支撑新型电力系统平衡与减碳的 新能源制氢及综合利用 汇报内容 一、新型电力系统面临的平衡挑战 二、新型电力系统的减碳路径 三、新能源制氢及综合利用 1 一、新型电力系统面临的平衡挑战 随着电源主体发生根本变化，新型电力系统将主要面临电力电量平衡、安全稳定分析 控制、能源电力深度脱碳三个方面的巨大挑战。 源荷双侧随机波动影 响电力电量平衡 适应新型电力系统的安全 稳定支撑机理还需明确 能源电力系统深度脱 碳路径不明晰 • 新能源接入电压支撑较弱、 • 能源电力系统转型中煤电、 间完成，发电功率和用电 短路比不足的交流系统， 核电、天然气发电演进路 负荷实时平衡。随机性的 无法实现锁相同步；电力 径不明晰；CCUS、储能、 电源波动、负荷冲击形成 电子装置的快速响应特性， 电制氢等前瞻技术快速发 的问题将对电力电量平衡 带来宽频振荡等与电力电 展，但单一技术实现电力 产生极大影响。 子相关的新稳定形态。 零碳排放的经济挑战巨大。 • 电力系统中发电和用电瞬 充裕性、灵活性 安全性 技术经济性 2 一、新型电力系统面临的平衡挑战 新型电力系统需要同时面对供需两端的巨大变化，风光出力的强随机性波动性和用电负荷的日益 尖峰化都给电力电量平衡带来了巨大的挑战，传统的源、荷实时平衡模式难以为继。如何在更大的时 间尺度和空间范围内，重新构建源、荷、储三者参与的非完全实时电力电量平衡模式，确保可靠的电 力供应和灵活高效的高比例新能源消纳，是必须解决的核心问题之一。 新能源出力随机波动 年份 2025 2030 2060 指标 装机容量 数值（亿千瓦） 日最大波动 3.6 装机容量 >12 日最大波动 5 ~10 装机容量 50 日最大波动 10~15 双侧随机波动 供需的物理逻 辑不匹配 强对立矛盾性 新能源出力随机波动，且幅度持续增大 发用电解耦 用电量 （万亿千万时） 最大负荷 （亿千瓦） 平均负荷 （亿千瓦） 最大负荷/ 平均负荷 新型负荷尖峰 2020 2025 2030 化 2060 7.4 9.2 10.3 16 12.4 15.7 17.7 / 8.45 10.50 11.76 / 1.47 1.49 1.51 >1.5 负 荷 尖 峰 最大负荷与平均负荷之比持续提升，最大负荷持 续时间极短 3 一、新型电力系统面临的平衡挑战 1. 新能源最小出力处于较低水平，而且可能出现连续数日的小出力，对系统电力电量平衡 和供电保障支撑能力不足 2019年各省、各区域、公司经营区新能源最小日平均出力水平分别为3.6%、8.0%和10.7%，新能 源最小瞬时出力水平分别为0.2%、1.1%和5.0%，区域间互补效果不明显。今年7月28日，东北全网风 力发电创历史新低，不足风电装机容量的0.1%。而且即使从省级范围内来看，仍会出现连续数日的小 出力时段。随着新能源装机占比的不断提升，新能源虽然对全年电量平衡有一定贡献，但对周（月）级 电量平衡和电力平衡的支撑能力仍较弱，不足以保障高比例新能源电力系统的供电可靠性。 新能源1天最小日平均出力 新能源3天最小日平均出力 14% 11.6% 12% 8% 5.9% 4% 2% 1.8% 1.0% 3.6% 1% 0% 各省平均 2.9% 3% 8.0% 4% 2% 5.0% 4.1% 10.7% 6% 新能源最小瞬时出力 5% 9.1% 10% 30年新能源最小瞬时出力 6% 区域平均 国网 公司不同范围内新能源最小日平均出力 0.2% 0% 各省平均 区域平均 国网 公司不同范围内新能源最小瞬时出力 某省风电连续数日小出力曲线 （某周，15分钟采样间隔） 4 一、新型电力系统面临的平衡挑战 2. 寒潮等极端气候下电力供应需求显著增加，电力供应保障难度进一步加大 我国中东部非供暖区域过去35年共发生寒潮43次，单次最大影响面积为110万平方公里，气温最大 下降14°，负荷最大增长可达2亿千瓦。2021年1月7日寒潮导致用电负荷创历史新高，国网经营区最大负 荷达9.6亿千瓦，同比增长25%。2021年7月28日，东北地区天气连续多日高温，东北全网用电负荷最高 达到7058万千瓦，同比增长8.2%；而风力发电却创历史新低。亟待配置足够的保障电源，加强极端气中 长期预测与需求侧响应，以保证常规电力平衡和应对极端气候下的新增电力供应需求。 一次寒潮影响面积分布情况 国网经营区1月7日用电负荷曲线 5 一、新型电力系统面临的平衡挑战 3. 新能源发电与用电季节性不匹配，存在季节性电量平衡难题 从负荷需求特性来看，我国负荷表现为夏、冬高峰，而电源侧风电为春、秋高峰，光伏发电为夏、 秋高峰。虽然风电、光伏发电月度电量分布具有一定的互补性，按电量平衡分析，风光互补可在一定 程度上减少新能源季节性的影响。但新能源月度电量分布与负荷需求不匹配，夏季负荷电量高，而新 能源发电量低，存在季节性电量平衡难题。 12% 11% 负荷 负荷 风电 光伏 11% 10% 占比 占比 10% 9% 8% 9% 8% 7% 7% 6% 6% 1月 2月 3月 4月 5月 6月 7月 8月 9月 10月11月12月 月份 风电发电量月度分布与负荷需求电量月度分布之间的对比关系 1月 2月 3月 4月 5月 6月 7月 8月 9月 10月11月12月 月份 光伏发电量月度分布与负荷需求电量月度分布之间的对比关系 6 一、新型电力系统面临的平衡挑战 4. 高比例新能源的消纳问题 发展早期：追求保障新能源的高利用率主要是 发展中后期：新能源发电设备成本不断加速下 由于当时新能源发电设备的成本较高，为了充 降的趋势下，单纯追求新能源的高利用率已经 分利用新能源发电设备，避免短期内投资过热 没有必要，而应转向“由保到促”，即由保利 和设备浪费，促进行业的健康可持续发展，才 用率向促消纳转变，主要致力于促进电力系统 确立了高利用率保障目标。 中新能源发电量占比的提升。 风电全年小时级出力从大到小排序 1 出 力 （ p.u.,相 对 于 总 的 装 机 容 量 ） 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0 1000 2000 3000 4000 5000 时间（小时） 6000 7000 8000 风电场全年小时级出力排序曲线 9000 新能源电量占比与利用率变化趋势示意图 电力电量平衡示意图 7 一、新型电力系统面临的平衡挑战 5. 能源电力深度脱碳 双碳目标下，我国能源系统低碳转型路径复杂，技术依赖度较高；且须主要依靠自身完成深度脱碳。 以新能源为主体的新型电力系统高度依赖电网灵活性资源，但现有技术条件下可利用灵活性资源规模有 限，还有保障系统供电的压力，因此未来亟需突破火电CCUS、储能、需求侧响应等关键技术，进一步 提升新能源接入规模，促进能源电力系统深度脱碳。此外，高比例新能源接入下电网弃风、弃光率将会 显著上升，有必要应用新能源电制氢技术开辟新的新能源非电消纳途径，进一步提高一次能源消费中的 非化石能源消费占比，降低电网消纳途径的压力，提升能源系统整体效率。 长 管 拖 车 管道 运输 液 氢 槽 车 热电联供 电氢综合利用示意图 CCUS发展前景预估 8 二、新型电力系统的减碳路径 1. 能源电力系统演化的关键要素及相互关系研究 根据社会—技术系统转型理论，电力系统的演化关键要素分为三层：宏观层的政策环境，中观 层的行业结构，微观层的技术创新。中观结构层的转型路径将取决于宏观环境、微观技术上下两 层的节奏匹配与协调力度，在不同的政策导向与技术驱动下，中观结构层将会呈现出不同的转型 演化路径。重点研究中观层路径演化及其与技术的关系，并探索微观具体技术发展路径。 宏观环境层 宏观环境层 环境变化对现有中观结 构产生压力，为技术创 新带来机会 新的社会技术体制结构 形成，并影响宏观环境 市场、用户偏好 中观结构层 标准 文化 政策 技术 包括多个维度的现有体 制形成稳定关联结构 技术开始与现有中观结构抗衡， 稳定结构被打破，与技术融合或 者坍塌，导致中观结构重构 技术逐步发展，资源配置能力 和制度影响力不断提升 微观技术层 多个技术出现，通过学习过 程成长，发展方向逐步明晰 典型的社会—技术系统转型过程及技术推动作用 当前状态 （电源结 构、电量结 构、电网形 态等） 路径1 低碳演进路径 路径选择 路径2 低碳演进路径 2060年 推荐目标 场景 路径N 零碳演进路径 2045年 2030年 2060年 微观技术层 电力系统转型演化过程 9 二、新型电力系统的减碳路径 2. 新型电力系统演进路径及关键影响技术  新型电力系统的双轮驱动演进模式——传统的规模驱动发展模式 从世界范围来看，电力系统从无到有，单机容量从低到高，系统装机规模从小到大，系统 电压等级从低到高，系统互联范围从小到大的发展历程，都体现了传统工业化思维指导下的发 展特点，即遵循规模经济的发展范式：主要通过规模驱动发展，以规模效益与相应的技术改进 来实现系统能效（经济性）与安全稳定性（安全性）的提升。 电源的 安全 集约化 矛盾三角形 电压 电网规 升级 模扩大 经济 环境 电力系统主要技术指标的发展演变 10 二、新型电力系统的减碳路径 2. 新型电力系统演进路径及关键影响技术  新型电力系统的双轮驱动演进模式——新能源系统规模效益逐渐陷入瓶颈 风电、光伏等能量密度低、能源供应不可靠的新能源发电大量并网后，系统规模效益将 逐渐陷入瓶颈。 源端技  电源的技术特性从“硬、集、大、稳”向“软、散、小、 术特性 晃”变化，不具备自主支撑能力，无法通过规模增大而自 供电保 土地资 障能力 源占用 备用容 规模效  一次能源供应不可靠，出力大幅波动，系统可靠性下降； 益瓶颈  设备利用率低，系统附加投资和备用调节资源多，系统经 原材料 量和调 节资源 然实现互助增强，系统安全性下降； 供应 发输电 设备利 用率 济性下降；  能量密度低，占地多，原材料供应充裕度问题，系统发展 规模远期受限 11 二、新型电力系统的减碳路径 2. 新型电力系统演进路径及关键影响技术  新型电力系统的双轮驱动演进模式——技术驱动与技术创新体系 在“技术驱动”方面，技术创新将在新型电力系统的发展和路径选择中发