全球電力領域正在進行深刻的變革。電力企業需要在滿足人類日益增長的能源需求的同時,提高運營績效、環保績效以及普惠性。種種需求交織在一起,讓低碳化、靈活性和多能互補成為代表電力行業前行的三大特點。三者互相聯系、互相支撐,將在未來很長時期推動電力行業的發展。
低碳化是現代能源發展不可逆轉的潮流。根據GE最新統計數據,2018-2027年間,全球平均每年將有4150億美元投入新建電廠項目中,而其中2/3為可再生能源發電。可再生能源發電間歇性和波動性的特點,使其在現階段不能在電網中獨立存在,需要配備相應的儲能系統,或是需要其他能源做補充。而鑒于目前儲能系統成本仍然較高,在清潔能源發電側大規模布局儲能設施的經濟性暫不能體現,分布式能源有良好的發展基礎。
太陽能、風能等可再生能源本身就是去中心化的,一些工業園區采用的“熱電聯產”、“以熱定電”等能源梯級利用方法就是基于分布式能源。全球仍有十億人口尚沒有穩定的電力供應,這些人口多處在偏遠地區,傳統的集中式發電需要搭配長距離輸電設施,成本過高。而分布式可以減少長距離輸送損失,有效提高地區能源的安全性和有效性。
未來將是集中式發電和分布式發電共存的時代,兩者缺一不可。大電網將連接發電端和用電端,并實現雙向流動,以此實現最低的輸電成本。這其中,通過“可再生能源+燃氣發電”組成的混合分布式能源項目能夠更好地適應局部用電需求。
天然氣發電所產生的二氧化碳是所有化石燃料發電方式中最低的,約占同等規模燃煤電廠的50%。其他污染物如汞、氮氧化物和硫氧化物和粉塵的排放水平更低。因此,燃氣發電更符合可持續發展的需求。以美國為例,2005年以來,該國所有部門(電力、交通、工業、農業)二氧化碳排放減少大約27%,其中2/3源自電廠的“煤改氣”。
除了低碳化,未來的能源結構中還電力來源穩定、靈活性高,能夠在可再生能源發電量不足時提供基礎負荷,并根據其發電量削峰填谷,確保供電穩定安全。能否滿足調峰需求,甚至已經成為發電企業的考核指標之一。而燃氣發電不僅穩定,相比其它化石能源具備更好的靈活性。例如,一座裝機容量在570兆瓦的GE HA級燃氣聯合循環電廠可以在不到30分鐘內啟動,并以每分鐘60兆瓦增加或降低負荷,同時為約50萬戶家庭提供電力。而在部分負荷工況下,比如燃氣電廠負荷降到200兆瓦時,依然可以滿足排放標準,成為當地能源安全的護衛者與電網的穩定器,也可以與可再生能源形成補充,促進可再生能源迅速成長。
而在多能互補方面,燃氣發電同樣能夠發揮自身的優勢。以GE和美國南加州愛迪生公司部署的全球首例電池—燃氣輪機混合發電系統為例,該系統集成了10兆瓦鋰離子電池儲能系統和一臺LM6000航改燃機,以及相應的控制系統,允許燃氣輪機處于旋轉備用模式,而無需使用燃料,并可立即響應不斷變化的電力調度需求。在不需要進行調峰時,燃氣輪機處在旋轉備用狀態,而這時響應電網動力需求就通過電池來提供;當需要調峰時,通過先進的控制系統,將燃氣輪機立刻從旋轉備用狀態喚醒,快速啟動帶負荷,可以立即向電網輸送電力。這種電池—燃氣輪機混合發電系統不僅節省燃料、降低維護成本,也能夠減少溫室氣體排放。愛迪生公司的數據顯示,采用該系統后,每年可減少碳排放60%,同時節省200萬加侖的水。與此同時,這樣的混合發電解決方案還具有可擴展性、可定制性和靈活性,可減輕由于吸納可再生能源發電產生的負擔,無縫地接受可再生能源。
事實上,天然氣發電也是最節省土地資源的發電方式,特別適合經濟發達、人口稠密、寸土寸金的都市地區。一座9HA電廠占地約為660兆瓦煤電廠的1/3。與可再生能源加電池存儲系統相比,燃氣發電每兆瓦發電量耗費的土地只為前者的五十到百分之一。
與此同時,燃氣電廠的建設周期相對更短、初始投資相對更低。大型燃氣聯合循環燃氣發電廠可在2—3年內建成并投入使用,30兆瓦的移動式燃氣輪機發電機組甚至可以通過陸地、海上或空中運輸到偏遠地區,幾周內就可發電。
另外,燃氣發電的經濟優勢是覆蓋全生命周期的。根據國際咨詢公司IHS最新發布的統計數據,2012年到2016年期間,燃氣電廠平均度電成本下降了0.3個百分點。同時,還可大大減少各種污染物的排放。以采用了GE 6F.03燃機的高郵燃氣熱電項目為例,該項目每年可減排二氧化硫1390噸、氮氧化物464噸、煙塵2295噸、灰渣3.8萬噸,年節約標煤8.77萬噸。
綜上所述,天然氣發電在現今和將來能源轉型中的重要性不容小覷。為了降低能源系統給環境帶來的影響,天然氣發電技術還將成為與過去的橋梁和通向未來的基礎。GE發電也將用超過125年歷史積累的經驗和技術,攜手整個發電行業不斷創新,探索最佳解決方案,共創價值。
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原文標題:低碳、靈活、多能互補——觸摸未來電力系統
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