未來我國的電源結(jié)構(gòu)將形成“風光”領跑、多元協(xié)調(diào)的格局。預計2030年，風能和太陽能將合并成為第一大裝機主體，2045年合并發(fā)電量將超過火電成為第一發(fā)電量主體。常規(guī)水電、抽水蓄能在2045年將基本開發(fā)完畢，規(guī)模約為6.9×108 kW;核電將在2050年達峰，規(guī)模約為2.3×108 kW;若將內(nèi)陸核電包含在內(nèi)，2060年將增長至4×108 kW。根據(jù)國網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院有限公司開發(fā)的“電力系統(tǒng)碳中和路徑優(yōu)化程序”分析結(jié)果，我國非化石能源裝機占比將從2020年的46%提高到2030年的57%、2060年的88%(見圖2)。因此，穩(wěn)步推進電源結(jié)構(gòu)清潔化轉(zhuǎn)型并構(gòu)建新型能源供應體系，是保障新型電力系統(tǒng)在電源層面安全發(fā)展的首要措施。
圖2 各類型電源裝機容量(2020—2060年)
不宜簡單“一刀切”地對待傳統(tǒng)能源發(fā)電，而需將之與新型能源實現(xiàn)協(xié)同發(fā)展。煤炭是我國能夠自主可控、具有儲量優(yōu)勢的一次能源類型，保留必要的煤電裝機容量，在新能源連續(xù)出力水平低的特殊條件下可起到兜底保障作用。合理預計，2030年我國煤電將達到峰值(裝機容量約為1.37×109 kW)，隨后進入快速下降通道，從主體電源轉(zhuǎn)向調(diào)節(jié)性和保障性電源;與新能源發(fā)電優(yōu)化組合，平穩(wěn)有序地實現(xiàn)能源體系轉(zhuǎn)型。準確界定煤電發(fā)展定位，發(fā)揮煤炭兜底保障與戰(zhàn)略資源作用，以有效降低高比例新能源接入系統(tǒng)的保供壓力，支持化石能源發(fā)電逐步轉(zhuǎn)型為系統(tǒng)調(diào)節(jié)性和基礎保障性電源。這是保障新型電力系統(tǒng)安全發(fā)展的應有之義。
燃氣發(fā)電具有靈活啟停、響應迅速、可季節(jié)性調(diào)峰等優(yōu)勢，在近中期較煤電不具有成本優(yōu)勢;但考慮碳排放+CCUS的應用成本后，在遠期的成本差距將顯著縮小?？赏怀鎏烊粴馀c新能源適宜密切協(xié)同的特征，通過煤電 / 氣電優(yōu)化配置起到電力供應安全的托底作用。
目前，我國電力系統(tǒng)的靈活性資源容量約為7.7×108 kW，未來隨著常規(guī)能源裝機量占比的持續(xù)下降，對靈活性資源的需求將逐步增加。靈活性資源預計2030年開始由盈余轉(zhuǎn)為不足(缺口約為8.6×107 kW)，2060年的缺口將進一步擴大。發(fā)展多元化的靈活性調(diào)節(jié)電源是實現(xiàn)新型電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的重要保障。
(二)從電網(wǎng)層面保障安全
我國幅員遼闊，不同地域的自然資源稟賦差異明顯。西部和北部地區(qū)的新能源裝機占比超過66%，而東中部地區(qū)的負荷比重長期維持在60%左右，區(qū)域性的供需逆向分布格局凸顯。大容量、遠距離輸電的基本需求長期存在，跨省區(qū)輸電通道規(guī)模將由2020年的2.7×108 kW增長到2060年的7×108 ~8×108 kW;跨省電網(wǎng)柔性共享和互濟的需求也將進一步增加，未來省間潮流多為雙向輸送。
在現(xiàn)有的技術(shù)條件下，電網(wǎng)受頻率約束導致對新能源的承載規(guī)模受限;未來“交流分區(qū)、直流成網(wǎng)、交 / 直流分網(wǎng)”將是電網(wǎng)發(fā)展極具潛力的模式。加強電網(wǎng)柔性互聯(lián)和互濟、提升新能源安全承載能力，是支撐新型電力系統(tǒng)安全發(fā)展的重要途徑。
為了實現(xiàn)不同能源體系內(nèi)部、相關能源體系之間的融合，需將電力安全防御系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、知識提取、決策支持等環(huán)節(jié)進行拓展，覆蓋一次能源、環(huán)境、信息等系統(tǒng)。考慮不同能源體系之間的交互影響以應對電力系統(tǒng)外部狀態(tài)的不確定性，也是“雙碳”目標下保障能源安全發(fā)展的必然要求。
(三)從負荷層面保障安全
在靈活性電源和柔性電網(wǎng)之外，需求側(cè)響應也是保障電力系統(tǒng)靈活調(diào)節(jié)與安全運行的重要資源。未來電力系統(tǒng)負荷彈性化的趨勢更為明顯，分布式電源占比持續(xù)提高(如光伏發(fā)電的可開發(fā)容量為3.7×109 kW)，越來越多的用戶成為“產(chǎn)消者”。負荷聚合商快速發(fā)展，預計2030年、2060年的需求側(cè)響應分別可達1.2×108 kW、3.5×108 kW，各占最大負荷的7%、15%。
隨著數(shù)字化水平的提升，未來可控負荷發(fā)展空間極大。在我國部分地區(qū)，空調(diào)負荷在夏季尖峰負荷中的占比甚至超過40%;商業(yè)空調(diào)的可調(diào)節(jié)性更強，在主流溫度區(qū)間每調(diào)高1 ℃可降低用電負荷約10%。預計2030年、2060年我國電動汽車用電分別占社會用電量的3.5%、11.5%，2030年電動汽車有序充電以及電動汽車給電網(wǎng)送電方式的理論調(diào)峰潛力約為6×107 kW，相當于三峽工程裝機容量的3倍，約占整個電網(wǎng)最大負荷的3.3%。預計2030年我國數(shù)據(jù)中心用電量占社會總用電量的5%，需通過“東數(shù)西算”工程來顯著改善綠色能源使用比例，緩解資源與負荷的時空矛盾。也要注意到，網(wǎng)絡惡意攻擊等手段可能導致電力系統(tǒng)中的設備和過程失去控制，需針對突發(fā)情況提升電力系統(tǒng)網(wǎng)絡的安全防御能力，切實支撐供需雙向互動。
(四)從儲能層面保障安全
推動多形式儲能發(fā)展，提升供應鏈安全保障水平，支撐電力電量的時空平衡。在當前及未來一段時期內(nèi)，以抽水蓄能為主體的儲能技術(shù)可滿足日內(nèi)平衡需求，抽水蓄能裝機容量將持續(xù)增長;以電化學儲能為代表的新型儲能容量快速增加，伴隨大規(guī)模儲能技術(shù)實現(xiàn)突破，將實現(xiàn)日以上的平衡調(diào)節(jié)。預計2030年抽水蓄能裝機容量為1.2×108 kW，新型儲能容量為1×108 kW;2060年抽水蓄能的裝機容量約為4.5×108 kW，新型儲能裝機容量約為3×108 kW;在中長期，氫能將發(fā)揮長時段儲能作用，2040年、2060年電解水制氫可分別實現(xiàn)8×1011 kW·h、2.4×1012 kW·h的電量轉(zhuǎn)移，未來電制氫可作為跨季平衡模式。
在極端氣象條件下，新能源電力供給與短期負荷高峰之間的供需不平衡被進一步放大，未來高比例新能源接入的新型電力系統(tǒng)對調(diào)峰缺口的彌補需求也將顯著增長。2030年前，抽水蓄能作為最具經(jīng)濟性和可靠性的儲能形式得到推廣應用，形成以抽水蓄能、靈活煤電及氣電為主要手段的調(diào)節(jié)形式。隨著儲能技術(shù)的發(fā)展，2030年后新型儲能(含氫能)與靈活煤電及氣電保持協(xié)調(diào)發(fā)展，可滿足系統(tǒng)調(diào)節(jié)的缺口需求。2040年后，抽水蓄能、電化學儲能、壓縮空氣儲能成為主力儲能形式。
未來20年，由于儲能電池應用規(guī)模的擴大，鋰資源的需求量甚至攀升至當前的40倍。電動汽車所需的銅材料是內(nèi)燃機汽車的4倍。因此，關鍵礦產(chǎn)供應鏈安全及成本問題也成為構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的新增風險因素。
(五)從市場層面保障安全
新型電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行需要多層次的市場體系與機制，才能適應新型電網(wǎng)形態(tài)和各類電源角色的轉(zhuǎn)變。構(gòu)建以國內(nèi)大循環(huán)為主體、國內(nèi)國際雙循環(huán)相互促進的新發(fā)展格局，需要推進全國統(tǒng)一電力市場建設，形成電力系統(tǒng)大范圍內(nèi)的共享互濟能力。以電力市場為載體，推動電力資源在全國范圍內(nèi)的優(yōu)化配置，促進新能源在更大范圍內(nèi)的充分消納并保持靈活資源的共享互濟;健全調(diào)峰等輔助服務補償及跨省區(qū)交易機制，支持大范圍內(nèi)輸電通道安全運行及調(diào)峰資源高效平穩(wěn)配置。構(gòu)建多層次的統(tǒng)一電力市場，逐步融合省間與省內(nèi)電力市場，便于各類市場主體通過分散資源聚合平臺等形式參與統(tǒng)一電力市場。實現(xiàn)電力資源價格穩(wěn)定與大范圍安全交易，是充分發(fā)揮電網(wǎng)共享互濟功能、保障新型電力系統(tǒng)安全有序運行的必要手段。
(六)從技術(shù)層面保障安全
著眼能源安全格局，為實現(xiàn)源、網(wǎng)、荷、儲、市場等環(huán)節(jié)的轉(zhuǎn)型升級，需要攻克核心關鍵技術(shù)、探索前沿新興技術(shù)，為新型電力系統(tǒng)建設筑牢科技支撐。重點研究新型電力系統(tǒng)的基礎共性、戰(zhàn)略性、前沿性技術(shù)，新型高端裝備、系統(tǒng)、器件、新材料等方面的基礎理論，聚焦新能源“構(gòu)網(wǎng)”主動支撐、大規(guī)模遠距離新能源發(fā)電送出、儲能支撐電網(wǎng)安全運行、源網(wǎng)荷儲資源協(xié)調(diào)控制、新型電力系統(tǒng)仿真評估與故障防御等關鍵技術(shù)，構(gòu)建涵蓋源、網(wǎng)、荷、儲、市場等要素的新型電力系統(tǒng)關鍵技術(shù)體系，支持破解未來電力系統(tǒng)“安全保障、供應可及、環(huán)境可持續(xù)”的矛盾三角。
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