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    2023年,我們加快構建現代能源體系

    科技日報發布時間:2024-01-02 09:27:24  作者:張 曄

      2023年,我國以更大力度深入推進能源低碳轉型,能源生產和利用方式發生了重大變革。

      這一年,綠電、綠氫靈活轉換難題得以解決,海上稠油開發取得重要技術突破,我國可再生能源裝機歷史性超煤電,綠證核發范圍擴大至所有可再生能源上網電量,具有完全自主知識產權的全球首座第四代核電站投運……

      我國能源事業在實現高質量發展的道路上步穩蹄疾,一個更加清潔、高效、可持續的能源體系正逐步建立。

      解決綠電、綠氫轉換難題

      固態儲氫開發項目并網發電

      2023年3月25日,國家重點研發計劃固態儲氫開發項目(以下簡稱固態儲氫開發項目)在廣東省廣州市和云南省昆明市并網發電。在用電高峰時,該項目存儲的165公斤氫能可持續穩定出力23小時。這是我國首次利用光伏發電制成固態氫能并將其應用于電力系統,破解了常溫條件下以固態形式存儲氫氣的技術瓶頸,對于推進可再生能源大規模制氫、加快建設新型電力系統具有重要意義。

      固態儲氫的原理是在常溫下通過氫氣與合金發生化學反應,讓氫原子進入金屬的空隙中儲存。需要釋放氫氣時,升高合金的環境溫度即可。相比于高壓氣態儲氫和低溫液態儲氫,固態儲氫的體積儲氫密度高、充放氫壓力低、安全性好,可實現氫能的跨季節長周期存儲。

      固態儲氫裝置利用光伏電、風電等制備氫氣,并把制成的氫氣高密度存儲起來。這既有利于解決風光發電波動性的問題,也有利于改變目前我國過度依賴煤炭、石油等化石能源制氫的現狀。

      “固態儲氫解決了綠電與綠氫靈活轉換的難題。這一重大變革性技術未來有望成為推動電力系統向高級形態演化的重要驅動力量。”中國工程院院士王成山說。

      降低稠油開發經濟門檻

      海上稠油熱采關鍵技術實現突破

      2023年4月25日,中國海油宣布,由其研發的、具有我國自主知識產權的稠油熱采電潛泵注采一體化技術現場試驗成功。該技術將大大降低稠油熱采開發經濟門檻,可解決我國海上稠油開發面臨的關鍵難題,標志著我國海上稠油進入新的規?;_發時代。

      稠油是一種比較黏稠的石油。因其黏度高、密度大,國外一般稱之為重油。稠油的特性導致其開采難度較大,但也不能因此而放棄對其進行開采。數據顯示,在世界剩余的石油資源中,約有70%都是稠油。我國渤海稠油資源十分豐富。截至2021年底,渤海共發現49個稠油油田,稠油探明地質儲量占渤海海域總探明石油地質儲量的一半以上。

      目前,陸上稠油開采技術已相對成熟,但海上稠油開發依然困難重重。比如,作為采油核心設備的電潛泵及關鍵井下工具耐高溫能力差,在高溫注熱條件下極易“中暑”失效。

      稠油熱采電潛泵注采一體化技術,解決了井下設備的“防暑降溫”問題,可確保其在注采過程中安全、穩定運行。該技術可滿足350攝氏度高溫蒸汽注熱工況,實現了一個注采周期內注采兩次作業到一次作業的重大跨越,兩個吞吐輪次內可節省井下作業成本約70%。

      這項技術可在渤海、南海東部、南海西部等海域的稠油油田推廣應用。該技術的推廣,有利于推動海上稠油油田的規?;洕_發,助力中國油氣產量提升。

      開啟鉆探“萬米時代”

      深地塔科1井塔里木油田開鉆

      2023年5月30日,我國首個萬米深地科探井——深地塔科1井在位于塔克拉瑪干沙漠的塔里木油田開鉆。這既是我國深地探索領域的重要進展,也是人類拓展認知邊界的一次大膽嘗試。

      塔里木油田是我國最大超深油氣生產基地。開鉆萬米深井,不斷向深地“要油”,是保障國家能源安全的重要舉措。但經過幾億年的地殼運動,塔里木盆地的地層變得支離破碎,其構造被地質學家形象地稱為“一摞盤子摔碎了,又被踢了幾腳”。在此地鉆井施工,難度超乎想象。

      不僅如此,越接近萬米深地,鉆井施工難度越呈幾何倍數增加。比如,在萬米深的地下,施工設備將面對超過200攝氏度的高溫和1700倍大氣壓的高壓。在這種極端環境中,鉆桿“像面條一樣柔軟”,其表面壓力相當于“在指甲蓋上站了一頭大象”。

      近年來,我國不斷向地球深部進軍,并多次刷新“中國深度”。僅在塔里木油田內,超過6000米的深井數量就已達1700多口,占全國的80%以上,其中最深井深度已達9396米。這為萬米深井工程提供了基礎條件、技術儲備和經驗積累。

      為保證鉆井施工順利,科研和工程人員通過世界領先的三維物探技術,大致“看清”了井位所在的地層結構。這相當于為萬米深井要穿越的地層做了一次CT。為克服超高溫、超高壓的地下極端環境,科研人員還自主研發了一系列搭載“硬核”科技成果的鉆井裝備,如鉆深可達12000米的鉆機、適用于復雜地層的特種鉆頭等。

      深地塔科1井標志著我國鉆探能力開啟“萬米時代”。它將為我國未來的科學研究和油氣資源開發提供重要支持。

      提升能源安全保障能力

      國內首個電力充儲放一張網上線

      2023年6月29日,深圳市發改委發布深圳市電力充儲放一張網1.0(以下簡稱“一張網”)。“一張網”是我國首個聚合了充電設施、新型儲能、分布式能源等各類電力充儲放資源的平臺,能有效提升能源安全保障能力。

      以往,電力充儲放資源較為分散,缺乏統一管理,資源價值沒有得到有效發揮。“一張網”可將各類分布式資源聚合起來,形成規?;恼w性資源。這將對深圳的電力削峰填谷、能源保障和能源安全產生積極作用,可提升城市能源安全韌性。

      “一張網”是目前國內數據采集密度最高、接入負荷類型最全、直控資源最多、應用場景最全的虛擬電廠平臺。它以數字孿生、全景可控的形式,全量接入分布式資源,融合多源異構數據,包括17萬個充電樁、5100個5G儲能基站、6000個電動自行車充換電柜、1200個光伏站、15個儲能示范站、13個車網互動站、46個換電站以及大型數據中心等資源。“一張網”還可與虛擬電廠管理平臺協同,實現分布式資源可觀、可測、可控。

      同時,“一張網”還提供了統一公益性服務入口。它將給市民帶來更便利的生活體驗。比如, “一張網”將在小程序上提供充電樁智能推薦、查詢等功能。這些功能可在方便用戶的同時智能引導用戶充電,紓解交通擁堵,幫助運營企業引流,從而實現多方多贏。

      在建設過程中,“一張網”面臨海量多源異構分布式電力資源的管理和應用難題。數字孿生、物聯網、人工智能等技術的應用有效解決了這些難題。

      優化能源結構

      我國可再生能源裝機歷史性超煤電

      截至2023年上半年,全國可再生能源裝機突破13億千瓦,達到13.22億千瓦,同比增長18.2%,歷史性超過煤電,約占我國總裝機的48.8%。其中,水電裝機4.18億千瓦,風電裝機3.89億千瓦,光伏發電裝機4.7億千瓦,生物質發電裝機0.43億千瓦。這是我國提出新型電力系統構想后取得的標志性成就。

      在可再生能源新增裝機方面,2023年上半年,全國可再生能源新增裝機1.09億千瓦,同比增長98.3%,占新增裝機的77%。其中,常規水電新增并網206萬千瓦,抽水蓄能330萬千瓦,風電新增并網2299萬千瓦,光伏發電新增并網7842萬千瓦,生物質發電新增并網176萬千瓦。

      從發電量來看,2023年上半年,全國可再生能源發電量達1.34萬億千瓦時。其中,風電光伏發電量達7291億千瓦時,同比增長23.5%。

      值得關注的是,全國新型儲能裝機規模實現半年翻番。隨著可再生能源裝機規模的快速增長,電力系統對各類調節性資源的需求也迅速增長,新型儲能項目正加速落地。截至2023年6月底,全國已建成投運的新型儲能項目累計裝機規模超過1733萬千瓦/3580萬千瓦時,平均儲能時長2.1小時。

      在各類型儲能技術中,鋰離子電池儲能仍占絕對主導地位。壓縮空氣儲能、液流電池儲能、飛輪儲能等相對成熟的儲能技術保持快速發展。超級電容儲能、固態電池儲能、鈦酸鋰電池儲能等新技術也已經開始投入工程示范應用,各類新型儲能技術總體呈現多元化快速發展態勢。

      推動綠色電力消費

      綠證覆蓋所有可再生能源上網電量

      2023年8月3日,國家發改委、財政部、國家能源局聯合發布《關于做好可再生能源綠色電力證書全覆蓋工作 促進可再生能源電力消費的通知》(以下簡稱《通知》),實現綠證對可再生能源電力的全覆蓋。

      我國于2017年試行綠證核發和自愿認購制度,對享受補貼的陸上風電和集中式光伏發電項目核發綠證,用戶可通過購買綠證作為消費綠電的憑證。隨著我國可再生能源進入全面平價上網新階段,綠證制度可為發電企業提供物理電量之外的綠色環境價值收益。

      《通知》的發布,標志著綠證的發展迎來了新風口?!锻ㄖ肥状螌⒕G證明確定義為“可再生能源電量環境屬性的唯一證明”,并將綠證核發范圍擴大到風電、太陽能發電、常規水電、生物質發電、地熱能發電、海洋能發電等。

      我國擁有世界規模最大的可再生能源裝機和發電量。在國內“雙碳”目標的推動下和國外產業鏈、碳關稅的壓力下,不少企業選擇擴大綠電消費規模。比如江蘇省無錫市新吳區的無錫普洛菲斯電子有限公司在2023年3月購買了6732張綠證,實現了100%使用綠電。江蘇是全國首批開展綠證交易的省份之一。2023年一季度,江蘇創下同期單筆成交7萬張綠證的全國最高紀錄。

      此次《通知》將綠證核發范圍擴大至所有可再生能源上網電量,并使綠證能直接用于全社會的綠電消費核算與認證。這讓綠電交易體系更統一、更清晰。

      迎來綠氫產業發展里程碑

      我國萬噸級光伏綠氫示范項目投產

      2023年8月30日,我國首個萬噸級光伏綠氫示范項目——中國石化新疆庫車綠氫示范項目全面建成投產。這標志著我國綠氫規?;I應用實現“零的突破”,被業界認為是我國綠氫產業發展的一個里程碑。

      綠氫,就是指通過太陽能、風能等可再生能源發電直接制取的氫氣。相比于以往利用化石燃料發電制成的灰氫,綠氫在生產過程中基本不產生溫室氣體。

      新疆庫車綠氫示范項目電解水制氫能力達每年2萬噸,現場10個儲氫罐的儲氫能力達21萬標準立方米,管道輸氫能力達每小時2.8萬標準立方米。

      該項目制氫廠所用的電力都源自位于庫車市牙哈鎮的300兆瓦光伏電站。光伏電站發出的電會被輸往中國石化新星公司制氫廠區用于電解制氫。制好的綠氫會被收集起來輸往中國石化塔河煉化公司,作為含氫汽油、柴油的原料進行進一步加工,余下的廢液則會重新用于綠氫制取。

      此外,這些綠氫在生產全流程中不會產生碳排放。按一年2萬噸綠氫產量計算,該項目每年可減少二氧化碳排放48.5萬噸,相當于植樹2600萬棵。

      作為我國首個規?;G電制綠氫項目,該項目的建設面臨著規模大、工藝技術新、無成熟工程案例可借鑒等難點。中國石化通過聯合攻關、“揭榜掛帥”等形式,破解了新能源波動電力場景下柔性制氫及連續穩定向下游煉化企業供應的難題。其中,面對可再生波動電源制氫的技術難題,中國石化通過自主開發綠電制氫配置優化軟件,將電控設備與制氫設備同步響應匹配,實現了“荷隨源動”,大幅提升了設備對波動的適應性。此外,項目中形成的萬噸級電解水制氫工藝與工程成套技術、綠氫儲運輸工藝技術等創新成果均實現了工業應用,項目已申報專利及專有技術10余項。

      助力非常規油氣增儲上產

      我國首個千億方深煤層大氣田發現

      2023年10月23日,中國海油在鄂爾多斯盆地東緣2000米地層發現我國首個千億方深煤層氣田——神府深煤層大氣田。該氣田探明地質儲量超1100億立方米。

      煤層氣是指儲存在煤層中的天然氣,業內通常將埋深超過1500米的煤層氣稱為深部煤層氣。我國煤層氣資源豐富,埋深在2000米以內的煤層氣資源量超過30萬億立方米。其中,深部煤層氣資源量約占1/3。

      神府深煤層大氣田位于陜西省榆林市,地處鄂爾多斯盆地東緣,煤層主要埋深2000米左右,單層厚度在6.2米至23.3米之間,噸煤平均含氣量達15立方米。

      隨著埋藏深度的增加,地層溫度、壓力和應力等會大幅提升。這會導致煤層氣勘探開發難度不斷加大。一直以來,我國煤層氣勘探開發大多集中在埋深小于1000米的淺煤層。由于缺乏配套的工藝技術,超過1500米的深煤層長期以來被視為勘探禁區。

      科研人員通過加強深部煤層氣成藏機理研究,創新提出致密氣與煤層氣“互補式”“立體式”勘探理念;加強儲層改造和排采工藝研究,利用已鉆致密氣低效井開展深部煤層氣試驗,實現了“老井新用”。這不僅大幅降低了作業成本,更加快了深煤層的勘探進程。針對深部煤層氣增產難題,中國海油運用超大規模壓裂技術,形成了適用于神府區塊的深煤層開發技術體系,僅用一年半時間,就成功發現了地質儲量超千億立方米的深煤層氣田。

      神府深煤層大氣田是中國海油繼山西臨興氣田后發現的第二個千億方大氣田。神府深煤層大氣田的發現展現出鄂爾多斯盆地東緣深部煤層氣藏勘探開發的廣闊前景,對我國類似盆地資源勘探和非常規油氣增儲上產具有重要意義。

      增強核電科技創新能力

      全球首座第四代核電站投運

      2023年12月6日,具有我國完全自主知識產權的全球首座第四代核電站——華能石島灣高溫氣冷堆核電站示范工程(以下簡稱示范工程)商運投產。這標志著我國在高溫氣冷堆核電技術領域達到了全球領先水平,對推動我國實現高水平科技自立自強、建設能源強國意義重大。

      高溫氣冷堆是國際公認的第四代核電技術先進堆型,是世界核電未來發展的重要方向。

      該堆型具有“固有安全性”,即在喪失所有冷卻能力情況下,不采取任何干預措施,反應堆都能保持安全狀態,不會出現堆芯熔毀和放射性物質外泄的情況。

      高溫氣冷堆具有固有安全性、發電效率高、應用領域廣等優良性能,在核能發電、熱電冷聯產及高溫工藝熱應用等領域應用前景廣闊。

      示范工程位于山東省榮成市,是世界首座球床模塊式高溫氣冷堆項目,由中國華能牽頭,聯合清華大學、中核集團共同建設。建設過程中,產業鏈上下游聯合開展關鍵技術攻關和核心設備研制,攻克了一批關鍵核心技術,研發出2000多套世界首臺套設備。

      依托示范工程,我國系統掌握了高溫氣冷堆設計、制造、建設、調試、運維技術,培養了一批具備高溫氣冷堆建設和運維管理經驗的專業人才隊伍,形成了一套可復制、可推廣的標準化管理體系,并建立起以專利、技術標準、軟件著作權為核心的高溫氣冷堆自主知識產權體系。

      來源:科技日報  記者 張 曄


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