余贻鑫：实现能源革命高度依赖高比例可再生能源开发与利用
2019-06-28 15:28:41
摘要：建设美丽中国，推动能源革命，实现社会可持续发展，需要高比例的可再生的风能和太阳能发电。
同时，会议还吸引了中国工程院院士余贻鑫、华南理工大学能源研究院院长吴青华、中国工程院院士余贻鑫、华南理工大学能源研究院院长吴青华、中科院福建物质结构研究所主任姚元根、太原理工大学电气与动力工程学院院长韩肖清、清华大学山西清洁能源研究院院长张建胜、山西焦煤集团有限责任公司董事长王茂盛、晋能集团有限公司晋能集团董事长李国彪、大同煤矿集团公司董事长郭金刚、山西国际能源集团有限公司董事长曹阳、山西煤炭进出口集团有限公司董事长赵建泽、太原钢铁（集团）有限公司总经理高建兵、晋城无烟煤矿集团公司董事长李鸿双和潞安集团副总经理肖亚宁等行业专家学者、企业负责人到场建言献策。
在同期举办的2019 中国（山西）国际清洁能源高峰论坛上，中国工程院院士余贻鑫作了主题为“能源革命的实现高度依赖于未来高比例分布式可再生能源的开发与利用” 能源发战略分析与分享。余贻鑫院士在演讲中表示，建设美丽中国，推动能源革命，实现社会可持续发展，需要高比例的可再生的风能和太阳能发电。电力与燃气、热力系统的联系日益紧密，未来将形成以智能电网为核心的综合能源系统，综合能源系统是能源互联网的载体。能源革命的实现高度依赖于未来高比例分布式可再生能源的开发与利用，我国中东部地区和城市应该会为此做出贡献。
以下为余贻鑫院士演讲文字实录：
主持人：尊敬的院士、女士们、先生们，大家上午好。很高兴与各位领导、相关专家、与会嘉宾相聚在2019年中国（山西）国际清洁能源博览会。本次能源博览会是山西第一次清洁能源博览会，是鉴于习近平关于一个革命的体现，是关于在山西开展能源革命综合改革试点稳步推进的使命担当。本次论坛将开展能源战略研究，能源清洁利用、智慧能源和氢能发展的演讲，我们相信将取得丰硕成果。
余贻鑫：我的题目是“能源革命的实现高度依赖于未来高比例分布式可再生能源的开发与利用”。
我是搞电网的，讲智能电网已经有十几年了，实际上2009年的时候，在天津大学开了“全国第一届智能电网论坛”，参会人员非常多。从那次论坛到现在几十年了。我们开始讲这个是2006年，是已经十三年的时间了。我的题目通过这十三年，我觉得在我们中国，对于分布式的认识比较慢，我们可能因为这个也会吃亏，我这个报告的题目是针对智能电网实施过程中存在的主要问题来说的，因为我们做了一些研究。我是昨天到的，听到了一部分山西同志讲的情况，我这个PPT里没有完全的涵盖。关于智能电网，我们一开始就是面向二十一世纪的全球能源发展战略，是智能电网，是二十一世纪面向全球的发展战略。
这次智能电网，我们是搞电网的，是电网的第二次智能化，电网的第一次智能化是从可靠性和安全性开始，是以美国大型电为契机，提出电力公司要把计算机技术充分用起来，所以从美国开始就在2万伏以上的这些地方收了大量的二次利用，把采集的数据收集起来，然后建立了能量管理系统，这一套已经在世界上走了几十年了。
当时，因为计算机和光纤很贵，所以不可能在低压的电网上发展，所以主要是在2万伏以上的范围内实现。这一次是电网的第二次智能化，虽然也包括高压电网，因为技术在发展，但是，重点是在110V以下的电网，可是现在计算机和通讯技术发展得很快，价钱也便宜。如果我们把它用到低电压里，它的成本和效益比值会非常明显，现在大约是4-5的比例。那么，它最大的推动力我们可以有经济问题，可以有电能质量问题，但是最重要的是环境压力。我们现在的地球已经承受不起大量二氧化碳的排放，如果我们现在再不重视起来的话，我们将来再后悔就来不及了。所以这次的电网智能化在推动中绿色、低碳是非常重要的。
我为了论证分布式就从这些方面说，可能有的地方会扩展一下。
第一个是能源革命要求发展高比例的风光发电。我们现在可再生能源的电量，我们是26.7%，但是这个26.7%中，我们的风光电量现在只有7%，其余的主要是水电。这个地球上的风能资源是水能资源的100倍，太阳能资源是风能资源的100倍，所以我们有大量的资源去采用，而这些东西是可再生的，所以我们要充分地利用起来。
建设美丽中国，推动能源革命，实现社会可持续发展，需要高比例的可再生的风能和太阳能发电。根据预测，不同单位、部门是有区别的，但是现在一个是国家发改委能源研究所跟美国实验室的单位联合做的预测，这个预测在杭州发表。在2035年的时候，风光的占比可以达到25%左右，到2050年左右上升到47.3%。还有其他的一些预测，包括工程院的预测，但是看来大体上都接近这样的一个数字，大家在这个观点上还是比较一致的。主要我们国家的用电量还没有饱和，所以未来20年我们的用电量还会增加。
我们国家拥有丰富的风光资源，无论是在西部，还是在东部，能满足我们国家的开发。得到的风能资源跟我们相比要差很多，我们中国76%的地区，太阳能、光能都是可以利用的，像华北地区基本上是属于二级、三级的光伏资源地区。如果做一个估计，如果是2050年的时候，全国的用电量按照10-12万亿度电考虑，如果风和光分别占10-12万亿的1/4的话，光伏就需要2.5-3万亿。如果要产生2.5-3万亿的话，利用东部地区的太阳能资源平均总辐射量取1200kwh，光电转换效率取保守数值16%，光伏系统的效率取65%。
实际上，我们国家是拥有足够多的光伏潜在的安装场地的。因为最近的国土资源的一份资料，按照最近通过的资料，我们国家现在仅中东部地区的房屋建筑面积是10.12万，这一项就远远大于2050年的需要。此外，还要积极探索道路光伏等其他的光伏。所以，从空间上是没有问题的。
我们前一段对天津市的光伏资源情况进行了调研，应该跟山西本部接近。我们发现利用厂房屋顶等现在可用的空间还是很大。
从风能角度上说，风能是一个风能技术在进步。因为现在的调查越来越细，最近十年从风能资源开发看，按照提供的数据看已经增长了14倍，还是应该重视的。
下面说一下风光发电已经或即将实现与市电平价。这个是我们以天津的一个项目为例子，我们发现这个项目是这样的，它对应的是1mw，初始投资是400万元，年发电量是100万kwh，收益（或节约成本）为50万元/年。
我们对电网评价的问题也做了大量的预测和计算，这是给出了一些评估的参数，不具体说了。算出来几种可供大家参考的，如果我们是自发自用，就是（光伏+储能）电能的成本，那么2017年的供电成本是0.867，到2050年的时候可以达到0.517。
到2013年，这么一段时间，光伏的成本降到了原来的10%，2013年以后，仍然按10%的速度下降。所以有这样的发展趋势，前面说风、光资源丰富，风能和太阳能现在成本也降低得很快，逐渐地跟电网和电压有竞争的优势了。
问题是风能和太阳能它是间歇的。白天和晚上是不一样的，第二，每天跟每天的功率都不一样，说明是不确定性的，这个不确定是风能和太阳能的一大特点。那么，既然是间歇的、波动的、多变的和不确定的，就使得风光技术很难单独的运行，就需要采取一些功率平滑的措施。我们来了以后听到了一些公司，现在就想自己独立地建一个小区，把小区的整个的电力供应都管起来，他们需要不需要跟电网连接，照理说有两种模式，一种是跟电网连接，一种是跟电网不连接，那么这个不确定性和多变性怎么解决？
如果是自发自用的就要自己解决，解决的方法包括侧管理、分布式小型燃油、燃气发电、储能等都可以帮助解决这个问题。解决这个间歇性、多变性和不确定性的问题需要有灵活的电源，当电源的功率小的时候可以多发，当发光的功率大的时候可以少发，但是是不确定的，就需要用灵活的电源。
我们国家现在的灵活电源的比重是5.6%，美国是48.4%，德国是22.8%，所以这个数值是这样的情况，但是现在又要发展，我们还需要帮助平滑功率的设施，我们现在可行的只是燃煤技术，所以我们现在在西北地区建立风光基地的时候，就提出火电机组的额定容量在50%到100%的范围内是可以调节的。
所以有一些数据就从中国现实的情况来做分析，但是要说明的是这个分析对其他的管理措施同样是成立的。那么大家知道，火电机组是有要求的，比如有最小屏蔽时间，有最小的开机启动时间，也有条件范围和限制。为了满足安全性的因素，就需要各个电网要进行机组的组合优化。当风光电量低的时候，就要多开，风光电量多的时候少开，但是不是随时随地都能开的，所以必须进行专门的优化制度管理。
这个是我们最近调查的一些结果，我们东部地区，实际上我们现在现实情况是我们东部地区的火电机组的利用是很低，我们现在是4000左右，所以就储备着这样的一些能量，能够为我们东部地区发展风能和太阳能提供条件容量。
下面我对这两种开发模式对一个对比，就国际上刚才说的电网容量，但是我们国家，实际上我们的电价是多重的，居民电价5毛，工商业电价8毛，实际上工商业的用电是从中高压取电，居民用点是从最低的，所以国际上是居民用电是最贵的，是符合电网物理上的特点的。我们国家是居民用电便宜，是一种社会的保险。那么在这样情况上比较的时候，就要用办法，我们的办法是全社会成本的比较。我们比较了两种模式：
一种是大规模远距离输送模式。比如在青海、新疆、甘肃、宁夏等地建了大规模的基地，然后通过侧高压的直流用计算的力度做出来的比较，更具有说服力，这是一种模式。
还有一种，在东部地区自己开发风电和光伏资源，这样的两种情况进行对接。
我讲一下就是我们电力系统的一个很重要的理念，就是互联电力系统的理论，在这个1925年到1950年这个阶段，电力系统产生了互联电力系统，因为最初是这样，最初的电网是分区的，后来电网越来越大，它们连在一起了，这个时候怎么运行？因为一个控制中心不可能把所有的网络上的数据都收集过来，然后做出决策，同时在经济利益的划分上也都有不同，所以就出现了互联电力系统理论。这个理论提出了控制区和功率平衡区，最初是一个大的输电网，分成了几个区域，都是一些控制区，或者是功率平衡区，它在运行的规范就是区域跟区域的联络线的功率要大家一起协调进行调动和优化，满足大家共同的利益，在确定了连在线上的功率之后，各个区域内部的事自己来解决。如果你的区域里有风能和太阳能波动，你自己要把这个波动平衡了，不能影响线上。
那么，大部分是平的，怎么办呢？所以就需要用火电。因此，各控制区按照如下准则工作：控制区内发电的调节需要随时吸收其内部负荷的变化，即使发生大的扰动也要自行解决，区域电网之间联络线上的功率均按功率交换计划工作。我们发现，“该计划值平稳”，意味着“向受端输送恒值功率它占去了受端系统的值”。大家看这两种开发模式的最大风光电量渗透率，如果同时采用从东部往西部送，西部也开发的时候，这个时候可开发的是25%左右，所以最好的办法是就地开发。
这个是全社会成本的对比，有风光机组投资、火电机组投资，受端系统过网费、UHVDC系统投资、燃料成本、环境成本、调峰和平滑措施成本、可靠性成本、网损成本、单位电能全社会成本。我们也做了极端成本，极端的成本跟这个也类似，实际的场景是介于这两个之间的，基本上是9毛，就地开发是6毛。因此，实际上就地开发模式全社会成本的角度看是合算的，而且是很明显的，在这些数据中，大家看到可靠性成本差别很大，然后网损成本差别很大，过网费也有一定的差别，这些东西是造成就地开发与就地模式这种情况很核心的要素。所以我们可以断言，这种结论是明显优越的。
下面说一下分布式的电源对可靠性、韧性的影响。
按照美国电科院预测，美国实际上已经进入数字化社会了，对供电的可靠性的要求非常高。目前美国对供电可靠性的要求999999的用户占8%到10%。按照美国的预测未来二十年到三十年的比例会占到60%，我们现在国家大力提倡数字化，因此我们的数字化成果发展相对更快一些，所以在可靠性上很重要。在传统供电模式下，仅通过提高电网的配电自动化水平，最多可实现99.9999%的供电可靠性，无法满足更高供电可靠性的电能需求，可以看出这个可靠性的改善是非常重要的。
下面就关于电网的韧性，这个问题呢在最近这些年国际上电网的研究中大家非常重视。就是在遇到极端的天气、偶然事故、人为破坏、恐怖袭击等状况时，网络拓扑发生严重破坏，市电系统会停止供电，大量用户遭遇停电事故。
当系统中存在分布式电源时，一定区域的系统可以通过孤岛运行，在故障期间继续向负荷供电，尤其是向部分重要负荷供电；这种控制和运行方式可大大提高系统的供电。
潜在的分布式电源不容忽视，这个需求非常的响应。我国工业用电的节省潜力巨大，与此同时第三产业负荷和居民符合具有可平移负荷（电网友好用户）的充分潜能，这种能力有助于降低电网的峰谷差率，从而提高电力资产的利用率和供电效率，在紧急情况下支援电网，有助于高比例风光发电的更好消纳。但是要实现用户配合，必须要双赢，所以电价必须要灵活，所以我们搞智能电网就说，如果不搞电力市场化，那么智能电网的实施是事倍功半，所以我们的电网必须进行提质改革。
电动汽车是最重要的分布式储能，美国能源部关于智能电网的介绍，把电动汽车说成是EV和PHEV。后来互联网的很多应用就很快推行出来了，他认为电动汽车很可能在智能电网的实施和推广中起到了非常重要的作用。电动汽车持续快速增长，据预测2030年电动汽车的保有量将高大8000万辆，电池容量24亿KWH。电气车辆不仅是一个大功率的电器，同时也可成为电网中储能装置，所以管理好这些移动的储能设备，可以为风、光、火、储的大规模配合奠定坚实的基础。
最后我说一下，因为前面说智能电网率解决21世纪能源的发展战略的一个重要的一项工作，那么智能电网是什么？最近我们也不断在提能源互联网。
智能电网由前述分析可知，实现高比例分布式风光电能的消纳的关键在于实现其多变性的就地（终身）解决，即未来电网也必须将责任分摊到终端承担，所以需要采用需求响应、储能、电动汽车有序充电等多种技术。因此，需要一个功能合理的电网，来集成相关各方，并提高能源脱碳，转利用过程的效率，这个电网就是智能电网和成熟的市场环境。
那么大量的分布式的可再生能源，这样的电源传统的电网是适应不了，解决的办法就是智能电网，它的特点是电力和信息的双向流动性，并由于建立起一个高度自动化和广泛分布的能量交换网络，把分布式计算（互联网、云计算和大数据和通信的优势引入电网，达到信息的实时交换和社会层面上瞬时的供需需求）。
我们要强调这个智能电网已经到了家家户户中，已经到了最低的配电网，所以是一个典型的电网，所以可以说智能电网是多能源网络的一个核心。
这个是智能电网和传统电网的功能区别，我们一开始就讲了这个，最近我们出了一本书，叫做《智能电网的基本理念和关键技术》，大批量的出版，估计在十天里就可以上市，大家可以看到，传统电网和智能电网的区别，一个是用户可以积极参与电网优化运行，可以容纳全部发电和储能选择，可以使新产品、新服务和新市场成为可能，为数字经济提供电能质量，优化资产利用和高效运行，预测及并对系统干扰做出应对，对自然灾害等的破坏可以迅速恢复运行。
智能电网是这样的一个结构，前面有一个系统电力系统，将来这个电网基本上都是这样的一个分布式的智能结构。正是因为这样的体系结构所以它的安全性和可靠性才特别好。
下面是Rifkin的第三次工业革命，就是人类社会必将迈进一个新时代，届时可再生能源和互联网技术将融合以创造一套强大的新基础措施，即所谓的Rifkin第三次工业革命。
在这一愿景中，数以亿万的人们会从他们的家中、办公室和工厂的可再生能源中生产绿色能源，并在能源互联网中彼此分享，就像现在我们在线创造和分享信息一样，通过部署各种储能技术，能量将本地存储在每一栋建筑和整个基础设施里。
我们学校现在也有多少老师在做能源互联网，但是以智能电网为核心的网络其中包括燃气网络、电力网络和热力网络。
电力与燃气、热力系统的联系日益紧密，未来将形成以智能电网为核心的综合能源系统，综合能源系统是能源互联网的载体。能源革命的实现高度依赖于未来高比例分布式可再生能源的开发与利用，我国中东部地区和城市应该会为此做出贡献。这就是我最后的结论，也是我们的研究结果，不足之处欢迎大家批评指正。
注：本文系能源新闻网整理自余贻鑫在2019 中国（山西）国际清洁能源高峰论坛上发言文字实录，未经其本人审阅。
