新一代能源系统（上）

内容简介

《新一代能源系统(上)》为我国新一代能源系统战略研究的总论部分，涉及我国能源电力发展现状、未来需求、发展前景预测，国内外可再生能源和综合能源系统研究发展概况和趋势，新一代能源系统的运营模式和市场机制，源端大规模可再生能源电力的传输、消纳及转化技术，受端多能互补综合能源系统及其规划运行分析和控制技术，储能技术在大规模可再生能源电力系统中的需求和应用，以及能源互联网技术。《新一代能源系统(上)》详细阐述了新一代能源系统的主要目标、形态特征、构建方案，以及运营模式、市场机制和重大技术需求，并提出加快我国新一代能源系统发展的措施和建议，为制定现代能源体系国家战略提供支撑。

作者简介

周孝信
中国科学院院士，美国国家工程院外籍院士。中国电力科学研究院名誉院长，中国电机工程学会理事，中国电工技术学会常务理事。

目录

目录
前言
第1章国内外能源电力发展现状和趋势1
1.1国际能源电力发展现状和趋势1
1.1.1世界能源电力生产和消费现状1
1.1.2世界能源电力发展趋势2
1.2我国能源电力发展现状和趋势5
1.2.1我国能源电力生产和消费现状5
1.2.2我国能源电力发展趋势11
1.3国内外能源电力发展的机遇与挑战分析14
参考文献16
第2章新一代能源系统的内涵和建设发展目标17
2.1我国发展新一代能源系统的背景概述17
2.2我国新一代能源系统的定义及关键特征18
2.2.1新一代能源系统的定义和框架结构18
2.2.2新一代能源系统和新一代电力系统19
2.3基于能源战略目标的我国未来电源结构估算23
2.3.1基于能源战略目标的电源结构估算模型23
2.3.2近中远期电源结构估算24
2.4我国高比例可再生能源电力系统情景仿真论证与分析32
2.4.1我国2030年能源电力发展情景论证32
2.4.2高比例可再生能源电力系统情景新能源消纳分析35
2.4.3灵活调节手段对新能源消纳的影响分析40
2.5基于模型分析的我国储能需求预测43
2.6新一代能源系统的能效、CO2排放和电能占终端消费比重计算分析44
2.6.1能源变革中我国新一代能源系统参数演化趋势44
2.6.2能源利用效率分析45
2.6.3CO2排放分析47
2.6.4电能占终端能源消费比重分析48
2.7小结49
参考文献51
第3章新一代能源系统目标的路径选择52
3.1概述52
3.1.1综合能源系统的定义及发展前景52
3.1.2新一代能源系统的形态演化趋势52
3.1.3新一代能源系统中电网的作用及形态演化趋势56
3.1.4大规模西电东送和中东部就地电源及分布式发展57
3.2未来电源(储能)的发展路径57
3.2.1燃煤电厂转型发展的可行性及前景57
3.2.2天然气在我国新一代能源系统的地位及发展前景58
3.2.3核电在我国新一代能源系统的地位及发展前景60
3.2.4分布式能源的发展前景63
3.2.5太阳能热发电的发展前景65
3.2.6储能的地位和作用、需求和发展前景69
3.3源端基地综合能源系统和电力传输网络75
3.3.1未来我国电网电力流方向预想方案75
3.3.2西部送端电网覆盖范围分析76
3.3.3西部送端电网组网技术选择77
3.3.4送端系统的可能模式预测78
3.3.5风光电制氢/制甲烷实现源端就地消纳的前景82
3.4终端消费综合能源系统和能源电力配送网络86
3.4.1未来受端系统能源终端利用形式预测86
3.4.2受端系统的能源转换与利用方式86
3.4.3受端供能系统的典型终端负荷特性分析88
3.4.4受端系统典型终端能源综合利用模式分析89
3.4.5其他热点问题探讨102
3.5保证新一代能源系统功能实现的市场体系和机制110
3.5.1建设新一代能源市场的必要性110
3.5.2国外能源市场和碳交易市场对我国的启示114
3.5.3国内能源市场改革现状118
3.5.4我国新一代能源市场的建设思路和场景120
3.6能源系统与网络信息系统深度融合的能源互联网125
3.6.1能源互联网的兴起125
3.6.2能源互联网的定义与特征127
3.6.3能源信息一体化对于能源互联网的意义129
3.6.4能源互联网关键信息技术：大数据、云计算、区块链130
3.6.5能源互联网商业模式发展展望134
3.6.6能源互联网的影响与意义135
3.7小结137
参考文献139
第4章实现新一代能源系统目标的关键技术140
4.1关键技术概述140
4.2高效低成本太阳能、风能发电技术140
4.2.1存在问题及关键技术140
4.2.2技术愿景144
4.3高效低成本长寿命储能技术144
4.3.1存在问题及关键技术144
4.3.2技术愿景146
4.4高可靠性低损耗电力电子技术146
4.4.1存在问题及关键技术146
4.4.2技术愿景147
4.5高强度绝缘技术和超导输电技术147
4.5.1存在问题及关键技术147
4.5.2技术愿景149
4.6可再生能源电制氢和电制燃气及其传输应用技术150
4.6.1存在问题及关键技术150
4.6.2技术愿景151
4.7能源互联网和新一代人工智能技术151
4.7.1存在问题及关键技术151
4.7.2技术愿景154
4.8小结155
第5章实现新一代能源系统目标的政策措施建议156

精彩书摘

第1章国内外能源电力发展现状和趋势
　　1.1 国际能源电力发展现状和趋势
　　1.1.1 世界能源电力生产和消费现状
　　2019年世界一次能源消费总量约为 199.23亿 tce，同比增加 1.3%，低于过去十年的平均增速 (1.6%)[1]。2009～2019年世界一次能源消费量及增速如图 1-1所示。
　　图 1-1 2009～2019年世界一次能源消费量及增速
　　2019年，世界原煤、原油、天然气、核电、水电、非水可再生能源分别占一次能源总消费量的 27.0%、33.1%、24.2%、4.3%、6.4%、5.0%。2019年世界一次能源消费结构如图 1-2所示。其中原油在世界一次能源消费中的地位维持不变，而煤炭在能源结构中的占比持续下降，是近 16年来的*低水平。 2019年世界一次能源增长主要由非水可再生能源和天然气引领，世界非水可再生能源消费增长创下历史性新高 (同比增长率 12.2%，增长量 1.07亿 tce)，尤其是风能和太阳能消费量快速增长(同比增长率分别为 12.1%、23.0%)，天然气消费同比增长 2%(0.95亿 tce)。
　　图 1-2 2019年世界一次能源消费量的品种结构统计图
　　在能源生产方面， 2019年，世界煤炭总产量为 81.29亿 t，同比增长 0.5%，低于过去 10年 1.6%的年均增速。 2019年，世界石油总产量达到 44.85亿 t，同比下降 0.3%，过去 10年的年均增速为 1.2%。2019年，世界天然气产量为 38983亿 Nm3，其中美国增长*多(850亿 Nm3)，其次是澳大利亚(230亿 Nm3)和中国(160亿 Nm3)。2019年，世界核电发电量 27960亿 kW . h，同比增长 3.5%；世界水电发电量为 42222亿 kW . h，同比增长 1.2%，远低于过去 10年 2.5%的年均增长率；非水可再生能源发电量为 28055亿 kW . h，其中风力发电占比近 51%，太阳能发电虽然占比仅为 25.8%，却贡献了超过 40%的增量，同比增长 24.3%。 2019年，世界发电量为 270047亿 kW . h，其中中国发电量增长 3400亿 kW . h，增速为 4.7%，贡献了世界 95%的净增量，其他大部分地区微增长或负增长。
　　在能源消费方面，中国仍是世界上*大的能源消费国。 2019年中国一次能源消费量约为 48.35亿 tce①，占世界一次能源消费量的 24.3%；美国居第二位，一次能源消费量为 32.30亿 tce；占世界总量的 16.2%；印度居第三位，一次能源消费量为 11.62亿 tce，占世界总量的 5.8%。
　　在终端能源消费方面，2018年，世界能源终端消费中，煤炭、石油、天然气、电力、热力及其他能源分别占 10.0%、40.8%、16.2%、19.3%和 13.7%。2000～ 2018年世界终端能源消费量及增速如图 1-3所示，2018年世界终端能源消费结构如图 1-4所示。
　　1.1.2 世界能源电力发展趋势
　　在气候变化和能源安全等问题的长期压力下，未来世界能源发展将面临重大转型，总体都趋向大力开发利用可再生能源，减少化石能源的过度依赖，并在发展社会经济的同时努力降低能耗。根据国际能源总署 (International Energy Agency，IEA)、美国能源信息管理局(Energy Information Administration，EIA)、日本能源经济研究所(The Institute of Energy Economics of Japan，IEEJ)、英国石油公司(British Petroleum，BP)的预测，未来世界一次能源需求总量如表 1-1所示[1]。
　　图 1-3 2000～2018年世界终端能源消费量及增速
　　图 1-4 2018年世界终端能源消费结构
　　表 1-1 未来世界一次能源需求总量 (单位：亿 tce)
　　根据国网能源研究院 2020年*新预测结果，在加快转型情景下，2025年世界一次能源需求将达到 209亿 tce，2035年将达到 222亿 tce，2050年将达到 223亿 tce。
　　能源结构方面，各机构预测趋势一致，均认为未来煤炭和石油的比重继续降低，天然气和非化石能源的比重提高。IEA、EIA、IEEJ和 BP对 2040年的世界一次能源需求结构预测如表 1-2所示。
　　表 1-2 能源种类 各机构对 2040年世界一次能源需求结构预测IEA EIA IEEJ (单位：%)
　　IRENA、IEA等相关机构的研究表明，世界能源电力发展的主要趋势如下 [2-6]。
　　(1)实现巴黎协定中的 2℃目标需要重构能源发展的可再生能源新场景，该场景是技术可行的，但需要强有力的政策、极具竞争力的碳价格和显著的技术创新支撑。2050年能源供给结构中在可再生能源场景(REmap)下，70%是低碳能源(包括可再生能源、核能和采用 CCS的化石燃料)。可再生能源和提高能效将是*具潜力的减排措施，其他的低碳技术 (包括核电和碳捕集和储存技术 )也将发挥十分重要的作用。
　　(2)化石燃料在2050年仍然不可或缺。为了实现气候改善的目标，化石能源中煤炭的使用将显著下降。天然气将会在能源转型中继续发挥重要作用，以保证电力系统的灵活性并替代高碳排放的燃料。石油将会部分被低碳资源取代，但在如石化行业等特定领域，石油仍将占据重要地位。同时碳捕集和储存技术在电力和工业部门中将发挥愈发重要的作用。
　　(3)能源转型需要稳定和长期的价格信号，以实现低碳技术在经济上的竞争性，价格变化的延迟将会显著增加搁浅资产和投资需求。
　　(4)能源行业的转型将跨越从电力生产到终端用能等环节。电动汽车将在客运和货运交通中占据主导地位。可再生能源除了在电力领域的发展还将扩展到供热及交通领域。在一些特定的终端用能领域，廉价、可靠、可持续的生物质能将会是替代现有能源的*佳选项。
　　(5)在向可持续能源转型的长期过程中，技术的革新将处于核心地位。对于技术创新，短期及未来大规模的研究、开发、示范和部署将会有助于关键技术的实现及成本的下降。现有技术难以完全满足减排的需求，电动汽车、储能电池等目前未在市场中大规模应用的低碳技术在能源转型中将发挥重要作用，这些技术创新必须靠政策、制度建设及新的商业模式等提供支持。
　　(6)2050年可再生能源场景(REmap)预测中，可再生能源供给将占全球一次能源供给的三分之二，为了达到这个目标需要所有可再生能源技术共同发展。在终端用能方面，光热和生物质能成为增长主力，而在电力领域，风电和光伏增速*快。预计大多数可再生能源发电技术的装机容量年增长率在 10%以下，只有小部分技术的装机容量年增长率将达到 20%左右。
　　(7)在发电装机容量上，光伏发电将增长*快。 2030年光伏装机将达到 1760GW，光伏发电量将占全球发电量的 7%，2025年集中式光伏发电的平准化成本将较 2015年下降一半以上。
　　(8)新型的储能方式将助力波动性可再生能源发电量的大幅增长。储能可以增加电力系统的灵活性，在时间和空间尺度上调节能源供需。众多储能技术中，由于电动汽车市场的迅速扩大及波动性可再生能源大量接入，储能电池在近些年增速*快。储能电池的容量将从目前不足 1GW发展到 2030年的 250GW，同时成本也将显著下降。以锂电池为例，其装置成本已经降到了 350$/kW . h(比 2010年下降了 65%)，且预计在未来 10年内降到 100$/kW . h以下。
　　(9)电力系统中可再生能源比例的增高使灵活性调节服务的需求增多，传统的电力市场设计不能反映这种服务的真实成本和价值，美国、英国等都开始进行相关的研究，改进电力批发市场的设计。
　　(10)新一代能源系统中电、气、热等多种能源在生产、消费侧的耦合程度增加，要求能源系统进行综合、统一的规划和运行优化，许多国家的机构开始研究电力、天然气、碳等多种能源相关产品的联合交易市场模型和机制。
　　1.2 我国能源电力发展现状和趋势
　　1.2.1 我国能源电力生产和消费现状
　　1. 一次能源生产和消费现状
　　根据国家统计局发布的年度公报， 2019年中国一次能源消费总量为 48.6亿 tce，同比增长 3.3%，占世界一次能源消费的 24.3%。
　　化石能源方面，截至 2019年底，中国煤炭查明资源储量 17182.6亿 t，2019年产量 27.23亿 t，消费量 27.87亿 t，占世界煤炭消费量的 51.7%；中国石油剩余技术可采储量 35.5亿 t，2019年中国石油产量 1.91亿 t，消费量 6.96亿 t，占世界原油消费量的 14.6%，进口原油 5.05亿 t，对外依存度已经高达 72.7%。中国天然气剩余技术可采储量 5.97万亿 m32019年中国天然气产量 1761亿 m3，消费量 3073亿 m3，占世界天然气消费量的7.8%，；中国页岩气查明资源储量 3841.8亿 m3；中国煤层气查明资源储量 3040.7亿 m3。
　　非化石能源方面，2019年中国核电装机容量 4874万 kW，占全球发电总装机容量的 2.4%，核电消费量为 3487亿 kW . h，占世界核电消费 12.5%；2019年底，全国水电总装机容量达到 35640万 kW，水电装机占全国发电总装机容量的 17.7%， 2019年全国水电发电量约 1.3万亿 kW . h，占全国发电量的 17.8%；中国气象局发布《 2019年风能太阳能资源年景公报》表明，全国地表平均水平面总辐射年辐照量约为 1470.9kW . h/m2，其中西部太阳能电站可开发总量超过 15亿 kW，分布式光伏可开发总量达 7.5亿 kW，截至 2019年底，我国光伏发电累计装机容量 2.05亿 kW，占全部发电装机容量的 10.2%，是全球光伏发电装机容量*大的国家，年发电量 2238亿 kW . h，占全部发电量的 3.1%；中国气象局发布《2019年风能太阳能资源年景公报》表明，全国陆面 70m高度年平均风速约 5.5m/s，年平均风功率密度约为 232.4W/m2，陆面风能资源技术可开发量为 26亿 kW，近海 5亿 kW，2019年，风电累计并网装机容量达到 2.1亿 kW，占全部发电装机容量的 10.4%，风电发电量 4057亿 kW . h，占全部发电量的 5.5%。
　　2. 电力生产和消费现状
　　表 1-3、表 1-4分别给出了 2020年我国主要电源装机容量、发电量及占比。截至 2020年底，全国发电装机总容量达到 22.01亿 kW，其中煤电、气电、水电、核电、风电、太阳能、生物质能发电装机容量分别为 107992万、9802万、37016万、 4989万、28153万、25343万、2952万 kW，水电、核电、风电、太阳能、生物质发电等非化石能源发电装机占比 44.74%，风电、太阳能装机总容量超过 5.3亿 kW。 2020年全年我国发电量约 7.62万亿 kW . h，非化石能源发电占比达 33.9%，风电、太阳能发电占比达 9.54%。煤电在我国电源结构中仍然占据主导地位，装机容量占比 49.1%，发电量占比 60.8%。
　　表 1-3 2020年我国主要电源装机结构①
　　表 1-4 2020年我国主要电源发电量分布②
　　图 1-5给出了 2015～2020年我国电源装机容量、发电量的变化，并给出了年