中電聯(lián)：深入研究電力系統(tǒng)前沿技術，推動綠色低碳轉型

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，準確研判未來技術發(fā)展趨勢，在國家和社會層面發(fā)揮引領性作用。

 

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)綠色低碳轉型，助力實現(xiàn)碳達峰碳中和目標，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)轉型趨勢分析、對電力系統(tǒng)前沿技術的跟蹤研究，分析了關于未來電力系統(tǒng)轉型過渡蓄勢階段、能源結構切換階段、近零排放及碳中和決勝階段三個階段的技術支撐，提出了有關建議。

 

一、電力系統(tǒng)轉型發(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型。

 

因此，需推動電力系統(tǒng)向適應大規(guī)模高比例新能源方向演進，增強電源協(xié)調優(yōu)化運行能力，完善區(qū)域電網(wǎng)主網(wǎng)架結構，推動電網(wǎng)之間柔性可控互聯(lián)，構建規(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，加快新型儲能技術規(guī)?；瘧茫罅μ嵘娏ω摵蓮椥?。

 

二、電力系統(tǒng)相關前沿技術的發(fā)展趨勢

 

當前，全球能源電力技術創(chuàng)新進入高度活躍期，綠色低碳是能源電力技術創(chuàng)新的主要方向，電力系統(tǒng)前沿技術集中在先進可再生能源發(fā)電及綜合利用技術、新型電力系統(tǒng)及其支撐技術、安全高效核能技術、綠色高效化石能源開發(fā)利用技術、能源電力系統(tǒng)數(shù)字化智能化技術以及電力系統(tǒng)市場技術等重點領域。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

 

1.水力發(fā)電

 

水力發(fā)電前沿技術發(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、依托水電梯級建設儲能工廠及以抽水蓄能服務新型電力系統(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發(fā)展方向有望與其他存儲技術競爭。

 

2.新能源

 

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

 

太陽能發(fā)電前沿技術發(fā)展趨勢主要表現(xiàn)在：裝備制造技術迭代加速。開發(fā)建設技術朝太陽能與儲能相結合、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用以及分布式光伏發(fā)電市場大規(guī)模應用方向發(fā)展；聚光太陽能發(fā)電 (CSP)技術正圍繞獲得更高的發(fā)電效率及系統(tǒng)集成方向發(fā)展。

 

地熱能發(fā)電前沿技術發(fā)展趨勢主要表現(xiàn)在：因地制宜推進中低溫地熱發(fā)電技術應用以及對增強型地熱系統(tǒng)的研究及開發(fā)利用。

 

海洋能前沿技術趨勢主要表現(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，傳統(tǒng)攔壩式潮汐能技術有待進一步提升、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。

 

氫能前沿技術趨勢主要表現(xiàn)在：采用風光等可再生能源耦合制氫的方式制綠氫，海上風電制氫是未來綠氫生產(chǎn)的主力之一。質子交換膜PEM電解水技術與風電、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水電解技術處于初步示范階段。SOE水電解的發(fā)展取決于相關材料技術的突破情況?；鞖涮烊粴廨敋浼夹g有望成為氫能應用的關鍵引擎。

 

3.生物質能

 

生物質能發(fā)電前沿技術趨勢主要表現(xiàn)在：因地制宜規(guī)模化采用農(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

 

1.輸電技術

 

研究發(fā)展更高電壓、更大容量的交直流輸電技術，特別是柔性直流輸電技術對于新型電力系統(tǒng)建設中大規(guī)模新能源消納和電網(wǎng)智能化、數(shù)字化建設將起到重大作用。海底電纜向大容量特高壓技術方向發(fā)展將成為實現(xiàn)跨洋能能源電力互聯(lián)的關鍵。隨著高溫超導輸電技術的不斷發(fā)展，超導直流輸電與低溫液體燃料輸送管道相結合，可望成為未來能源輸送的技術選擇之一。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。

 

2.儲能技術

 

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

 

在新型儲能技術方面，目前鋰離子電池在新型儲能產(chǎn)品中占據(jù)主導地位，是儲能調頻市場的主流技術，但急需攻關解決其在大規(guī)模應用過程中出現(xiàn)的安全、可靠性等問題。鈉離子電池已逐步實現(xiàn)了從基礎研究到工程應用的跨越，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)模儲能領域取代或部分取代鋰離子電池和鉛酸電池而獲得廣泛應用。全釩液流電池是技術成熟最高的液流電池技術路線，且中國擁有資源方面的優(yōu)勢，應加快研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化工作。壓縮空氣儲能技術具有儲能容量大、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，配合海上風電的大規(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。在電力調頻等領域，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

 

研發(fā)設計小型反應堆，提高堆型的安全性、多應用性，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世界領先，在此基礎上發(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)選技術路線之一。

 

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

 

綠色高效化石能源開發(fā)利用技術

 

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)電前沿技術將成為下一代火力發(fā)電主力機組技術。加快高參數(shù)、大容量機組關鍵高溫部件的自主研發(fā)及制造，以及從主機設備、系統(tǒng)布置等方面進行設計創(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)電技術是適合我國國情的關鍵技術。超臨界二氧化碳循環(huán)發(fā)電技術是熱力發(fā)電領域一項重要的變革性技術，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)具有良好的應用前景和研究價值，要加強對高溫關鍵部件在超臨界CO2環(huán)境下高溫腐蝕問題、系統(tǒng)設計優(yōu)化問題、關鍵設備開發(fā)研制以及系統(tǒng)靈活性問題等關鍵技術研究攻關。

 

IGCC作為一種高效、低污染的潔凈煤發(fā)電技術，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、以固體氧化物燃料電池 （SOFC） 為代表的高溫燃料電池技術、系統(tǒng)耦合控制技術等相關技術研究正逐步開展。

 

在碳中和背景下，CCUS技術不僅是實現(xiàn)化石能源近零排放重要技術選擇，以及電力、工業(yè)部門深度減碳和低碳轉型的關鍵技術保障，而且與生物質能、直接空氣捕集等結合可實現(xiàn)大規(guī)模負碳效應。技術聚焦于捕集效率更高、能耗更低的第二代碳捕集技術以及高效低成本直接空氣碳捕集技術（DAC）技術的研發(fā)。CO2電化學轉化技術、礦化利用技術是非常有前景的大規(guī)模固定CO2利用路線。CO2地質封存利用技術中，技術目前唯一達到了商業(yè)化利用水平的是CO2-EOR驅油技術。二氧化碳驅替煤層氣利用目前仍處于先導試驗階段，技術目前還尚未成熟，部分技術問題有待解決。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、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，完善生物質、固廢燃料儲運技術，加強污染物協(xié)同治理研究是當前工程實際運行中仍需關注的問題。

 

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計技術，特別是熱端部分的設計制造技術、燃氣輪機的控制技術的完善、提升以及燃機適應非常規(guī)燃料技術方向的研究。

 

能源電力系統(tǒng)數(shù)字化智能化技術

 

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、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，并將這些技術進行組合應用于電網(wǎng)智能調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，驅動電力行業(yè)自身轉型升級和可持續(xù)發(fā)展，聚焦新一代信息技術和能源電力融合發(fā)展，開展能源電力領域用數(shù)字化、智能化共性關鍵技術研究，推動源網(wǎng)荷儲用與數(shù)字化、智能化技術深度融合，引領能源電力產(chǎn)業(yè)轉型升級，是構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

 

適應新能源、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，提出適應集中式與分布式電源共同發(fā)展、需求側響應廣泛參與的電力市場模式設計，激勵電能生產(chǎn)及利用新技術推廣應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、電力系統(tǒng)優(yōu)化引擎及分析技術以及基于區(qū)塊鏈技術的電力市場、電力碳排放權交易市場機制設計與應用等方面前沿技術研究，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。

 

關于未來電力系統(tǒng)轉型的三個階段技術支撐

 

第一階段（當前至2030年）：

 

此階段屬于電力系統(tǒng)轉型過渡蓄勢階段。重點技術攻關方向為在保證能源電力安全的前提下構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化、深海高空風電高效轉化、生物質高效轉化與高值利用、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)等關鍵核心技術，同時加快推進大規(guī)模長壽命物理儲能技術應用，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）：

 

此階段屬于能源結構切換階段。重點技術攻關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)交易等調節(jié)手段，推進新型儲能、電動汽車、氫儲能等技術的利用。發(fā)展新型電化學能量儲存與轉化機制，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廣泛應用。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與電力技術的深度融合。

 

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。重點技術攻關方向為通過光伏發(fā)電、風電成為主要發(fā)電方式，實現(xiàn)能源結構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、生物轉化利用二氧化碳機理等方面關鍵技術的突破，應用綠氫等綠色燃料以及CCUS等技術作為應對減排難點的重要手段。

 

三、有關建議

 

一是加強政策引領和頂層設計，完善科學創(chuàng)新體制機制。建議加快完善電力前沿技術攻關的政策、法規(guī)、標準、形成以電力為核心的能源結構轉型集成技術創(chuàng)新政策體系；建立科學高效的電力科技創(chuàng)新發(fā)展機制；設計符合我國實際的電力系統(tǒng)減碳、脫碳技術實施路徑；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型發(fā)展具有引領作用的基礎研究及前沿技術研發(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)?；?、產(chǎn)業(yè)化快速應用，降低建設成本，構建起全產(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域技術合作。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)展國際技術合作、交流，促進應對氣候變化的技術創(chuàng)新與技術轉讓，處理好低碳轉型過程中的知識產(chǎn)權問題，有序推進能源電力前沿技術在國內(nèi)示范及應用。培育綠色低碳能源電力技術創(chuàng)新生態(tài)圈，構建區(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，鼓勵技術和制度創(chuàng)新，發(fā)展綠色金融，引導社會資金流向綠色低碳領域。加大關鍵脫碳減碳技術研發(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、智能化技術構建適應性平臺，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發(fā)展的共性問題，持續(xù)開展調查研究，反映行業(yè)企業(yè)訴求，加強能源電力領域技術標準建設。能源電力相關企業(yè)作為先進技術應用及示范的主體，要進一步強化產(chǎn)學研合作，解決發(fā)展轉型中的重大技術問題，加快科研成果的轉化，盡快將前沿科技成果從實驗室走向企業(yè)應用，在應用中加以逐步完善。