全球能源危機正在加速世界能源版圖重塑和能源結構變革。在以往,亞歐大陸兩端,東亞與西歐長期依賴於俄羅斯和中東的能源供給,這種工業國與能源國之間的合作維持了相當長時間的繁榮,即使可再生能源在持續削弱化石能源的比例,但這一過渡過程也是十分緩慢的。
中國能源安全,要掌握在自己手裏
中國正在加快構建清潔低碳、安全高效的能源體系。在中國的能源結構中,化石能源佔比仍然很高,中國的清潔能源還有很大的進步空間。
清潔能源的潛力有多大,關鍵要看地理和自然稟賦。在中國西部地區,空間廣袤,地形複雜,蘊藏着豐富的各類可再生能源。比如全國100米高度的風能資源開發量,西部地區佔了78%,類似天山山脈、甘肅北山與阿爾泰山脈之間的通風廊道,都是天然的風能富集區,西伯利亞吹來的較強西風在這裏進一步加速,這都是源源不絕的能量。
西部地區由於高原多、乾燥少雨,太陽能資源也極其豐富,比較全國各地的總輻射照量,西北尤其是高原地帶是輻射照量最大的。相比之下,自宜賓以下的長江流域,太陽能資源就少很多。
西部地區本身差異也很大,西北各省、青藏高原、西南的雲貴川,自然稟賦各不相同,相比西北的太陽能、風能,西南地區尤其是長江上游流域河流衆多,地形落差大,水能資源非常可觀。
光是金沙江下游從攀枝花到宜賓的河段,全長782公里,就有着729米的落差。相比之下,三峽這一段的落差其實只有109米,從宜賓再往上游走纔是真正的水能富礦。
目前金沙江自上而下分烏東德、白鶴灘、溪洛渡、向家壩四級開發,每一級都在建設一座能排進全球前十二位的水電站。其中規模最大、技術難度最高的是白鶴灘水電站,總投資高達2200億元,共安裝16臺單機容量100萬千瓦水輪發電機組,目前所有機組均已投產,平均年發電量可達624億千瓦時,能滿足杭州68.5%的用電量。
西部地區有着潛力巨大的清潔能源,但我們大部分的人口、經濟發達城市、產業都在東部。這意味着東部很多經濟重鎮都無法能源自給。以江浙滬三地爲例,該地區囊括了中國12.4%的人口和20.4%的GDP,2021年的用電量高達14365億千瓦時,但發電量只有11194億千瓦時,近四分之一的缺口全靠區域外調入。
中國產業多,能源也多,但兩者的聚集地卻相隔千里。想要構建清潔低碳、安全高效的能源體系,就要把西部的產能地和東部的耗能地聯繫起來。
爲此,自上世紀90年代開始,“西電東送”工程開始建設,主要分爲三個通道。北部通道將黃河上中游水電和山西、內蒙古的火電送往京津冀地區。中部通道將三峽和金沙江干支流水電送往華東地區。南部通道將雲貴高原上烏江、瀾滄江、南盤江、北盤江、紅水河的水電以及當地的火電輸送到廣東。
白鶴灘水電站開建之前就被規劃成“西電東送”的骨幹電源點之一,由於當時西部消納不了太多電力,其規劃發電很大一部分要輸送到千里之外的東部。
在這一過程中,西部得到了投資和資源開發收益,潛在的資源優勢轉化成了經濟優勢,與東部發達地區形成能源供需綁定。近年來西部經濟發展很快,四川等地的新增電力需求大,也需要調用電力,"西電東送"中摸索出的輸電方法,很快也會助力四川等地的電力調入。
千里能源安全生命線
然而,發電是一回事,輸電是另一回事,長距離輸電並沒有那麼容易。通常的交流電電壓輸電,輸電容量小,輸電距離短,線路損耗高。從白鶴灘到杭州,直線距離都有1700多公里,如果是普通的電網輸電技術,考慮到經濟性等因素,其傳輸距離只有500公里左右。
想要減少遠距離輸電的損耗,還得開發特高壓輸電技術。
特高壓輸電技術是指交流1000千伏、直流±800千伏及以上電壓等級的輸電技術,與較低電壓輸電方式相比,具有傳輸效率高、輸電距離遠、線路損耗低、節約土地資源的優勢。
1000千伏特高壓交流輸電線路輸送功率約爲500千伏輸電線路的5倍;±1100千伏特高壓直流輸電能力是±500千伏輸電線路的4倍。
在輸送相同功率的情況下,1000千伏特高壓交流和±1100千伏特高壓直流的輸電距離分別是500千伏輸電線路的4倍和5倍,而線路損耗則只有500千伏線路的25%。
當輸送電功率相同時,採用1000千伏線路輸電與採用500千伏的線路相比,單位容量線路走廊佔地減少30%,可節省60%的土地資源。
又是遠距離,又是特高壓,想要做成,其中的難關可一點都不少。比如特高壓輸電下,大電網安全控制問題如何解決?
目前,中國電科院建成了世界最先進的電力系統仿真平臺,對超大型特高壓交直流混合電力系統進行了全景仿真計算,模擬了10萬多個故障條件和運行方式,充分驗證特高壓電網的安全可靠性,力求萬無一失。
直流電和交流電的轉化,需要關鍵部件換流閥。二十年前換流閥還需要進口,如今國產特高壓換流閥已經可以從比醫院腦外科手術的環境還要潔淨100倍的生產車間出產,而且比國外產品額定電流更高,換流容量更大。
令人驕傲的成績背後是成百上千“電力人”的辛苦付出。
從依賴進口到獨立自主再到自主創新,經過多年的不懈努力,中國的特高壓輸電技術走到了世界領先位置。
比如2016年8月投運的靈州-紹興±800千伏特高壓直流輸電工程,不僅實現了換流閥國產化,還實現了世界範圍內首次在±800千伏特高壓直流系統網側接入750千伏交流系統,大大提高了工程國產化率,提升了我國輸變電製造業自主創新能力。
特高壓輸電設備維護也越來越智能化。智能化監測裝置可以實時監測變壓器核心部件套管的絕緣狀態、運行情況,發現狀態異常就會發出警報。檢修期間,還可以用智能清污機器人安全高效地完成絕緣子清污工作。
在幾十年的不懈努力下,中國在特高壓輸電領域可謂獨步全球,創造了多項世界紀錄,中國特高壓行業標準就是世界標準。
目前我國建成的特高壓輸電線路已有15交19直,光是國家電網公司就累計建成31項特高壓輸電工程,最遠輸電距離達到3300公里,跨區跨省輸電能力超過2.5億千瓦,成爲世界輸電能力最強、新能源併網規模最大的電網。
像準東—皖南±1100千伏特高壓直流輸電工程,起自新疆昌吉,終點在安徽宣城,線路全長3324千米,額定電壓±1100千伏,輸送容量1200萬千瓦,是我國自主研發的世界電壓等級最高、輸電容量最大、輸電距離最遠的特高壓工程,每年可減少華東地區燃煤消耗約3800萬噸。這條几乎橫穿了整個中國“電力高速路”有力地保證了華東地區的電力供應。
又比如賓金、靈紹兩條分別從西南、西北入浙的“西電東送”特高壓直流工程,總功率超過1400萬千瓦,自投運來已累計向浙江輸電突破5000億千瓦時。
東部發達地區的能源供應,相當一部分可以從擁有巨大清潔資源的西部,經由特高壓“電力高速路”而來。這將相當於將從波斯灣出發,經馬六甲海峽至我國沿海的能源供應鏈縮短到國內,保障國內能源安全。在全球能源供應動盪的今天,不會被卡脖子,顯得更爲寶貴。
電流奔湧向東,點亮長三角
在過去的十多年裏,白鶴灘水電站建設起來了,特高壓輸電技術愈加成熟,而東部地區的用電量也飛速增長。
以浙江省爲例,2005年到2021年,浙江11地市全社會用電量從1642億千瓦時增長到5514億千瓦時,增長了236%。十多年來,我們的生活方式和經濟結構都發生了巨大變化,過去從未有過的生產生活模式推動經濟發展,也推動浙江能源需求進一步攀升。
這些日益增長的電能,支撐着我們去做很多以前做不到的事情。比如躺在牀上刷着手機,就可以快速下單,買遍全球。與此同時,位於杭州的數據中心讀取、處理數據,高速運轉,撐起全國響應。
紹興越城區,工人們穿着特製潔淨服,操作設備生產出一片片8英寸晶圓,跑出一個芯片IPO;台州玉環市,“未來工廠”裏,生產線上各式機器代替工人,將金屬“變身”成精密齒輪,管理人員透過電子屏實時瞭解車間情況並可遠程操控;寧波慈溪市區,工廠接到來自歐洲的訂單,開足馬力,將取暖器、電熱毯等“保暖神器”銷往用能窘迫的歐洲家庭。
浙江省需要電網輸送電能,西部水電站發電量大需要消納——2021年7月,白鶴灘-浙江±800千伏特高壓直流工程被覈准,由國家電網投資299.24億元建設。去年開工今年前不久就完工,不愧是“中國速度”。
白浙工程線路起於四川布拖換流站,止於浙江浙北換流站。當初在規劃線路時,有南北兩個方案。北方案途經四川、重慶、湖北、安徽、浙江5省市,南方案途經四川、重慶、湖南、江西、浙江。
南方案雖然路徑較短,但平均海拔較高,冬天易受冰凍影響,北方案經過重冰區的路徑明顯短於南方案,而且大跨越工程數量比南方案少3次,所以投資費用較小,工程建設及後期運行維護的難度也較低。經過綜合考慮,北方案勝出。
在高海拔地區開展電網建設絕非易事。最終確定的北線路全長2140.2公里,共有4個大跨越工程,分別爲四川宜賓岷江、重慶江津長江、湖北鍾祥漢江、安徽池州長江。全線跨越220千伏及以上輸電線路共148次。
這條銀色絲帶跨過長江及其支流、越過崎嶇的丘陵和一望無際的平原,投產後電流可順流而下,每年給浙江增加外來輸電能力800萬千瓦、輸送電量300億千瓦時,將進一步優化能源佈局,有效支撐浙江用電需求。
長江之水在河道上奔湧,而白浙工程上奔流的是清潔的水電,每年相當於減排二氧化碳2200萬噸,也有效減少了空氣污染,綠水青山就是金山銀山。現在,浙江又將增加一條能源生命線。
這就是作爲一個統一大市場的中國,它的優勢所在:各部分由白浙工程這樣的超級工程聯繫起來,充分發揮其比較優勢,產業縱深大大拓寬,能源安全得到保障。縱然山河阻隔,最優配置的合作能通過特高壓等手段,跨越山河,傳遞的不僅是能源,還有信任。
這是因爲,白浙工程是一項跨地域資源調配工程,緊密連接了能源產出地和消耗地,平衡了電力供需,擴大了產業縱深,保障了能源安全。
特高壓輸電工程受惠的不僅是東部。西部通過能源輸出,可以獲得大量公共資金,使醫療、教育、科研、生態、社保等惠及全民的事業更上一層樓。
特高壓輸電,就是能源領域中國人擰成的那一股繩,這項技術成了全球獨一份的浪漫——將地形地貌不同、地理位置相隔千里,資源稟賦完全不同的地方,連接成各有分工又和諧有序的統一大市場,產業生命力無比旺盛。
這是我們的祖先跨過山河形成的文化和歷史。如今我們也能站在他們的肩上,將清潔能源用我們這個時代的創新,以宇宙間最快的速度,跨過山海,點亮千家萬戶。
那一刻的萬家燈火,就是我們的底色。