Гидроэнергетика — один из наиболее зрелых методов выработки электроэнергии, который постоянно совершенствуется и развивается в процессе развития энергосистемы. Достигнут значительный прогресс в плане масштабируемости, уровня технического оборудования и технологий управления. Как стабильный и надежный источник высококачественной регулируемой электроэнергии, гидроэнергетика обычно включает в себя традиционные гидроэлектростанции и гидроаккумулирующие электростанции. Помимо того, что они являются важным поставщиком электроэнергии, они также играют важную роль в сглаживании пиковых нагрузок, частотной модуляции, фазовой модуляции, запуске после отключения электроэнергии и аварийном резервировании на протяжении всего периода работы энергосистемы. В связи с быстрым развитием новых источников энергии, таких как ветровая и фотоэлектрическая энергетика, увеличением разницы между пиковыми и впадинными нагрузками в энергосистемах и уменьшением инерции вращения, вызванным увеличением количества силового электронного оборудования, такие фундаментальные вопросы, как планирование и строительство энергосистемы, безопасная эксплуатация и экономически эффективное распределение нагрузки, сталкиваются с огромными проблемами и являются важными вопросами, которые необходимо решить при будущем строительстве новых энергосистем. В контексте ресурсной базы Китая гидроэнергетика будет играть более важную роль в новом типе энергетической системы, сталкиваясь со значительными потребностями и возможностями в области инновационного развития, и имеет большое значение для экономической безопасности построения нового типа энергетической системы.
Анализ текущей ситуации и перспектив инновационного развития гидроэнергетики.
Ситуация инновационного развития
Глобальная трансформация в сторону чистой энергетики ускоряется, и доля новых источников энергии, таких как ветровая и фотоэлектрическая энергетика, быстро растет. Планирование и строительство, безопасная эксплуатация и экономическое планирование традиционных энергосистем сталкиваются с новыми вызовами и проблемами. С 2010 по 2021 год глобальная установка ветроэнергетики демонстрировала быстрый рост со средним темпом роста в 15%; среднегодовой темп роста в Китае достиг 25%; темп роста глобальной установки фотоэлектрической энергетики за последние 10 лет достиг 31%. Энергетические системы с высокой долей новых источников энергии сталкиваются с серьезными проблемами, такими как трудности в балансировке спроса и предложения, повышенные сложности в управлении работой системы и риски для стабильности, вызванные уменьшением инерции вращения, а также значительное увеличение спроса на сглаживание пиковых нагрузок, что приводит к увеличению эксплуатационных расходов системы. Необходимо срочно совместно продвигать решение этих проблем со стороны энергоснабжения, сети и потребителей. Гидроэнергетика является важным регулируемым источником энергии, обладающим такими характеристиками, как большая инерция вращения, высокая скорость отклика и гибкий режим работы. Оно обладает естественными преимуществами в решении этих новых задач и проблем.
Уровень электрификации продолжает повышаться, а требования к безопасному и надежному электроснабжению со стороны экономической и социальной сфер постоянно растут. За последние 50 лет уровень глобальной электрификации неуклонно улучшался, и доля электроэнергии в конечном потреблении энергии постепенно увеличивалась. Ускорилось замещение конечной электроэнергии электромобилями. Современное экономическое общество все больше полагается на электроэнергию, и она стала основным средством производства для экономической и социальной деятельности. Безопасное и надежное электроснабжение является важной гарантией производства и жизни современного человека. Масштабные отключения электроэнергии не только приводят к огромным экономическим потерям, но и могут вызвать серьезный социальный хаос. Энергетическая безопасность стала ключевым элементом энергетической безопасности, а возможно, и национальной безопасности. Внешнее обслуживание новых энергосистем требует постоянного повышения надежности безопасного электроснабжения, в то время как внутреннее развитие сталкивается с непрерывным ростом факторов риска, представляющих серьезную угрозу энергетической безопасности.
В энергосистемах постоянно появляются и применяются новые технологии, значительно повышающие уровень интеллектуальности и сложность энергосистем. Широкое применение силовой электроники в различных аспектах генерации, передачи и распределения электроэнергии привело к существенным изменениям характеристик нагрузки и системных характеристик энергосистемы, что повлекло за собой глубокие изменения в механизме ее функционирования. Информационно-коммуникационные, управляющие и интеллектуальные технологии широко используются во всех аспектах производства и управления энергосистемой. Уровень интеллектуальности энергосистем значительно повысился, и они могут адаптироваться к крупномасштабному онлайн-анализу и анализу для поддержки принятия решений. Распределенная генерация электроэнергии в больших масштабах подключается к потребительской стороне распределительной сети, и направление потока электроэнергии в сети изменилось с одностороннего на двустороннее или даже многонаправленное. Постоянно появляются различные типы интеллектуального электрооборудования, широко используются интеллектуальные счетчики, а количество терминалов доступа к энергосистеме экспоненциально растет. Информационная безопасность стала важным источником риска для энергосистемы.
Реформа и развитие электроэнергетики постепенно вступают в благоприятную ситуацию, и политическая обстановка, например, в отношении цен на электроэнергию, постепенно улучшается. В условиях стремительного развития экономики и общества Китая электроэнергетическая отрасль пережила огромный скачок от малого к крупному, от слабого к сильному, от ведомого к ведущему. В системном плане переход от государственного управления к предприятиям, от одной фабрики к одной сети, к разделению фабрик и сетей, умеренной конкуренции и постепенному переходу от планирования к рынку привели к развитию электроэнергетики, соответствующему национальным условиям Китая. Производственные и строительные мощности и уровень китайских электроэнергетических технологий и оборудования входят в число лучших в мире. Показатели универсального обслуживания и охраны окружающей среды в электроэнергетическом бизнесе постепенно улучшаются, и создана и эксплуатируется крупнейшая в мире и наиболее технологически продвинутая электроэнергетическая система. Китайский рынок электроэнергии неуклонно развивается, имея четкий путь к построению единого рынка электроэнергии на местном, региональном и национальном уровнях, и придерживается китайской линии поиска истины на основе фактов. Механизмы регулирования, такие как цены на электроэнергию, постепенно рационализировались, и первоначально был создан механизм ценообразования на электроэнергию, подходящий для развития гидроаккумулирующей энергетики, что обеспечило политическую среду для реализации экономической ценности инноваций и развития гидроэнергетики.
В условиях планирования, проектирования и эксплуатации гидроэлектростанций произошли значительные изменения. Основная задача традиционного планирования и проектирования гидроэлектростанций заключается в выборе технически осуществимого и экономически обоснованного масштаба и режима работы станции. Как правило, вопросы планирования гидроэнергетических проектов рассматриваются исходя из оптимальной цели комплексного использования водных ресурсов. Необходимо всесторонне учитывать такие требования, как борьба с наводнениями, орошение, судоходство и водоснабжение, а также проводить комплексные сравнительные анализы экономических, социальных и экологических выгод. В условиях непрерывных технологических прорывов и постоянного увеличения доли ветровой и фотоэлектрической энергии, энергосистема объективно нуждается в более полном использовании гидроресурсов, расширении режимов работы гидроэлектростанций и усилении роли в сглаживании пиковых нагрузок, частотной модуляции и выравнивании. Многие цели, которые ранее были недостижимы с точки зрения технологий, оборудования и строительства, стали экономически и технически осуществимыми. Первоначальный односторонний режим водохранилища и водосброса для выработки электроэнергии на гидроэлектростанциях больше не отвечает требованиям новых энергосистем, и необходимо комбинирование с режимом гидроаккумулирующих электростанций для значительного повышения регулирующей способности гидроэлектростанций; в то же время, учитывая ограничения краткосрочных регулируемых источников энергии, таких как гидроаккумулирующие электростанции, в стимулировании потребления новых источников энергии, таких как ветровая и фотоэлектрическая энергетика, и трудности в решении задачи безопасного и доступного электроснабжения, объективно необходимо увеличить емкость водохранилищ для улучшения цикла регулирования традиционных гидроэлектростанций, чтобы восполнить пробел в регулирующей способности системы, возникающий при выводе из эксплуатации угольных электростанций.
Инновационное развитие требует
Существует острая необходимость ускорить развитие гидроэнергетических ресурсов, увеличить долю гидроэнергетики в новых энергосистемах и усилить ее роль. В контексте цели «двойного углеродного цикла» общая установленная мощность ветроэнергетики и фотоэлектрической энергетики к 2030 году достигнет более 1,2 миллиарда киловатт; ожидается, что к 2060 году она достигнет 5-6 миллиардов киловатт. В будущем в новых энергосистемах возникнет огромная потребность в регулирующих ресурсах, и гидроэнергетика является наиболее высококачественным источником регулирующей энергии. Китайские гидроэнергетические технологии позволяют развивать установленную мощность в 687 миллионов киловатт. К концу 2021 года было освоено 391 миллион киловатт, что составляет около 57% от общего объема, значительно ниже 90%-ного показателя некоторых развитых стран Европы и США. Учитывая, что цикл развития гидроэнергетических проектов длительный (обычно 5-10 лет), в то время как цикл развития проектов ветроэнергетики и фотоэлектрической энергетики относительно короткий (обычно 0,5-1 год, а то и короче) и развивается быстрыми темпами, крайне важно ускорить темпы развития гидроэнергетических проектов, завершить их как можно скорее и как можно быстрее начать выполнять свою функцию.
Существует острая необходимость в преобразовании модели развития гидроэнергетики для удовлетворения новых требований по сглаживанию пиковых нагрузок в новых энергосистемах. В условиях достижения цели «двойного углеродного баланса» будущая структура энергоснабжения определяет огромные требования к работе энергосистемы для сглаживания пиковых нагрузок, и это проблема, которую нельзя решить с помощью планирования и рыночных сил, а скорее вопрос технической осуществимости. Экономичная, безопасная и стабильная работа энергосистемы может быть достигнута только посредством рыночного регулирования, планирования и оперативного контроля при условии осуществимости технологий. Для действующих традиционных гидроэлектростанций существует острая необходимость в систематической оптимизации использования существующих мощностей и сооружений, соответствующем увеличении инвестиций в модернизацию при необходимости и в принятии всех мер по повышению регулирующих возможностей; для вновь планируемых и строящихся традиционных гидроэлектростанций необходимо учитывать значительные изменения граничных условий, вызванные новой энергосистемой, и планировать и строить гибкие и адаптируемые гидроэлектростанции с учетом как долгосрочных, так и краткосрочных временных масштабов в соответствии с местными условиями. Что касается гидроаккумулирующих электростанций, то в сложившейся ситуации, когда краткосрочные регулирующие мощности крайне недостаточны, строительство следует ускорить; в долгосрочной перспективе необходимо учитывать потребность системы в возможностях сглаживания краткосрочных пиков и научно обосновать план ее развития. Для гидроаккумулирующих электростанций водоперекачивающего типа необходимо сочетать потребности в национальных водных ресурсах для межрегиональной переброски воды как в качестве проекта переброски воды через бассейны, так и в качестве комплексного использования регулирующих ресурсов энергосистемы. При необходимости это также может быть совмещено с общим планированием и проектированием проектов опреснения морской воды.
Существует острая необходимость в развитии гидроэнергетики для создания большей экономической и социальной ценности при одновременном обеспечении экономичной и безопасной эксплуатации новых энергосистем. Исходя из ограничений, связанных с достижением пика выбросов углерода и углеродной нейтральности в энергосистеме, новые источники энергии постепенно станут основной движущей силой в структуре энергоснабжения будущей энергосистемы, а доля высокоуглеродистых источников энергии, таких как угольная энергетика, будет постепенно снижаться. Согласно данным нескольких исследовательских институтов, при сценарии масштабного отказа от угольной энергетики к 2060 году установленная мощность ветровой и фотоэлектрической энергетики в Китае составит около 70%; общая установленная мощность гидроэнергетики с учетом гидроаккумулирующих электростанций составит около 800 миллионов киловатт, что составляет около 10%. В будущей структуре энергосистемы гидроэнергетика является относительно надежным, гибким и регулируемым источником энергии, который является краеугольным камнем обеспечения безопасной, стабильной и экономичной эксплуатации новых энергосистем. Необходимо срочно перейти от нынешней модели развития и эксплуатации «на основе производства электроэнергии с добавлением регулирования» к модели «на основе регулирования с добавлением производства электроэнергии». Соответственно, экономические выгоды от гидроэнергетических предприятий следует использовать в контексте повышения их ценности, а также для существенного увеличения доходов от предоставления регулирующих услуг системе на основе первоначальных доходов от производства электроэнергии.
Существует острая необходимость в внедрении инноваций в стандарты, политику и системы гидроэнергетических технологий для обеспечения эффективного и устойчивого развития гидроэнергетики. В будущем объективным требованием к новым энергетическим системам является ускорение инновационного развития гидроэнергетики, а существующие соответствующие технические стандарты, политика и системы также должны срочно соответствовать этому инновационному развитию для содействия эффективному развитию гидроэнергетики. Что касается стандартов и технических условий, необходимо срочно оптимизировать стандарты и технические условия для планирования, проектирования, эксплуатации и технического обслуживания на основе пилотных демонстраций и проверок в соответствии с техническими требованиями новых энергетических систем для традиционных гидроэлектростанций, гидроаккумулирующих электростанций, гибридных электростанций и гидроаккумулирующих электростанций с перекачкой воды (включая насосные станции), чтобы обеспечить упорядоченное и эффективное развитие инноваций в гидроэнергетике; что касается политики и систем, необходимо срочно изучить и разработать стимулирующие меры для руководства, поддержки и поощрения инновационного развития гидроэнергетики. В то же время существует острая необходимость в разработке институциональных механизмов, таких как рыночные цены и цены на электроэнергию, для преобразования новых ценностей гидроэнергетики в экономическую выгоду, а также в поощрении предприятий к активному осуществлению инвестиций в инновационные технологии, пилотных демонстраций и крупномасштабного развития.
Инновационный путь развития и перспективы гидроэнергетики
Инновационное развитие гидроэнергетики является насущной необходимостью для создания нового типа энергосистемы. Необходимо придерживаться принципа адаптации мер к местным условиям и внедрения комплексной политики. Для различных типов построенных и запланированных гидроэнергетических проектов следует применять разные технические схемы. Необходимо учитывать не только функциональные потребности в выработке электроэнергии и сглаживании пиковых нагрузок, частотной модуляции и выравнивании, но и комплексное использование водных ресурсов, регулируемое строительство нагрузки и другие аспекты. В конечном итоге, оптимальная схема должна быть определена на основе комплексной оценки выгод. Повышение регулирующей способности традиционных гидроэлектростанций и строительство комплексных гидроаккумулирующих электростанций с переброской воды между бассейнами обеспечивают значительные экономические выгоды по сравнению с вновь построенными гидроаккумулирующими электростанциями. В целом, для инновационного развития гидроэнергетики нет непреодолимых технических барьеров, есть огромный потенциал развития и выдающиеся экономические и экологические преимущества. Стоит уделить большое внимание и ускорить крупномасштабное развитие на основе пилотных проектов.
«Производство электроэнергии + перекачка воды»
Режим «выработка электроэнергии + перекачка» подразумевает использование гидротехнических сооружений, таких как существующие гидроэлектростанции и плотины, а также объектов передачи и преобразования электроэнергии, для выбора подходящих мест ниже водовыпуска гидроэлектростанции с целью строительства водоотводной плотины для формирования нижнего водохранилища, добавления насосов, трубопроводов и другого оборудования и сооружений, а также использования исходного водохранилища в качестве верхнего водохранилища. На основе функции выработки электроэнергии исходной гидроэлектростанции, при низкой нагрузке, увеличивается функция перекачки электроэнергии в энергосистеме, при этом для выработки электроэнергии по-прежнему используются исходные гидротурбинные генераторные установки. Это позволяет увеличить насосную и накопительную способность исходной гидроэлектростанции и тем самым повысить ее регулирующую способность (см. рис. 1). Нижнее водохранилище также может быть построено отдельно в подходящем месте ниже гидроэлектростанции. При строительстве нижнего водохранилища ниже водовыпуска гидроэлектростанции целесообразно контролировать уровень воды, чтобы не влиять на эффективность выработки электроэнергии исходной гидроэлектростанции. С учетом оптимизации режима работы и функциональных требований к участию в выравнивании уровня воды целесообразно оснастить насос синхронным двигателем. Этот режим, как правило, применим к функциональной трансформации действующих гидроэлектростанций. Оборудование и сооружения отличаются гибкостью и простотой, низкими инвестиционными затратами, короткими сроками строительства и быстрыми результатами.
«Производство электроэнергии + гидроаккумулирующая энергетика»
Основное различие между режимом «выработка электроэнергии + перекачка электроэнергии» и режимом «выработка электроэнергии + перекачка» заключается в том, что замена насоса на гидроаккумулирующий электростанция напрямую увеличивает функцию гидроаккумулирования исходной традиционной гидроэлектростанции, тем самым повышая ее регулирующую способность. Принцип устройства нижнего водохранилища соответствует режиму «выработка электроэнергии + перекачка». В этой модели также можно использовать исходное водохранилище в качестве нижнего и построить верхнее водохранилище в подходящем месте. Для новых гидроэлектростанций, помимо установки определенного количества традиционных генераторных установок, могут быть установлены гидроаккумулирующие электростанции определенной мощности. Предполагая, что максимальная выходная мощность одной гидроэлектростанции составляет P1, а увеличенная мощность гидроаккумулирующего электроснабжения — P2, диапазон работы электростанции относительно энергосистемы будет расширен с (0, P1) до (- P2, P1+P2).
Переработка каскадных гидроэлектростанций
В Китае для развития многих рек применяется каскадный режим развития, и строятся серии гидроэлектростанций, например, на реках Цзиньша и Даду. В новых или существующих группах каскадных гидроэлектростанций в двух соседних станциях водохранилище верхней каскадной гидроэлектростанции служит верхним водохранилищем, а нижняя каскадная гидроэлектростанция — нижним. В зависимости от рельефа местности можно выбрать подходящие водозаборы, и развитие может осуществляться путем сочетания двух режимов: «выработка электроэнергии + перекачка» и «выработка электроэнергии + перекачка электроэнергии». Этот режим подходит для реконструкции каскадных гидроэлектростанций, что позволяет значительно повысить пропускную способность и цикл регулирования, обеспечивая существенные преимущества. На рисунке 2 показана схема гидроэлектростанции, построенной в каскаде рек в Китае. Расстояние от места расположения плотины верхней гидроэлектростанции до водозабора нижней гидроэлектростанции составляет, как правило, менее 50 километров.
Локальная балансировка
Режим «локальной балансировки» подразумевает строительство ветроэнергетических и фотоэлектрических установок вблизи гидроэлектростанций, а также саморегулирование и балансировку работы гидроэлектростанций для достижения стабильной выработки электроэнергии в соответствии с графиком. Учитывая, что основные гидроэнергетические установки работают в соответствии с диспетчерским управлением энергосистемы, этот режим может применяться к радиально-поточным электростанциям и некоторым малым гидроэлектростанциям, которые не подходят для крупномасштабной модернизации и обычно не планируются с использованием традиционных функций сглаживания пиковых нагрузок и частотной модуляции. Это позволяет гибко регулировать выходную мощность гидроэнергетических установок, использовать их возможности краткосрочного регулирования, достигать локальной балансировки и стабильной выработки электроэнергии, одновременно повышая коэффициент использования существующих линий электропередачи.
комплекс регулирования пиковых нагрузок водоснабжения и электроснабжения
Модель «комплекса регулирования водных ресурсов и пиковой мощности» основана на концепции строительства гидроаккумулирующих электростанций, регулирующих водные ресурсы, в сочетании с крупными гидротехническими проектами, такими как крупномасштабная переброска воды между бассейнами, для строительства комплекса водохранилищ и водоотводных сооружений, а также для использования перепада высот между водохранилищами для строительства комплекса насосных станций, традиционных гидроэлектростанций и гидроаккумулирующих электростанций, образуя комплекс по производству и хранению электроэнергии. В процессе переброски воды из высокогорных источников в низменные районы «комплекс переброски воды и сглаживания пиковых нагрузок» позволяет в полной мере использовать перепад высот для получения преимуществ в производстве электроэнергии, обеспечивая при этом переброску воды на большие расстояния и снижая затраты на переброску. В то же время «комплекс по сглаживанию пиковых нагрузок» может служить крупномасштабным регулируемым источником нагрузки и электроэнергии для энергосистемы, предоставляя услуги регулирования системы. Кроме того, комплекс может быть объединен с проектами опреснения морской воды для достижения комплексного применения методов развития водных ресурсов и регулирования энергосистемы.
гидроаккумулирующая электростанция, использующая морскую воду
Гидроаккумулирующие электростанции, использующие морскую воду в качестве резервуара, могут выбирать подходящее место на побережье для строительства верхнего водохранилища, используя море в качестве нижнего. В связи с постоянно усложняющейся ориентацией традиционных гидроаккумулирующих электростанций, гидроаккумулирующие электростанции, использующие морскую воду, привлекли внимание соответствующих национальных ведомств, которые проводят исследования ресурсов и перспективные технические испытания. Гидроаккумулирующие электростанции, использующие морскую воду, также могут быть объединены с комплексным развитием приливной энергетики, волновой энергетики, морской ветроэнергетики и т.д., что позволяет создавать гидроаккумулирующие электростанции с большой емкостью хранения и длительным циклом регулирования.
За исключением гидроэлектростанций руслового типа и некоторых малых гидроэлектростанций без водохранилищ, большинство гидроэлектростанций с определенной емкостью водохранилища могут быть исследованы и реализованы с использованием гидроаккумулирующих электростанций. В новых гидроэлектростанциях гидроаккумулирующие установки определенной мощности могут быть спроектированы и размещены в едином комплексе. Предварительно подсчитано, что применение новых методов развития может быстро увеличить масштабы высококачественного сглаживания пиковых нагрузок как минимум на 100 миллионов киловатт; использование «комплекса регулирования водных ресурсов и сглаживания пиковых нагрузок» и гидроаккумулирующей электрогенерации на морской воде также может обеспечить чрезвычайно значительные высококачественные возможности сглаживания пиковых нагрузок, что имеет большое значение для строительства и безопасной и стабильной эксплуатации новых энергосистем, с существенными экономическими и социальными выгодами.
Предложения по инновациям и развитию гидроэнергетики
Во-первых, как можно скорее организовать разработку генерального плана инноваций и развития гидроэнергетики и на основе этой работы выпустить методические рекомендации для поддержки развития инноваций и развития гидроэнергетики. Провести исследования по основным вопросам, таким как руководящая идеология, позиционирование развития, основные принципы, приоритеты планирования и структура развития инноваций в гидроэнергетике, и на этой основе подготовить планы развития, уточнить этапы развития и ожидания, а также направлять участников рынка для упорядоченного осуществления проектной деятельности.
Вторая задача — организация и проведение технико-экономического анализа и демонстрационных проектов. В сочетании со строительством новых электроэнергетических систем — организация и проведение ресурсных изысканий гидроэлектростанций и технико-экономического анализа проектов, разработка инженерно-строительных планов, отбор типовых инженерных проектов для проведения инженерных демонстраций и накопление опыта для крупномасштабного развития.
В-третьих, мы будем поддерживать исследования и демонстрацию ключевых технологий. Путем создания национальных научно-технических проектов и другими средствами мы будем поддерживать фундаментальные и универсальные технические прорывы, разработку ключевого оборудования и демонстрационные приложения в области инноваций и развития гидроэнергетики, включая, помимо прочего, материалы для лопастей турбин насосных установок для перекачки морской воды и накопительных насосов, а также обследование и проектирование крупномасштабных региональных комплексов по перекачке воды и сглаживанию пиковых нагрузок.
В-четвертых, необходимо разработать фискальную и налоговую политику, политику утверждения проектов и ценообразования на электроэнергию для содействия инновационному развитию гидроэнергетики. Сосредоточившись на всех аспектах инновационного развития гидроэнергетики, следует разработать политику, включающую такие меры, как финансовые скидки на процентные ставки, инвестиционные субсидии и налоговые льготы, с учетом местных условий на ранних этапах разработки проекта, а также поддержку «зеленого» финансирования, чтобы снизить финансовые затраты на проект; для проектов по модернизации гидроаккумулирующих электростанций, которые не вносят существенных изменений в гидрологические характеристики рек, следует внедрить упрощенные процедуры утверждения для сокращения административного цикла согласования; необходимо рационализировать механизм ценообразования на электроэнергию для гидроаккумулирующих электростанций и механизм ценообразования на электроэнергию для гидроаккумулирующих электростанций, чтобы обеспечить разумную отдачу от инвестиций.
Дата публикации: 22 марта 2023 г.
