构建100%可再生能源系统架构及能源转型路径探讨

田 中．斜令叱 嗯 中国科学院 爪JNSSlIIUIPmOF'HllLEC订IR凛ICALENGINEERING,CHINESEACADEMYOESCENCES 构建100%可再生能源系统架构 构建100%可再生能源系统架构 及及能能源源转转型型路路径径探探讨讨玉 许许洪洪华华 郭郭金金东东鄂鄂春春良良邵邵桂桂萍萍 2200224年4年8月817月日17日 中國科学院 CHINESEACANEMYOFSCTENG 基本前提和思路 风光等可再生能源的成本和资源最相关，就近利用成本最低 未来能源体系风光等可再生能源提供主要能量，需要增加大量经济性的灵活性调节手段 从第一性原理出发，风光发电成本如此之低覆了现有能源系统的一些基本逻辑保障能源安全前提端技术经济性判断未来发展超势唯有大势是难以阻档的系统、全局思维：能源系统最优，全社会利益最大 哥白尼的日心说爱因斯坦的相对论 2744 气候变化、碳中和是阴谋还是难得机遇？ 中国科学院 CHENESEACADEMYOFSCIENCE 委会 实现碳中和需求： ◆占比80%以！ 保障能源安能源革命 技术可行 巨大机遇 +经济性最优 技术产业引 大胆假设：100%可再生能源能源零碳体系能够实现上述自标吗？ 3/44 中国科学院 CHENESEACADEMYOFSCHENCES 、建立100%可再生能源体系可能吗？ 二、如何构建100%可再生能源系统？ 专委会 目录 三、煤电和电网如何支撑我国实现低碳低成本能源转型？ 四、100%可再生能源如何解决季节差的问题？ 五、发展建议 4/44 中国科学院我国实现碳中和的需求 CHENESEACADEMYOFSCHENCES ■我国及世界碳排放的约90%和化石能源有关 12020年我国碳排放超过美国、区欧盟和印度之和 我国发电和工业合过程碳系排放超统过85专%委会 能源转型是实现碳中和的重中之重 120 108.647.6 工业 100 80 60 4010.6 20 10.1 发电：44% 工业:42% 10.6 排放发电钢铁水泥化工有色其他工业过程建筑交通 86% 我国CO，气体排放现状（2020年），单位：亿吨基于2020年能源统计年鉴数据估算 tt/s 中國科学院我国可再生能源资源丰富，产业技术领先 CHINESEACADEMYOFSCIENCE 风光资源丰富 风光源技术可州发牌 Technicalexploitableamountotwindand 一技术可开发量超过1400亿干瓦，已开发量仅0.7% >可开发资源量的7%即100亿干瓦就满足能源需求 1400 需求总最 otaldemanc 100 风光产业规模和技术全球领先 10 资源、需求及已有装机容量对比 >全球70%以上的光伏组件，60%的风电装备产自中国0.308 risonofresources,demandandexistinginstalledcapacity 风光已成为最便宜能源%6856% 56% >风电、光伏发电成本已下降至0.1元/kWh左右过上风电 nl:esharVindndhaeeWom 风光度电成本趋势 中國科学院如何构建未来能源架构？ CHENESEACADEMYOFSCENCES 国际和我国的研究表明，构建以可再生能源为主体的新型能源系统 不仅技术可行，在经济上合也比系用化统石专能源委更便宜 海洋版 000 85 16 煤费占比 非化石能源占比 ERI：中国高比例可再生能源情景：2050年IRENA:《全球能源转型：2050路线图》 7/44 中国科学院构建以可再生能源为主体的能源系统对我国有利 CHENESEACADEMYOFSCHENCES 我国自前能源对外依存度高，化石 120 100 能源资源不占优势 我国可再生能源资源完全满足需求能源供应更安全 08 (年) 60 储采比 40 20 煤石油天然气铀资源 ■世界平均 ■中国 我国可再生能源产业有优势能源资源 中國科学院100%可再生能源体系能够保证能源安全吗？ CHINESEACAEMINOESCTENC 资源取之不尽用之不竭，产业、技术都端在自己手里，领先世界平时和紧急情况下哪种能源体系更安全？ ／大一统、集中为主的能源体系 分层、分区域构建源网荷一体、冷热电联供可再生能源系统，就地消纳、就近协同 远距离输送调剂的能源体系 9/4 中国科学院小结 CHENESEACADEMYOFSCHENCES 从资源、技术、产业、经济性、绿色可持续发展等方 面来看，构建1综00%可合再生系能源体系完全可以满足中国 未来能源需求！ 10/44 中国科学院 CHENESEACADEMYOFSCHENCES 一、建立100%可再生能源体系可能吗？ 二、如何构建100%可再生能源系统？ 专委会 目录 三、煤电和电网如何支撑我国实现低碳低成本能源转型？ 四、100%可再生能源如何解决季节差的问题？ 五、发展建议 11/44 中国学院我国未来可再生能源体系架构 CUINESEACAIEMIYOFSCTENCES 能源系统灵活性，模块化技术及关键装备 EnergySystemFiexibtlityModularTechnologyandKeyEguipment 风光主导能源特Coal Materlal 作为原料使用 钢铁iron载能 业场 全场油气oil/GasSourceNetwork 高载能行行业 景可 多能互补、源网荷一体 LoadIntegration 源网荷一体化 CarnotCyele HighEnergy 再生卡诺循环化工Chemical景 综dustres 绿电绿热绿氢联合驱动 多场景综合应用 地热Geotherr 系纳 设 热：电、氢 EcertricityHeatHydrogen 用 Stornge 数据中心DatsCenter 低碳 可更生能低成 100% Solar 本综 Storage 添透率可Storage 再生能源CountyLeve a源系 化石能源作为原料非能源HighPermeability合能 wind 利用，绿氢实现可再生能源 HydrogenDelivering 氢能外送 统技 100%可再 生能源外 送基地 Delivering 系统的跨季节调节电能外送负有中心100RE ELectricityDellvering LoadCenter R&DTes 我国未来能源体系架构 Ft/ 中國科学院挑战1：需要持续研究我国能源转型路径和技术发展路线图 CHINESEACADEMYOFSCIENCE 面临巨大挑战 化石能源可再生能 不同能源种类及能源系统技术现状和发展趋势 不同阶段不同种类能源及能源系统定位和作用 占比80% 绿色转型源为主 支撑支撑 不同能源架构技术方案及经济性对比分析 煤电电力系统研究能源转型现实路径和技术发展路线图 13/44 中国科学院挑战2：实现碳中和及转型过程中的能源利用典型场景及技术经济性 CHENESEACADEMYOFSCHENG 新应用场景多源互补、冷热电联供源网荷一体化能源规划及发展路径 发生巨大变化 系统运行模式可再生能源为主的能源架构体系及模块化技术 系统架构 综合可再生能源和化石能源系统协同技术 能源和其它领域融合技术 14/44 中国科学院挑战3如何充分挖掘煤炭能源安全压能舱石作用 CHINESEACADENYUFSCIENCE 能源安全能源转型双碳目标 逆全球化主义头能源安全形势严峻风光波动性强，需要巨量调节资源煤炭碳排放占比超60%减排压力大 808000 光伏（阴雨）阴雨发电量 140 锅炉煤焦煤石油天然气糯水泥 光伏(晴朗) 71.2%风电（微风） 仅为晴朗的 120 6000 4000 风电(大风)10% 80 排放呈 40.5%860 对外依荐度（%） 20 对外依存度一天然气 2000 40 剧烈波动 10持续上升原油20 00 2013201620192022 0:00 8:00 16:000:00 2002200612010201420182022 数据来源：中科院工热所数据来源：CarbonBrief 煤炭 93.8%煤炭占我国一次能源储量的93.8%，是唯一能够满足紧急情 已探明煤炭况下能源需求的资源 我国一次储量约支撑风光消纳，煤电是我国最经济、最安全、最可靠的灵活 能源储量 2079亿吨 电源 天然气煤炭碳排放规模巨大碳捕集利用与封存（CCUS）技术需 求强烈 %9' 总体判断 石油 2.6% 数据来源：国家统计局怀柔国家实验室 中国科学院挑战4：集中开发、远方消纳遭遇瓶颈，分布式面临系统稳定和管理变革 CHINESEACABESIYOFSTENE 远距离输电面临外送通道不足和跨区管理的双重压力 跨省区输电成本高：大部分区域就地开发可再生能源比远距离输送更经济 高渗透率分布式能源需要现有的电网及供能体系技术和管理的变革 一风光装机一西电东送输电通道60 60 (亿KW） 50 40 3022 8.6 5.8 2023年6月2030年2060年 风电装机与输送通道容量对比 就地就近消纳”已是必然趋势，促进可再生能源大规模应用，加速能源低碳或零碳转型 16/44 中阁科学院挑战5：高高载能行业是减碳困难户与可再生能源和绿氢结合需示范 高载能工业面临降本和减碳的双重压力 2020年工业用电占比67.4%，高载能行业占工业碳排放的55% 低成本可再生能源和高载能、绿氢技术结合，有望加速实现我国最难减碳领域的碳 中和，供能成本有望下降20~50% 荷 ? 源网荷 煤炭体化技术 热 电网? 风电高渗透率 电热/电/氢高载能 行业 ，高载能行业其他主业过程 风/光氢 光电源网 我国高载能产业碳排放占比示意图可再生能源资源与高载能产业就地协同 17/44 中国科学院 CHENESEACADEMYOFSCHENCES 全应用场景分析 全场景分析 外送 ELectricityDelivering通过大电网供能 区域：西部、中东部、边远农牧区Largebase与高载能耦合电网支撑的自发自用 大基地PowerGrid 本地消纳 西部Self-powerGenerationSelf-power ocalConsumptionCoupled 集中、分布式 系统专委 WithHighEnergyIndustries 县域100%可再生能源 CountyLevel100%RE ConsumptionSupportedbypowergrid 完全自给自足 ProvideforOneself 陆上、海上 分布式 光伏、风电、供热、生物质 SolarWindHeatBiomass 电网支撑、自给自足 全场景中东部 Distributed 多能互补 multi-energycomplementary 电网末端、无大电网、边远海岛 区域分布和发展模式研究 FullScenariosMiddleEast海上风电、海上光伏 OffshoreWind&Solar 海上风光风光牧场 OffshoreMarineRanchWithWind&Solar 能源岛 Wind&Solar 分区域：西部、中东部、边远边远农牧区 EnergyIsland 无大电网或电网末端（100%可再生能源综合供能） NoGridorGridterminal(100%REIntegratedENergySupply) 能源开发、利用、运行多模式研究 RemoteRuralArea边远海岛 RemoteIsiand 典型场景分类18/44 中国科学院 可再生能源和高载能产业结合 典型应用场景研究 源/储电网 荷 源/荷/储 高比例可再生能源多能互补及源网荷储一体化系统平衡设计 钢铁艺流程电热氢耦合运行与协同控制 3 独立运行 燃县域100%可再生能源系统测 建设冷热电联供的100%可再生能源系统，零碳，更经济 乡村振兴边远农牧区 可再生能源和节能建筑结合解决用电，取暖、炊事等用能需求 大规模外送基地（西部和海上） 盗源评估/预测源平衡多源主动构网钢铁 经济性配比经济调度 全流程系统