我国光热发电产业发展特征、瓶颈及政策建议
发布者:admin | 来源:中国能源杂志社 常非凡 | 0评论 | 1162查看 | 2022-06-27 14:56:40    

摘要:光热发电是集光热转换发电、大规模储热和电网同步机特性,于一身的可再生能源发电方式。我国光热发电产业链在首批示范项目的推动下,已初步建立,在满足国内需求的同时,光热发电产品开始走向国际市场。但是当前国内光热发电产业还面临市场规模有限、技术装备水平有待提升、成本高、缺乏有效政策接续等问题。光热发电亟需稳定的政策,保障产业的持续稳步发展,以促使成本下降。建议从价格政策、科技创新资金支持、多能互补一体化建设等方面,予以支持。


一、光热发电产业优势


光热发电是目前已实现商业化的两种太阳能发电技术之一,其利用聚光镜等装置以自动聚焦方式将太阳直射光能聚集,用于加热介质并储存热能,再通过透平机组(如汽轮机或燃气轮机)将热能转换为电能。光热发电根据集热形式不同分为塔式、槽式、菲涅尔式、碟式四类。塔式系统是利用平面反射镜将太阳光反射到中心高塔顶部的吸热器上,即采用点聚焦方式;槽式系统和菲涅尔式系统都是线聚焦方式,聚光反射镜将太阳光反射到细长线型的管状集热器;碟式光热发电是利用旋转抛物面聚光镜将太阳光聚集在集热器上。光热发电通常和储热系统结合,以塔式光热发电技术为例,聚光镜聚集太阳辐射进入塔顶的吸热器,将储热介质从290℃加热到565℃,存入塔下地面的高温介质储罐中,需要发电时将高温储热介质泵入蒸汽发生器中,与水换热产生高温高压过热蒸汽,发电系统类似常规火力发电系统,蒸汽驱动汽轮机再带动发电机发电。从光热发电的原理、实际运行、产业发展潜力等来看,光热发电具有如下优势:


首先,具备持续发电能力。与光伏发电、风电具有显著的波动性和间歇性不同,光热发电可配置低成本的储能设施,不仅具有良好的可持续电力输出能力,同时可提供风电、光伏发电等波动性电源所不具备的转动惯量和无功支撑。国际可再生能源署(IRENA)的数据显示,西班牙有18个光热发电站不间断运行达三周,其中带15小时储能、装机容量2万千瓦的Gemasolar电站实现连续36天全天候运行。我国装机容量5万千瓦的中广核德令哈光热发电站连续运行32天(773小时),青海中控德令哈光热电站连续运行12天(293小时),首航高科敦煌10万千瓦光热电站连续运行9天(216小时)。由于光热发电的常规岛部分与常规火电相同,因此如果有长达数天甚至数十天的无风、少光等极端天气下,光热发电系统可以利用天然气补燃方式来保障电力供给。


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其次,光热发电可储可调,可与风电、光伏形成优势互补,有利于“三北”大型风光基地就地消纳和外送消纳。光热发电储调能力强,且提高储调能力的边际成本低,机组调峰深度最大可达80%,爬坡和启停速度优于燃煤机组,可与燃气发电相当。当风电、光伏发电大发的时候,光热以储热为主,不发或者少发电,待夜间或者风小的时候将储存的热量通过汽轮机发电。清华大学能源互联网研究院研究显示,在青海安装2200万千瓦光伏和700万千瓦风电,利用已有调节资源,青海电网在丰水期可连续三天全清洁能源供电;如在此基础上配置400万千瓦光热发电,青海省在丰水期可实现创世界纪录的连续30天全清洁能源发电。因此如果希望在风电和光伏发电渗透率较高时,继续提升可再生能源电量占比,可通过配备一定规模的光热发电,充分发挥多能互补下电力品质的效益,弥补风电和光伏不可控的不足。


第三,光热发电可以有效承接我国煤电装备产业。我国已经宣布不再新建境外煤电项目,同时近中期将控制煤电装机规模,长期煤电将逐步退出。煤电作为我国的优势产业,在产业规模、技术水平和从业人数上在全世界首屈一指,形成了完备的制造体系。煤电产业如何实现顺利转型是关系国计民生的重要课题。除了产热方式不同外,光热发电和煤电发电的原理相同,都需要配置常规岛。根据相关企业调研,光热产业可以充分利用煤电产业资源,包括常规岛相关设计、集成、设备制造和服务等。原有煤电厂、气电厂也可以改造成与光热发电互补电厂,直接降低化石燃料的使用。部分关停的煤电机组可以改造为储热电站,仅投入少量资金通过加装一套储热系统,原常规岛均可利用。汽轮机厂则可以通过研制生产适用于光热发电频繁启停和快速变负荷要求的主机设备,实现部分转型。


第四,光热发电有较大的技术进步空间和成本下降潜力。近年来,国际新投运的光热发电电价呈现逐步下降趋势。根据IRENA的数据显示,光热发电的度电成本在2010年~2020年间下降了约一半,2020年已降至0.65元/千瓦时~1.3元/千瓦时(10美分/千瓦时~20美分/千瓦时)。虽然光热发电与风电、光伏发电相比成本高,但其可储热、出力可调节、响应速度堪比燃气发电,使其在国际上有一定的应用市场。而且,通过技术进步和规模效应推动,光热发电还有较大的成本下降潜力。国际能源署预测,2030年光热发电电价将降至8.6美分/千瓦时,美国能源部目标是到2030年带有12小时储能的光热发电电价降到5美分/千瓦时。在国内,如果在保持一定市场和产业规模,光热发电成本可以实现较大幅度下降,其设备成本和建设成本下降是主要因素,有望在“十四五”末期达到与目前燃气发电成本相当,即国内电价降低到0.7元/千瓦时~0.8元/千瓦时,2030年下降至0.5元/千瓦时左右,届时考虑其灵活储热、可调节出力、可提供转动惯量等优势,在电力市场中将具备经济性和竞争力。


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二、光热发电产业发展现状与特征


光热发电产业国外起步较早,在光热发电的材料、设计、工艺及理论方面已经开展50多年的研究,并已得到商业化应用,2020年全球累计装机容量达669万千瓦。我国光热发电虽然起步较晚,但是在国内示范项目的带动下,已经初步建立了较完整的产业链,并实现部分产品出口国外。


其一,光热发电项目建设处于试点示范阶段。2016年,我国安排了首批光热发电示范项目建设共20个项目,134.9万千瓦装机,分布在北方五个省区,电价1.15元/千瓦时。同时,国家鼓励地方相关部门对光热企业采取税费减免、财政补贴、绿色信贷、土地优惠等措施,多措并举促进光热发电产业发展。2018年,国家能源局布置的多能互补项目中,有光热发电项目。截至2021年底,我国光热发电装机容量约为59万千瓦,共12个项目,主要分布在甘肃(21万千瓦)、青海(21万千瓦)、内蒙古(10万千瓦)和新疆(5万千瓦),另有2万千瓦分布在其他省。从技术来看,我国首批光热发电示范项目和多能互补项目中采用的技术以塔式技术较为常见,占比超过一半。


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其二,光热发电全产业链初步建立。通过首批光热发电示范项目建设,我国光热发电装备制造产业链基本形成,光热发电站使用的设备、材料得到了很大发展,并具备了相当的产能。在国家首批光热发电示范项目中,设备、材料国产化率超过90%,在部分项目中,比如青海中控德令哈5万千瓦塔式光热发电项目,设备和材料国产化率已达到95%以上,并建立了数条光热发电专用的部件和装备生产线,具备了支撑光热发电大规模发展的供应能力,年供货量可满足数百万千瓦光热发电项目装机。当前,国内光热发电产业链主要相关企业已超过500家。


其三,光热发电产业开始走向世界。我国光热发电制造业起步晚,但“十三五”以来技术和产业发展快速,相比国外有成本优势,首批示范项目使我国光热技术和产品具有了实际运行项目和经验,开始走出国门。如中国能建和中控太阳能公司联合体于2019年承建了希腊5万千瓦光热发电站项目,国家主席习近平与希腊总理米佐塔基斯共同见证了该项目的签约仪式,这是中国光热发电产业首次以“技术+装备+工程+资金+运营”的完整全生命周期模式走出国门。上海电气集团EPC总包了阿联酋70万千瓦光热发电站项目,中国电建集团联合体EPC承包了摩洛哥太阳能发电园35万千瓦光热发电项目。我国企业皇明太阳能公司早在2011年就向西班牙出口了长达25千米、30万千瓦的光热发电的核心部件镀膜钢管,2019年又向法国提供了16千米、0.9万千瓦的吸热管。


三、光热发电产业发展瓶颈


首先,光热发电成本依然较高。通过企业调研,当前新建光热发电度电成本约0.9元/千瓦时~1.0元/千瓦时,仍远高于陆上风电和光伏发电。初始投资高昂是光热发电成本高的主要原因。以当前主流的10万千瓦装机、12小时储热塔式光热电站为例,单位千瓦造价在2.5万~3万元。聚光、吸热、储换热系统占据初始投资的主要部分,约占整个电站成本的77%左右,是决定光热发电站造价高低最重要的因素。受制于国内光热发电项目装机规模小和政策不稳定造成的市场不稳定和延续性问题,上游设备制造企业通过首批国产化项目形成的规模化产能在近两年严重开工不足,设备闲置、技术人员和熟练工人流失,也造成聚光镜、集热管、追踪器、熔盐等关键设备和材料的生产成本居高不下。


其次,是光热发电的部分设备尚依赖进口。如熔盐泵、熔盐阀、熔盐流量计、旋转接头等产品,在光热电站中需求量有限,成本中占比低,但其工况环境严苛,技术参数要求高,国内产品质量相对国外不高,还以进口为主,国内厂商解决这些问题需要一定时间。此外,通过使用温度更高、成本更低的吸热和储热介质,采用超临界二氧化碳透平技术等实现更高效率的发电技术方面,仍还有较长的路要走。


第三,产业发展严重依赖国家补贴。根据国家在2020年出台的政策,2021年底前并网的光热示范项目纳入国家补贴范围,能够享受1.15元/千瓦时的电价;而对于2020年及之后的新增项目,政策规定将光热发电电价补贴支持由中央转到地方。因此,“十四五”时期或是光热发电产业十分艰难的时期,“三北”地区省份制定单独的电价补贴政策的可能性几乎为零。由于新建光热发电项目成本仍远高于燃煤基准价,如果不采取有效措施,“十四五”光热发电市场规模将大大萎缩,部分地方为储备新项目所进行的大量前期工作也将浪费。需求萎缩将对我国光热制造业造成巨大冲击,光热制造业将遭遇严冬甚至可能夭折。因此,国家补贴退出后,若无政策接续,光热发电项目将难以为继。


四、支持光热发电稳步发展的相关建议


第一,要给予光热发电稳定的价格政策。稳定的电价政策对可再生能源发展至关重要,建议借鉴2019年~2020年支持光伏发电、2020年~2022年支持生物质发电的做法,按照“以收定支”方式,在“十四五”期间每年安排一定数量的资金支持新增光热发电项目建设。推动已建成项目纳入补贴清单,同时对原投资方已明确退出的示范项目,应允许地方政府选择合适的投资方继续建设。


第二,通过专项资金,支持光热发电新技术研发和新技术示范工程。建议通过可再生能源发展专项资金安排相关资金,采用类似于光伏“领跑者项目”的方式,以招标方式鼓励技术先进、成本降低较快的技术路线,支持光热发电先进技术研发和示范应用。同时,在国家发展改革委、科技部等科技创新项目中,安排资金支持光热发电关键性或原创性技术的研究。例如,超临界二氧化碳热发电技术、600℃高温槽式和塔式光热发电技术、光热发电与火电联合运行技术、光热储能电站技术、太阳能高温集热和化学能耦合发电技术、光热发电热电联产技术等。


第三,鼓励风电光伏和光热一体化项目的建设,实现产业的可持续发展。考虑到光热发电成本在“十四五”期间仍较高,地方财政支持难度较大,基于在资源较好地区风电、光伏发电可以实现低价的前提下,建议沙漠、戈壁、荒漠大型风光基地中持续安排一定容量的光热发电装机,通过低价的风电、光伏发电项目平衡消化光热发电的成本,实现风电、光伏、光热(及水电)等多种可再生能源互补的平价上网就地消纳或平价远距离外送消纳。“十五五”期间,通过电力市场建设,直接发挥光热发电其快速响应和清洁能源优势,确立在市场中的定位。建议在各类示范区、特高压外送和多能互补基地建设中安排光热发电项目,将配置一定规模的光热发电的项目作为项目优选条件,充分发挥光热电站储热可控输出作用,进而保持光热产业足够的市场规模,为产业后续实现市场化发展提供基本条件。


作者简介:常非凡,女,博士研究生,毕业于英国剑桥大学工程系。现任国家发展和改革委员会国际合作中心副研究员,从事宏观经济与可持续发展,新能源技术与智慧城市,公共服务与治理能力,“一带一路”国际经贸与安全风险等研究。


注:本篇文章发表于《中国能源》杂志2022年第5期。

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