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能源变革,水电综合利用是关键 精选

已有 5102 次阅读 2018-10-19 08:57 |个人分类:能源观察|系统分类:海外观察| 可再生能源, 能源变革

 

能源变革和可再生能源的间歇性

由于化石能源逐渐枯竭,全球气候变化和环境保护的需要,世界能源体系全面过渡到可再生能源,是未来几十年内要做到的事情。到2050年,欧洲计划实现100%可再生能源,美国达到80%,而中国也计划达到60%。

根据资源量,可再生能源最丰富的是太阳能,其次是风能,再次是水能。太阳能和风能都是间歇性很强的能源,尤其是太阳能,昼夜节律很强。

可再生能源的间歇性是一个很大的不利因素,对电网调度提出了很高的要求。在占比不高的情况下,电网调度还可以应付,但随着占比的上升,不稳定性将超出电网的调度能力,从而限制可再生能源在能源构成中的比例。

 

德国2018年10月8日到15日用电负荷和来源图。由于可再生能源占比不大,用其它能源调整没有问题。但如果风电加光电任意时段发电功率超过消费负荷,就必须使用大规模的蓄能调节。(图片来源,https://www.energy-charts.de/power.htm

 

中国水电资源巨大

由于拥有世界水塔——青藏高原,中国水力资源得天独厚,总资源量世界第一,已开发水电资源遥居世界第一。根据不同的估算,中国水电资源经济可开发量折合为每年为2.14到3万亿度电不等,约占目前全国用电量的三分之一到一半。

虽然在地域上不平衡,资源区与消费区不重合,但是结合特高压电网远程输电,跨区域调度,能源互联网的发展,水电仍然可以占中国能源供给的很大比例。

1980年来中国水力发电量与世界其它地区发电量对比图(数据来源:IHA,EIA)

 

水力与其它可再生能源天然互补

由于主力可再生能源——太阳能和风能——的不稳定性,其它能源必须方便调节功率,以满足扩大可再生能源占比的需要。其它主要能源中,核电不方便调整功率,煤电属于淘汰对象,调节功率也会导致效率下降,天然气发电在中国成本很高。只有水电,既可以方便调整出力,又没有其它负面影响(对航运的影响可控)。

水电的调节能力与季节相关,夏季水力充沛,调节能力也更强。这与用电负荷的季节性正好重合,夏季是用电高峰,水能和太阳能都充足,便于互补调节。冬季水电出力下降,但风电相对比较稳定,而且充足,不需要水力很强的调节能力。虽然太阳能和水电都下降了,但是用电负荷也下降了。

从短周期上看,在一天之内,白天是用电高峰,太阳能充足。在太阳能占比很高的情况下,可以减少水电白天出力,变成夜间出力,保证全天发电和负荷的平衡。对于星期和月尺度的调节,现在的天气预报对于阴晴和风的预报已经比较准确,可以从容安排水力的互补调节。

大型水电作为可再生能源调度中心

正是因为水电的巨大调节能力,在大规模开发可再生能源的条件下,大规模水电站应该发展为未来的能源调度中心。

国际上,将大型水电站改造为可再生能源中心的尝试已经开始。美国加州计划花费30亿美元,将著名的胡佛大坝改造成与太阳能,风能互补的抽水蓄能项目。

“hoover dam battery storage”的图片搜索结果

胡佛大坝的抽水蓄能改造计划(图片来源:CBS)

 

加州开发了大量的风电和太阳能,随着装机容量的增加,电网将无法接纳部分高峰电力。胡佛大坝改造计划中,在下游建设大型太阳能电站,修建输水管道,从下游的莫哈维湖抽水到上游的米德湖,再由大坝电厂按需供电。其它地区的多余电力也可以接到抽水站。

将大型水电站改造为可再生能源调度中心,可以大幅提高可再生能源在能源构成中的占比。

能源调度中心与纯水电站的不同

作为可再生能源的调度中心,水电站的发电能力(装机容量)应该大于现在设计的能力,这样在白天少发电或者不发电的情况下,夜间发电量可以增加,充分利用下泄流量和维持河道航运功能。加上太阳能作为虚拟电站接入,能源调度中心的总发电和调度能力将大大超过现有的水电站,因此,中心的输变电容量也要远大于现在的独立水电站。

如果太阳能的发电能力继续增加,水电站还需要增大装机容量,并将部分机组改造为抽水蓄能机组。既可以发电,又可以利用多余的太阳能抽水。能源中心的发电和调节能力还能提高。

根据接入太阳能容量的增加,能源中心的策略可以分成三个阶段:第一阶段,白天调降,夜间调升;第二阶段,增加机组容量,增大调节能力;第三阶段,增加抽水蓄能机组,或者改造发电机组,可以抽水,进一步增大调节能力。

风能需要单独考虑,根据风力预报情况中短周期或者季节性调度调整。

从能源变革角度提前规划可再生能源中心

中国目前还有大约一半的水力资源没有开发,或者正在开发,但在二三十年内,水电大开发将基本完成。

将水电站改造为可再生能源中心,很多事情以后做也问题不大,比如调度能力,输配电能力,站内电路改造,航道适应性改造等,但是有些基础设施改造难度很大,比如增加水电机组,改造为抽水蓄能机组等。

考虑到长远能源变革的需要,尚未开发和正在开发的大型水电项目应该超前规划,对水电站做适应性设计,减轻以后改造为可再生能源中心的难度。

目前未开发和正在开发的大型水电项目都在西南,该区域附近就是青藏高原,太阳能极端丰富,而距离不太远。整个西南必将成为可再生能源的生产基地,在建和规划项目中预留作为可再生能源中心的设计是目光长远的做法。

具体做法包括,电站按照综合可再生能源中心设计,增加机组功率,便于夜间大功率运行,预留或建设抽水蓄能功能,疏浚河道,满足不稳定来水的航运(实际上问题不大,主要大江大河的水电已经梯级开发,上一级水库的下游也是水库),预留输电通道和输电能力,等等。

改造成本远高于一次建成,由于主要的成本是大坝土石工程,电气部分成本占比本来就不高,一次建成的额外成本并不高,但是为未来创造了巨大的效益。全面利用可再生能源是大势所趋,由于能源需求上升,环境保护的需要,可再生能源迅猛发展,和化石能源枯竭等原因,这一转变未来二三十年内就将完成。现在对水电系统的超前设计将很快或者立即产生巨大效益。

可再生能源中心的规划和建设,还会带来一些额外效益,比如水库库容增加,满足经济发展和生态需求的可取水引水量将增加。在水电大开发基本完成之后,水电建设大军(设计和施工)未来也还会有很多工作需要做。

 




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