第1章　緒論

1.1　清潔能源發展現狀

1.1.1　世界清潔能源總體消納情況

進入21世紀，人類正面臨著資源和環境的嚴峻考驗，大力發展清潔能源和實現經濟社會可持續發展已成為當今世界的主流認識。如今，全球能源仍處于石油時代，其中：中東地區清潔能源的份額非常低，天然氣及原油占主導地位；中南美洲由于水電比例較高，清潔能源發展迅速；歐洲由于光伏和生物質資源豐富，清潔能源份額非常高，利用率很高。

21世紀初，全球清潔能源總裝機容量約為388GW，其中：風電為193GW，小水電為80GW，生物質和廢物能源發電為65GW，太陽能發電為43GW，地熱發電為7GW，海洋能發電為0.27GW。至2016年，全球清潔能源（核電+水電+新能源發電）的平均水平為14.6%，我國的清潔能源份額為13.0%，低于世界平均水平，也比美國低14.7%。但我國的清潔能源發展很快，從2012年到2016年，當世界清潔能源發展平均水平增長1.5%時，我國增長了3.7%，而美國僅增長1.2%，我國加快了清潔能源高效利用的腳步。全球典型清潔能源發電量排行如圖1-1所示。

截至2017年年底，美國風電裝機容量接近90GW，其中大部分是在過去15年安裝并網的，美國風力發電占國內發電總量的6.3%，其中愛荷華州占全國風力發電量的37%，高于美國其他州。美國能源部估計，未來30年，美國風電裝機容量將從90GW增加到400GW以上。

21世紀初，德國太陽能利用的領導地位繼續得到鞏固，太陽能發電裝機容量達到18GW。此后，德國對清潔能源的投資也集中在小型屋頂太陽能項目上，其中88%的投資涉及太陽能技術，83%的投資用于小規模太陽能項目。

截至2016年年底，全球水電、風電和光伏發電等可再生能源發電裝機容量達18.9億kW，約占總裝機容量的30.6%。其中，歐洲和東亞是可再生能源發展程度較高的兩個地區。

我國已成為新能源市場的領導者，截至2017年年底，全國發電裝機容量達到17.7億kW，其中新能源產生38.1%，比2012年增長9.6個百分點，是歷史上增長最快的時期。據我國電力協會預測，到2020年，我國清潔能源發電裝機容量將達到8.1億kW，占總裝機容量的41%；清潔能源發電量為2.6萬億kW·h，占總發電量的32%；到2030年，我國清潔能源發電裝機容量將達到15.2億kW，占總裝機容量的50%，清潔能源發電量將達到5萬億kW·h，占總發電量的42%；2030年之后，我國將不再建造新的燃煤發電廠；到2050年，我國清潔能源發電裝機容量將達到24.8億kW，占總裝機容量的62%，清潔能源發電量將達到8.1萬億kW·h，占總發電量的58%。未來幾十年，我國將持續保持清潔能源的快速增長，發電和輸電技術繼續維持國際先進水平。

1.1.2　我國清潔能源總體消納情況

近年來，我國清潔能源快速發展，裝機容量和發電量逐年大幅提高，截至2017年年底，我國清潔能源裝機容量達6.85567億kW，占總裝機容量（17.76億kW）的38.6%，其中水電3.41億kW（占19.20%），風電1.64億kW（占9.23%），太陽能發電1.30億kW（占7.32%），核電3580.7萬kW（占2.02%），生物質發電1476萬kW（占0.83%），地熱能、海洋能等其他能源裝機容量3萬kW（占0.0017%）。2017年，我國清潔能源發電量19453.7億kW·h，占總發電量（62758億kW·h）的31.0%，其中水電11945億kW·h（占19.0%），風電3057億kW·h（占4.9%），太陽能發電1182億kW·h（占1.9%），核電2474.69億kW·h（占3.9%），生物質發電795億kW·h（占1.3%），地熱能、海洋能發電1.5億kW·h（占0.0024%）。2017年，我國清潔能源消費總量可折算為6.48億t標準煤，占一次能源消費總量（44.9億t標準煤）的14.4%，呈現快速提升態勢，在推動能源轉型、防治大氣污染、促進綠色發展中發揮了重要的作用。

然而，我國清潔能源在高速發展過程中，卻陷入了“三棄”的困境。2016年，全國共棄水電量500億kW·h、棄風電量497億kW·h、棄光電量74億kW·h，棄水、棄風和棄光率分別達4.1%、17%和11%。“三棄”問題集中表現在：①“三棄”增長迅猛，2016年棄水、棄風、棄光分別同比增加76.7%、46.6%、57.4%；②“三棄”分布集中，主要集中在華北、東北、西北“三北”和西南等地區；③清潔能源企業全面虧損，受上網消納難和補貼不到位的雙重影響，“三北”棄風、棄光嚴重地區的風力發電、太陽能發電及配套企業幾乎全部陷入虧損狀態，嚴重影響產業發展后勁和企業積極性。2017年，棄風419億kW·h，同比減少78億kW·h，棄風率13.7%，同比下降3.3個百分點；棄光73億kW·h，棄光率6.2%，同比下降4.8個百分點；全年棄水515億kW·h，水能利用率達到約96%。由此可以看出，我國“三棄”問題有了較大幅度的緩解，但離清潔能源健康發展的要求還有較大差距。

在清潔能源消納難的同時，我國煤電裝機容量持續增加，2016年新開工和投產煤電裝機容量分別為3470萬kW和4300萬kW，煤電發電量保持1.3%的增長態勢，當年全國煤炭消費量高達37.8億t，加之煤炭清潔化利用程度低，燃煤導致華北等地霧霾日趨嚴重，清潔能源發電消納難與燃煤污染急劇惡化之間的矛盾日益突出。清潔能源發電消納已經不只是能源問題和經濟問題，而是成為各界普遍關注的重大社會問題，必須引起高度重視。

2016年12月20日，《國務院關于印發“十三五”節能減排綜合工作方案的通知》（國發〔2016〕74號）要求建立和完善以市場為導向的節能減排機制，實行合同能源管理、綠色標簽認證、第三方環境污染控制。

1.1.3　“三北”地區新能源消納情況

近年來，新能源的持續快速發展遠遠超過了電網的承載能力，新能源的消納矛盾十分突出。“三北”地區自2009年以來首次出現棄風現象，2013年首次棄光，且范圍逐漸擴大，棄光、棄風的電量逐年增加，2015年，棄光、棄風電量達到歷史最高值，棄光、棄風電量分別為4.65億kW·h和269.4億kW·h，棄風率、棄光率分別達18.7%、14.9%。2016年第一季度，“三北”地區棄風總電量為145.7億kW·h，同比增加75%，棄風比例達31%；棄光電量18.8億kW·h，同比增加103%，棄光比例達21%。2017年，甘肅、吉林、遼寧等地棄風率分別為10.01%、20.62%、32.88%，棄風現象有所改善，但棄風率仍超過全國平均水平。“三北”地區部分省份和地區2015—2017年發電情況及棄風情況如圖1-2和圖1-3所示。

“三北”地區中，西北棄風最嚴重（占“三北”地區棄風總電量的60%），其次是東北地區（占“三北”棄風總電量的30%）。棄光、棄風的范圍相對集中，棄風集中在甘肅、新疆、吉林和遼寧，總棄風率高達74%。“三北”地區部分省份和地區2015—2017年供暖期棄風情況如圖1-4所示。

國家能源局數據顯示，2016年，西北五省（自治區）中，甘肅、新疆風電運行形勢最為嚴峻，棄風率分別為43.11%和38.37%。光伏發電方面，新疆、甘肅棄光率分別為32.23%和30.45%。國家電網數據顯示，2016年，新疆、甘肅合計棄風電量占全網總棄風電量的61%，棄光電量占全網總棄光電量的80%。截至2016年年底，甘肅電網總裝機容量為45762MW，其中風電12773MW，光伏發電6801MW，其中約90%的風力發電和光伏發電集中在河西地區。2016年甘肅省最大負荷為13391MW，發電最大負荷為2700MW。即使輸出功率計算到負載中，裝機容量與最大發電負荷之比也高達2.84∶1，電力供應嚴重超過需求。國家能源局西北監管局對西北地區新能源發展規劃及運行進行監管，發布了《西北區域新能源發展規劃及運行監管報告》（以下簡稱《報告》）。《報告》通過模擬評估2020年西北各省（自治區）新能源消納水平，經與2015年情況對比，預測到2020年西北棄風率、棄光率仍然偏高，無法實現新能源全額消納的目標，其中甘肅和新疆即使新建直流工程進行新能源外送消納，甘肅棄風率、棄光率仍然會達到26.6%和29.6%，新疆棄風率、棄光率仍會達到25.84%和22.38%，消納壓力較大；若不考慮新建直流工程，2020年甘肅的棄風率和棄光率將攀升至41.9%和49.1%。寧夏、青海整體棄新能源率在10%左右，還存在部分消納的壓力。以甘肅為例，截至2016年年底，甘肅電網總裝機容量為45762MW，其中，風電12773MW，光伏發電6801MW，甘肅省最大負荷為13391MW，發電最大負荷為2700MW，新能源裝機容量與最大發電負荷之比高達2.84∶1，電力供應嚴重超過需求。大規模集中并網的新能源受電網、電源結構和新能源運行特性的影響，使新能源消納面臨電網用電空間“裝不下”、輸電通道“送不完”，安全運行“裕度低”、新能源出力變化“摸不準”等重重困難。此外，受新能源隨機性波動性強、網內供熱機組規模逐漸增大、黃河中上游大型水電綜合利用等影響，西北電網存在調峰缺口，無法滿足快速增長的新能源消納需求，網內棄風、棄光情況嚴重，合理地提出新能源消納的方法，有效地提高新能源的利用率是現在迫切需要解決的問題。

截至2015年10月底，華北電網風電裝機容量已經達到3544萬kW，同比增長20%，占全國風電總裝機容量的33%；光伏發電裝機容量590萬kW，同比增長259%。新能源裝機容量占比的不斷提高，使新能源發電的隨機波動性愈加明顯，給電網運行和新能源消納帶來挑戰。如位于張家口北部的沽源500kV變電站，每到大風季，500kV沽太雙回線有功潮流經常在300萬kW以上，而最大輸電能力只有330萬kW，嚴重威脅電網的安全穩定運行。

2018年1—6月，東北新能源發電量377.33億kW·h，同比增長30.24%，占各類電源總發電量的15.32%，提高了2.24個百分點。其中，風電發電量330.71億kW·h，同比增長22.37%；光伏發電量46.62億kW·h，同比增長143.57%。截至6月底，東北地區新能源總裝機容量達3638萬kW，占各類電源總裝機容量的25.62%。其中，風電裝機容量2796萬kW，光伏裝機容量842萬kW。光伏裝機容量超過水電（813萬kW），成為東北地區第三大電源。

通過擴大東北電力調峰輔助服務市場，積極促進熱電廠靈活性改造，東北電網在新能源消納方面取得顯著成績。2018年上半年，東北全網新能源棄電量大幅下降，棄電量18.72億kW·h，同比減少62.22%，其中棄風電量為18.19億kW·h，同比減少62.48%，棄光電量0.53億kW·h，同比減少50.62%；東北全網新能源棄電率4.73%，同比減少近10個百分點。

1.1.4　其他地區清潔能源消納情況

“十三五”期間，華中、華南及華東地區陸上風電增量將達到4200萬kW，海上風電增量將達到400萬kW，超過“三北”地區的3500萬kW，棄風的情況將更加嚴峻。

近年來，光伏發電、風電等新能源在廣西迅速發展。截至2018年6月，廣西光伏發電裝機容量已突破100萬kW，達到100.14萬kW，同比增長414.9%；風電裝機容量190.42萬kW，同比增長69.71%。2018年上半年，廣西光伏發電量達3.73億kW·h，同比增長301.6%，風力發電達21.07億kW·h，同比增長95.7%，為電網新能源消納帶來很大壓力。

在我國西南地區，水電開發需求逐年增加。“十三五”期間，四川將安裝并投入水電機組約4100萬kW。預計到2020年，四川水電裝機容量將達到116億kW。雖然四川電網等已形成“四交、三通”互聯模式，但如果超高壓出境通道建設滯后，四川水電出境將面臨嚴重的瓶頸。

抽水儲能繼續以中國西南河流為開發重點，積極有序推進大型水電基地建設，合理優化和控制中小型盆地的發展，以滿足高峰負荷調節和安全穩定的需要。“十三五”期間，我國新建的抽水蓄能電站裝機容量約6000萬kW，抽水蓄能電站投入運行安裝4000萬kW。同時，抽水蓄能電站運行管理系統和電價形成機制應進一步合理化。

1.1.5　發展清潔能源供暖的必要性

隨著我國社會工業化進程的不斷加快，人口大規模向城鎮化集中，工業化的發展帶動了經濟的騰飛，同時也給城市環境帶來了極大的壓力，甚至破壞。環境問題已成為一個不可避免的問題，限制并嚴重影響社會發展。

我國北方每年至少有5個月的采暖期，煤是主要的熱源，冬季煤煙造成嚴重的空氣污染，加之天氣條件不利導致空氣質量急劇下降。

隨著風電、光伏裝機容量的不斷增長，我國棄風、棄光限電形勢逐年加劇。截至2016年年底，我國風電裝機容量1.49億kW，約占世界的1/3，發電量2100億kW·h，棄風電量卻達到496億kW·h，而大規模電蓄熱負荷既能增加電網靈活性，又能實現清潔供暖，是促進風電消納的有效途徑。大規模固體電蓄熱推廣使用后，將獲得更多的收益。

黨的十九大報告指出，要加快生態文明體制改革，促進綠色發展，建設美好國家，就要加強環境治理，著力解決突出的環境問題。作為環境問題的重要影響因素，燃煤污染每年占我國空氣污染物排放的70%以上，引起了全國的關注。為了滿足北方冬季采暖的需求和環境保護的要求，可使用以下清潔供暖方式：

（1）天然氣供暖。天然氣供暖是以天然氣為燃料，使用脫氮改造后的燃氣鍋爐等集中式供暖設施或壁掛爐等分散式供暖設施向用戶供暖的方式，包括燃氣熱電聯產、天然氣分布式能源、燃氣鍋爐、分戶式壁掛爐等，具有燃燒效率較高、基本不排放煙塵和二氧化硫的優勢。截至2016年年底，我國北方地區天然氣供暖面積約22億m2，占總取暖面積的11%。

（2）電供暖。電供暖是利用電力向用戶供暖的方式，使用電鍋爐等集中式供暖設施或發熱電纜、電熱膜、蓄熱電暖器等分散式電供暖設施，以及各類電驅動熱泵，布置和運行方式靈活，有利于提高電能占終端能源消費的比重。蓄熱式電鍋爐還可以配合電網調峰，促進可再生能源消納。截至2016年年底，我國北方地區電供暖面積約4億m2，占比2%。

（3）清潔燃煤集中供暖。清潔燃煤集中供暖是對燃煤熱電聯產、燃煤鍋爐房實施超低排放改造后（即在基準氧含量6%條件下，煙塵、二氧化硫、氮氧化物排放濃度分別不高于10mg/m3、35mg/m3、50mg/m3），通過熱網系統向用戶供暖的方式，包括達到超低排放的燃煤熱電聯產和大型燃煤鍋爐供暖，環保排放要求高，成本優勢大，對城鎮民生取暖、清潔取暖、減少大氣污染物排放起主力作用。截至2016年年底，我國北方地區清潔燃煤集中供暖面積約35億m2，均為燃煤熱電聯產集中供暖，占比17%。

（4）清潔能源供暖。包括地熱、生物質能、太陽能、工業余熱等供暖，合計供暖面積約8億m2，占比4%。

1）地熱供暖是利用地熱資源，使用換熱系統提取地熱資源中的熱量，用以向用戶供暖的方式。截至2016年年底，我國北方地區地熱供暖面積約5億m2。

2）生物質能清潔供暖是指利用各類生物質原料，及其加工轉化形成的固體、氣體、液體燃料，在專用設備中清潔燃燒供暖的方式。主要包括達到相應環保排放要求的生物質熱電聯產、生物質鍋爐等。截至2016年年底，我國北方地區生物質能清潔供暖面積約2億m2。

3）太陽能供暖是利用太陽能資源，使用太陽能集熱裝置，配合其他穩定性好的清潔供暖方式向用戶供暖。太陽能供暖主要以輔助供暖形式存在，配合其他供暖方式使用，目前供暖面積較小。

4）工業余熱供暖是回收工業企業生產過程中產生的余熱，經余熱利用裝置換熱，向用戶供暖的方式。截至2016年年底，我國北方地區工業余熱供暖面積約1億m2。

1.1.6　典型地區新能源消納供暖情況

隨著我國北方將棄風、棄光應用到供熱供暖中，有效地提高新能源利用率，東北地區風電消納情況見表1-1。

以遼寧某地區為例，2017年電網風電消納措施多元化，在負荷增長、聯絡線支援、核電合理性調整、火電深度調峰、大容量電蓄熱靈活性等措施方面，對風電消納做出相應貢獻，風電消納現狀得到改善，具體情況如下：

（1）遼寧電網電源格局。2017年，遼寧電網水電、火電、核電、風電、太陽能發電等各類電源發電量分布如圖1-5所示，其中風電、太陽能發電、核電、水電等清潔能源發電量高達442.3億kW·h，約占全網的25%。

遼寧電網2016—2017年新能源利用小時數變化情況如圖1-6所示。

（2）遼寧電網新能源消納情況。2017年，遼寧電網累計棄風電量11.9億kW·h，棄風率7.43%。其中，調峰占棄風電總量的97.65%，而電網限制占棄風總電量的2.35%。全年未發生棄光。風電日最大接納功率535萬kW，同比增長6.5%，占全省供電負荷的29%；日最大接納電量1.07億kW·h，同比增長5.9%，占當日全口徑用電量的25%。光伏發電日最大接納功率78萬kW，日最大接納電量592萬kW·h。

預計至2018年年底，風電發電量147億kW·h，同比減少1.3億kW·h，發電率同比降低0.88%，利用小時數1960h，比同期減少180h。棄風電量達11.6億kW·h，同比下降了3200萬kW·h；棄風率7.31%，同比降低2.68%，同比降低0.12個百分點。遼寧電網2018年風電受阻電量分布如圖1-7所示。

（3）遼寧電網消納措施貢獻情況。

1）負荷增長方面，為遼寧消納提供了剛性空間。2017年供電量完成1820.75億kW·h，較2016年增加92.14億kW·h，同比增長5.33%。

2）核電合理性互補調整。2017年，核電發電量236.8億kW·h，同比增長18.5%，占總發電量的13.3%，核電共參與階段性出力調整62臺次，合計調整電量19.95億kW·h。

3）聯絡線跨區支援消納。通過聯絡線支援吉林、黑龍江及蒙東地區風電消納。日前聯絡線計劃（發電曲線）支援累計多消納風電131.5億kW·h。在此基礎上，聯絡線日內支援共計376次，最大支援電力356萬kW，累計多消納風電9.9億kW·h。合計支援東北區域其他省區多接納風電141.4億kW·h。

4）基于大容量蓄熱的熱電機組靈活性改造。2017年計劃改造21臺機組，實際完成11臺，增加調峰能力112萬kW。規劃到2018年年底，完成7座電廠、13臺機組改造，增加調峰能力106萬kW。棄風小時數按300h計算，2017年多消納棄風電量3.36億kW·h，2018年多消納棄風電量3.18億kW·h。

綜上所述，2017年，遼寧電網通過多元消納措施的應用，風電棄風現狀得到改善，同時，隨著火電機組靈活性改造工作的推進，低谷調峰形勢有所改善，供暖期風電消納能力明顯提升，但大風日的局部時段，風電受限問題仍然存在。2018年遼寧電網全年平均峰谷差412萬kW，最大峰谷差579萬kW，消納問題依然嚴峻，亟須開展基于大容量蓄熱的源-網-荷協同消納技術研究，從根本上解決清潔能源消納問題。