戰(zhàn)略，加強電力行業(yè)重大問題研究，推動電力系統(tǒng)綠色低碳轉(zhuǎn)型，助力實現(xiàn)碳達峰碳中和目標(biāo)，國家能源局組織開展了碳達峰碳中和背景下電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型若干重大問題研究，并委托中國電力企業(yè)聯(lián)合會完成《電力系統(tǒng)前沿技術(shù)跟蹤研究》子課題的研究。

 

中國電力企業(yè)聯(lián)合會基于對世界范圍內(nèi)電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型趨勢分析、對電力系統(tǒng)前沿技術(shù)的跟蹤研究，分析了關(guān)于未來電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型過渡蓄勢階段、能源結(jié)構(gòu)切換階段、近零排放及碳中和決勝階段三個階段的技術(shù)支撐，提出了有關(guān)建議。

 

一、電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型發(fā)展趨勢

 

電力系統(tǒng)作為未來能源體系的核心組成部分，其轉(zhuǎn)型發(fā)展趨勢具有以下五個主要特征：一是高比例可再生能源廣泛接入。二是高比例電力電子裝備大規(guī)模應(yīng)用。三是多能互補綜合能源利用。四是數(shù)字化智能化智慧能源發(fā)展。五是清潔高效低碳零碳轉(zhuǎn)型。

 

因此，需推動電力系統(tǒng)向適應(yīng)大規(guī)模高比例新能源方向演進，增強電源協(xié)調(diào)優(yōu)化運行能力，完善區(qū)域電網(wǎng)主網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，推動電網(wǎng)之間柔性可控互聯(lián)，構(gòu)建規(guī)模合理、分層分區(qū)、安全可靠的電力系統(tǒng)，提升電網(wǎng)適應(yīng)新能源的動態(tài)穩(wěn)定水平。積極發(fā)展以消納新能源為主的智能微電網(wǎng)，實現(xiàn)與大電網(wǎng)兼容互補，加快新型儲能技術(shù)規(guī)模化應(yīng)用，大力提升電力負荷彈性。

 

二、電力系統(tǒng)相關(guān)前沿技術(shù)的發(fā)展趨勢

 

當(dāng)前，全球能源電力技術(shù)創(chuàng)新進入高度活躍期，綠色低碳是能源電力技術(shù)創(chuàng)新的主要方向，電力系統(tǒng)前沿技術(shù)集中在先進可再生能源發(fā)電及綜合利用技術(shù)、新型電力系統(tǒng)及其支撐技術(shù)、安全高效核能技術(shù)、綠色高效化石能源開發(fā)利用技術(shù)、能源電力系統(tǒng)數(shù)字化智能化技術(shù)以及電力系統(tǒng)市場技術(shù)等重點領(lǐng)域。推進電力系統(tǒng)的綠色低碳、安全高效、數(shù)字化、智能化技術(shù)創(chuàng)新已經(jīng)成為全球發(fā)展趨勢。

 

先進可再生能源發(fā)電及綜合利用技術(shù)

 

1.水力發(fā)電

 

水力發(fā)電前沿技術(shù)發(fā)展趨勢主要體現(xiàn)在：向創(chuàng)新流域水電綜合管理體系、打造流域清潔能源綜合基地、依托水電梯級建設(shè)儲能工廠及以抽水蓄能服務(wù)新型電力系統(tǒng)等方面發(fā)展、抽水蓄能與熱能存儲的耦合做為未來技術(shù)發(fā)展方向有望與其他存儲技術(shù)競爭。

 

2.新能源

 

風(fēng)電前沿技術(shù)發(fā)展趨勢主要體現(xiàn)在：裝備制造技術(shù)向“大功率、高塔架、大葉片”方向發(fā)展，開發(fā)建設(shè)技術(shù)向“深遠海、大漠、高原”區(qū)域發(fā)展，運維管理技術(shù)向“智能化、信息化、標(biāo)準(zhǔn)化、集群化”方向發(fā)展，風(fēng)電綜合利用技術(shù)向“就近消納、多能互補、融合創(chuàng)新”方向發(fā)展。

 

太陽能發(fā)電前沿技術(shù)發(fā)展趨勢主要表現(xiàn)在：裝備制造技術(shù)迭代加速。開發(fā)建設(shè)技術(shù)朝太陽能與儲能相結(jié)合、太陽能發(fā)電平價上網(wǎng)、光伏發(fā)電在綠色建筑中的廣泛應(yīng)用以及分布式光伏發(fā)電市場大規(guī)模應(yīng)用方向發(fā)展；聚光太陽能發(fā)電 (CSP)技術(shù)正圍繞獲得更高的發(fā)電效率及系統(tǒng)集成方向發(fā)展。

 

地?zé)崮馨l(fā)電前沿技術(shù)發(fā)展趨勢主要表現(xiàn)在：因地制宜推進中低溫地?zé)岚l(fā)電技術(shù)應(yīng)用以及對增強型地?zé)嵯到y(tǒng)的研究及開發(fā)利用。

 

海洋能前沿技術(shù)趨勢主要表現(xiàn)在：因地制宜的推進和開發(fā)適合于本國的高效海洋能發(fā)電技術(shù)，傳統(tǒng)攔壩式潮汐能技術(shù)有待進一步提升、潮流能規(guī)?；贸掷m(xù)推進，已成為海洋能商業(yè)化重點方向。

 

氫能前沿技術(shù)趨勢主要表現(xiàn)在：采用風(fēng)光等可再生能源耦合制氫的方式制綠氫，海上風(fēng)電制氫是未來綠氫生產(chǎn)的主力之一。質(zhì)子交換膜PEM電解水技術(shù)與風(fēng)電、光伏具有良好的匹配性，是未來5-10 年的發(fā)展趨勢。固體氧化物SOE水電解技術(shù)處于初步示范階段。SOE水電解的發(fā)展取決于相關(guān)材料技術(shù)的突破情況?；鞖涮烊粴廨敋浼夹g(shù)有望成為氫能應(yīng)用的關(guān)鍵引擎。

 

3.生物質(zhì)能

 

生物質(zhì)能發(fā)電前沿技術(shù)趨勢主要表現(xiàn)在：因地制宜規(guī)?；捎棉r(nóng)林廢棄物和城市固體廢物與燃煤直接耦合發(fā)電及推進分布式能源發(fā)展。

 

新型電力系統(tǒng)及其支撐技術(shù)

 

1.輸電技術(shù)

 

研究發(fā)展更高電壓、更大容量的交直流輸電技術(shù)，特別是柔性直流輸電技術(shù)對于新型電力系統(tǒng)建設(shè)中大規(guī)模新能源消納和電網(wǎng)智能化、數(shù)字化建設(shè)將起到重大作用。海底電纜向大容量特高壓技術(shù)方向發(fā)展將成為實現(xiàn)跨洋能能源電力互聯(lián)的關(guān)鍵。隨著高溫超導(dǎo)輸電技術(shù)的不斷發(fā)展，超導(dǎo)直流輸電與低溫液體燃料輸送管道相結(jié)合，可望成為未來能源輸送的技術(shù)選擇之一。另外，研究SF6氣體的完全替代已成為發(fā)展特高壓交直流輸電的一項重要環(huán)保技術(shù)。

 

2.儲能技術(shù)

 

作為電力系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛的一種儲能技術(shù)，抽水儲能機組向超高水頭、高轉(zhuǎn)速可變速、超大容量方向發(fā)展，結(jié)合實際開展海水和利用廢棄礦洞地下式抽水蓄能電站關(guān)鍵技術(shù)研究也是其發(fā)展方向之一。

 

在新型儲能技術(shù)方面，目前鋰離子電池在新型儲能產(chǎn)品中占據(jù)主導(dǎo)地位，是儲能調(diào)頻市場的主流技術(shù)，但急需攻關(guān)解決其在大規(guī)模應(yīng)用過程中出現(xiàn)的安全、可靠性等問題。鈉離子電池已逐步實現(xiàn)了從基礎(chǔ)研究到工程應(yīng)用的跨越，因其資源豐富、性價比高、安全性好等優(yōu)點，有望在中低速電動車及大規(guī)模儲能領(lǐng)域取代或部分取代鋰離子電池和鉛酸電池而獲得廣泛應(yīng)用。全釩液流電池是技術(shù)成熟最高的液流電池技術(shù)路線，且中國擁有資源方面的優(yōu)勢，應(yīng)加快研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化工作。壓縮空氣儲能技術(shù)具有儲能容量大、儲能周期長、系統(tǒng)效率高、運行壽命長、投資小等優(yōu)點，非常適用于長時儲能的大規(guī)模物理儲能技術(shù)，配合海上風(fēng)電的大規(guī)模開發(fā)，利用深處海水靜壓，進行壓縮空氣儲能也是其未來著重發(fā)展的方向。在電力調(diào)頻等領(lǐng)域，飛輪儲能較傳統(tǒng)儲能擁有充放電更快、壽命更長等優(yōu)勢。

 

安全高效核能技術(shù)

 

研發(fā)設(shè)計小型反應(yīng)堆，提高堆型的安全性、多應(yīng)用性，是未來核電發(fā)展一個重要選擇，第四代堆是核能下一步的發(fā)展方向。鈉冷快堆是目前第四代堆中技術(shù)成熟度最高、最接近商用的堆型，也是世界主要核大國繼壓水堆之后的重點發(fā)展方向。我國的高溫氣冷堆技術(shù)世界領(lǐng)先，在此基礎(chǔ)上發(fā)展超高溫氣冷堆，將是核能多用途利用的重要方式之一。釷基熔鹽堆是第四代反應(yīng)堆中唯一使用液態(tài)燃料的堆型，在固有安全性、經(jīng)濟性、核資源可持續(xù)發(fā)展，以及防核擴散等方面具有其它反應(yīng)堆無法比擬的優(yōu)點。鉛基堆將成為小型和微型核動力的優(yōu)選技術(shù)路線之一。

 

可控核聚變的發(fā)展已經(jīng)開始從基礎(chǔ)研究階段逐步向核工程階段過渡發(fā)展。應(yīng)發(fā)揮我國新型舉國體制優(yōu)勢，逐步搭建聚變能的技術(shù)開發(fā)體系和工業(yè)體系，集中力量開展核聚變工程和技術(shù)攻關(guān)。

 

綠色高效化石能源開發(fā)利用技術(shù)

 

1.清潔煤電

 

隨著鎳鐵基、鎳基高溫材料研發(fā)的不斷突破，更高參數(shù)的630℃、760℃等級先進高參數(shù)超超臨界發(fā)電前沿技術(shù)將成為下一代火力發(fā)電主力機組技術(shù)。加快高參數(shù)、大容量機組關(guān)鍵高溫部件的自主研發(fā)及制造，以及從主機設(shè)備、系統(tǒng)布置等方面進行設(shè)計創(chuàng)新，努力減少高溫材料的使用，降低工程投資，是目前中國乃至全世界的研究方向之一。

 

超超臨界循環(huán)流化床發(fā)電技術(shù)是適合我國國情的關(guān)鍵技術(shù)。超臨界二氧化碳循環(huán)發(fā)電技術(shù)是熱力發(fā)電領(lǐng)域一項重要的變革性技術(shù)，是未來能源綜合利用的一個發(fā)展方向，其優(yōu)良特性使得其系統(tǒng)具有良好的應(yīng)用前景和研究價值，要加強對高溫關(guān)鍵部件在超臨界CO2環(huán)境下高溫腐蝕問題、系統(tǒng)設(shè)計優(yōu)化問題、關(guān)鍵設(shè)備開發(fā)研制以及系統(tǒng)靈活性問題等關(guān)鍵技術(shù)研究攻關(guān)。

 

IGCC作為一種高效、低污染的潔凈煤發(fā)電技術(shù)，已走過概念驗證和工業(yè)示范階段，提高其運行可用率、降低投資費用和發(fā)電成本是IGCC未來發(fā)展的主要方向。IGFC處于起步階段，煤氣凈化提純技術(shù)、以固體氧化物燃料電池 （SOFC） 為代表的高溫燃料電池技術(shù)、系統(tǒng)耦合控制技術(shù)等相關(guān)技術(shù)研究正逐步開展。

 

在碳中和背景下，CCUS技術(shù)不僅是實現(xiàn)化石能源近零排放重要技術(shù)選擇，以及電力、工業(yè)部門深度減碳和低碳轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵技術(shù)保障，而且與生物質(zhì)能、直接空氣捕集等結(jié)合可實現(xiàn)大規(guī)模負碳效應(yīng)。技術(shù)聚焦于捕集效率更高、能耗更低的第二代碳捕集技術(shù)以及高效低成本直接空氣碳捕集技術(shù)（DAC）技術(shù)的研發(fā)。CO2電化學(xué)轉(zhuǎn)化技術(shù)、礦化利用技術(shù)是非常有前景的大規(guī)模固定CO2利用路線。CO2地質(zhì)封存利用技術(shù)中，技術(shù)目前唯一達到了商業(yè)化利用水平的是CO2-EOR驅(qū)油技術(shù)。二氧化碳驅(qū)替煤層氣利用目前仍處于先導(dǎo)試驗階段，技術(shù)目前還尚未成熟，部分技術(shù)問題有待解決。碳深海封存在理論上潛力巨大，仍處于理論研究和模擬階段，封存成本很高，在技術(shù)可行性和對海洋生物的影響上還需要更進一步的研究。

 

生物質(zhì)、固廢與燃煤耦合混燒是未來降低煤電機組的碳排放量，加強燃煤發(fā)電的可持續(xù)性，以及煤電走向低碳化一條現(xiàn)實可行的路徑。探索優(yōu)化耦合燃燒技術(shù)，完善生物質(zhì)、固廢燃料儲運技術(shù)，加強污染物協(xié)同治理研究是當(dāng)前工程實際運行中仍需關(guān)注的問題。

 

2.燃氣發(fā)電

 

實現(xiàn)燃氣輪機國產(chǎn)化是發(fā)展氣電行業(yè)的首要關(guān)鍵，目前H級重型燃氣輪機還沒有實現(xiàn)自主可控，需加強對燃氣輪機部件的一些核心設(shè)計技術(shù)，特別是熱端部分的設(shè)計制造技術(shù)、燃氣輪機的控制技術(shù)的完善、提升以及燃機適應(yīng)非常規(guī)燃料技術(shù)方向的研究。

 

能源電力系統(tǒng)數(shù)字化智能化技術(shù)

 

針對新型電力系統(tǒng)下節(jié)點繁多的高電力電子化的裝備，研發(fā)高精度、高可靠、快響應(yīng)、智能化、微型化的狀態(tài)傳感裝置是進一步的重點研究方向。研究和利用大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、區(qū)塊鏈、5G等新技術(shù)，并將這些技術(shù)進行組合應(yīng)用于電網(wǎng)智能調(diào)度運行控制與智能運維、電力行業(yè)數(shù)字化智能發(fā)電、火電廠數(shù)字化智能化、核電數(shù)字化智能化以及綜合智慧能源系統(tǒng)等不同的場景，驅(qū)動電力行業(yè)自身轉(zhuǎn)型升級和可持續(xù)發(fā)展，聚焦新一代信息技術(shù)和能源電力融合發(fā)展，開展能源電力領(lǐng)域用數(shù)字化、智能化共性關(guān)鍵技術(shù)研究，推動源網(wǎng)荷儲用與數(shù)字化、智能化技術(shù)深度融合，引領(lǐng)能源電力產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級，是構(gòu)建清潔低碳安全高效能源電力體系的發(fā)展方向。

 

電力系統(tǒng)市場技術(shù)

 

適應(yīng)新能源、分布式發(fā)電、儲能、電動汽車等新型電力市場主體靈活參與、成本合理回報的電力市場機制，創(chuàng)新電力市場商品類型、交易周期、出清機制，提出適應(yīng)集中式與分布式電源共同發(fā)展、需求側(cè)響應(yīng)廣泛參與的電力市場模式設(shè)計，激勵電能生產(chǎn)及利用新技術(shù)推廣應(yīng)用成為電力市場理論及機制創(chuàng)新研究的主要方向。另外依托電力市場一體化支撐平臺技術(shù)、電力系統(tǒng)優(yōu)化引擎及分析技術(shù)以及基于區(qū)塊鏈技術(shù)的電力市場、電力碳排放權(quán)交易市場機制設(shè)計與應(yīng)用等方面前沿技術(shù)研究，將逐步形成“云—臺—鏈—智”融合的新一代電力交易系統(tǒng)，并將全面支撐我國多層次統(tǒng)一電力市場高效協(xié)同運營。

 

關(guān)于未來電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型的三個階段技術(shù)支撐

 

第一階段（當(dāng)前至2030年）：

 

此階段屬于電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型過渡蓄勢階段。重點技術(shù)攻關(guān)方向為在保證能源電力安全的前提下構(gòu)建高比例可再生能源系統(tǒng)逐步替代化石能源。重點研發(fā)太陽能高效低成本光電光熱轉(zhuǎn)化、深海高空風(fēng)電高效轉(zhuǎn)化、生物質(zhì)高效轉(zhuǎn)化與高值利用、海洋能規(guī)?；咝Ю谩⒎植际蕉嗄芑パa與供需互動、靈活友好并網(wǎng)等關(guān)鍵核心技術(shù)，同時加快推進大規(guī)模長壽命物理儲能技術(shù)應(yīng)用，發(fā)展安全、高效、經(jīng)濟、可持續(xù)的先進核能系統(tǒng)。

 

第二階段（2030年至2040年）：

 

此階段屬于能源結(jié)構(gòu)切換階段。重點技術(shù)攻關(guān)方向為促進高比例可再生能源電力消納與多能源載體綜合利用，大幅增加可再生能源在能源生產(chǎn)和消費中的比重，并逐步成為主體能源。重點挖掘源網(wǎng)荷儲各環(huán)節(jié)的能力，要利用好可中斷負荷、虛擬電廠、跨省跨區(qū)交易等調(diào)節(jié)手段，推進新型儲能、電動汽車、氫儲能等技術(shù)的利用。發(fā)展新型電化學(xué)能量儲存與轉(zhuǎn)化機制，實現(xiàn)長壽命、低成本、高能量密度、高安全和易回收的新型儲能技術(shù)廣泛應(yīng)用。促進人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)先進信息通信等技術(shù)與電力技術(shù)的深度融合。

 

第三階段（2040年至2060年）：

 

此階段屬于近零排放及碳中和決勝階段。重點技術(shù)攻關(guān)方向為通過光伏發(fā)電、風(fēng)電成為主要發(fā)電方式，實現(xiàn)能源結(jié)構(gòu)多元化及電力供需平衡高度耦合；以深度脫碳、碳捕集和封存等技術(shù)為工作重點，助推能源和電力生產(chǎn)進入負碳階段，實現(xiàn)全社會碳排放凈零。重點是實現(xiàn)高效光、電、熱、生物轉(zhuǎn)化利用二氧化碳機理等方面關(guān)鍵技術(shù)的突破，應(yīng)用綠氫等綠色燃料以及CCUS等技術(shù)作為應(yīng)對減排難點的重要手段。

 

三、有關(guān)建議

 

一是加強政策引領(lǐng)和頂層設(shè)計，完善科學(xué)創(chuàng)新體制機制。建議加快完善電力前沿技術(shù)攻關(guān)的政策、法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)、形成以電力為核心的能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型集成技術(shù)創(chuàng)新政策體系；建立科學(xué)高效的電力科技創(chuàng)新發(fā)展機制；設(shè)計符合我國實際的電力系統(tǒng)減碳、脫碳技術(shù)實施路徑；全鏈條系統(tǒng)提升國家創(chuàng)新體系的整體能效。

 

二是加強自主科技創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)升級。建議加大對能源電力轉(zhuǎn)型發(fā)展具有引領(lǐng)作用的基礎(chǔ)研究及前沿技術(shù)研發(fā)的支持力度，集中優(yōu)勢資源力爭取得重大突破；推動先進產(chǎn)品規(guī)模化、產(chǎn)業(yè)化快速應(yīng)用，降低建設(shè)成本，構(gòu)建起全產(chǎn)業(yè)鏈條、協(xié)同聯(lián)動的自主能源電力科技創(chuàng)新生態(tài)系統(tǒng)。

 

三是加強國際能源電力領(lǐng)域技術(shù)合作。建議有效利用全球創(chuàng)新資源,高起點推進科技創(chuàng)新，通過國際氣候變化合作機制，加強綠色低碳發(fā)展國際技術(shù)合作、交流，促進應(yīng)對氣候變化的技術(shù)創(chuàng)新與技術(shù)轉(zhuǎn)讓，處理好低碳轉(zhuǎn)型過程中的知識產(chǎn)權(quán)問題，有序推進能源電力前沿技術(shù)在國內(nèi)示范及應(yīng)用。培育綠色低碳能源電力技術(shù)創(chuàng)新生態(tài)圈，構(gòu)建區(qū)域科技創(chuàng)新合作共同體。

 

四是完善市場機制，發(fā)展綠色金融。建議進一步完善和穩(wěn)步推進市場化改革及機制建設(shè)，鼓勵技術(shù)和制度創(chuàng)新，發(fā)展綠色金融，引導(dǎo)社會資金流向綠色低碳領(lǐng)域。加大關(guān)鍵脫碳減碳技術(shù)研發(fā)的資金扶持力度，提高研發(fā)經(jīng)費投入產(chǎn)出效率。同時，以數(shù)字化、智能化技術(shù)構(gòu)建適應(yīng)性平臺，支撐可再生能源和清潔煤電的發(fā)展和高效運行，實現(xiàn)系統(tǒng)低碳化、清潔化發(fā)展。

 

五是發(fā)揮電力行業(yè)協(xié)會作用和企業(yè)在突破性科技創(chuàng)新方面主體作用。建議充分發(fā)揮行業(yè)協(xié)會的平臺與橋梁作用，深入研究能源電力技術(shù)發(fā)展的共性問題，持續(xù)開展調(diào)查研究，反映行業(yè)企業(yè)訴求，加強能源電力領(lǐng)域技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)。能源電力相關(guān)企業(yè)作為先進技術(shù)應(yīng)用及示范的主體，要進一步強化產(chǎn)學(xué)研合作，解決發(fā)展轉(zhuǎn)型中的重大技術(shù)問題，加快科研成果的轉(zhuǎn)化，盡快將前沿科技成果從實驗室走向企業(yè)應(yīng)用，在應(yīng)用中加以逐步完善。