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管晓宏院士:绿色分布式智慧能源系统与能源革命

2021-12-27 15:32:07 中国能源网   作者: 管晓宏  

中国科学院院士、西安交通大学教授管晓宏

一、减少电力系统碳排放对实现双碳目标意义重大

人类社会主要依赖化石能源的能耗模式已经难以维系,习近平主席2020年在联合国大会上的讲话,提出的2030碳达峰、2060碳中和已经成为国家的战略目标,是必须实现的战略目标。

根据国际能源署数据统计,2019年全球碳排放结构中,电力、热力占比达到42%,中国达到53%,所以减少电力系统的碳排放对实现碳达峰、碳中和意义重大,能源供应的清洁化和绿色化势在必行。

传统能源电力结构从140年前出现,到形成当今发输配用的电力结构,一次能源基本转换为电能接入电网。到目前为止,人类还没有找到直接、大规模的经济储存电能技术,所以全世界的电力系统都是一个瞬时功率平衡系统,每一个瞬时都要做到能量守恒,这样就对可再生能源利用造成根本性的挑战。

二、传统电力系统难以完全消纳可再生能源

2020年,四川省组织了“两院院士四川行”活动,四川省省委省政府领导在会上透露,其省内弃水非常严重,折射出我国整体弃风、弃光、弃水问题仍然严峻。可再生能源是难以完全消纳的,这是由于目前电力系统的根本性结构造成的,所以储能是可再生能源利用的关键,针对各种各样的储能方式,现在的主流趋势是间接储能,比如抽蓄电站、电池、氢能等,其中氢能特别值得关注。

在传统能源电力结构下,水火风光电源加上抽水蓄能、蓄电池等传统的储能设备,以发输配用的传统电力系统结构为基础,再加上多能终端的供需协调优化,这就是我们现在进行的工作。

在非传统能源电力结构设想中,传统的电源+分布式可再生能源+氢能燃料电池,多能源的储能、储热+储氢,分布式+集中式的供需协调优化,氢能供应链的优化,这就是非传统的模式,特别值得我们关注。

在传统电力结构下应该怎么做?水火风光互补、源荷互补抵消不确定性是目前的主要方法,水电、抽蓄、风电和太阳能的互补是重点。特别是西北地区水火风光资源充足,黄河中上游的阶梯水电与河西走廊、酒泉风电基地的可再生能源互补。

这个问题看似简单,实际上非常复杂,而数学问题看似不复杂,但关键在于系统安全:电网系统有几千条线路,乘以一周的调度,以及数十万、上百万个决策约束,几万个决策变量,在此情况下要保证每条线路上的电网安全,是任何一个软件、系统都计算不了的。

前面提到的酒泉风电基地和黄河上游的水电基地,二者配合等于存储了不确定的风能,但可能受到巨量系统安全约束和未知安全瓶颈的限制。

因此大部分系统都有设计冗余,那么能否不求解就知道存在哪些约束冗余?根据我们的计算,以判定安全约束冗余的解析充分条件为前提,不求解就能解析判定系统安全性,发现很多含数千传输线的实际系统,只有几十条线路的安全约束可能张紧,大大简化、优化问题,解决了公认难题,并很容易发现安全瓶颈,对能源电力系统运行调度和规划意义重大。

以西北电网为例,酒泉到金昌段750千伏显然是一个安全瓶颈。当酒泉的风电和黄河中上游的水电相配合时,电网是不支撑的,所以国家在七、八年前开始修建哈密-酒泉的第二输电通道。当时的疑问是第二输电通道建立以后安全瓶颈能否消除,我们把第二输电通道加上以后,事先计算得出酒泉段的安全瓶颈成功消除。酒泉风电和黄河水电打包配合时,750千伏输电线路不再张紧,所以第二输电通道是绝对有必要的,目前国家已经开始计划修建第三输电通道。

三、氢能的制备和利用受到极大关注

非传统的分布式能源电力结构更值得我们关注,虽然目前仍然处于研究和试验阶段,规模有限,但是氢能的制备和利用受到国际学术界和产业界的极大关注。

1.氢元素资源丰富,获取方式简便

宇宙中、地球上的氢元素非常丰富,主要存在于水中,但水分子化学键非常稳固,必须要用能量才能打开,所以要采用电解水和光催化的方式制氢。

因为氢能具有清洁、可再生、能量密度高等优点,被广泛视为21世纪终极常规清洁能源,它可以成为和电能并重且互补的二次能源,服务于社会生活的方方面面。

2.氢能的制备和储运技术正处于技术革命的前沿

氢能的制备和储运技术正处于技术革命的前沿。有三方面值得关注:

一是光催化制氢,太阳能聚光系统利用高效的光催化反应器、光解水制氢催化剂,直接将太阳能和水通过光化学、光生物分解制成氢,进行收集。

利用电解水或者光催化,就可以通过水制取氢,制取方式简便。近中期工业化路径有:直接太阳能驱动热化学分解水和生物质制氢。中远期工业化路径有:直接太阳能光化学与光生物分解水制氢。

二是常温常压下的储氢技术,利用现有的石化燃料基础设施,实现富氢溶液的运输、存储、销售、添加,另外还涉及市场化机制建设。

常温常压储氢是正在突破的技术之一,其中有机液态的化学溶液,特别值得关注。氢和有机溶液发生化学反应,其溶液本身是不自燃的,常温常压下就可以储存,通过现有的石油化工基础设施,如油罐车、管道就可以运输,然后利用氢能燃料电池可以在发电的同时放出热能,这个过程是个零污染、零碳排放的可再生绿色循环。

三是电堆,即氢燃料电池,高转化效率、长循环寿命、低制造成本的新一代燃料电池堆,是全世界方兴未艾的研究领域。

这些技术革命实现以后,氢能就可以逐步形成和电能并重的能源供应系统。通过传统的发输配用结构,电解水、光催化制取氢以后,可以将富氢溶液运输到燃料电池,通过逆变发电,既可以接入电网并网运行也可以离网运行。

3、基于氢能的分布式能源系统是全绿色的结构变革

在基于氢能的分布式能源系统中,氢能驱动冷热电联动,氢燃料电池供电可以实现多能协同转化、近零碳排放。另外,以水为载体可以直接实现冷热存储,避免了电能的中间转换,提高了用能效率。

氢能供应链需要进一步市场化,初始阶段无论是制氢、运氢,都需要市场化的运行和管理。氢能的存储,电网、可再生能源交互,可以实现系统的并网或者离网运行,是一个全绿色的结构性变革,能够解决储能、可再生能源消纳、能源电力市场化等重大的挑战。

目前主要面临的科学问题有氢电二次能源的转换、安全运行、多能互补、智能设计等;另外,市场的设计和博弈分析同样重要,合理的市场设计与建设,这些将为含氢能的新结构能源供需系统带来革命性的变化。

为了构建含氢能的新结构能源供需系统,世界上很多国家已经开始研究制氢、储氢,我们的研究主要集中在高效运行的分布式、集中式+分布式的供需协调、氢能+电网的供应链优化等方面。

基于以上原理,2020年8月底,我们在西安交通大学创新港校区建成了首个氢能零碳智慧能源系统实验室,利用储氢、氢能燃料电池、冷-热水储罐,以多能互补运行方式,在实验室环境中实现了完全离网供能运行,全负荷运行4.5小时,常规负荷下可以维持7-8小时。目前正在陕西榆林市科创新城建设首个氢能零碳智慧园区,为2022年陕西省运动会的10万平米运动员村公寓和酒店零碳供能,预计2022年春季投入实际使用。

四、能源电力系统绿色转型势在必行

氢能的产业链延伸事关氢能的社会绿色能源开发、高效的转化利用,实现能源、经济、生态一体化高效发展。

综合而言,能源电力系统绿色化并实现供需整体优化控制与决策势在必行。氢能制备和储运的新技术,为实现全绿色的结构变革,构建全自治或独立的分布式能源系统奠定了基础。基于氢能大规模利用的分布式零碳智慧能源系统,将可能深度改变能源构成,以绿色、分布、市场为标志的能源革命即将到来。

(内容根据第十七届中国分布式能源国际论坛发言整理,整理人:张磊)

来源|中国能源网




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责任编辑: 张学坤

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