加快构建新型能源体系 支撑保障国家能源安全
发布时间 :2023-06-07 | 信息来源:前进杂志

能源安全是关系国家经济社会发展的全局性、战略性问题。党的十八大以来,习近平总书记提出了“四个革命、一个合作”能源安全新战略,为新时代中国能源发展指明了方向,开辟了中国特色能源发展新道路。党的二十大报告对我国能源高质量发展提出了更高的要求,指出要立足我国能源资源禀赋,坚持先立后破,有计划分步骤实施碳达峰行动。

以山西为代表的能源大省,担负着保障国家能源安全的重大责任(2022年山西省煤炭产量超过13亿吨,占全国产量近1/3)。但长期以来“一煤独大”的发展模式也挤占了其他产业发展空间,还对生态环境造成了破坏。为了实现可持续发展目标,在保障国家能源安全前提下,需要深入探索我国能源转型路径,从能源生产、能源传输、能源消费三个环节协同发力,加快构建我国新型能源体系。

一、大力发展灵活调节电源

纵观欧美发达国家能源转型历程,都经历了从煤炭到石油天然气,再到可再生能源的发展路径。风电、光伏发电等清洁电源波动性特征明显,电力输出极不稳定,而横向对比其他新能源占比较高的国家,灵活性电源不足是我国的关键短板。

目前我国灵活调节电源以气电、抽水蓄能为主,预计2030年抽水蓄能装机将超过1.2亿千瓦(目前仅0.32亿千瓦),成为重要的灵活调节电源。同时,燃煤机组作为我国提供电力的主体性电源,燃煤发电必须提升机组的调节幅度和调节速率,完成从兜底保供向灵活调节电源转变。

二、加强油气增储上产

全国含油气盆地总体进入勘探中后期,以构造岩为主的常规油气藏发现概率越来越低,要保障原油产量,非常规油气将是上产增收的主力军,也是我国油气的战略接替资源。根据预测,2035年,我国非常规石油产量将达到5000万吨,占全国石油总产量约25%;非常规天然气产量将达到1300亿立方米,占全国天然气总产量约50%。美国在20世纪50年代开始布局相关理论创新和技术研发,通过非常规油气开发助力其实现能源独立。我国非常规油气地质研究起步较晚,旋转导向和随钻测量、致密气分层压裂、“甜点区”综合地质预测等技术与国外差距较大,核心装备尚需进口,需要突破智能钻完井与探测、地质-工程一体化立体开发等关键核心技术,支撑非常规油气增储上产。

我国煤炭储量大、产量高,煤制油气是我国重要战略性技术。现阶段,煤制油技术产品单一、附加值不高、工艺流程复杂、整体系统能效偏低。需要开发新型费托合成成套工艺、高效活性新型催化剂等,进一步提升煤制油效率和经济性,实现规模化产业应用,保障国家能源安全。

三、降低二氧化碳捕集与封存成本

欧洲在20世纪90年代碳达峰,美国本世纪初就已经碳达峰。从碳达峰到碳中和,全球平均用时53年,而我国仅有30年的时间,能源转型的时间短、任务重,技术挑战更大。

2022年我国二氧化碳排放总量超过100亿吨,接近全球排放总量的三分之一。迫切需要通过多学科交叉,开发新材料、新设备、新工艺和新系统,大幅度降低二氧化碳捕集与封存成本,推动技术大规模应用。

二氧化碳捕集成本占捕集与封存全链条成本的约70%,降低其成本至关重要。我国的碳捕集材料、关键设备、系统优化与国外差距较大,导致机组发电净效率下降,发电成本上升。需要开发新型吸收剂和吸附材料,研制高通量、低阻力、集成式捕集核心设备,实现二氧化碳捕集成本大幅降低、捕集过程能效大幅提高。

预计到2060年,我国每年将有5亿吨以上的二氧化碳需要封存。封存技术是双碳目标的托底性技术,是实现碳中和的“最后一公里”。陆地和海洋联合封存是实现百亿吨级封存量最为可行的技术路线。陆地封存方面,我国在勘探选址、运移模拟技术等方面与国外存在较大差距。海洋封存方面,深海海水中二氧化碳水合物固化与监测技术尚属空白。需要开发地质-工程-监测-预测一体化决策系统,研制二氧化碳注入与监测关键装备,实现二氧化碳规模化封存。

四、快速开发风光资源

我国风光装机预计2030年超过火电,占比约40%,成为第一大装机主体。风光发电量预计2040年超过火电,占比约30%,成为第一大发电主体。

全球风电产业呈现“由陆到海、由浅到深、由固定式到漂浮式”的发展趋势。我国风电技术与国外相比差距较大,6MW以上风电机组核心零部件国产化率较低。需要突破轴承钢、高抗拉强度碳纤维等核心材料,解决大容量风机的主轴承、超长叶片、变桨系统、仿真设计软件等“卡脖子”难题,为我国海上风能的大规模化开发利用提供保障。

目前硅基电池占有90%以上市场份额,但受工作原理、材料性质和制备工艺的限制已接近效率“天花板”。需要研发大面积、高效率、高稳定性、环境友好型的新型光伏电池,完成高效稳定光伏组件制备,进一步推动光伏电池的大规模应用。

五、提高电力大规模远距离输送能力

预计2060年我国东中部用电需求约9万亿千瓦时,“西电东送”大容量远距离输电基本需求仍将长期存在。未来跨省跨区电力流将逐渐增大,潮流由单向变为双向,柔性调节能力增大,以充分发挥电网的间接储能作用。

电网是承担未来能源传输和转换的平台枢纽,我国快速灵活调节电源较少、柔性化调控能力严重不足。要实现新能源安全可靠消纳,必须变革电源的并网方式、电网的拓扑结构和调节能力,构建新型电力系统,但相关技术在国际上都属空白。在新型电力系统的要求下,电力装备不仅要满足新能源灵活高效送出,同时具有主动支撑、故障快速隔离等能力。我国在先进柔性输电装备技术方面处于国际前列,但现有换流器、断路器等装备在功能、参数、功率密度、成本等方面仍有欠缺。需要探索先进输电基础理论及系统构建方法,研制新型、先进柔性输电关键装备,探索新型输电技术,开发自主知识产权的高压大容量电力电子装备与系统仿真软件,大幅提升电网柔性传输及系统调控能力,支撑新型电力系统构建。

六、提升电能存储能力

2021年我国储能累计装机约4200万千瓦,占全球总量约20%。目前抽水蓄能仍然是未来一段时间内最好的储能手段,但随着能量密度的大幅提升和成本下降,化学储能将在电能的短时存储方面发挥重要的作用。氢能作为重要的新兴储能方式,一部分波动性电能可以转换为氢能,进行跨周、跨月甚至跨季节存储和输送。我国制氢技术在寿命、电流密度、规模等方面与国外差距较大,需要突破催化剂、膜电极等高性能材料,研制功率兆瓦级大功率电解堆,形成百吉瓦级可调资源。

七、数字化赋能支撑供需双向互动

预计2060年我国电动汽车占社会用电量约11.5%,2030年有序充电和V2G的理论调峰潜力约6000万千瓦,相当于三峡装机容量的3倍。与此同时,随着各种分布式电源持续提高,负荷双向化、灵活化,更多用户成为“产消一体化”单元。未来能源消费模式涵盖分布式发电、电动汽车等多项内容,需要通过消费侧的需求侧管理进行支撑。但是目前海量多元用户与电网双向信息交互不足,用户侧灵活资源利用水平低,分布式能源消纳受限。多能源微电网与智能配电网的优化协同欠缺,配电网的可靠性和灵活性水平不足,难以支撑碳中和目标下新形态电网构建。我国在数字孪生、人工智能算法、大数据理论等与国外相比仍存在较大差距,电力专用芯片、元器件等“卡脖子”和短板技术仍然需长期攻关。需要突破人、车、桩、网协同互动技术,“光储充”一体化清洁能源供应技术,构建源-网-荷-储协调互动平台,实现可调节资源规模化接入、有序充电、辅助调频、削峰填谷等。

能源是建设现代化国家的重要物质基础。中国式现代化建设要立足于我国能源资源禀赋,以国家能源安全为前提,以新型能源体系为依托,以清洁低碳转型为主导,以科技创新为驱动力,发挥新型举国体制优势,集中优势科研资源,在能源领域打造国家战略科技力量,突破关键核心技术,加快实现高水平科技自立自强,更好服务社会主义现代化强国建设。(作者系中国工程院院士,省委“三晋大讲堂”第1期主讲人)

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