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构建特高压全球能源互联网需要深入论证的几个问题
日期:2016-02-04 14:07:32 | 来源:能源与环保 | 点击率:1696
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引言

习近平主席去年9月在联合国发展峰会上提出的探讨构建全球能源互联网的倡议,包含两个要点:一是要不断推动能源革命,坚持电力的清洁和绿色化发展方向;二是要对如何建设全球能源互联网进行国际探讨,切实找到一条实现能源可持续发展的有效路径。这是习主席从战略层面对推动全球能源革命的思考,落实习主席的倡议,需要从战术层面对全球能源互联网的建设进行全面深入的技术论证,提出具有可操作性的实施方案。

构建全球能源互联网有不同的方案(或模式),以特高压电网为骨干网架的全球能源互联网只是其中有待探讨的一种。该方案的实质就是利用特高压技术实现全球电网互联,“能源互联网”在这里只是电网的一个代名词。提出2050年建成全球能源互联网,等于提出了一个全球电网互联的远景规划,其涉及的内容和问题不仅复杂而且重大,按照一般规划编制的要求,需要组织国内甚至国际最权威的专业咨询机构进行全面深入的科学论证,提出一套完整的包含各种专题在内的研究报告,然后经过专家评审后作出结论。从目前的情况看,该方案似乎还处于宣传设想阶段,达到具有可操作性的要求还有一定距离。其所涉及到的一些问题,比如是否符合现代电网的发展方向、风能和太阳能电力超远距离输送的必要性、超级大电网的安全可靠性、在世界范围的社会可行性、与我国电网“十三五”及远景规划的关系等问题,尚未给出经过深入论证的结论,而这些问题每一个都可能对方案产生重大甚至颠覆性的影响。因此,认真、全面研究这些问题是十分必要的。

1、与现代电网发展方向的一致性问题

中国科学院院士、电力系统专家周孝信认为,世界电网在上个世纪经历了第一代和第二代的发展,进入新世纪后正在向第三代电网过渡。第一代电网的特点是小机组、小电网、低等级电压输电,第二代电网的特点是大机组、大电网、超高压输电。第三代电网(即现代电网)的特点是清洁能源发电占比超过60%,骨干电源与分布式电源相结合,大型主干电网与区域电网及微电网相结合。由于分布式电源和微电网的发展,第三代电网的供电可靠性大幅提高,基本避免了大面积停电的风险。以互联网思维审视传统电网,可以预知,随着新能源革命的深入发展,第三代电网将向着新型综合能源系统扩展,并最终建立起一个生产要素配置去中心化、生产管理模式扁平化、可再生能源优先、因地制宜的多能源互联互通、高度信息化、智能化、一体化的可持续能源供给系统,这个系统就是“能源互联网”。可以这样说,周院士向人们描绘了第三代电网和能源互联网的蓝图,也指明了现代电网的发展方向。

能源革命的目的是以可再生能源替代化石能源,由于可再生能源具有分散和能量密度低的特点,为实现能源革命的目标,传统电网在互联网、储能、可再生能源开发利用等一系列新技术的推动下,正经历着一场变革。这场变革将颠覆电网有史以来遵循的“电压等级越来越高、电网规模越来越大、电源建设越来越集中”的传统技术路线,而走出一条“两注重、两结合、四个化”的新路径:即注重小型电源建设、分布式电源与集中式电源相结合,注重小微电网建设、主干电网与小微电网相结合,全面实现电网的绿色化、扁平化、互动化和智能化。传统电网与现代电网技术路线的区别,简单形象地说就是,前者注重“电从远方来”,后者注重“电从身边来”。

以特高压电网为骨干网架构建全球统一电网,在“一极一道”(北极、赤道)开发建设特大型风能和太阳能发电基地,向亚洲、欧洲、北美洲和东南亚送电,实现跨洲电网互联并配套建立全球电力调度中心,如此高度集中型的超级大电网,是完全按照传统电网的技术路线构想的结果,明显属于第二代电网的范畴。

杰里米˙里夫金在《第三次工业革命》一书中说:集中型的超级电网与分散式的智能网络之争,将决定子孙后代究竟要从今天人们的手中继承一个什么样的经济和社会的问题。他认为能源革命将使“分散式的智能网络”成为电网的主体,愈来愈多的公众将直接参与到可再生能源的就地生产中,既是生产者也是消费者。能源的民主化将创造出数以佰万计的就业岗位,为经济发展注入新的活力。

可以看出,以特高压电网为骨干网架的全球能源互联网(即全球电网互联),似乎并不符合现代电网的发展方向。

2、风能和太阳能电力超远距离输送的必要性问题

地球拥有十分丰富的可再生能源资源。据有关机构统计,全球太阳能和风能的理论蕴藏量分别为150000万亿千瓦时/年和2000万亿千瓦时/年,若2050年全球的用电量达到76万亿千万时,则只需要开发其中的万分之五即可满足需求。与化石能源资源的蕴藏方式不同,可再生能源资源在地球各大洲的分布广泛且相对均匀,尤其是与人们的需求量相比,更是如此。比如占有量最少的欧洲,其太阳能和风能的理论蕴藏量分别是3000万亿千瓦时/年和150万亿千瓦时/年,在不计生物质能、水能、地热能等其它可再生能源资源的情况下,也只需要开发其中不到千分之四的量即可满足2050年欧洲的用电需求。因此,各大洲实现电力供给绿色化,依靠自身的资源基本上都是没有问题的。

不仅一个大洲可以自平衡,实际上多数国家也都能通过充分利用自身的可再生能源资源,做到电力的自我平衡。美国能源专家艾默里˙洛文斯在《重塑能源:新能源世纪的商业解决方案》一书中说,对于美国,仅计入目前认为适合开发的陆上风电发电量即等于2010年用电量的9.5倍,而利用现有商业化技术获得的各类可再生能源发电量总计可达75万亿千瓦时/年,至少是美国2020年用电量的15倍。可见美国也是一个可再生能源资源丰富的国家。整个北美洲2050年的电力需求,即使按令人咋舌的人均22900千瓦时计算,也不过10万亿千万时,满足其绿色化供电,仅依靠美国目前已明确可以获得的可再生能源资源,也是绰绰有余的。

规划构建以交流特高压电网为骨干网架的北美互联电网,并建设多条直流特高压输电线路穿越白令海峡,以及由格陵兰岛穿越近500千米的海域将北极约2亿千瓦风电送入美国和加拿大,参与北美洲电力平衡,这种舍近求远的规划方案,要说服美国人接受,恐怕很难做到。美国能源部于2003年提出的美国未来电网的发展规划(Grid 2030),构想的是用高温超导材料与液态氢结合,建设新型国家骨干网架,这个网架的电压等级比超高压还低,在实现电力高效输送的同时,还可将氢气作为交通能源使用。这一构想完全突破了传统电网技术的模式,尽管目前也只是一个设想,但由此可以感受到美国人那种敢为人先的首创精神,他们瞄准的一定是最有价值和最具革命意义的前沿技术。

特高压全球能源互联网的另一个规划是,将澳大利亚的太阳能电力通过直流特高压输电线路和海底电缆,经过6000公里的“长途跋涉”(其中约500公里为海洋,5500公里为陆地)送到四季如夏的泰国。上世纪90年代,泰国想从我国云南输入300万千瓦水电,双方政府曾为此签定了谅解备忘录,输电工程的可行性研究和商务谈判时断时续,至今已延续了20余年,仍然还在沟通中,关键问题是电价难以达成一致意见。该项目至泰国的输电距离只有约1600千米,没有跨海问题,送的又是水电尚且如此,很难想象泰国会放弃开发本地的太阳能,而去购买6000公里外澳大利亚的太阳能电力。

风能和太阳能发电利用小时数低,加之穿越大海超远距离输电,投资巨大(一回500千伏海底电缆每千米的投资已接近亿元,特高压海底电缆的投资可想而知),不仅不经济,而且没必要。事实上距离地球1.5亿千米的“太阳”已经将人类需要的能源从遥远的太空,以光波的形式输送到了地球的每个角落,人类的任务就是接收这些太阳能(包括由太阳能转换而成的风能、生物质能等能源),制造先进的设备将它们就地高效转换成电能,同时根据需要尽可能储存。因此提高设备的能源转换率,寻找理想的储能方式,是新技术创新的重点,没有必要将注意力放在风能和太阳能电力的超远距离输送问题上。“往石头山上运石头”近距离不可以,远距离更不应当。

3、电网互联互通的局限性和受限性问题

探讨建设全球能源互联网,有一种倾向或者说问题需要引起注意,就是有一些宣传在某种意义上将电网和互联网(Internet)等同起来了。比如将互联网比作人的神经,电网比作人的血管,认为既然神经已经在全球联通了,血管也一定会联通。有的还认为只要电网在全世界实现了互联互通,电力就可以在电网中自由传输,人们“分享”电力也会像在互联网中分享信息一样方便。

这些误解和幻想是由于对电网和互联网各自所遵循的物理规律缺乏深刻了解产生的。电网可以借鉴互联网的理念和思维指导规划建设,也可以直接利用互联网和互联网技术为电网服务,但任何时候不能将电网与互联网混淆起来。

电网的基本功能是传输能量,支撑它的主要是能量的转换、传输和控制技术;互联网的基本功能是传递信息,支撑它的主要是计算机和光纤通信技术。从结构上看,电网有多个电压层级,是一个“立体的网络”,互联网则是一个“扁平的网络”。这些特征表明电网和互联网在技术特性上存在着巨大差异,至少有以下6个方面的理由,不支持电网像互联网一样形成一张覆盖全球统一的网。

(1)电力的远距离,特别是超远距离传输受到电能损耗的严重制约。比如将某地一普通居民在配网侧自己生产的太阳能电力送给5000公里外另一大洲的居民“分享”(假设电网具备相应传输能力),这部分电力要经过多次升压,从10千伏到35千伏(或110千伏),再到220千伏,再到500千伏,然后进入直流特高压换流站,转换为直流后再经过5000公里的直流特高压线路到达对侧的特高压换流站,再重新转换为交流,又从高到低依次层层降压至对侧的配电网,然后进入“分享”者的家中。这一过程虽然可瞬间完成,但升压或降压所经过的各层级变压器和输电线路,每一个环节都要产生损耗。一般估计送、受端交流电网损耗分别约为6%和5%,直流环节约为9%,全程损耗可达到20%。因此,电力的超远距离输送是应当尽量避免的。

(2)电力是同质化的,信息是个性化的。每一条信息都可能有它独特的价值,会受到世界各地不同人们的关注,因此信息在全世界范围自由流动有其内在的要求。而地球上任一个地方生产的电力都具有相同的技术特性和功能,在可再生能源随处可取的情况下,人们没有必要舍近求远,刻意去“分享”千里甚至万里之外别人生产的电力。

(3)分区平衡是电网保证安全、经济、可靠供电的一个基本原则。这个原则有四个要点:一是优先考虑利用本地各种有利条件,就近建设发电站参与电网供需平衡;二是必要的远方来电,应尽量避免穿越其它负荷中心而直接送入受端;三是电网的结构要能有效阻止事故漫延,保证解列后的各部分电网较容易地实现各自平衡运行;四是合理控制同步电网规模。采用直流联网是实现电网分区平衡最理想的途径。电网的互联(包括联网方式,联网规模)都只是电网实现安全、经济、可靠供电的一种手段或一个选项,而不是电网本身追求的目标。不论互联电网的规模有多大,按照分区平衡的原则,电力(潮流)不会、也不应当任意大范围流动。

(4)电网的互联都有其特定的目的,主要有3种类型的联网,一是以输送电力为目的、二是以获取各种补偿效益为目的、三是以互为备用为目的。国与国、洲与洲是否联网,取决于是否有实际需要并使双方获益,为联网而联网是不可取的。有人以为东半球和西半球应当联网,因为东半球白天用电高峰时,西半球正好处于夜晚的低谷用电期,联网可获得巨大的时差补偿效益。这种意见听起来很有道理,但认真研究就会发现并非如此。因为今后的电网将以可再生电源为主,主要是风电和太阳能发电,假设两者的装机容量各占一半,夜晚用电低谷时,太阳能电站恰好不发电,这时电网的最小负荷率若高于60%,电网反而缺电(这种情况与化石能源为主的电网完全不同)。为满足夜晚的用电,还需要提高风电装机比例,通过科学规划在网内进行风光互补。东半球和西半球电网负荷中心相距遥远,又隔海,建设输电线路投资巨大,联网的结果显然是得不偿失的。

(5)同步电网规模过大,必然强化电网与生俱来的脆弱性,带来更大的安全风险。电网的运行具有最强硬的系统性和整体性要求,任何环节必须协调一致工作,时时刻刻保持功率平衡和功角、电压稳定,稍有破坏即会造成事故,甚至导致系统崩溃。全球联网即使各大洲之间以直流相联,但由于各大洲同步电网的规模也十分巨大,仍旧存在大面积停电的安全风险。艾默里˙洛文斯在《重塑能源:新能源世纪的商业解决方案》一书中介绍,由于认识到电网的脆弱性,美国五角大楼一直在模拟各种事故并研究对策,目前已考虑改变军事设施对商业电网的依赖,转向就近利用可独立运行的微电网中的可再生能源供电。

(6)全球有很多岛国,与其他国家隔海相望,有的相距遥远,比如新西兰与澳大利亚海洋距离超过2000千米。互联网由于有光纤,可以很容易做到将全球有人居住的地方都联起来,而电网仅依靠包括特高压在内的现有技术,几乎是做不到这一点的。所以,“神经”可以联通,不见得“血管”也一定能联通。此外,由于交流特高压电网本身具有环境代价大、投资效益差、“寄生性”(无电源直接接入)导致实际输电极限不高,以及电压层次增加带来电网复杂性等难以克服的缺点,要得到普遍认可成为各大洲电网的骨干网架,难度实在太大。

可见,由于受电网的技术特性、技术水平以及经济性的制约,期望全球电网互联并形成一个可以承担全球能源资源统一配置的平台,是不大可能的。

4、与我国“十三五”及中长期电网规划的关系问题

全球电网互联按规划分三个阶段进行:第一阶段从现在到2020年各国完成国内互联,第二阶段从2020年到2030年实现洲内互联,第三阶段从2030年到2050年进行洲际互联,形成全球大联网格局。每个阶段我国电网需要配合完成的内容是:2020年国家电网建成东部和西部两个特高压同步电网(2025年合为一个同步电网);2030年前在新疆建设可再生能源基地向欧洲送电,实现中国与欧洲联网;2050年前建设多回长4400—5000千米的特高压线路,从北极穿越俄罗斯到我国华北,每年向我国输送北极风电大约8000亿千瓦时(北极送东北亚的风电共计为1.2万亿千瓦时)。规划方案虽然十分宏伟,但似乎也存在着一些矛盾和问题。

(1)从目前我国经济新常态对电力的需求看,2020年(即在“十三五”期内)要在除南方电网五省区外的范围内,建成东部和西部两个特高压同步电网,实现更大规模的西电东送和北电南送(主要还是送煤电),客观上没有这样的要求。若强行投入巨资建设,只会造成不必要的巨额浪费,并大幅推高电价水平。在市场对资源配置起决定性作用的条件下,这样的规划可能难以实现。

(2)传统电网正在经历的变革是无法阻挡的历史潮流。现代电网技术的真正创新,如储能技术、超导技术、交直流柔性输电技术、主动配电网和微电网技术、天然气分布式发电技术、可再生能源开发和转换为天然气技术,以及一体化可持续能源系统(即能源互联网)的建设,其共同的指向都是电网的去中心化、扁平化、本地化、互动化、智能化和低碳化。交流特高压(非直流特高压)属于第二代电网技术,在我国建设一个高度集中型的交流特高压超级同步电网,可能会将我国电网禁锢在第二代电网的模式中,而失去创新的活力。需要指出的是,同步电网的个数减少只是一种阶段性现象,并非电网发展的客观规律,按照因地制宜的原则,现代电网中将会出现无数可独立运行(亦可与大网联网运行)的小微电网。

(3)我国电网目前仍然是一个以煤电为主的电网(2014煤炭的发电量比重依旧超过了70%),是世界上低碳化和绿色化任务最艰巨和繁重的电网之一。尽管国家采取了各种鼓励发展可再生能源的措施,但到2030年估计我国电网中的可再生能源发电量比例(含水电)也很难超过45%。在这样的情况下规划在新疆建设可再生能源基地,向低碳化水平远高于我国的欧洲送电,显然是不明智的。

(4)我国是公认的可再生能源资源较丰富的国家之一,仅太阳能和陆上风能的技术可开发量就分别达到110万亿千瓦时/年和20万亿千瓦时/年,约为2050年全国用电需求的10倍。2015年由国家发改委能源研究所等多家研究机构参与完成的《中国2050高比例可再生能源发展情景暨路径研究》报告,认为2050年我国电网的可再生能源发电量比例可以达到85%。这个目标比特高压全球能源互联网规划的全球目标90%低5个百分点,比德国规划的目标80%高5个百分点,尽管显得过于乐观和激进,但有一点是肯定的,就是实现这个目标只需要利用我国自己的可再生能源资源,而不必舍近求远从北极输入风电(我国西部最边远的城市喀什与北京的距离不足3500公里)。

制定我国电网的中长期发展规划,实现电力的绿色化发展,的确需要树立全球能源观,但这个能源观应当是科学、务实、客观和辩证的,而不应当是空泛、主观和形而上学的。它包含以下两个主要观点:

(1)地球拥有的可再生能源资源超出人类需求的数千倍,而且分布广泛,不存在统筹开发和全球配置的问题,电力的超远距离输送是不经济和没有必要的。

(2)我国人口约占世界人口的五分之一,是能源消费大国和碳排放大国(2014我国的碳排放占全球总量29%,位居第一)。因此,立足国内,以只争朝夕的精神实现我国电网的低碳化、绿色化,本身就是对预防全球气候变暖,保护生态环境的巨大贡献。

5、世界范围内的社会可行性问题

欧洲早就有建设超级电网的规划,包括两个巨型项目:一个是2009年提出的沙漠科技项目,规划在撒哈拉沙漠建设太阳能热电厂和风电场,通过3000-5000公里的直流线路向欧洲送电,2050年达到向欧洲提供所需电力15%的目标。另一个是2010年提出的海洋科技项目,规划在北海建设容量为1亿千瓦的海上风电,依托超级电网向欧洲各国供电。与全球特高压电网互联规划相比,尤其是与“一极一道”的输电规划相比,欧洲的超级电网规划无疑是小巫见大巫。但就是这样一个规划,却遭到了原世界可再生能源理事会、欧洲可再生能源协会主席赫尔曼˙希尔先生的尖锐批评,他在《能源变革-最终的挑战》一书中,对超级电网存在的问题进行了鞭辟入里的分析。现将他的主要观点概括如下:

(1)超级电网是发展可再生能源的绊脚石,因为如果依赖这些项目的实施,人们选择的无疑是一条曲折的道路,能源变革将不可避免地放缓。以分散投资发展可再生分布式电源,是实现能源变革最快的方法。

(2)超级电网并非有利于经济社会的发展,原因是它没有关注区域经济的需求,几乎完全是为满足电力行业的需要而设计的,它没有增加反而减少了参与可再生能源生产的人数。

(3)由于政治、经济和社会的原因,超级电网项目不可能按照预定的投资概算和时间进度实施,而且由于很多技术是第一次碰到,如在深度超过1000米的海水中铺设超高压直流电缆等,最终会造成成本爆炸性增长。

(4)并非技术上可行的每件事都是可以实现的,技术可行不等同于社会可行。技术万能者对各种社会政治的影响因素视而不见,他们最终把项目的失败归结为各国的政治意愿,而不承认规划自身存在脱离实际的问题。

目前,欧洲超级电网项目基本处于停滞状态。赫尔曼˙希尔先生说,要是德国在2000年不是制定《可再生能源法》而是做出开展“沙漠科技”项目的决定,那么极有可能到2010年的时候,德国电网中甚至连1千瓦新增的可再生电力也没有。2013年德国的太阳能和风能发电装机容量已达到7000万千瓦,90%以上接入配网就近供电,可再生能源发电量占全社会用电量比例已接近30%,规划2050年可基本依靠自己的资源实现可再生能源发电量达到80%的目标。

欧洲超级电网的经验教训以及赫尔曼˙希尔先生的观点值得借鉴和参考,一项技术在工程上获得成功后,能否大规模推广应用只能由市场来决定。欧洲的沙漠科技和海洋科技项目,规划采用直流远距离向欧洲输电的容量尽管已达到其用电总量的15-20%,却并没有要求将欧洲电网的最高电压等级由400千伏提升到特高压。因此,现在提出在欧洲建设“三横三纵”交流特高压网架的规划方案,估计也很难得到欧洲各国的赞同。

6、结语

建设全球能源互联网是人类的美好梦想而非政治任务,因此开展国际性的学术探讨十分必要。探讨的重点是根据能源革命的要求和新技术的发展趋势,遵循市场经济规律,提出建设全球能源互联网的科学路径和具有可操作性的技术方案。

目前,我国国内正在轰轰烈烈地开展能源互联网的研究和建设,按照多数学者的共识,能源互联网是一个以电网为核心和纽带,具有生产要素配置去中心化、生产管理模式扁平化、多能源互联互通,以及绿色、互动、智能、一体化为特征的可持续能源供给系统。构建全球能源互联网就是把这样的技术模式及其理念推向全世界,从而尽早实现以低碳和绿色方式满足全球电力需求的目标。由于各个国家以及各大洲的地理条件和资源禀赋不同,能源互联网的建设无疑应当是因地制宜并各具特色的。

从现在到2050年还有35年的时间,在这不算太短的岁月里,还会有无数的新技术被创造出来,持续不断地改变世界的面貌和人们的生活。如何准确把握现代电网和新技术的发展方向,从而提出真正经得起历史检验的全球能源互联网的建设路径和方案,是一个需要人们以“三实”(谋事要实、创业要实、做人要实)和敢于追求真理的精神深入探讨的问题。

 

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