中國網/中國發展門戶網訊 大力發展清潔低碳能源，是實現人類社會長期可持續發展和國家能源獨立的必由之路。國家主席習近平于 2020 年 9 月在第七十五屆聯合國大會一般性辯論上莊嚴地向全世界宣布了我國 2030—2060 年碳達峰和碳中和的“雙碳”目標；同年 12 月，習近平主席在氣候雄心峰會上再次重申我國“雙碳”目標承諾，并提出到 2030 年實現風電、太陽能發電總裝機容量將達 12 億千瓦以上的計劃。2021 年 3 月 15 日，中央財經委員會第九次會議進一步指出：要構建清潔、低碳、安全、高效的能源體系，控制化石能源總量，著力提高利用效能，實施可再生能源替代行動，深化電力體制改革，構建以新能源為主體的新型電力系統。2021 年 10 月 24 日，《中共中央 國務院關于完整準確全面貫徹新發展理念做好碳達峰碳中和工作的意見》印發，提出了 2025 年、2030 年、2060 年 3 個階段目標；到 2060 年，我國綠色低碳循環發展的經濟體系和清潔低碳安全高效的能源體系全面建立，能源利用效率達到國際先進水平，非化石能源消費比重達到 80% 以上。近 1 年來，圍繞“雙碳”目標的實施路徑，我國科技界和能源產業界進行了廣泛的研究和討論，討論的內容主要涉及未來一次能源和終端能源結構、儲能技術發展方向和新型電力系統的構建 3 個密切相關的方面。筆者圍繞這個議題進行了長時間的思考，文題已簡要地指出了主要思路；現將一些主要觀點和建議呈現給讀者，以供研究或決策時參考。

構建以光伏發電為主的電源結構

首先大致估計了 2060 年我國光伏發電和風力發電總量需求。根據有關研究報告，到 2060 年，我國的能源消費總量將約為 50 億噸標準煤，將回到 2020 年的水平。根據《中國電力行業年度發展報告 2021》，2020 年，我國全部發電量約為 7.6 萬億千瓦時，占終端能源的消費比重為 27%，總的終端能源消費當量為 28.0 萬億千瓦時。到 2060 年，如果我國電力占終端消費能源的比重達到 80%，則我國發電量將達到 22.4 萬億千瓦時。綜合來自不同部門和專家的測算報告，筆者預計 2060 年我國各類電力裝機及發電量如下：火力發電將以天然氣發電為主，裝機將達到 7.5 億千瓦，發電量為 3.6 萬億千瓦時；水電裝機接近 6.0 億千瓦，可提供電力約 2.0 萬億千瓦時；核電裝機將達到約 2.5 億千瓦，可提供電力 2.0 萬億千瓦時；太陽能熱發電裝機 2.0 億千瓦，可提供電力約為 1.0 萬億千瓦時；垃圾和生物質發電裝機 2.0 億千瓦，發電量約為 1.0 萬億千瓦時。因此，到 2060 年，還有大約 12.8 萬億千瓦時的能源將需要通過光伏發電或風力發電獲得。以光伏發電和風力發電的平均年發電時間為 1 600 小時計算（我國 I 類地區光伏發電年有效利用時間在 1 500—1 600 小時及以上，全國風電平均年有效利用時間可達到 2 000 小時以上），則其總裝機容量將達到 80.0 億千瓦，占總裝機容量的比重約為 80%。

比較而言，光伏發電較風力發電具有多方面的優勢。① 光伏發電既可以適合于建設大型發電站，也比較適合于屋頂或園區分布式發電，而風電不太合適此類分布式發電；并且，我國可資利用的屋頂或園區分布式發電資源豐富，這為充分利用分布式光伏發電創造了更有利的條件。② 光伏發電出力的波動性和間歇性較風力發電大幅降低，對電網更加友好。③ 正常情況下，光伏發電與負荷的日內功率變化曲線呈現一定的相似性，這對于減少日內功率平移量有重要意義。④ 光伏組件的回收處理比當前的風機葉片回收處理要容易得多，對環境更加友好。⑤ 從資源豐富程度上講，我國西部和北部地區廣袤的沙漠、戈壁和草原均適合建設大型光伏電站，資源潛力十分巨大。根據國家氣候中心的調查報告，我國陸地 140 米高度上風電的技術開發量約為 51 億千瓦，而 100 米高度近海水深 5—50 米海域內風能資源技術開發量為 4 億千瓦，技術開發總量約為 55 億千瓦，即使實際開發利用其中一半，也只有約 27.5 億千瓦。⑥ 更為重要的是，從經濟性較大來看，經過多年的發展，光伏發電已經較風力發電顯示出越來越明顯的價格優勢：預計未來光伏發電的上網電價將廣泛低于 0.1 元/千瓦時，甚至可以達到 0.06 元/千瓦時以下（即低于 1 美分/千瓦時）。雖然風力發電的度電成本也仍有下降空間，但從長遠來看，光伏發電在光伏材料、發電效率、使用壽命等方面取得更大突破進展的可能性較風力發電機要大得多，其降價潛力更大。

綜上所述，光伏發電將成為未來最主要的能源。

在上述光伏發電和風力發電總裝機中，假設光伏發電占比 80%（64 億千瓦）、風力發電占比 20%（16 億千瓦），可以得到如表 1 所示的 2060 年我國電源裝機及發電量預測表。

構建以物理儲能為主的儲能支持系統

可再生能源發展對儲能的總體需求

眾所周知，可再生能源發電特別是風力發電的出力具有隨機性和波動性，光伏發電的出力具有晝夜周期性，這不僅導致電力系統調頻能力不足，而且需要相應的能量系統來實現對出力的平滑或能量的平移；此外，由于光伏發電和風力機組自身不具有慣性或者慣性較低，且通過電力電子裝置并網，導致電力系統等效慣量極大降低，對電力系統安全穩定性造成重大影響。為解決上述問題，需要配置多種形式的儲能系統，一般包括長周期能量轉移型、短周期能量轉移型（日內削峰填谷）、短時間尺度功率支撐型 3 種類型。特別是，當光伏發電成為主要電源后，短周期能量平移將成為儲能系統最重要的任務。

長周期的能量轉移，即將可再生充足時段的能量轉移至大范圍內長時間陰雨天氣或無風天氣時之用。這種情況比較少見，難以通過配置電池儲能或抽水儲能等來滿足要求，一般可以通過備用化石能源或可再生能源制備燃料及相應的火電機組來應對。可再生能源制備燃料主要包括生物質制燃料、電解水制氫和電解水制氫加二氧化碳制備清潔碳氫燃料等方式。根據筆者的粗略估計，以目前中試水平的電制燃料系統為例，假設光伏發電成本為 0.1 元/千瓦時，則利用光伏發電制備天然氣（甲烷）的全部成本大概為 4.25 元/立方米，這與當前我國部分地區城市居民用氣的價格基本持平。如果制備工藝進一步成熟、制備效率進一步提高，其成本可望進一步降低，可見其未來發展潛力。長周期的能量轉移，主要是解決特殊天氣情況下能源電力供應的充裕性問題，與電網的短周期能量轉移（日內削峰填谷）或短時間尺度功率支撐等儲能需求無直接關系。

短周期能量轉移用儲能，主要解決因可再生能源間歇性或用電與可再生能源發電之間的短周期時間差異性所導致的功率平衡需求；而短時間尺度功率支撐需求主要用于系統慣量支撐（毫秒至秒級）、一次調頻（秒至分鐘級）或二次調頻需求（分鐘至 10 分鐘級）。從功率響應特性來講，電池儲能可以用做虛擬慣量，也可以用于一次調頻和二次調頻；從經濟上來講，電池儲能在短周期能量轉移方面也可以發揮一定的作用。例如，電池作為分布式儲能在短周期能量平移方面具有顯著的優勢。這也是電池儲能研發得到廣泛關注的重要原因。

物理儲能比較優勢分析

物理儲能在短周期能量轉移和短時間尺度功率支撐方面具有更加顯著的優勢，主要理由有 3 點。

電池儲能的不足。① 對于慣量支撐、一次調頻或二次調頻的應用場景，需要儲能系統頻繁充放電。電池儲能雖然可以滿足響應速度和放電時間上的要求，但是由于其壽命周期內的充放電次數限制，其在該應用場景下幾乎沒有應用的可能性。② 目前能夠與抽水儲能系統在儲能容量上相媲美的電池儲能系統仍未出現。近年來，鋰離子電池儲能系統事故頻發，其安全性問題日益受到關注。當然，電池儲能技術也處在不斷發展之中，在安全性上仍有很大的改善空間，但是大量廢舊電池的處理所帶來的環保問題不容忽視——廢棄風機葉片的回收處理問題就是例子。因此，如果有功率響應特性、經濟性與電池儲能相當而安全性環保性更好的物理儲能系統，那么物理儲能系統應該更具優勢，除非電池儲能不可替代。例如，在分布式儲能應用場景中，物理儲能在此種場合難以體現其規模效益，電池儲能系統的綜合優勢就十分明顯了。

物理儲能系統的優勢。物理儲能主要包括抽水儲能、壓縮空氣儲能、重力儲能、飛輪儲能、超級電容器儲能、超導儲能等。物理儲能的共同特點是使用壽命長、環境友好、報廢后處理簡單容易。在慣量支撐、一次調頻或二次調頻應用場景，飛輪儲能和超級電容器儲能乃至超導儲能等都是可選方案；在電網中安裝同步調相機組或其他處于旋轉備用狀態的機組均可提供慣量支撐。以天然氣為主的火電機組將用做靈活電源并作為備用容量，也可大量地用于一次調頻或二次調頻。隨著光伏發電度電成本的不斷下降，通過在光伏電站預留光伏有功備用容量（over-built capacity），也是提供一次調頻或二次調頻功率的有效方式之一。光伏有功備用容量在不參與調頻的時候，還可直接用于加熱等；所獲熱量可以直接儲存并用于靈活機組發電或供暖等，以提高其綜合效益。光伏有功備用容量本質上與當前的“棄光”表面上意義相同，但在未來電網中，它將成為一種必要而合理的手段，而非當前的負面因素。總之，在慣量支撐、一次調頻或二次調頻應用場景，亦或更廣泛意義下即高頻次、快速響應、短時間尺度的容量需求場景，物理儲能方法或光伏有功備用容量方案優勢更加明顯。

物理儲能系統的資源限制問題解決方案。

抽水儲能具有日內削峰填谷、調頻、調相、平移功率、事故備用和黑啟動等多種功能，是建設以新能源為主的新型電力系統的最為理想的儲能方式之一。在日內削峰填谷用儲能方面，壓縮空氣儲能也是十分合適的儲能系統。但是，大量的文獻報道或闡述的主流觀點認為：我國抽水儲能資源十分有限，難以滿足未來對儲能系統發展的需求；而壓縮空氣儲能系統成本高、效率相對較低，一般需要依靠鹽穴等天然洞穴作為儲氣室才具有經濟性，而鹽穴等天然洞穴的資源也是十分有限的。這也是大眾更多地關注電池儲能的主要原因。但是，這些觀點是建立傳統抽水儲能或壓縮空氣儲能的實施方案不再有進步和創新的基礎之上。誠然，常規抽水儲能系統的建設需要依托必要的水資源和合適的地質條件及山體落差，對于建設選址的要求嚴格，且也有一定環保方面的考慮，因此適合于建設常規抽水儲能的資源的確是有限的。對于壓縮空氣儲能來說，現有的儲氣方式主要包括天然地下洞穴儲氣、基于金屬或復合材料的高壓儲罐儲氣 2 種方式。由于高壓儲氣罐十分昂貴，天然地下洞穴儲氣似乎就成為壓縮空氣儲能的不二選擇，而天然地下洞穴資源也的確是十分有限的。然而，如果采用人工挖掘地下水庫或地下儲氣室的方式，且能保障儲能系統具有足夠的經濟性，那么適合于建設抽水儲能或壓縮空氣儲能的資源基本上是無限制的。

大規模物理儲能系統實施方案

地下抽水儲能。自從 20 世紀 90 年代以來，日本、新加坡和俄羅斯等國家都對基于人工地下水庫的抽水儲能系統進行了研究。研究表明，在較高水頭（大于 800 米）和適當規模情況下，基于人工地下水庫的抽水儲能系統的建設成本與常規抽水儲能基本相當。例如，俄羅斯的地下抽水儲能設計方案為：上庫建在地面，下庫為建在地下約 1 300 米深的隧洞，隧洞長度為 16 公里、直徑為 12.5 米。地下廠房在地下 1 300 米處，尺寸約為 20 米×60 米，高度約為 30—40 米，廠房內安裝 4 臺可逆式水輪機組，水輪機出力各為 250 兆瓦，總功率為 1 000 兆瓦；投資預算為 700 美元/千瓦（約人民幣 4 500 元/千瓦），甚至還低于常規抽水儲能系統。此外，由于不需要占用山體，地下抽水儲能系統占地更小、生態環保性更佳。

地下壓縮空氣儲能。雖然人造地下儲氣室建造成本較天然洞穴要高出不少，但比地面高壓儲罐成本低；而相比于天然地下洞穴儲氣室而言，人造地下儲氣室對地質結構依賴性弱，并可方便選址，可部分省去電能傳輸線路的基建成本和運行過程中的損耗，因而總體建設成本已經達到與抽水儲能相當的水平。例如，中國科學院工程熱物理研究所正在張家口建設的 100 兆瓦/400 兆瓦時壓縮空氣儲能系統，就采用了人工地下儲氣室。如果基于水壓補償方式維持壓縮空氣儲能系統在恒壓工況下充放電，并將空氣壓縮過程中的熱量回收利用，則可以將壓縮空氣儲能系統的電-電效率提升到 65%—70%，而經濟性有望進一步大幅度提升。圖 1 顯示在不同壓強或上下庫落差下，基于水壓補償的壓縮空氣儲能系統與抽水儲能系統的儲能量與壓強（或落差）的關系；在 100 個大氣壓（即 10 兆帕，對應上、下水庫落差為 1 000 米）的情況下，壓縮空氣儲能系統的儲能量將達到抽水儲能的 3.5 倍左右。這表明基于水壓補償的壓縮空氣儲能系統的度電成本可以大幅度降低，甚至比抽水儲能還要廉價。

21 世紀以來，我國地下挖掘技術和地下工程建設技術取得了長足的發展。例如，我國自主研發的大口徑盾構機技術或硬巖隧道掘進機（TBM）總體上已經處于國際領先水平。我國在鐵路/公路隧道、海底/河底隧道、垂直豎井/斜井、地鐵、大型水電站的地下工程建設等方面突飛猛進。這些工程技術和基礎設施建設方面的成就，使得我國地下工程的建設成套技術日趨成熟，建設工期和建設成本都大幅降低，為建設實用化的地下抽水儲能系統和地下壓縮空氣儲能系統奠定了堅實的基礎。

基于人造地下洞室的抽水儲能系統、壓縮空氣儲能系統或兩者的復合儲能系統等物理儲能系統不僅選址靈活、環保性好、安全性高，而且占地少、經濟性好、廢棄后處理容易，可望成為解決短周期能量平移所需大規模電能儲存問題的根本性出路。此外，地下重力儲能、地下儲熱及其他地下綜合儲能等系統也是重要的發展方向。由此可見，通過選擇合理的實施方案，采用物理儲能完全能夠滿足我國未來對儲能系統的需求。

構建基于可再生能源的廣域虛擬電廠（源側電網）

廣域可再生能源的互補性與挑戰

在傳統的電網中，幾乎所有的電源均是可以調度的電源。因而，在電網的不斷發展過程中，一般是根據新增電源的選址和負荷需求情況，在原有電網基礎上疊加新的輸配電線路，并經過長期的發展形成了今天的電網。近年來，雖然可再生能源不斷地接入電網，但在既有電網上不斷疊加電源和輸配電線路的總體思路沒有根本性改變。

然而，由于可再生能源不可調度且具有時變性的特點，隨著可再生能源裝機在電網中的占比越來越高，一方面，電網將面臨一系列重大挑戰，主要包括：電網的調節容量嚴重不足，對于靈活調頻提出了重大需求；電力系統的慣量下降，導致頻率穩定性問題突出；電壓穩定和電壓控制水平下降。另一方面，光伏發電和風力發電在廣域范圍內具有較強的時空互補性，在廣域范圍內充分利用光伏發電和風力發電的時空互補性，對于提高電網的綜合效益是頗有裨益的。由于我國地域廣大，各區域光伏和風力資源隨時間變化曲線的相關性弱，而體現為互補性強。例如，就我國具體情況而言，國家氣象數據的調查研究表明：單個站點的風功率 1 分鐘波動值最大約為 20%，而 10 分鐘波動最大值達到了 100%；如果對全國主要的風電基地采用統一的輸電骨干網架有機連接起來以實現風資源互補利用，則總的風功率 1 分鐘最大波動值將降低到約 2.3%，而 10 分鐘最大波動值將降低到約 9.6%。如果進一步考慮太陽能光伏發電的時空互補性，則能更加有效降低光伏發電和風力發電總體出力的波動值。此外，光伏發電短時間尺度的波動性比風力發電大為降低，且考慮到風力發電在可再生能源發電中的比例相對較低，因而就全國廣域范圍的可再生能源發電而言，其總功率的短時功率波動率（波動功率占總功率的比值）就會降低到更低的程度，這將極大緩解對短時間尺度儲能容量或備用容量的需求。

我國“三北”地區的光伏和風電資源豐富，東部沿海也具有較為豐富的風電資源，但負荷中心主要集中在中部和東部地區，構建全國性統一電網以實現“西電東送、北電南送、各區互補”將是我國電網建設的長期格局，這就在客觀上為合理利用廣域范圍內光伏發電和風力發電的時空互補性提供了現實基礎。因此，考慮到光伏和風電資源的特點及其未來發展遠景，并結合我國實際情況，對于我國輸電網骨干網架的建設，需要進行全局性的謀劃，而不宜繼續采用過去在既有電網基礎上不斷疊加電源和輸電線路的思維模式。

未來電力系統的構建

構建設想：① 考慮到大量可再生能源按照傳統模式接入現有電網所帶來的系列挑戰，可以構建覆蓋一個全國范圍內統一的柔性直流電網，將我國主要的光伏電站、風電場、部分物理儲能電站通過柔性直流換流器接入該電網，以最大程度上利用廣域可再生能源的時空互補性，從而形成基于可再生能源的廣域源側電網；該源側電網實際上也可以視為一個廣域虛擬電廠。② 以傳統能源（火電、水電、核電）為主的傳統電網（即現有電網或負荷側電網），仍然維持以區域交流同步電網異步聯網的模式，新增電源和輸電線路仍然維持原有的思路和模式不變，電力用戶仍然接入傳統電網；同時，分布式能源通過分布式儲能和用戶微電網接入傳統電網。③ 廣域虛擬電廠（源側電網）通過柔性直流換流器多落點地連接傳統電網（也即負荷側電網），并為傳統電網提供電力；落點的輸送功率根據傳統電網的電力需求分布和安全穩定性約束確定。因此，廣域虛擬電廠（源側電網）便通過直流模式疊加到傳統電網上，即形成“網-網疊加模式”（圖 2）。④ 根據電網安全穩定運行和功率實時平衡的需求，在源側電網直流落點的交流側，就地連接多種物理儲能系統、靈活電源（如氣電）、旋轉備用及電壓補償設備，以保障傳統電網側維持足夠的慣量、可調節容量和電壓穩定性。因此，廣域虛擬電廠（源側電網）直流落點將成為電網中的關鍵節點，其不僅是“兩網”互聯和電力輸送的節點，也是維持電網穩定運行的功率調節和控制中心（PRCC）。PRCC 在本質上與換流站和變電站有根本性區別，并將成為未來電網的新生事物。⑤ 借助于多時間尺度的可再生能源功率預測預報技術和負荷預測預報技術，可以靈活地控制源側和各落點的柔性直流換流器，不僅可實現實時功率平衡，也可在某種程度上實現一定的調度功能。同時，廣域虛擬電廠（源側電網）不僅為光伏發電廠預留了一定的備用容量，還安裝有大量的物理儲能系統，因而廣域虛擬電廠（源側電網）自身也可以某種程度上響應短時間尺度的功率波動性和負荷側需求的變化。

通過以上方式構建以可再生能源為主的電網，其優點主要有：① 現有電網無須做出重大調整，而且可以按照原有模式發展和演化；高比例可再生能源接入所引起的系列問題通過構建另外一個統一的源側電網和網-網疊加模式來解決。② 通過源側電網實現廣域范圍的可再生能源資源互補利用并接入部分物理儲能系統后，使得源側電網自身具有一定程度的剛性和靈活性，因而功率調節和控制中心應對短時間尺度的功率波動就相對容易很多。③ 在滿足功率實時平衡的基礎上，源側電網的各個直流換流器相對獨立控制，因此源側電網具有良好的可拓展性，從而為接入新的可再生能源電廠、新的儲能設備或靈活電源、新的功率調節控制中心奠定了基礎。從這個意義上講，源側電網也可視為能實現“即插即用”的綜合能源平臺。

 總結與建議

 總結

本文結合可再生能源的特點，對“雙碳”目標下的可再生能源發展趨勢進行了預測，進而對光伏發電為主的電力結構進行預測：到 2060 年，我國總裝機將達到約 100 億千瓦，其中風力發電和光伏發電裝機將占 80%（80 億千瓦），而光伏發電裝機將達到約 64 億千瓦。基于可再生能源接入電網的需求和各種儲能系統的特點，本文認為物理儲能特別是地下物理儲能工程是解決規模化儲能問題的關鍵出路。為應對可再生能源大量接入電網所帶來的挑戰并結合可再生能源的時空互補性，本文提出構建廣域虛擬電廠作為“即插即用”的綜合能源平臺，以此形成源側電網與傳統電網（負荷側電網）相互疊加的組網模式；而“兩網”互聯節點作為功率調節和控制中心，可為解決高比例可再生能源電網所面臨的問題提供支撐。

 建議

加強相關領域的科技攻關和示范。為了促進“雙碳”目標的實施，建議大力發展新型光伏發電技術以進一步降低光伏發電成本和提高其效率；大力發展地下儲能工程，采用物理儲能技術解決日內調峰填谷問題；布局廣域虛擬電廠（源端電網）安全穩定性理論、規劃設計及其關鍵技術、核心材料與器件、關鍵裝備的研究，并適時開展示范工程試點的建設。

積極推進相適應的電力體制改革。在可再生能源占主導的情況下，電力系統中的源網儲強相關，因而在電力體制改革也要適應能源變革的需要和“雙碳”目標的實施；建議不同層次上的電力系統分別由不同的企業運營，以便于對不同層次系統內的源網儲進行統一協調與控制。例如，主要可再生能源電廠和儲能電站及全國性的源側電網由一家企業統一運營，區域傳統電網及相關的電廠和儲能系統由區域電力企業獨立運營，地方電力企業則經營配電網和分布式能源，而電力用戶主導微網的建設和運營。這樣一來，不同層次、不同地域的電力系統各自作為一個統一整體由不同的企業獨立運營、各司其職，通過相適應的規范與其他系統互聯并由上一級系統協調調度。

（作者：肖立業，中國科學院電工研究所、中國科學院大學； 潘教峰，中國科學院科技戰略咨詢研究院、中國科學院大學。《中國科學院院刊》供稿）

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