火电,为什么很难被取代?

作者:辛迪夫

本文转载自:地缘谷(ID:Geo-Valley)

火电,为什么很难被取代?
制图:傲慢的上校  

 

随着双碳目标的提出,我们国家立下了雄心壮志,要在2060年之前彻底消灭煤电。不过,直到现在,我们国家的火电发电量占比依旧是最大的。那么,为什么中国的火电占比会这么高呢?

 

火电,为什么很难被取代?

我国能源消费占比(数据来自国家统计局)

火电,为什么很难被取代?

火电,为什么很难被取代?

首当其冲的理由就是,中国不缺煤,因此就可以从一开始就大力发展以燃煤为主要发电方式的火电。

 

火电,为什么很难被取代?

斗轮机正在堆煤。

 

中国是全球煤炭储量最多的国家之一,排在美国、俄罗斯和澳大利亚之后,2020年测定总储量达到1431亿吨。从产量看,中国也是世界上煤炭产量最多的国家,2020年统计年产量达到3,902,000,000吨。这些煤炭储藏在山西、内蒙古、陕西、新疆等省区,其中光山西一省的煤炭产量就占到了全国煤炭总产量的1/3多。不仅如此,中国煤炭资源的品质也很不错,其中最好的无烟煤的储量就有近1130亿吨,达到世界第一,且分布广泛,在全中国20个省区都有不同程度的分布。

 

我国煤炭资源分布

火电,为什么很难被取代?

对于中国这样的发展中国家来讲,发展火电无疑是更为合适的。这并不仅仅是由于中国的煤炭资源丰富,易于利用开采;还是因为煤炭发电价格低廉,能源成本低,且初期投入少

 

火电,为什么很难被取代?

晋煤外运大秦线专列。

 

在建国前,煤炭发电就因为其经济、实用,且燃料易得,被大建特建了。从1882年英国人在上海乍浦路建设了第一个火电厂开始,火电就已经是中国最主要的电力来源,并在以后一直保持着能源“压舱石”的作用,成为能源来源的中流砥柱。到了抗战爆发时,中国的总发电量已经达到100万千瓦以上,虽然相比人口来说这点发电量微不足道,但是在那个年代也已难能可贵。

 

到了全国解放、新中国成立之后,电力工业作为社会主义现代化建设的重中之重,得以被大力发展。而火电,由于其技术水平相对较简单、成本较低、原料来源充足,被列为优先发展的门类,国家要求贯彻“火主水从”的方针。在“一五”期间,苏联援建的156项重点工程当中,电力工程有24个,其中23个都是火电站。

 

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原中华人民共和国煤炭工业部大楼。

改革开放之后,中国的火电建设引入了国外的先进技术,同时开放电站的建设权、经营权,大力开发开采山西、内蒙古的煤矿并建设了一系列坑口电站,在优良的政策与先进的技术下,中国的火电发电量突飞猛进,也取得了辉煌的成绩。

 

 
火电,为什么很难被取代?

相比于水电、核电与新能源,火电有一个不为人知的好处:调峰性能优异。我们都知道,电力是随发随用的,有多少需求,就只能发出多少电力。如果调峰性能不佳,或者是发电量不足,那么一旦用电的人多了,就需要各处拉闸限电。这就使得为了确保不停电,只能调节发电厂的发电量(调峰)来维持电网的稳定。

 

其他各种能源的调峰性能都不佳,在电力不足的时候,就需要可以随时加大、减少出力的火电来为其充当“消防员”的角色以救急。

 

核电虽然可以调峰,但是可能会对其运行造成不利影响。对于核电自身的特点来说,以额定容量运行时最高效、经济,且运行方式简单利于操作。国际上核电机组多以基荷运行为主。我国核电机组只有在恶劣天气等特殊时段,电网依据并网调度协议安排核电机组配合电网调峰。使用核电进行调峰的国家只有法国、英国等等核电占比较高、没有火电可用的国家,而其后果便是相比美国、韩国、中国等使用核电作为基底负荷的国家,法国的平均年非计划性停堆(故障、检修等等)小时数要高得多。

 

火电,为什么很难被取代?

秦山核电站。

 

而水电虽然调峰性能也很好,但是对自然条件的需求高:水电需要库区才可以调峰,想多发电就多排出预先存好的水,少发电就存水。不过由于我国大多数水电站都是径流式电站,无法自主决定存水还是放水,因此调峰能力不足。

 

火电,为什么很难被取代?
火电,为什么很难被取代?
位于金沙江下游河段的乌东德水电站。
 
新能源就更不必说了,它是最不稳定的能源。如果按照其一定时刻内平均出力与装机量的比值(即同时率,衡量新能源发电机组的效率的指数)来算,新能源极不稳定,全年同时率在4-46%之间变化,且效率低于15%的时长占到全年的一半。举个例子,中国北方地区所有风电的总发电效率,可以在一天之内涨跌十倍。今年夏天东北地区遭到了前所未有的无风天气,结果导致风电无电可发,新能源出力低于10%,使得东北电网的频率一度低于49.5Hz(正常是50Hz),如果这种情况持续超过10分钟,东北地区的电网就会崩溃。在这种危急时刻,由于东北地区火电装机数量的减少(当时只有8000万千瓦的火电,而东北地区夏天负荷在7000万千瓦左右),只得拉闸限电。这就是过度依赖于新能源的后果。同时,新能源的发电量在夏季较少,而夏季用电量却是最高,因此也有巨大的不平衡。
 
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新疆风力发电。
 
火电,不同于其他几种发电方式,具有一定的调峰性能。它由于是使用燃煤烧水产生过热蒸汽,蒸汽带动汽轮机做功的方式产生电能,可以随时调节出力大小,想多发电就加大功率,想减少发电量就少放点煤炭,可以说是十分便捷了。它同时还是主力负荷,承担着确保电网平稳运行的大用处。
 

 

火电,为什么很难被取代?
对于中国这样的发展中国家来说,火电作为最廉价的能源的身份决定了中国很难抛弃火电
 
根据世界核协会经济小组的研究,火电是成本最低的电。据美国1995-2013年的调查数据表明,核电和火电的发电成本几乎一样,每千瓦成本在4美分以下,而石油、天然气等的发电成本都在持续走高,达到20美分左右。
 
石油、天然气的价格会受到国际市场的影响,波动剧烈,而恰恰重油发电、天然气发电电价都与燃料成本密切相关,燃料成本占到了总成本的70-80%左右。美国之所以在2010年之后开始大范围在世界范围内推广天然气,还是得益于其近年来大规模在本土发现了页岩气,本土天然气的产量持续走高,价格下跌,因此为了收回成本开始推广天然气燃气轮机发电技术。而我国2004年,在广东惠州建立了大型LNG电厂,采用了高精尖技术,是中国最早的零排放电厂之一,但是由于国内天然气资源供应不足,需要从澳大利亚购买天然气,结果由于国际气价上涨,其发电成本也水涨船高。
 
火电,为什么很难被取代?
水力裂压法开采页岩气。
 
违背人们直觉的是,核电使用的铀燃料棒,其成本是所有燃料当中最低的,其只占到总电价的15-20%左右。不过,由于核电的安全性是必须需要得到万无一失的保障的,核电的建设成本都是巨额,且发展中国家的核电技术大多依赖发达国家(法国、美国等)提供,因此对于经济尚未发达的发展中国家来说,核电也不是最好选择。
 
而火电虽然发电成本当中燃料成本也占到35%-40%,但是其所使用的煤炭,单价是所有燃料当中第二低的,因此其成本也相对较低。火电技术成熟,且初期投资相对不大,因此适于我国这样的发展中国家。
 

 

火电,为什么很难被取代?
中国在2020年9月的第七十五届联合国大会上表示,要在2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和。这也就意味着,在2060年之前,中国要完全退出以燃煤为手段的火电。那么,将来中国的火电将会何去何从?
 

我国主要发电站分布

火电,为什么很难被取代?
首先,中国燃煤发电的技术已经很先进,通过努力发展低碳燃煤发电技术,在中国,燃煤发电的碳排放已经不算很高。目前来讲,火电产业当中控制二氧化碳排放的技术主要是清洁煤电、碳捕捉、碳封存技术,还有中国世界领先的超临界、超超临界机组发电技术。碳捕集与封存技术是指将二氧化碳从电厂等工业或其他排放源分离,经富集、压缩并运输到特定地点,注入储层封存以实现被捕集的二氧化碳与大气长期分离的技术,有望实现化石能源使用的二氧化碳近零排放,被认为是进行温室气体深度减排最重要的技术路径之一;中国已经掌握了全产业链的相关技术,并已经在鄂尔多斯由神华集团实施了全亚洲第一个全流程碳捕集与封存项目,积累了大量经验。超临界技术则是通过提升锅炉内部的水温、压力等参数,使得燃煤燃烧得更充分,效率和经济性进一步提升的技术,其供电效率由传统技术的35%可以提升到45%,而其排放则可以相比传统火电降低35%。
 
另外,出乎我们常识意料的是,越大的火电机组反而越节能环保。大容量、高参数的机组发电能耗低、碳排放水平低,小火电机组能耗高、碳排放水平高。1kWh 发电量小火电机组比大机组多耗煤30%~50%。因此,早在十一五期间,我国就已经关停了超过7600万千瓦的小火电,其后的两个五年计划更是关停、改造小火电超过6亿千瓦。将来新建的机组,也都是单机容量超过600兆瓦的超大型机组,或者是更大的超临界和超超临界机组。
 
火电,为什么很难被取代?
火电,为什么很难被取代?
贵州最大火电厂塘电火电厂,是国内首家采用燃用无烟煤超临界机组的节能火电厂。
 
令人宽心的,是火电不仅仅只能通过燃煤发电。火电也可以通过燃烧天然气、石油甚至是生物质能的方式发电。在实现碳达峰、碳中和目标的过渡阶段,煤电还有一个功能是解决散烧,即通过热电联产的方式,把散煤转化为电能,这样可以使得煤炭的能源效率得到很大提升,并极大改善当地的环境质量。同时,在过渡阶段,一部分煤电还可以考虑和污染物控制结合起来,比如垃圾、污泥的掺烧。污水处理后的污泥不是我们一般想象的无机质的泥,它实际上是活性污泥,很难自然干化,且干化过程污染环境,直接焚烧难度很大,此时通过燃煤电厂掺烧发电,是比较好的处理方法。
 
火电虽然是必不可少的电力来源,但是其作用也一定要与其他类型的能源相结合才能凸显出来。未来中国的能源结构很难预测,但是可以肯定的是,火电已经达到了它的顶峰,并将逐渐被其他类型的能源所取代

 

参考资料:《火电转型 助力“3060”目标实现》王志轩;世界银行数据库;Environmental, Health, and Safety Guidelines for Thermal Power Plants, World Bank;Directive 2001/80/EC on the limitation of emissions of certain pollutants into the air from large combustion plants, EU;《火电厂大气污染物排放标准(GB 13223-2011)》;《推进火电行业绿色转型》黄少中;《富煤贫油少气是我国的国情,以煤为主的能源结构短期内难以根本改变》碳排放管理师网《中国火电建设发展史》杨勤明;《中国火电产业的历史轨迹与发展展望》施应玲
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