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清洁能源发电

摘要:

全球能源互联网是能源生产清洁化、配置广域化、消费电气化的重要平台,将为实现世界经济、社会、环境可持续发展提供系统解决方案。全球能源互联网的根本是促进清洁能源的开发和利用。清洁能源发电是实现清洁替代的关键技术。目前,主流的清洁能源发电技术包括水力发电技术、风力发电技术、太阳能光伏发电技术、太阳能热发电技术、地热发电技术,近年来海洋能发电技术也蓬勃发展。加快能源清洁转型、构建全球能源互联网,需要清洁能源发电技术不断进步,提升能源转化效率、降低成本。

报告采用技术成熟度(technologyreadiness,TR)评估方法,分析了主要技术路线的成熟度水平,提出技术发展目标。报告将清洁能源发电成本分为技术类和非技术类,技术类投资与技术成熟度高度相关,主要包括项目开发需要使用的设备投资和建筑安装等费用;非技术类投资主要包括项目前期费用,征地费用、人工费用、金融成本等。报告在经济性预测分析中将二者进行解耦,采用基于技术成熟度分析的多元线性回归法,评估和预测变化规律性相对较强的技术类投资;采用基于深度自学习神经元网络算法的关联度分析和预测方法,处理不确定性因素多,规律相对复杂的非技术类投资,建立了PSO-BPNN二元综合模型。结合技术发展目标及其成熟度研判成果,以2035和2050为水平年,分析预测了各类发电技术的经济性水平。

水力发电技术装备持续进步,度电成本维持在4~6美分/kWh范围。经历超过百年的发展和全球应用,水力发电技术和装备已成熟。目前,全球已投运的最大混流式水轮机单机容量达到770MW,采用1000MW单机的中国白鹤滩水电项目正在建设;变频调速可逆式水轮机组的最大单机容量达到480MW,最高扬程达到778m,最高转速达到500r/min;冲击式水轮机组最大单机容量达到423.13MW,最高水头达到1869m。水力发电经济性较好,目前全球水电平均度电成本在4~6美分/kWh。

水力发电关键技术主要涉及工程选址和建设,水轮发电机组设计制造和水电站运行控制等方面。随着全球水电资源开发不断深入,应用最为广泛的大型混流式水轮机,用于高水头水电资源开发的冲击式水轮机和用于电力系统调峰的变频调速抽蓄机组的设计、研发和制造技术是未来发展重点。其中,水力设计、稳定性研究、电磁设计和结构优化、推力轴承制造和水电机组控制等方面是重要的攻关方向。随着技术进步,预计到2050年,大型混流式水轮发电机组有望实现单机容量1500MW,最高水头800m;冲击式水轮发电机组,有望实现单机容量800MW,最高水头2200m;变频调速抽蓄机组有望实现单机容量750MW,最高扬程1000m,转速700r/min。

考虑到技术进步装备成本下降、水电资源开发条件日趋复杂的多重因素作用,未来全球水电的平均度电成本可能会有小幅波动并呈现出较大的区域性差异,但总体平均水平仍稳定在4~6美分/kWh范围,部分资源条件好、非技术性成本低的工程,如刚果河大英加电站,度电成本有望降至3~3.5美分/kWh。

风力发电机组大型化趋势明显,风电开发由陆上向海上、极地等资源富集地区延伸,风力发电度电成本持续降低。风力发电技术经历了数十年的发展,风力发电技术和装备日益成熟。目前,全球陆上风机的平均单机装机容量2.6MW,平均风轮直径110.4m;全球海上风机的平均单机装机容量5.5MW,平均风轮直径148m。风力发电是当前最具经济性的新能源发电,全球陆上风电平均度电成本4.7美分/kWh,海上风电平均7.8美分/kWh。

风力发电关键技术主要涉及两个方面,一是风力发电机组的技术研发。为提高发电效率,低风速风机和大型化风机是未来发展趋势,其中叶片的大型化是关键。叶片结构设计、叶尖速设计、材料和分段式叶片技术等是风机叶片大型化的重要攻关方向。二是风电场建设、并网及运维控制技术。海上、极地风速更高,波动性小,为提高风电开发效率、节约可利用土地资源,风电场建设正向海上、极地延伸。海上风机基础技术进步是发展海上风电的关键,基础结构选择和结构模态分析、桩基设计、载荷计算和疲劳分析等技术是重要攻关方向;风机抗低温运行技术是发展极地风电的关键,抗寒叶片研发、耐低温润滑油、低温密封材料选择、叶片除冰等技术是重要攻关方向。

预计到2050年,陆上风机平均风轮直径有望达到220m,平均单机容量超过12MW;海上风机平均风轮直径有望达到250m,平均单机容量超过20MW。考虑到风机大型化带来的风机效率提升、运维成本下降以及海上、极地风电的大规模开发,到2050年,全球陆上风电平均度电成本有望降至2.6美分/kWh,海上风电有望降至5美分/kWh。在资源条件优越的区域,如南美阿根廷南部地区,陆上风电度电成本有望低至2美分/kWh,在欧洲北海,海上风电度电成本有望低至4美分/kWh。

光伏发电的效率不断提升,电池组件制造工艺持续优化改进,光伏电站运维技术明显改善,度电成本快速下降。太阳能光伏发电技术经过了160多年的发展历史,从20世纪50年代中期,光伏电池板的材料水平快速进步,光伏发电技术和装备日益成熟。目前,晶硅电池组件的转换效率达到24.4%,薄膜电池组件的转换效率达到19.2%。近十年,全球光伏发电的平均度电成本已大幅从35美分/kWh下降到4.6美分/kWh。

光伏发电关键技术主要涉及两个方面,一是光伏电池的研发与制造,关键在于提升转换效率。降低光损失、载流子复合损失和串并联电阻损失是提高电池转换效率的主要研发方向,研究制造新型多PN结层叠电池,是突破单结电池效率极限的关键;二是光伏组件相关技术,关键在于提升极低温/强辐射等恶劣环境下光伏组件的性能和寿命。增加光伏玻璃密度和透光率,增强封装材料(EVA胶膜)化学稳定性、粘度和耐低温性能,增强背板的低温机械强度、韧性及抗老化性能是提升极端环境下光伏组件性能和寿命的重要攻关方向。

预计到2050年,晶硅电池组件转换效率有望达到27%;铜铟镓硒薄膜电池组件转换效率有望达到25%,新型多PN结层叠电池组件的转换效率有望达到35%。考虑到电池材料的突破和生产工艺进步,预计2050年全球光伏发电规模化开发的平均度电成本有望降至1.5美分/kWh,部分资源条件好、非技术性成本低的地区,有望低至1美分/kWh。

光热发电技术逐步成熟,集热场效率和系统运行温度不断提升,度电成本下降趋势显著。从20世纪70年代开始,由于石油危机的影响,光热发电技术成为研究热点,经过近几十年的发展,槽式和塔式光热发电技术已实现商业化运行,槽式光热电站主要采用水或导热油为传热工质,系统运行温度在230~430°C;塔式光热电站主要采用熔融盐传热,温度在375~565°C。碟式和线性菲涅尔式仍处于工程示范阶段。目前,全球光热电站的平均度电成本还较高,约为19美分/kWh。

光热发电关键技术主要涉及两个方面,一是提高光热转换效率,关键是提高集热场聚光比。改进和创新集热场的反射镜和跟踪方式是提高聚光比的重要攻关方向;二是提高热电转换效率,关键是研发和选取高性能传热介质、提高系统运行温度。研发新型硅油、液态金属、固体颗粒、热空气等新型传热介质,采用超临界二氧化碳布雷顿循环等新型发电技术,是重要攻关方向。

预计到2050年,光热电站有望采用更高传热效率、更高热容比的传热介质,运行温度达到800~1100°C。尽管光热发电系统构成复杂、选址要求苛刻、受到热电转换极限约束,但考虑到光热电站效率提升,生产设备技术进步和产业链完善,预计到2050年全球光热发电的平均度电成本有望降至5.3美分/kWh。未来,在纯太阳能发电基地外送场景中采用光热光伏联合开发模式,可以充分利用光伏成本低和光热具备调节能力的特点,将二者进行优势互补,具有较好的发展前景。

水热型地热发电技术已经成熟,但可开发资源有限;干热岩型地热资源储量大,发电技术有待突破,度电成本相对较高。从20世纪初首台地热能发电站建成至今,经过近百年的发展,水热型地热发电技术已经成熟,在全球多国实现了商业化开发。干热岩型地热资源埋藏较深、开发潜力大,增强型地热系统(EGS)开发技术还处于试验阶段,未实现商业化。目前全球地热发电平均度电成本约7.2美分/kWh。

地热发电的关键技术包括地热井开发、地热流体收集、地热发电设备设计及地热田回灌等。未来技术研发主要集中在三个方向,一是中低温地热发电进一步降低乏汽排放温度,提高整体循环效率;二是干热岩地热能发电要突破资源评估与选址、高温钻探和储层改造等技术;三是与其他清洁能源发电技术实现多能互补联合发电,提高能源利用效率。考虑未来钻井完井技术突破可能带来的经济性提升,预计2050年左右,包含干热岩型在内的地热发电的度电成本有望降至5~6美分/kWh。

海洋能开发技术路线繁多,潮汐能已经实现小规模商业开发,波浪能处于工程示范阶段,海流能、温差能、盐差能等新型海洋能发电技术具备一定的发展潜力。海洋能发电技术中,潮汐能发电技术最成熟,已实现商业化开发,波浪能已有多个示范性工程,海流能和温差能发电处在原理性研究和小型试验阶段,盐差能发电仍处于实验室研究水平。

潮汐能发电关键技术包括潮汐能的预测和评估、潮汐电站的设计等,未来充分开发条件较好的站址资源,利用潮汐发电的周期性与风电、光伏其他清洁能源发电不同的特点,实现沿海地区的清洁用能、多能互补。波浪能发电的关键技术包括波浪载荷设计及其在海洋环境中的生存技术、装置建造和施工中的海洋工程技术、不规则波浪中的发电装置设计与运行优化技术等;未来有望与海上风电开发相结合,共用电力外送通道,提高系统综合发电利用率。海流能发电的关键技术包括设计高效率叶片,改进功率控制方式,提高自对流精确度,改进安装锚定与维修技术等;未来可在远海、深海供电场景中发挥重要作用。温差能发电的关键技术包括换热器防腐蚀和防海洋微生物附着技术、冷海水管的制造和安装技术等;除发电外,还可以实现对深层海水综合利用,与海洋养殖、海水淡化等产业结合发展。盐差能发电的关键技术包括提高渗透膜的效率、降低渗透膜的制造成本、延长渗透膜的使用寿命等,解决技术和选址瓶颈,逐步实现从实验室走向工程应用。

未来海洋能发电技术研发将集中在三个方向,一是提高电站的发电效率、装机容量;二是提升电站、设备在高盐、高腐蚀环境下长期可靠运行的能力;三是降低电站造价及运维成本,提升海洋能资源开发的经济性。