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2022 , Vol. 37 >Issue 5: 1107 - 1122

DOI: https://doi.org/10.31497/zrzyxb.20220501

“双碳”目标与绿色转型发展

“双碳”目标下新疆能源系统绿色转型路径

  • 邓铭江 , 1, 2 ,
  • 明波 , 1 ,
  • 李研 1 ,
  • 黄强 1 ,
  • 李鹏 1 ,
  • 吴萌 3
展开
  • 1.西安理工大学,省部共建西北旱区生态水利国家重点实验室,西安 710048
  • 2.新疆寒旱区水资源及工程研究中心,乌鲁木齐 830000
  • 3.新疆水利水电勘测设计研究院,乌鲁木齐 830000
明波（1989- ）,湖北黄冈人,博士,副教授,主要从事多能互补运行管理研究。E-mail:

邓铭江（1960- ）,湖南耒阳人,博士,教授级高级工程师,中国工程院院士,主要从事干旱区水资源研究与水利工程建设管理工作。E-mail:

收稿日期: 2022-01-05

  修回日期: 2022-03-01

  网络出版日期: 2022-07-28

基金资助

国家自然科学基金项目(52009098)

博士后创新人才支持计划项目(BX20200276)

中国博士后科学基金项目(2020M673453)

陕西省教育厅自然科学研究项目(20JK0806)

收起

Pathways towards a cleaner energy system for Xinjiang under carbon peak and carbon neutrality goals

  • DENG Ming-jiang , 1, 2 ,
  • MING Bo , 1 ,
  • LI Yan 1 ,
  • HUANG Qiang 1 ,
  • LI Peng 1 ,
  • WU Meng 3
Expand
  • 1. Xi'an University of Technology, State Key Laboratory of Eco-hydraulics in Northwest Arid Region of China, Xi'an 710048, China
  • 2. Engineering Research Center of Water Resources and Ecological Water Conservancy in Cold and Arid Area of Xinjiang, Urumqi 830000, China
  • 3. Water Resources and Hydropower Survey, Design and Research Institute of Xinjiang, Urumqi 830000, China

Received date: 2022-01-05

  Revised date: 2022-03-01

  Online published: 2022-07-28

Fold

摘要

新疆是我国最重要的资源宝库和能源基地之一。如何在“双碳”目标引领下,实现能源系统的绿色转型,事关国家能源安全。在系统总结新疆主要能源的储量及分布的基础上,梳理现阶段能源生产与消费现状,分析能源转型面临的主要问题,提出了能源绿色转型路径及相关对策和建议。结果表明：（1）新疆能源系统中化石能源占比超过85%,碳减排任务异常艰巨;（2）新疆“弃风、弃光”问题严峻,弃电率高于全国平均水平;（3）要实现新疆能源系统的绿色转型,须控制煤炭消费增长,加快水—风—光—储一体化清洁能源基地建设,扩大电力对外输送通道,推进“电气化新疆”进程,发展CCUS与大规模储能新技术等。研究结果可为新疆实现“双碳”目标提供参考。

关键词： 新疆; 能源转型; 清洁能源; 弃电; 多能互补; 储能

本文引用格式

邓铭江 , 明波 , 李研 , 黄强 , 李鹏 , 吴萌 . “双碳”目标下新疆能源系统绿色转型路径[J]. 自然资源学报, 2022 , 37(5) : 1107 -1122 . DOI: 10.31497/zrzyxb.20220501

Abstract

Xinjiang is one of the most important resource treasure houses and energy bases in China. How to construct a clean energy system under the guidance of carbon peak and carbon neutrality goals is related to national energy security. In this paper, we summarize reserves and distribution of main energy sources in Xinjiang, comb the current situation of energy production and consumption, analyze main problems faced by energy transition, and put forward pathways towards a cleaner energy system with relevant countermeasures and suggestions. It is shown that: (1) Fossil energy accounts for more than 85% in the existing energy system of Xinjiang, making the carbon emission reduction task arduous. (2) Wind and solar curtailments are an acute problem of Xinjiang at present, and the electricity curtailment rate is higher than the national average. (3) To promote the green transformation of Xinjiang's energy system, we must lower the growth rate of coal consumption, accelerate the construction of hydro-solar-wind-storage integrated power system, expand the channel of "Xinjiang's power transmission", advance the course of "electrified Xinjiang", and develop CCUS and new energy storage technologies. These findings can provide reference for Xinjiang to achieve the carbon peak and carbon neutrality goals.

Key words： Xinjiang; energy transition; clean energy; curtailed electricity; complementary operation of multiple energies; energy storage

能源是人类社会赖以生存的物质基础,是现代经济的重要支柱,同时也是国家核心竞争力的重要组成部分[1]。进入21世纪,为保障能源安全和应对碳排放所导致的全球气候变化问题,世界各国纷纷出台能源计划,以进一步刺激清洁能源的开发和利用。如欧盟清洁能源计划（CEP）要求,2030年35%的能源供给来自清洁能源;美国《拜登清洁能源革命和环境正义计划》确保美国实现100%清洁能源;日本《绿色增长战略》确定2050年实现净零排放,可再生能源占全国电力供应的50%~60%。截至目前,占全球GDP总量70%以上的经济体已经承诺到21世纪中叶实现净零排放（表1）。可见,以清洁能源为核心的全球能源转型正在加速进行。
表1 世界部分国家“碳中和”承诺

Table 1 "Carbon neutrality" commitments of some countries in the world

国家 承诺性质 时间节点/年
亚洲 中国 政策宣示 2060
韩国 法律草案 2050
日本 政策宣示 2050
新加坡 提交联合国 在21世纪后半叶尽早实现
美洲 乌拉圭 自主减排承诺 2030
美国、加拿大、智利、巴西、阿根廷、哥斯达黎加 政策宣示 2050
欧洲 芬兰 政策宣示 2035
奥地利、冰岛 政策宣示 2040
瑞典 法律规定 2045
斯洛伐克 提交联合国 2050
英国、法国、德国、丹麦、匈牙利 法律规定 2050
葡萄牙、瑞士、挪威、意大利 政策宣示 2050
爱尔兰 执政党联盟协议 2050
西班牙 法律草案 2050
大洋洲 斐济 法律草案 2050
新西兰、马绍尔群岛 法律规定 2050
非洲 南非 政策宣示 2050
我国目前是世界上人口最多的国家,同时也是世界第二大经济体。因此,我国减排对于实现《巴黎协定》长期目标具有重要战略意义。2020年9月,我国政府在七十五届联合国大会一般性辩论上提出：力争在2030年前实现碳达峰,努力争取2060年前实现碳中和[2]。为推进“双碳”目标的达成,2020年12月,我国政府在气候雄心峰会上进一步宣布：到2030年中国风电、太阳能总装机将达到12×108 kW以上,非化石能源消费占比达到25%左右。2021年3月,中央财经委员会第九次会议指出：要构建清洁低碳安全高效的能源体系,控制化石能源总量,着力提高利用效能,实施可再生能源替代行动,深化电力体制改革,构建以新能源为主体的新型电力系统。与此同时,《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》也明确规定：要构建现代能源体系,持续加强新能源电力消纳和跨区输送能力建设,有序推进风电、光伏发电的集中式开发,积极推进多能互补的清洁能源基地建设。国际可再生能源署（IREA）统计数据显示：截至2020年底,我国风、光装机容量分别为2.82×108 kW和2.54×108 kW,二者均为世界第一。然而,根据《中国2030年能源电力发展规划研究及2060年展望》报告预测,要实现“双碳”目标,我国2030年和2060年清洁能源装机规模需达到25.7×108 kW（占比67.5%）和76.8×108 kW（占比96%）。对于规模如此庞大的清洁能源系统,如何实现其安全、高效利用,将成为能源转型阶段亟待攻克的“卡脖子”难题。
新疆地处我国西部边陲,总面积166.49×104 km2,周边与8个国家接壤,是我国面积最大、陆地边境线最长、毗邻国家最多的省区。新疆同时是我国西北的战略屏障,是我国向西开放的重要门户,也是国家最重要的煤炭、油气、清洁能源基地和运输通道之一。党的十八大以来,新疆围绕国家“三基地一通道”战略定位,建成了一批能源资源开发转化、“西气东输”“疆电外送”等重大工程,形成了煤炭[3]、油气[4]、水电[5]、新能源[6]全面发展的能源体系。在全球二氧化碳净零排放需求下,新疆如何从高比例的化石能源体系向绿色低碳的清洁能源体系迈进,不仅与该地区的社会经济可持续发展紧密相关,而且事关能源安全,甚至国家安全。目前,新疆煤炭、油气、清洁能源资源储量巨大,在现有的能源体系中,化石能源消费比例超过85%,并且多年来居高不下;风、光新能源近年来虽得到快速发展,但由于本地灵活性电源装机不足、负荷需求较小等问题,依然存在严重的“弃风、弃光”问题。因此,在“一带一路”倡议、“双碳”目标、构建以新能源为主体的新型电力系统等国家重大战略背景下,探讨新疆能源系统的绿色转型路径,需求迫切,意义重大。
本文在总结新疆主要能源的储量及分布的基础上,梳理现阶段能源生产与消费现状,分析能源转型面临的主要问题,并结合国际上能源转型的成功经验以及新疆地区的特点,提出能源转型对策和建议。

1 新疆主要能源储量及分布

1.1 煤炭资源

新疆煤炭资源丰富且分布广泛,资源量位居全国之首。据相关部门预测,2000 m以浅的资源储量为2.19×1012 t,约占全国煤炭预测总量的39.4%[7]。新疆煤炭分布呈现“北富南贫”的格局,北疆地区的煤炭预测资源量约占全疆的89%,地区分布情况见表2[8]。
表2 新疆煤炭资源储量及分布

Table 2 Reserves and distribution of coal resources in Xinjiang

地区 预测资源量/108 t
北疆 吐鲁番地区 5651
昌吉自治州 4714
伊犁自治州 3393
哈密地区 3045
塔城地区 1365
乌鲁木齐地区 648
阿勒泰地区 617
克拉玛依地区 105
南疆 巴音郭楞自治州 1925
阿克苏地区 432
喀什地区 3
克孜勒苏自治州 2
和田地区 1
合计 21901

1.2 油气资源

新疆油气资源丰富,是我国陆上最大的油气产区[9]。全国第二轮油气资源评价对新疆三大盆地（准噶尔盆地、塔里木盆地、吐哈盆地）油气资源量进行了预测计算,其中石油资源量209.22×108 t、天然气10.85×1012 m3,分别占全国陆地资源总量的27%、28%[10]。根据《新疆能源年度报告（2014）》,截至2014年底,新疆已探明石油储量56×108 t,天然气储量1.4×1012 m3,均位居全国首位。

1.3 太阳能资源

新疆位于欧亚大陆腹地,远离海洋,气候干燥,云雨量少,太阳能资源十分丰富。全年日照时数2550~3500 h,日照百分率为60%~80%[11]。水平表面太阳辐照度年总量为5000~6400 MJ·m-2,比同纬度地区高10%~15%,比长江中下游高15%~25%,仅次于青藏高原,位居全国第二位[12]。同时,新疆存在大面积的荒漠、戈壁,可为光伏电站建设提供充足场地。新疆太阳能资源空间分布见表3[13]。可以看到,年总辐照度大致为：由东南向西北不均匀递减,哈密地区接近6400 MJ·m-2,是新疆年辐射值最高的地区;准噶尔盆地中部受地形影响,风沙和云量较多,是新疆平原地区年辐射量最低的地区[14]。全疆日照时数均为自东向西减少,哈密地区年日照时长在3100 h之上,西部地区在2500~2900 h[15]。
表3 新疆太阳能资源储量及分布

Table 3 Reserves and distribution of solar energy resources in Xinjiang

地区 年辐射量/(MJ·m-2) 年日照时长/h 辐射等级
哈密地区 6400 3100~3550 非常丰富
南疆地区 5800 2500~2700 较丰富
伊犁河谷、博尔塔拉谷地、塔城盆地、额尔齐斯河谷 5400 2700~2900 次丰富
准噶尔盆地中部 5200 2500~2700 亚丰富

1.4 风能资源

新疆处于中纬度地区,冷峰和低压槽较多,春夏之交盛行西风和西北风。在气流畅通的谷口和山口地区风速增强[16],风能质量品质好。新疆风能资源的总储量高达9.57×108 kW,占全国风能资源总储量的37%,风能资源十分丰富。新疆的风能资源主要集中于九大风区,资源储量及分布情况见表4[17]。九大风区总面积达15.5×104 km2,风能资源储量高达4.30×108 kW,估算可装机容量达3.37×108 kW,可利用小时数在4000~6000 h之间[18]。九大风区集中了新疆风能资源总储量的45%,开发潜力巨大。
表4 新疆主要风区风能资源储量及分布

Table 4 Reserves and distribution of wind energy resources of main wind areas in Xinjiang

风区 面积/km2 风能资源储量/MW 估算可装机容量/MW
阿拉山口风区 3311 9588 7526
塔城老风口风区 4014 10747 8436
额尔齐斯河河谷风区 4276 8091 6351
三塘湖—淖毛湖风区 31330 84036 65968
哈密东南部风区 33520 68449 53732
哈密十三间房风区 16930 54487 42272
吐鲁番小草湖风区 29870 55163 43302
达坂城风区 1938 84036 65968
罗布泊风区 29870 55163 43302
合计 155059 429760 336857

1.5 水能资源

新疆位于西北内陆干旱区,共有570多条河流,水能资源主要集中在山区河流出山口以上河段,根据第四次《中国水力资源复查（新疆卷）》,大于1×104 kW以上的河流理论蕴藏量达3817.9×104 kW（表5）。新疆的水能资源主要分布在九大流域,其理论蕴藏量为3200×104 kW,占全疆的83.82%[19]（表6）。
表5 新疆水能资源理论蕴藏量

Table 5 Theoretical reserves of hydropower resources in Xinjiang

类别 理论蕴藏量/MW 技术可开发量/MW
年径流≥10×108 m3 21396.3 14847.4
年径流1×108~10×108 m3 13672.2 1500
年径流≤1×108 m3 3110.2 217.5
全疆 38178.7 16564.9
表6 新疆9大流域的水能资源理论蕴藏量

Table 6 Theoretical reserves of hydropower resources in nine river basins of Xinjiang

流域名称 理论蕴藏量/MW
额尔齐斯河流域 4725.2
玛纳斯河流域 685.6
伊犁河流域 9057.4
开都河流域 1761.2
渭干河流域 1110.9
阿克苏河流域 2419.1
喀什噶尔流域 2725.9
叶尔羌河流域 6175.7
和田河流域 3338.8
以上河流总计 32000
全疆总计 38178.7
以上河流占全疆比例/% 83.82

2 新疆能源生产与消费现状

2.1 能源生产现状

随着社会经济的发展,新疆能源生产总量逐年增加,2009—2019年10 a间平均增长率为9.9%,但以化石能源为主体（占比超过90%）的能源生产结构并未发生根本性的变化,具体情况见表7。以2019年为例,新疆原煤、原油、天然气三种化石能源占整个能源生产总量的比例依然高达90.6%。其中,原煤产量稳步增加,2019年占比高达59.1%,在能源生产中居首位;原油和天然气产量明显下降,10 a间降幅度分别为11.9%和7.2%。水、风、光及其他能源增长速率较为缓慢,2019年占比仅为9.4%。可以预见,若原煤产量持续增加,新疆未来的经济发展与碳减排矛盾将进一步加剧。
表7 2007—2019年新疆能源生产总量及不同能源占比

Table 7 Total energy production and proportion of different energy sources in Xinjiang during 2007-2019

年份 能源生产总量/104 tce 占能源生产总量的比例/%
原煤 原油 天然气 水能、风能、太阳能及其他能源
2007 10735.84 36.7 34.7 26 2.6
2008 12669.13 41.9 30.6 24.8 2.7
2009 13542.33 46.5 26.5 24.1 2.9
2010 14697 49.3 24.9 22.6 3.2
2011 16005.07 53.8 23.4 19.6 3.2
2012 17561.88 55.4 21.7 19.2 3.7
2013 18943.23 53.4 21.1 19.9 5.6
2014 19473.2 53 21.1 20.3 5.6
2015 19779.97 53.3 20.2 19.7 6.8
2016 19900.54 54.3 18.4 19.5 7.8
2017 22251.84 56.3 16.6 18.2 8.9
2018 24069.39 57.8 15.7 17.3 9.2
2019 26904.22 59.1 14.6 16.9 9.4
近年来,新疆风、光新能源发展迅猛,其累计装机与全国对比情况见图1。2019年新疆光电累计装机容量达1080×104 kW,是2013年的3.4倍。光电装机容量在2015—2016年增长迅猛,年增长率在50%以上,但 2017年后增速放缓,2017—2019年光电装机容量的年均增长率不足8%,远低于全国39.8%的年均增长率。与此同时,2019年风电累计并网容量达1956×104 kW,相比于2013年增长了2.9倍。2015年风电并网容量相较于2014年实现了翻倍增长,但之后增速缓慢。2016—2019年风电并网容量年均增长率近3.7%,但远不及全国风电12.9%的增长速度。
图1 2013—2019年新疆及全国风光新能源历年累计装机容量

Fig. 1 Cumulative installed capacities of solar and wind in Xinjiang and the whole country over the years during 2013-2019

全国各省（市、自治区）风、光新能源装机容量占比见图2。可以看到,新疆风、光装机容量位居全国前列,截至2020年第一季度,新疆风电累计并网装机容量位居全国第2位,占全国风电总装机的9.3%,仅次于内蒙古,领先第3位的河北近1.5%;光电累计装机容量位于全国第10位,占全国光电装机容量的5%。总体而言,新疆风、光电装机容量的占比在全国各省（市、自治区）中排位靠前。
图2 全国各省（市、自治区）风光新能源装机容量占比

Fig. 2 Proportions of installed capacity of solar and wind in all provincial-level regions of China

2.2 能源消费现状

新疆能源消费总量随着产业结构调整而逐年发生变化,能源消费总量及不同能源占比情况见表8。可以看到：在能源消费结构中,原煤占比最大,其次为原油、天然气和水、风、光及其他能源。截至2019年,原煤、原油、天然气三项总占比达86.4%,而水能、风能、太阳能等清洁能源占比不足13.7%。从变化过程来看,原煤消费占比居高不下,2019年达67.6%;原油、天然气消费总体呈现下降趋势,水、风、光及其他能源增长缓慢。根据能源消费总量对新疆二氧化碳排放进行测算,2019年碳排放达6.14×108 t,约占全国总排放量（98×108 t）的6.3%,碳减排任务艰巨。
表8 2007—2019年新疆历年能源消费总量及不同能源占比

Table 8 Total energy consumption and proportion of different energy sources in Xinjiang over the years during 2007-2019

年份 能源消费总量/104 tce 二氧化碳排放/108 t 占能源消费总量的比例/%
原煤 原油 天然气 水能、风能、太阳能及其他能源
2007 6575.92 2.19 57.8 23.9 14.1 4.2
2008 7069.39 2.35 61.7 20.3 13.1 4.9
2009 7525.56 2.5 65.9 16.9 12 5.2
2010 7915.18 2.63 65.7 15.3 13 6
2011 9474.46 3.15 66.9 14.9 12.9 5.3
2012 11293.68 3.75 66.8 14.9 12.5 5.8
2013 13631.79 4.53 66 13.7 12.5 7.8
2014 14926.08 4.96 65.1 12.4 15.2 7.3
2015 15651.2 5.2 65.8 13.2 12.4 8.6
2016 16302.01 5.42 66.5 13.9 10.1 9.5
2017 17391.7 5.78 66.4 13.3 8.8 11.5
2018 17694.03 5.88 67.1 12.5 7.9 12.5
2019 18489.82 6.14 67.6 11.8 7 13.7
对比新疆能源生产和消费总量变化过程可知（图3）,2007—2019年新疆能源生产与消费总量总体处于上升趋势。能源消费总量小于生产总量,其主要原因之一是,由于本地经济发展对能源需求不足,存在能源的对外输送,如“西气东输”“疆电外送”工程。2020年上半年,疆电外送电量达439×1012 kW·h,其中新能源电量121×1012 kW·h,占外送电量的27.5%。同时截至2020年6月19日,新疆10 a累计外送电量突破3000×1012 kW。在国家“一带一路”倡议大局之下,新疆电网的发展进一步加快,集中在新疆电网本地的建设和新疆电能的向外输送上,据统计,仅“十三五”期间国家电网在新疆电网的投资增长就超过了46%[20]。
图3 2007—2019年新疆能源生产和消费总量变化过程对比

Fig. 3 Comparison of total energy production and consumption processes in Xinjiang during 2007-2019

新疆本地能源需求不足的重要体现是其电力负荷不高。典型负荷曲线见图4,典型负荷特征值见表9。由图4可知,工作日负荷峰值为3158.5×104 kW,谷值为2837.5×104 kW,峰谷差321×104 kW。节假日负荷峰值为2949.8×104 kW,谷值为2759.9×104 kW,峰谷差190×104 kW。年内最高负荷与最低负荷基本趋势一致,春季负荷变化较为平稳,夏季与冬季负荷偏高。
图4 新疆典型负荷曲线

Fig. 4 Typical load curves of Xinjiang

表9 新疆典型负荷曲线特征值

Table 9 Characteristic values of typical load curve in Xinjiang

负荷类型 数值/104 kW 出现时间
工作日最高负荷 3158.5 22∶45
工作日最低负荷 2837.5 05∶15
节假日最高负荷 2949.8 20∶45
节假日最低负荷 2759.9 16∶00
年最高负荷 3368.4 12月中旬
年最低负荷 2421 2月上旬、9月中旬

3 新疆能源转型面临的主要问题

在“双碳”目标以及构建以新能源为主体的新型电力系统等国家重大战略驱动下,全国能源系统亟待进行绿色转型,一场以清洁能源为核心的能源革命已经悄然展开。新疆作为我国最重要的能源基地之一,其能源储量巨大,化石能源及风、光新能源储量均位居国家前列。然而,高比例的化石能源体系、突出的“弃风、弃光”问题以及未能有效实施多能互补运行管理,是新疆能源转型过程中亟待解决的三大难题。

3.1 化石能源的生产与消费比例高

新疆主要能源生产与消费比例见图5。在能源生产中,原煤自2012年起占比基本维持在50%以上,原油和天然气占比逐年缩小,清洁能源占比逐年增加,但至2017年仍然不足10%。对于能源消费,煤炭占比近年来一直保持在60%以上,原油和天然气占比逐年缩小,清洁能源占比不断扩大,但仍低于15%。可见,新疆化石能源在能源生产和消费结构中的比例高,清洁能源比例较小。尽管近年来风、光新能源的规模有所扩大,但高比例的能源生产、消费体系并未发生根本变化,化石能源占比远高于世界平均水平和国内平均水平。因此,新疆要降低化石能源发电比例以实现减排,任务异常艰巨。
图5 新疆不同类型能源在能源生产和消费总量中的占比

Fig. 5 Proportions of different types of energy in total amount of energy production and consumption in Xinjiang

3.2 新能源弃电问题突出

尽管新疆风、光资源丰富,且目前装机规模较大,但由于风、光电易受气象因素影响,具有明显的间歇性、波动性和随机性,电网对其消纳不足。国家能源局统计数据显示,新疆2020年弃风率、弃光率分别为10.7%、4.8%,分别高于全国3%、2%的平均水平。以2020年一季度为例,新疆弃风电量11.6×104 kW·h,弃风率为12.4%,具体区域弃电情况见表10。其中,昌吉州、吐鲁番市、巴州风电消纳较为良好,弃风率低于10%;哈密十三间房风区弃风率高达35.1%,远高于全区平均水平,是全区唯一新能源弃电率高于20%的地区。
表10 新疆2020年一季度弃风情况

Table 10 Wind curtailment in the first quarter of 2020 in Xinjiang

区域 弃风率/%
昌吉州 0.4
吐鲁番市 6.5
巴州 6.8
哈密十三间房山区 35.1
对于光电,2020年一季度,新疆弃光电量2.04×104 kW·h,较去年同期下降40%,弃光率6%,具体分区情况见表11。可以看到,吐鲁番市、昌吉州、伊犁州、乌鲁木齐市光伏发电消纳情况最好,弃光率均低于3%,接近全国平均水平;阿克苏地区、喀什地区、克州、和田地区弃光率高于10%。可以预见,在“十四五”规划期间,新疆风、光能源的开发规模将继续扩大,在高比例的煤电体系下,电力系统将面临较大的弃电风险。
表11 新疆2020年一季度弃光情况

Table 11 Solar curtailment in the first quarter of 2020 in Xinjiang

区域 弃光率
阿克苏地区、喀什地区、克州、和田地区 高于10%
其他地（州、市） 低于10%
吐鲁番市、昌吉州、伊犁自治州、乌鲁木齐市 低于3%

3.3 未实行多能互补运行管理

新疆风、光新能源弃电率较高,其重要原因之一是未实行多能互补运行管理。多能互补的基本原理是,利用资源的天然互补性,同时充分发挥梯级水电站群以及储能设施的灵活性,对冲风、光新能源对电网的冲击性,从而提升整个能源系统的综合利用效率。国际能源署（IEA）发布的《全球能源转型：2050路线图》指出,能源转型的六大重点领域之一是：充分利用可再生能源之间的强大协同效应以提升能源效率。《国家发展改革委员会国家能源局关于推进电力源网荷储一体化和多能互补发展的指导意见》（发改能源规[2021]280号）、《国家源局综合司关于报送“十四五”电力源网荷一体化和多能互补发展工作方案的通知》等国家部委文件也指出,通过多能互补提高清洁能源利用水平和电力系统运行效率。新疆发展改革委员会公开数据显示：截至2020年底,新疆电网火电装机5858.6×104 kW,风电装机2355.2×104 kW,太阳能发电装机1205.9×104 kW,水电装机710.8×104 kW。可以看到,新疆水电装机仅占电网总发电装机的7%,电力系统本身灵活性不足,加之流域梯级水电站多为径流式电站,主要功能是满足灌溉和生态,使其灵活性受限。因此,如何充分利用风、光、水资源的天然互补性,并且提升梯级水电站群的灵活性,进一步推进多能互补运行管理,也是新疆能源转型所面临的巨大挑战。

4 对策与建议

针对新疆能源转型面临的主要问题,结合国际能源转型经验,考虑新疆能源储量特征以及能源生产、消费现状,以逐步降低化石能源在能源生产消费中的比例、构建绿色低碳的新型能源系统、实现电力系统的可持续发展为目标,提出以下七点对策与建议。

4.1 加大水、风、光清洁能源开发力度,逐步降低火电占比

在“碳中和”目标引领下,许多发达国家制定了以发展清洁再生能源为核心的能源转型政策和战略。例如,部分发达国家宣布放弃火电,见表12。其中,瑞典2020年放弃使用火电,是淘汰火电最早的国家之一。挪威、美国、日本、德国等发达国家一直注重水能资源开发利用[21],其中：挪威水力发电占99.5%,成为世界上水电比例最高的国家[22];丹麦风力发电占全国总发电量的50%左右[22],其风力发电技术目前全球领先;德国的太阳能发电在技术创新、国家政策方面都处于领先地位,2019年其光电占全国总发电量的7.7%[23]。可以看到,全球能源转型的大趋势是：逐步淘汰电力系统中的火电,同时不断增加水、风、光等清洁电力占比。
表12 部分国家宣布淘汰火电时间表

Table 12 Timetable for phase out of thermal power announced by some countries

国家 奥地利 瑞典 法国 意大利 英国 丹麦 瑞士 德国
年份 2020 2020 2023 2025 2025 2030 2030 2038
新疆风能、太阳能资源十分丰富,并且地域辽阔,存在大面积的沙漠、荒漠、戈壁,这为风、光新能源的大规模开发提供了优越的条件。此外,新疆的水能资源技术可开发量高达1656.5×104 kW,若能得到充分开发,也可以满足新疆近期约50%的电力负荷需求（工作日最高负荷3368.4×104 kW）。水电具有很强的灵活性,可为电力系统承担调峰、调频、事故备用等任务,是能源绿色转型的“压舱石”。因此,要实现“双碳”目标,新疆在未来电力系统的发展中,必须进一步加大风、光新能源开发力度,同时积极稳妥发展水电,分阶段逐步降低火力发电的占比,最终实现100%清洁能源的新型电力体系。

4.2 严格合理控制煤炭消费增长,坚持走煤炭清洁高效利用之路

煤炭是我国的主体能源和重要原料,在能源转型过程中将发挥着不可或缺的兜底保障作用[24]。尽管我国风、光、水清洁能源已经得到大规模的开发和利用,但其产量受气象因素影响,并且风、光新能源的随机波动性也导致其并网消纳困难。因此,在现有的技术水平下,仅依靠风、光、水等清洁能源难以满足我国巨大的能源需求。另外,我国的化石能源资源禀赋呈现出“富煤、贫油、少气”特征,这使得在未来相当长的一段时期内,煤炭依然是我国能源系统中的主力军[25]。据预测,2035年煤炭占我国一次能源消费比例还将超过40%[26]。因此,在“双碳”目标下,如何科学、高效地利用煤炭至关重要。
目前,新疆能源消费结构中,原煤占比约为67.6%,并且呈现出逐年增加的态势。因此,要实现“双碳”目标,一方面需要严格合理控制煤炭的消费增长,从源头上降低碳排放。国务院印发的《2030年前碳达峰行动方案》也明确指出,加快煤炭减量步伐,“十四五”时期严格合理控制煤炭消费增长,“十五五”时期逐步减少。另外一方面,降低碳排放可从后端发力,坚持走煤炭清洁高效利用之路,加快煤炭深加工技术的发展,通过低碳化的技术手段实现煤炭由燃料向原料的转变,例如煤制油、煤制乙二醇、煤制烯烃等技术进一步发展[27]。此外,应当对煤炭的利用方式进一步转变,促进煤炭的高效利用,如采用集中供热、推进粉煤发电等[28]。

4.3 加快水—风—光—储一体化清洁能源基地建设,推进多能互补运行管理

新疆“弃风、弃光”问题严重,是制约风、光新能源开发利用由“粗狂型”向“集约型”转变的关键因素。风电和光电容易受气象因素影响,出力均具有明显的间歇性、波动性和随机性,直接并网会对电力系统的调峰和稳定运行带来极大压力。水电机组具有启停迅速、运行灵活、出力变化幅值大和对负荷变化响应快等特点,是理想的调峰电源。利用水电的灵活性以及水能、风能与太阳能资源的天然互补性配套发展风电和光伏,是降低新能源并网冲击性、提升资源利用率的有效方式。国内外大量研究表明,当不同能源或者不同区域电厂间存在互补性时,将二者进行聚合形成互补发电系统,可以更好地提高系统发电量和可靠性,同时降低发电成本[29,30]。尽管风、光电的随机波动性对其发展具有一定的限制[31,32],但通过配套发展抽水蓄能电站[33]、储能电站[34]等储能设施,实行水—风—光—储多能互补运行管理,可弥补这一不足,最终缓解新能源装机规模大与弃电率高的矛盾。
目前,新疆清洁能源基地是我国“十四五”规划中重点发展的九大清洁能源基地之一。因此,在加快风、光清洁能源发展步伐的同时,需要同时考虑流域水资源综合利用和新能源消纳两大目标,建设水—风—光—储一体化清洁能源基地。一方面既要科学规划配置风、光新能源装机,另一方面还需配套升级水电系统的灵活性,如因地制宜发展梯级水电站、抽水蓄能电站,对已有水电站进行机组扩容,在梯级水电站之间增设大型泵站以形成梯级储能工厂等,最终形成水—风—光—储多种能源深度融合的有机能源体系。

4.4 扩大疆电外送通道,增加清洁电力对外供给能力

在“双碳”目标驱动下,新疆风、光新能源装机规模必将进一步扩大。然而,由于新疆社会经济发展水平有限,导致本地负荷需求不足,加之新疆灵活性电源装机本身不足,难以完全消纳持续新增的风、光新能源。此时,可借助特高压直流工程将新疆丰沛的清洁电能输送至我国中、东部负荷中心,甚至是实现跨国输电,以促进清洁能源的消纳。如目前我国已经建成的“青豫直流”工程,是一条专门为清洁能源外送建设的特高压通道,最大输送功率可达到800×104 kW。自2010年以来,“疆电外送”通道也在持续开通。2010年11月,新疆建成了哈密—敦煌750 kV输变电工程,实现了新疆与全国电网互通,结束了新疆孤网运行的历史。2013年新疆与全国联网750 kV第二通道建成投运;2014年天山—中州±800 kV特高压直流输电工程投运,“疆电外送”第三通道建成;2019年准东—皖南±1100 kV特高压直流输电工程投运,建成“疆电外送”第四通道,将新疆电能输送至华东地区用电负荷中心。
在“一带一路”倡议、“双碳”目标,以及构建以新能源为主体的电力系统等国家重大战略背景下,进一步扩大“疆电外送”通道具有十分重要的战略意义。一方面,通过加大清洁能源向我国中东部和国外输送,有助于解决本地清洁能源过剩问题;另一方面,大规模清洁能源的对外输送可成为新疆经济新的增长点,通过促进新疆经济由“依赖化石能源”向“依赖清洁能源”方向发展,从而实现碳减排。

4.5 推进“电气化新疆”进程,提高本地电力消纳水平

在风、光新能源大规模开发背景下,推进“电气化新疆”进程,对于提高新能源本地消纳水平具有重要意义。“电气化新疆”是在终端能源消费环节,使用电能替代煤、油、气的能源消费方式。《加快推进电气化新疆工作方案》（新政发〔2016〕161号）指出,电气化新疆主要目标是,增强新疆消纳富裕电力能力,改善能源消费结构,提高工业、交通、商业和城市居民、农村等领域的电气化水平,从而提高能源消费能力。其中,电采暖项目是“电气化新疆”建设工作的一个成功缩影。
改革开放以来,新疆经济发展取得了显著成绩,形成了以工业发展为主导、以服务业发展为强大动力、以农业产业为基础的“三、二、一”发展格局。推进“电气化新疆”建设,需做好顶层设计,分别从工业、服务业、农业等多个领域出发,制定出切实可行的电能替代方式,最大程度地提高本地电力消纳水平。例如,作为新疆GDP的主要增长点之一的农业领域,加大农业电气化建设,不仅可以减少煤电的消耗间接减排,还可通过增加作物产量进行直接固碳。

4.6 发展CCUS技术,缓解高比例化石能源体系与碳减排需求的矛盾

二氧化碳是全球气候变暖的主要影响因素[35]。碳捕集、利用与封存（CCUS）技术是中和人为碳排放、应对全球气候变化的关键技术之一[36],已受到世界各国的高度重视;CCUS技术也被认为是实现以化石能源为主的能源系统低排放的重要技术之一[37]。2011年以来,我国出台了一系列CCUS技术的支持政策,从《“十二五”控制温室气体排放工作方案》中建设二氧化碳捕集、驱油、封存一体化示范工程,到《中国CCUS技术发展路线图（2019版）》[38],说明了CCUS技术在我国发展的空间。隋志成等[39]发现短期内新疆地区化石能源消费结构不会发生较大变化,限制碳排放量可从开展CCUS技术入手,并针对性地提出现阶段新疆油气行业可行的CCUS技术方案。吴金焱等[40]估算了新疆煤化工行业二氧化碳排放,发现新疆煤化工项目聚集,且单个项目规模大,二氧化碳排放浓度高,有利于实现CCUS技术的低成本应用。
高比例的化石能源体系是目前新疆能源系统的主要特征之一。同时,在风、光新能源大规模并网条件下,电力系统须借助火电调峰,以保证系统的安全、稳定运行。此时,降低火电占比宜分阶段执行,可采用CCUS技术实现碳减排目标。另外,利用盆地对二氧化碳进行地质封存[41,42],开展煤制氢与CCUS技术集成[43],探索CCUS技术在农业领域的应用等,将为新疆实现“双碳”目标提供切实可行的途径。

4.7 探索储能新方式,增加电力系统灵活性

储能是实现新能源深度消纳的最重要途径。目前,储能主要分为以下几种主流形式：机械储能、电化学储能、化学储能、电气储能、热储能等。其中,抽水蓄能作为机械储能的一种,是目前公认的最成熟、最可靠、最清洁、最经济的储能手段,在调峰调频、削峰填谷、事故备用和黑启动等方面具有很大的优势。国家能源局发布《抽水蓄能中长期发展规划（2021—2035年）》,要求加快抽水蓄能电站核准建设,到2025年,抽水蓄能投产总规模较“十三五”翻一番,达到6200×104 kW以上;到2030年,抽水蓄能投产总规模较“十四五”再翻一番,达到1.2×108 kW左右。此外,氢电池储能技术目前也展示出了强大的生命力,其原理是,利用过剩的电力驱动电解槽,通过电解水产生氢气并储存起来,最后将氢气转移到燃料电池的氢罐中发电。《新疆维吾尔自治区国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》指出,将开展智能光伏、风电制氢试点,其中建成阜康120×104 kW抽水蓄能电站,推进哈密120×104 kW抽水蓄能电站、南疆四地州光伏侧储能等调峰设施建设。
在“双碳”目标的驱动下,风、光新能源占比将会逐步攀升。然而,风、光新能源并网会对电网的安全、稳定运行带来极大压力。为了适应新型电力系统建设和大规模高比例新能源发展需要,新疆电力系统亟待建设大规模储能设施,以增加电力系统灵活性。因此,需要根据新疆不同地区特点,探索能够大规模开发,并且安全、高效的新型储能技术,如建设常规抽水蓄能电站、梯级储能工厂（梯级水电站+大泵）以及智能光伏、风电制氢设施等。

5 结语

新疆是我国重要的能源基地,是保障国家能源安全的战略支点。在“一带一路”倡议、“双碳”目标、构建以新能源为主体的新型电力系统等国家重大战略背景下,探讨新疆能源系统的绿色转型路径具有重要意义。本文系统梳理新疆主要能源储量特征,针对新疆能源系统现状以及存在的问题,提出能源系统绿色转型对策和建议,主要结论如下：
（1）新疆煤炭、油气资源储量均居全国首位;同时,风、光清洁能源资源丰富,品质较高,具备良好的开发条件,目前风、光新能源发展速度较快,装机规模分别排全国第二名、第十名。
（2）新疆现有的能源体系中化石能源占比高,在能源生产和消费中,2019年原煤、原油、天然气三项总占比分别高达90.6%和86.3%,水风光清洁能源占比不足15%,碳减排任务艰巨。
（3）新疆目前面临严峻的“弃风、弃光”问题,2020年第一季度弃电率分别高达12.4%、6.0%,远高于全国平均水平。随着风、光能源开发规模的持续扩大,电力系统将面临较高的弃电风险。
（4）新疆风、光新能源弃电率较高,其重要原因之一是未实行多能互补运行管理。由于新疆电力系统本身灵活性装机不足,实施多能互补,需求迫切。
（5）新疆能源系统的绿色转型路径,可从以下几个方面着手：① 加大水、风、光清洁能源开发力度,逐步降低火电占比;② 严格合理控制煤炭消费增长,坚持走煤炭清洁高效利用之路;③ 加快水—风—光—储一体化清洁能源基地建设,推进多能互补运行管理;④ 扩大疆电外送通道,增加清洁电力对外供给能力;⑤ 推进“电气化新疆”工作,提高本地电力消纳水平;⑥ 发展CCUS技术,缓解高比例化石能源体系与碳减排需求的矛盾;⑦ 探索储能新方式,增加电力系统灵活性。
需强调的是,新疆能源转型对策需在全国乃至“一带一路”倡议大背景下,综合考虑新疆特殊的战略地位与各行业自身特点进行系统研究。同时,充分考虑能源转型中的诸多不确定性,比如阶段性转型目标的设置问题、新疆不同地方差异化发展问题、成本效益问题、CCUS和储能技术的风险问题等。

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