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建立新型电力系统 成未来中国实现双碳战略关键点

2021-09-28 15:30:36    来源:网易科技

“双碳”目标是我国基于推动构建人类命运共同体的责任担当和实现可持续发展的内在要求而作出的重大战略决策,是加快生态文明建设和实现高质量发展的重要抓手。

针对如何实现双碳战略和发展“光储直柔”建筑技术等问题,中国工程院院士、清华大学教授、建筑环境工程专家江亿院士与《新基建访谈》进行了深入交流。

江亿院士曾参加多项 IEA EBC(建筑和社区的节能)国际合作项目。目前为 EBC 理事会中国代表,国务院能源咨询专家委员会委员,中国气候变化专家委员会委员,IPCC 第五版第三卷第九章(建筑节能减排)写作组成员。主要研究领域为建筑节能。主编出版《中国建筑节能研究年度报告》。曾获得二项国家科技发明奖、二项科技进步奖:集中供热调节、溶液调湿空调、间接蒸发冷却、建筑能耗模拟软件(DeST)。

在江亿院士看来,未来中国实现双碳战略最关键的一点是建立新型电力系统。风电光电与用电规律不同步,中间缺少储能调节环节,电力系统便不能运行,这是发展新型电力系统过程中的瓶颈。他表示,发展新型主动式的智能充电桩系统,所有居住小区的车位都应实现一位一桩。这样既能解决发展新能源电池的汽车的问题,又能解决新型电力系统建设的问题。

此外,江亿院士以“光储直柔”试点之一的山西省芮城县为例,表示无论是县城还是大城市,都要根据其不同的特点和优势进行不同的布局安排。而对于中西方在发展方面的异同点,他认为新型电力系统建成零碳的电力也是西方部分国家实现碳中和的规划里非常重要的环节,西方部分国家的水电和风电光电的互动配合可以起到很好的调峰作用,而我国很难依靠水电发电来完全解决未来整个新能源系统的调控问题。我国是世界上电动汽车拥有量最多的国家,因此要率先蹚出适应我国国情的一条路。

谈及“光储直柔”建筑技术在建筑方面的应用和前景,江亿告诉《新基建访谈》,“光储直柔”建筑配电是发展零碳能源的重要支柱,有利于直接消纳风电光电。城市的“光储直柔”和农村的发展模式不太一样,一个是消纳风电光电,另一个则是解决自身用能的同时产出更多的电反送到电网,这是城乡的区别。

以下为《新基建访谈》专访江亿实录摘要:

问:您将在 2021 世界新能源大会上发表题为《发展智能充电桩,促进零碳电力系统的建设》的分享,这次主要会带来哪些新的见解呢?

江亿院士:未来中国实现双碳战略最关键的一点是建立新型电力系统,新型电力系统按照分析大概是 80% 的容量,60% 左右的电量是风电和光电,而当前的容量不到 15%,电量在 10%以下。大比例的风电和光电给电网带来很大的问题,主要问题是风电光电与用电规律完全不同步,中间缺少储能调节环节。没有储能调节环节,电力系统便不能运行,这是发展新型电力系统过程中最主要的矛盾,也是瓶颈。

目前,可操作、可执行的是新能源汽车。中国现在有 2.4 亿辆私人汽车,二、三十年后很可能变成 3 亿辆私人小汽车,如果这 3 亿辆私人汽车全部变成纯电汽车,每辆车至少有 50 度电的电池容量,3 亿辆电动车就是 150 亿度电,而全年总的风电、光电的发电量大概是 8 万亿度,平均一天是 270 亿度电,如果电动车能够调平 150 亿度电,便基本解决了风电光电的变化与用电规律二者不同步、不一致的问题。因此,新能源汽车的发展对未来新型电力系统的建设有着巨大作用。

有了电动车,还必须有合适的充电桩网络才能使电动车的电池真正发挥其储能作用。目前搭建的充电桩是“即插即充”方式,不能根据电网的电力平衡关系决定充电与否和充电功率,因此不能满足这一需求,必须建立全新的主动式充电桩系统,由充电桩控制是否充电和充电功率。我把它称作主动式或者智能式充电桩系统,今后提倡每个停车位都是一位一桩,并且是即停即充,是否充电由电网的供需关系状况决定。如果电网上的电充足,供大于用,便主动充电;如果二者平衡就不会再充了;如果供不足以用,就要从车取电来满足电网的需求。互相借力,互相平衡,真正利用汽车电池的资源,才能解决电力系统的问题。

模式改变,计费的方式也应该不一样。现在的充电桩是为了挣价差,未来则是会员制。举个例子,建立了广泛的、智能的充电桩网络后,充电桩网络认车不认人,并不是停车即充,而是有电的时候才充电,是一个慢充系统;但只要交会员费,全年就不再收取充电费用,在约定的区域内出现无电趴窝的现象还可以派去救援车,随时随地保证使用要求。

我们做过很多仿真分析,比如,一座大楼里有 280kW 的光伏电池,可以连接 100 个充电桩,供 100 辆车使用。按照这种模式可以有效消纳光伏电力,除个别冬天的光电不足外,其他时候都能满足车的需求,并且有效消纳了光伏电力。

当前发展新型电动汽车最大的瓶颈障碍是没有地方充电,按照发展新型主动式的智能充电桩系统,居住小区的车位都实现一位一桩,办公楼、工厂的停车场等安装充电桩,满足住户和上班人的充电需求。那么马上就有人问,是不是会影响电池寿命?实际上,对于私家车来说,电池的寿命比车的寿命还长。出租车一年跑 10 万公里,也在用电动车;而私家车大多数统计的年行驶里程数是在一万到两万公里之间,那么电动车行驶这个里程需要的电是一年 2000 到 4000 度电,如果是 50 度电的电池,一年需要充 40 到 80 次,大概是十天充一次,十年时间电池才刚充 400 次,而实际上电池能充 3000 次电,所以按照现在的用法,汽车报废了电池也没坏。而当电动汽车参加到蓄能调节后,大约每天充放电一次,电池的使用年限大体上与车体本身的使用年限一致,物尽其用。这套体系主要针对的是私家车,既能解决发展新能源汽车的充电问题,又能解决新型电力系统调节问题,是未来实现双碳的一大重点。

问:您提到双碳是一个大趋势,请问这个方案目前整个发展的推进情况如何?比如到哪年我们可以达到一个预期?

江亿院士:首先,现在的情况是关键设备中的新型充电桩,要求成本低、可靠性高,并且智能化。我现在组织了 3 到 4 个团队分别独立开发,到今年年底之前应该会陆续完成,然后在市场上使用。其次,有发展充电桩、发展新能源汽车跟发展风电光电这三者同步的说法。按照规划,从现在起每年净增 1 亿到 1.5 亿千瓦 的风电光电,而未来几十年预测电动汽车将从目前每年新增 300~400 万辆逐渐发展到每年新增 1000 万辆。电动汽车的增长和风电光电的增长刚好匹配。而目前充电桩网络建设滞后于风电光电和新能源汽车这两部分,要满足车位一位一桩,同时形成全新的充电文化和理念,对业态运营模式采取相应配套措施,继而产生新的方式、新的模式。

问:那您刚才讲的这个方案“光储直柔”现在有没有一些试点呢?

江亿院士:现在已经配合一些工程任务同步进行,在国内的一些地方布局,例如在山西省芮城县,想实现全县的碳中和,其中很重要的任务是在全县建成主动式充电桩网络,然后实现车和农机具的电气化,再通过它来消纳自身的风电、光电,因为芮城县的光伏条件比较好,这利于进行一个全新的一个电力系统。无论是县城还是大城市,都是根据其不同的特点进行不同的布局安排。

问:根据您的研究和了解,中西方在发展这两个路径方面有哪些异同点?或者有哪些特点?

江亿院士:比如北欧、瑞典、丹麦提出来要到 2045 或 2050 年实现碳中和,发展新型电力系统建成零碳的电力也是西方部分国家实现碳中和的规划里非常重要的环节。它的电源很大一部分来自于生物质发电,西方部分国家土地资源辽阔,生物质资源多,另一个就是利用水电资源,水电资源的运用很灵活。所以水电和风电光电的互动配合可以起到很好的调峰作用,从而解决这个不协调的问题。

而我国虽然水电装机容量是世界第一,但相对而言在总电量中的占比却很少,因此很难依靠它来解决未来整个新能源系统的调控问题,只能在四川、青海、甘肃、云南等地区靠水电解决其自身电力的调峰问题和部分外输的风电光电的平衡问题。对于其他地区,就需要找新的技术途径。中国是世界上电动汽车拥有量最多的国家,所以我们要率先闯出一条适应我国国情的路。

问:您曾谈到,我们到 2045 年基本可以实现零碳电力系统,这是分几步走的?成功实现意味着什么?

江亿院士:现在的规划是将来依靠的调控方式是水电跟抽水蓄能电站再加上电动汽车。再考虑用一些生物质能火电来辅助调峰,还会有少量的燃气和燃煤电厂来起到最后的保障作用,所以电动车在其中起着很重大的作用,有部分意见提出电解水制氢,拿氢去消纳峰值的多余电量,再通过储氢和氢燃料电池发电,提供电力低谷时的供电。但这样的效率太低,成本投资也太高。所以只有那些不好实现电气化的交通工具和工业生产过程,用氢来解决他们的能源供给问题,对电力系统本身来说,分布式化学储能更现实。所以用电动车来解决蓄能问题比用氢来解决相对来说要成熟,成本要低的多。

问:在建筑方面其实您也有研究和见地,请您聊一下这项技术在建筑方面会有哪些应用和前景?

江亿院士:以后的建筑不是一个单纯的用电用能的装置,而是扮演一个产销融合的角色。生产和消费融合,进一步说是生产、消纳与储存调节三位一体。这三个功能都应该融在建筑一身,这是未来建筑在新的能源系统里所处的地位,所谓生产是充分利用好建筑,尤其是屋顶的资源可以用来发展光伏发电。如果把建筑改成直流配电,充电桩和建筑直流配电就是一个完美的融合,建筑和车一起构成整个电网的柔性负载,根据电网的供需平衡关系来调节、改变用电量。

另外,不一定完全依靠建筑本身的光伏,也可以用远方的可再生电力。例如北京的建筑就可以使用八达岭外的光伏基地,风电基地的电力。尽管这些电力要通过大电网输送才能进入建筑和汽车充电桩,但只要严格调控从电网进入建筑和充电桩系统的电力使其与远方的风电光电完全一致地变化,就可以认为这些建筑和车辆使用的完全是远方的风电光电,是零碳绿电。这是针对城市所说,也就是说,城市都是高楼大厦,屋顶没有那么多空间安装光电,周边也不可能有空地装风电。但是,只有建筑和充电桩能够“柔性用电”,也就是根据电力系统电源侧的变化要求从电网取电,就可以有效消纳远方风电光电,从而实现只使用零碳电力,靠远方的可使用空间解决建筑自身周边空间不足的问题。而农村未来应该建成全新的能源系统,充分发展屋顶光伏全面解决农村用能需求。由于农村有足够的空闲屋顶和周边空地,所以农村完全可以依靠自身的风电光电解决其能源供给需要。

按照现在对农村房屋现状的调查统计,只要把现有屋顶的闲置空间都充分利用,安装光伏,不仅可以解决农民的生活用能(包括炊事、采暖)、生产用能(电动拖拉机、电动水泵和其它农机)、交通用能,还可以有一部分电用来发电上网,成为农村新的经济收入。农村大部分用电负载都带有储能或可根据电源侧要求而启停,因此可很好地解决末端调节从而实现按照发电状态用电。农村可以依靠光伏完全取代燃煤燃油燃气和柴火,再也不烧火,重新恢复蓝天。农村的发展模式和城市“光储直柔”不太一样,一个起着解决消纳风电光电的作用,另一个是解决自身用能的同时产出更多的电力反送到电网,这是城乡的区别。(丁广胜)

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