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你好,绿色革命!
双击自动滚屏 发布者:zq1229 发布时间:2020/6/2 10:05:09 阅读:72次 【字体:
 

你好,绿色革命!
该文刊发于《三联生活周刊》2020年第20期(有删减),全文共7802字,阅读需要20分钟。
我们用的电正变得越来越“干净”,除了火电的自我净化和水力的滚滚向前,风能、太阳能、地热能、氢能的戏份,正悄然增加;配电方式、输电方式、用电方式也在发生着改变。这些幕后的悄然变化正在由远及近地改造着我们的现实生活。
新能源的时空错位
坐汽车在青海的不同县域间转一转,你能很容易理解,为什么这里会是中国最重要的新能源发电基地。目前,青海可再生能源装机、发电量占比均超过了87%,这在全国是绝对的第一梯队。2020年初的一天,我们一行人从西宁出发,一路向西南方向坐了几个小时的汽车,途中经过了高速公路、国道、省道、乡道以及地图上不显示的土路,时不时还要为悠闲吃草的短尾黑羊和牦牛们让路,几经周折,最终抵达了一个叫“切吉”的乡镇级单位境内。
在地图上看,切吉乡位于两山所夹的山谷地带,其南北两侧不到100公里处就是亿万年前青藏高原隆起所形成的山脉。按照最朴素的地理常识,我们知道,山顶与山谷间会产生温差,如果温差足够大就会产生气流,一旦有顺着山谷方向吹来的气流,这里的风资源就会异常丰富。果不其然,汽车在山谷中曲折绕行时,天空下山脉的曲线不断变化着角度,而起伏的山坡上就分布着一座座高耸的白色风力发电机。

不到风电场内部,你很难感受它的力量。黄河上游水电公司风电公司维检中心副主任左仲林在莫合风电场的办公中心接待了我们,当他告诉我们,一座风机的高度有90米、一支叶片的长度达60米的时候,我们这些非专业人士都觉得不可思议,之前在路上望向远处的风机,感觉也就20米高。反复向左仲林确认过之后,我心里才感叹,只有在这种极度空旷辽远的地方,90米的高度才显得“平平无奇”吧。
在369平方公里的面积内,左仲林所管理的莫合风电场共有182台风机。2018年12月31日凌晨5点,这个风电场开始并网发电,去年一年,他们一共发了5.9亿度电,相当于节省了十几万吨标准煤。
可惜我们当天到的时候恰是下午,不同于夜间,整个区域一片天高云淡之景,几乎没有风。之前想象中在户外头发飞扬飘逸的场景根本没出现,大多数风机正在“午休”。
比人类对风的感知精确好多倍,由国家电投集团能源科技工程公司自主研发的集风资源评估、电力气象预报、风场控制优化等功能于一身的“御风”系统,可以为左仲林们提供实时预测信息。在集控室内,负责监控的电脑屏幕上显示,风电场下午的风速都在2米/秒左右徘徊,而风机转动的最低标准也要2.5米/秒。
左仲林说,这是因为天气太好了,晴空万里,如果晚上或者明天降温的话,就会出现大风天,“因为气温变化大的时候反倒容易产生风”。果然,大戈壁上的天气有规律地善变,在我们离开的傍晚,远处迅速集结起了大片的乌云,黑云压城的气势极为惊人。再去看风速预测的曲线,晚上11点,风速将上升到5米/秒以上(也就是天气预报中所谓的四级风)。

这种波动性与间歇性既体现在一天中,也分布于一年四季。左仲林说,在一天之中,基本是早上没风,中午12点过后,风开始慢慢起来,一直吹到凌晨四五点;在一年中,则基本呈现春冬风大、夏秋风小的格局,春冬二季的发电量能占到全年的60%~70%。
顺着风吹过的方向再走100公里,黄河北岸与龙羊峡水库西侧的一大片区域是著名的半荒漠草原塔拉滩,与切吉乡同属海南藏族自治州共和县管辖。这片超过600平方公里的区域也在发展新能源,不过不是风电,而是光伏发电。从2012年开始,这里开始规划建设全国最大的生态光伏产业园,目前已并网发电的装机容量为449.5万千瓦,相当于中国第七大的火力发电厂。

青海共和百兆瓦实证基地,148种光伏主流技术及产品同台对比,是太阳能发电的世界题库。

与风电类似,甚至更有过之的是,光伏发电的间歇性特征更强——突然飘来的一片云都能让光伏设备停止运作。因为这种特性,风电和光伏在过去数年的发展可谓是一波三折。在网络上,甚至有人给二者冠以“垃圾电”的名号。
究其原因,在电力诞生后的100多年里,电基本是即发即用,即从电厂发出来的电,经过电网传输到用户端,经过的是电源-电网-负荷三大环节,中间没有存储的环境。这就要求发电、用电实时平衡。因此,接入大量的风力发电和光伏发电将出现以下问题:
01
空间不平衡——发电区与负荷区错位
仅以光伏为例,从全国日照时数热力图我们可以看出,中国光照资源丰富的地区主要位于西部和北部地区,而广大中东部及沿海地区则相对较少,但用电负荷情况则恰好颠倒了过来,这就对电力资源的传输与调度提出了极高要求。
02
时间不平衡——随机间歇性输入冲击电网
电网要求输入稳定平滑,而风电和光伏发电由于其随机间歇性,明显不能符合此要求。接入后便会对电网产生冲击,带来潜在的不安全因素。此外,间歇性会降低输电设备利用率。假设一个100兆瓦的光伏电站,电网需要配套建设100兆瓦输电线路,但实际电站输出功率随着太阳辐射强度变化,仅在最高峰时段能达到100兆瓦。按照历史统计数据,其等效满负荷发电时数每天只有3~5小时,就造成了资源浪费现象。

拿风电来说,“弃风”现象一直是困扰其发展的重要命门。由于本地消纳跟不上大规模的风电供应,而负荷中心又距离遥远,所以不得不让风电机组停止运作。中泰证券研报统计显示,在风电发展火热的2012年,全国的弃风率达到17%,造成直接经济损失逾100亿元;2015年,全国弃风量再创新高,弃风电量达339亿千瓦时。
然而,所有人又都明白一个不可更改的事实,即随着中国人对气候和环境问题的不断重视,风能和太阳能就是两种我们无法舍弃的资源。所以,想办法解决它们的时间与空间错位问题就成了新能源发展的第一要务。

风电不止在陆上兴起,在海上也正风生水起。上海电力大丰300MW海上风电项目已于2018年12月底全容量投产。

多能互补,削峰填谷

几乎所有的电力专家都同意一个观点,即如果“储能”问题解决了,那新能源所面临的间歇性问题也就解决了。所谓“储能”,就是在风光资源充足的时候,将一部分电能转化为其他能量存储起来,等到风光资源不足的时候,就可以用这些存起来的电“削峰填谷”。

国家电投集团中央研究院储能所副所长王含告诉我,储能相关的技术路线其实有很多,其中抽水蓄能是目前占比最大的,也是最简单、最便宜的一种。通俗地说,这种技术就是利用地势的不同,在电力富余时把低处的水抽到高处储能,在用电高峰时通过水的势能放水发电。但其最大的制约因素就在于,它对地理环境的要求较高,难以大规模推广。

作为全国清洁能源最丰富的省份之一,青海的新能源基地在简单的抽水蓄能之外,正在尝试一些更聪明、更有效的办法,比如“多能互补”。
黄河上游水电公司是青海省最重要的能源企业,2018年,其一家公司的发电量占青海省全年发电量的64%。谢小平说,不同地区的自然条件不一样,青海因为缺煤,所以火电没有任何的经济性,反而风、光、水资源丰富,在这种自然禀赋下,如果能将它们通过一个智能系统结合起来,让它们可以互相帮助,这会对清洁能源的使用效率有极大地促进作用。

龙羊峡水电站泄洪现场
2013年3月,龙羊峡水光互补这个大工程的850兆瓦光伏电站,在距龙羊峡水电站几十公里外的塔拉滩上开工建设。从字面上理解,“水光互补”就是将水力发电和光伏发电结合起来互相帮助。具体来说,就是将波动性、随机性、间歇性强的光伏发电输送到水电站,用水电进行调节之后组合成一个稳定电源再输入电网。

龙羊峡水电站第一台320兆瓦发电机转子吊装
在这座水光互补光伏电站内,我看到电脑屏幕上显示的“水光互补协调运行曲线图”,一个最明显的特征是,光伏电站的发电曲线与水电站的发电曲线正好“相反”,一个向上升,另一个就会向下降。黄河上游水电公司光伏维检公司维检中心副主任刘滨解释说,在这个互补的模式下,白天基本上让给光伏来发电,水电以低负荷运行,一旦突然出现阴天或者是多云天气,光伏的发电量会迅速下降;这时,在几秒钟之内,水电站那边的互补水轮发电机就快速响应调整,将光伏所损失的负荷迅速补上去。
据刘滨说,这套调节系统是通过一套自主开发的系统控制软件来实现的,全程都不需要人工干预,在国内是首创,在国际上也达到了领先水平。通过这个办法,龙羊峡水电站西侧的光伏基地基本解决了间歇性的问题。
水光之外,新的研究方向是如何将风也纳入进来。谢小平说,虽然都是新能源,但风电和光伏的资源禀赋不太一样。如同在莫合风电场看到的那样,风电资源主要集中在晚上,白天相对较小;光伏反而是白天有,晚上没有。因此,在青海广大的土地上,他们正在研究如何让388万千瓦的光伏电站和189万千瓦的风电配合起来。在二者同时欠缺的时候,如果附近有水电资源,可以用水电调节;如果没有水电资源,他们也在研究电化学储能的技术。
除了风、光、水资源丰富外,青海的柴达木盆地蕴藏了中国80%的锂资源,中国第三大的镍钴矿也在附近。这意味着,如果要发展镍钴硫酸锂电池为主的电化学储能技术,那么所有的原材料在青海都能找到。为此,谢小平信心满满,他说,随着大规模储能的产能释放,它的价格会很快降下来,储能的前景非常广阔,而风水光储互补也将会是未来的重点发展方向。

这一切技术研发的基础,都是对不同自然资源的充分利用和掌握能力。在多能互补的大方向下,传统能源扮演的角色不得不发生改变。目前全球单体规模最大的陆上风电项目正在内蒙古乌兰察布地区逐步落地,其地理位置决定了其无法使用水电来调节。在目前的条件下,传统火电将会扮演重要的调节角色。孙金华就总结说,火电在新的能源转型过程中必须要对自身角色进行重新定位,“因为传统电力系统的特点,火电在未来相当长一段时间不会消失,它是一个稳定器,因为它对电网的支撑作用和调节作用仍然会很重要”。
当然,有关何种储能技术将会是未来的主流还未有定论。国家电投集团中央研究院储能所的一个团队正在北京五环外的研究基地内试图攻克铁铬液流电池技术。在团队专家看来,液流电池很适合大规模推广,它既不受困于地理位置,又比锂电池安全。但因为对技术和投资的要求都很高,很多储能行业的专家都认为,这需要国家有一个顶层的规划,也需要大型央企去承担推进的责任。前不久,他们自主研发的31.25千瓦铁铬液流电池电堆成功下线,这款产品在全球功率最大,被命名为“容和一号”。而空间错位的解决方案,已把内蒙古地区定位成了重点的试验区。

特高压与大基地

能源的空间分布不均一直是我们国家的一大痛点,所谓的“胡焕庸线”一次次被提及。国家发改委原副主任、国家能源局原局长张国宝生前曾回忆说:“由于中国的能源资源分布非常不均衡,能源主要集中在西部和北部,东部和南部无论是水力资源,还是煤炭资源都相对缺乏。西部和北部的资源如何送到东部和南部去,这是我们国家始终面临的问题。”
20年前,中国的电力传输系统还处在小范围内“交流”的程度。张国宝退休后在《筚路蓝缕——世纪工程决策建设记述》一书中回忆,2000年,位于雅砻江上的二滩水电站建成了,当时它是中国最大的水电站,没想到正好赶上一个经济的低谷期,二滩水电站的电没人要。那时,连四川和重庆之间的输电线路都还没建,电只能在四川省范围内消纳。
世纪之交,中国主要的长距离输电技术还是上世纪80年代引进的电压等级为500千伏的输变电技术。而根据导线发热情况计算,建一条500千伏的交流线路,至多也只能送100万~120万千瓦的电,还不到二滩一个水电站装机总容量的三分之一。张国宝说,要想输送容量大,就只有在提高电压等级上做文章。为此,日后成为中国走出国门的一张技术名片的“特高压工程”终于被提上了日程。
尽管特高压技术存在争议,但2006年,晋东南—南阳—荆门1000千伏特高压交流试验示范工程还是获得了国家发改委核准。2009年1月,该工程正式投运。到2018年底,中国建成投运的特高压线路已达23条。当年年底,青海-河南±800千伏特高压直流工程也开工建设,这条线路不仅仅是全世界海拔最高的特高压工程,同时也是全球第一条专为清洁能源外送而建的特高压。这意味着,对青海这个新能源大省来说,其丰富的清洁电力终于有了有保障的外送通道。

山东—河北1000千伏特高压交流环网工程
具体来说,特高压有多重要呢?现在担任察哈尔新能源公司副总经理的刘明杰就有深切体会。此前多年,他都在东北地区的电力系统工作,他回忆道,煤炭与风能资源丰沛的东北地区(包括内蒙古自治区东部)曾饱受“窝电”之苦,大量的电力送不出去。曾有报道透露,始建于2009年7月的魏家峁煤电厂位于鄂尔多斯地区,该厂建厂前8年时间,因为缺乏外送通道,机组始终未并网运行。直到2016、2017年,蒙西-天津南1000千伏特高压交流输变电工程及扎鲁特-青州±800千伏特高压直流工程相继完工,“有效缓解了东北地区的窝电问题”,刘明杰感叹。
仅仅能把电送出去还不够,还得算笔经济账。一位特高压专家透露,一条特高压线路的造价至少在200亿元以上。因此,如果送出的电价格太贵,不仅赚不回成本,对用电侧用户来说也不划算。
两年前,刘明杰被国家电投集团内蒙古公司调到了蒙西地区工作,开始负责一项极为重要的新能源项目——乌兰察布风电基地一期600万千瓦示范项目的建设工作。2019年9月,这个规模化开发风电的项目,在经过了近10年的考察研究之后,终于在内蒙古四子王旗,也就是电影《我和我的祖国》里陈凯歌执导片段的拍摄地点,开始落地。这不仅是全球单体规模最大的陆上风电项目,它还是国内首个大规模可再生能源平价上网示范项目,整个项目的重要意义可见一斑。
大规模,对于中国人来说不算稀奇,更重要的意义还是在“平价上网”。过去多年,大家也都知道,风电和光伏因为还处于成长期,一直需要国家补贴才能和火电价格竞争。何时能够做到上网电价追平火电价格甚至更低,被认为是新能源发展的重要节点。
刘明杰对我说,这个项目能做到平价上网,主要有三个因素:第一,风资源比较好,年平均发电利用小时可达到3122小时(很多火电站的年发电时长也就不到5000小时);第二,从外送距离上来讲,乌兰察布离北京市直线距离只有300公里,在输配电价及线损等方面相对较低,这是它的第二大优势;第三,因为项目规模大,可以有效降低工程造价和建设成本。三箭齐下,终于为平价上电网创造了条件。
前两项因素难以复制,但刘明杰特别强调了大规模建设的意义。他说,与内蒙古之前的风电项目相比,乌兰察布项目将带动全国的风机从之前的2.0或2.5时代,一下飞跃到4.0时代,将有力地提高我国风机制造技术水平。
这种大规模基地的优势正随着技术的进步而逐渐被认可。谢小平说,目前他们也正在青海积极打造青海海南藏族自治州与海西蒙古族藏族自治州两个千万千瓦级清洁能源基地,通过青海—河南±800千伏特高压直流线路,青海的光伏电在河南的落地价格只有0.32元,这甚至比煤炭大省河南的火电标杆电价还要低。除带动当地产业的发展之外,更大的价值或许是帮助改善中原地区的空气与环境质量。

绿电+的未来
 
在时间与空间的难题都已看到解决的希望后,新能源的快速发展变成了理所当然的事,毕竟光资源和风资源良好的地方也是有限的,甚至连鄂尔多斯这个曾依靠煤炭资源GDP短暂超过香港的地区都已开始大力扶植新能源的开发。

从空中看达拉特旗光伏电站 是一匹骏马的图案,象征着蒙马精神。
2018年5月,位于鄂尔多斯地区北部的库布齐沙漠中段,一个占地面积达到10万亩的光伏项目开始建设,不到半年时间就完成了建设任务开始并网发电。但当我站在项目内部的高处,望向下面仿佛没有尽头的光伏组件时,最有趣的地方在于,除了远方裸露的沙漠外,我脚下所踩的地面已经几乎看不到沙漠的痕迹了。即使是在零下20摄氏度的冬季,成片的野草和固沙植物联手扎根在这片土地上,为满眼的苍凉添了不少生机。达拉特光伏电站站长王亚洲甚至有点遗憾地对我说,如果是7、8月份来就好了,那时站在高处,望去尽是绿色,景色极美。
如今,在光伏或风电场工作不算是很辛苦的活儿,毕竟设备的自动化和智能化水平都很高,平时的监测任务都可以在办公室里完成,已经实现了“无人值班、少人值守”。考验人的地方更多的是孤独,国家电投集团内蒙古公司的工作人员一般只有周末才能回到自己在城里的家,平时就是十几二十个大男人窝在远离尘世的荒原上。我只能在心里为他们感叹道,还好这里的环境要比想象中的“沙漠”好多了。
达拉特旗能源局局长云少军和副局长刘贵文告诉我,能做到这些是因为,除了发展新能源之外,治沙也是他们一开始就设定的目标。为此,他们对整个园区的布局进行了提前谋划,提出了“林光互补”的策略。所谓“林光互补”不是用来调节电力的,而是在光伏基地里种植经济林。因为看过光伏电站照片的人都知道,光伏板下面有很大一块空地。于是,达拉特旗针对性地引入了矮化红枣这个经济品种,让这块土地除了发电之外,还能有二次经济效益。尽管因为是冬天,红枣树上看不到红枣,但刘贵文还是很感慨:“根据之前的数据,在干旱的沙漠里能有这么高的成活率是非常不容易的。”
除了肉眼看到的变化,这种环境的改变当然也能从科学层面找到证据。2017年,中科院生态环境研究所下面的国家重点实验室到青海塔拉滩的光伏基地设立了一个黄河分实验室,在当地建了三个环境气象监测站。根据这几年检测到的数据,通过光伏电站的建设,晴天天气下光伏子阵内的风速、蒸发量均减少了50%;园区区域内的风速降低了21%、温度降低了1.77摄氏度,减少了地面水分蒸发,有助于植被恢复,使得绿地面积增加了15%,园区的植被在逐年增加。
除此之外,新能源所带来的想象空间还很大。刘贵文说,除了林光互补外,达拉特旗还在筹划“光伏+旅游”的项目,他们对这个旅游项目有个很直观的描述——金沙、蓝海、绿洲。他具体解释道,内蒙古地区最早的两个全国5A级景区正好都在鄂尔多斯,而且离达拉特旗也不是很远,“尤其对于很多没有见过沙漠的外地朋友,这么广大的光伏基地对他们是很有吸引力的,完全可以开发成沙漠有机农业和沙漠风情旅游等多产业链”。而对于生活在当地的老百姓,过去这里就是沙漠,农民们几乎是一点收入都没有,现在每年能够获得一部分稳定的租金收入。此外,电站运营后,还能为当地提供一些就业岗位。

几百公里之外的乌兰察布项目甚至更进一步。除了在施工总承包标书中明确要求对机位平台区域确保植被恢复率达到97%以上外,刘明杰说,这个项目因为规模大,所以在筹划的时候就预备在当地打造乌兰察布风电产业集群,探索“绿电+经济”的发展模式。一方面,通过税收优惠政策,他们推动风机主机厂家落户当地;另一方面,他们也在吸引风电行业科研机构、产业链上下游企业在乌兰察布建立分部或研发中心。这预计能为当地引来50亿元的相关投资,解决至少1000人就业。
新能源作为正在勃勃兴起的一个综合产业,需要整个社会的创新力量参与进来。孙金华以乌兰察布的项目做例子,他说,这个项目从投资生产商、设备供应商到当地政府,各方都勇于突破原有的思维方式,形成合力推动平价上网目标的实现。“这就是全方位地协调与整合资源,创新开发模式。”孙金华说,“如果沿循传统的逻辑与思路,这个项目当时很难做起来。”

据国际可再生能源机构(IRENA)的数字,中国在截至2018年的10年间,风力发电量扩大至22倍,光伏发电量扩大近700倍,对全球的新能源发展起到了拉动作用。加上水力发电,中国在全球可再生能源领域的占比2018年就已达到30%,遥遥领先于排名第二的美国(10%)。
在国内传统的特大型发电集团中,国家电投集团的清洁能源占比最高,截至2019年12月,其清洁能源装机7626万千瓦,占比50.5%。有专家预测,煤电将在2025年见顶,其发电量将被清洁能源发电量挤占,到2050年,天然气、核电和其他可再生资源(风电、光伏、生物质能)三项发电量将分别是2020年的2倍、4倍、13倍。
新能源产业的发展关系到我们每一个人的未来生活,但它绝不会仅仅因为口头上的吹捧就蓬勃发展。如《全球能源大趋势》一书的作者斯科特·蒙哥马利所言:“能源的未来属于那些加大人力和技术资本投入的国家和企业。”中国现在已经在这条路上走到了世界前列,如果想要在这场能源革命中继续保持优势,仍必须坚定地走下去。

文       字:三联生活周刊 王梓辉
素       材:杜玉
编       辑:周心

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