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【国际报告】IEA:创新差距——关键长期技术的研究、开发和示范挑战:可再生能源部分

【编者按】2019年5月,国际能源署(IEA)发布了《创新差距——关键长期技术的研究、开发和示范挑战》,识别了实现长期清洁能源转型和可持续发展的45项关键技术、约100个创新差距,部门涉及电力、其他燃料供应、工业、建筑、交通和能源集成等。小编翻译了报告中的可再生能源部分(陆上风电、地热发电、海洋能发电、光伏发电、海上风电、水电),希望对关注我国可再生能源产业的政策部署、研究规划、行业发展的读者有所启发,读者可点击文末“阅读原文”前往官网查看原文。如转载请标明译文来源。


IEA “创新差距”框架中每个创新差距都提出了一项新挑战,需克服这些挑战才能达到可持续发展场景(SDS,Sustainable Development Scenario)要求的技术性能和部署水平。

报告定义了11个阶段的技术准备级别(Technology Readiness Level,TRL)

1.

初始想法:确定基本原理。

2.

应用预设:形成概念和应用方案。

3.

概念有效性:验证理论原型和理论应用的有效性。

4.

早期原型:实验室条件下的验证原理的原型。

5.

大型原型:大部分关键组件实现应用条件下验证的原型。

6.

小尺度(小容量)完整原型:实现应用条件下验证的小尺度(小容量)完整组件原型。

7.

商业化前的实证样机:得到预期工况下的解决方案。

8.

首个商业应用:商业样机,全尺度(全容量)解决方案基本定型。

9.

商业环境运行:形成的商业化解决方案已可行,通过迭代改进以提高竞争力。

10.

规模化整合:解决方案已商业化,但需要努力进一步整合。

11.

证明产品稳定性:实现产业预期增长。

(一)


陆上风电



加大对风电技术研发的投入对实现SDS至关重要,关键是降低投资成本、提高性能和可靠性,以实现更低的度电成本。良好的资源和业绩评估能力对降低财务成本也很重要。风电技术已经得到验证并不断取得进步,尽管没有单独因素可以显著降低成本,但综合改进可以确保成本继续下降。特别需要通过创新来帮助资源规划,最大限度地减少风力发电装机大幅增长带来的影响,并通过数字解决方案和先进的电力电子技术实现电力系统友好接入。

差距1

更先进的风电并网技术

风电的波动性、不确定性和分布特性给电网带来了众所周知的挑战。尽管风电场已通过一系列升级改造为友好接入电网做出了贡献,但为满足“可持续发展场景”,还应结合法规和电网导则,在辅助服务和可调度性方面加速创新。

【技术解决方案】

无论在标准工况还是电网故障情况下,风电都能稳定运行是实现风电占比持续提高的关键。新开发风电的地区必须采用故障穿越方案(TRL10),老风电机组也应低成本改造。应持续研究提高电网接纳风电能力相关技术,例如从风电场到电网的多尺度优化控制技术、线路动态容量技术等。风电还应用概率爬坡预测(TRL8)等技术为电网提供爬坡服务。

【前瞻研究】

NERL还在研究一些优化能源、备用和提升服务等方法,降低接入成本。

差距2

改善资源评估和选址规划

陆上和海上风电场规划都应对周边环境进行更精细的敏感性评估,以确保长期的发电效率和有吸引力的投资回报。

【技术解决方案】

生产成本的准确建模是决定经济性的关键。在渗透率越来越高、电网越来越复杂的趋势下,最大程度减小发电量的不确定性非常重要,技术包括用实测数据对模型进行修正和验证(TRL 11)、开发更高分辨率的电网模型、多可再生能源和储能联合发电经济性评估方法,以及最大程度减小尾流影响的优化微观选址(TRL 11)等。各国还应不断开展系列综合研究,在各类地区扩大风电规模,推动与邻国区域联网等。挑战还包括提高近海施工前期规划的准确性,以适应风资源季节性和不同年度的波动和变化,以及如何最优利用变化的海床条件。

差距3

下一代涡轮机、传动链和系统管理技术

大转子直径和高轮毂高度虽然增加了前期投资和单位功率成本,但可增加发电量、降低度电成本,并可更好地利用风资源、减少输出的波动性。

【技术解决方案】

增加涡轮机尺寸在降低风电场资本成本方面起着重要作用。通过减少材料使用和提高制造工艺,不断提高涡轮机尺寸,是实现在2030年成本降低11%-20%的关键选择。随着转子更大、叶片更长和更柔性,需要全面地了解其在运行中的行为,以便为新设计提供信息。值得关注的研究领域包括先进的计算流体动力学模型,减少或抑制载荷传递到风机其他部分(例如齿轮箱或塔顶)的方法,创新的翼形设计,减少结冰和积垢的纳米技术,降低空气动力噪声等。应用电力电子技术、永磁发电机以及超导技术,可减少发电机及辅助电气、电子组件中的电损耗,节省更多成本。

基于先进传感和控制的数字化技术,使预知性维修成为可能,降低运营和维护成本(TRL 9)。通过高精度建模、验证和确认,可以更精确地掌握和预测天气条件。这些技术都可以降低发电量和成本估算的不确定性,从而降低投资风险和融资成本。通过使用更先进的控制技术(TRL 8),到2030年,风电场的使用寿命可以从当前的20年延长到30年,可使单位发电成本降低大约25%。

场级大数据分析及其神经网络/ AI控制、零部件3D打印、复合材料塔筒等技术,目前处于早期开发阶段,是极具潜力的颠覆性技术。

(二)


地热发电


不同的地热发电技术成熟度差异很大。干热岩资源开采有特别的改进潜力,例如目前处于验证阶段的增强型地热系统EGS。为加速降低成本、加快设计迭代、将新的地热概念引入市场,需要长期、持续和大幅度增加研究、开发和示范资源。为验证这些先进技术,政府要大力支持这些创新型小型工厂。为了更好地评估干热岩的潜力,研究和开发需要聚焦于深入了解裂缝在不同应力状态和岩石类型下的扩展方式。该方法也将有助于评估更先进的热液资源潜力。

差距1

先进钻井技术的开发

钻探成本占地热发电项目总资本成本的40%-70%,这也是该项目非常耗时的部分。低成本、仅勘探井眼的经济钻探和硬岩层的深度钻探有很多技术上的挑战,需要创新解决方案。改善地球物理数据清单和地球科学勘探方法,创新地热资源评估工具,能够降低勘探风险和投资。

差距2

扩大地热能利用

到目前为止,地热能的利用主要集中在天然存在的水或蒸汽相对易渗透的岩石地区。以目前技术经济可行条件,钻探范围在5公里内,绝大多数地热能位于相对干燥、低渗透性的岩石中。储存在低孔隙度或低渗透性岩石中的热能量通常被称为干热岩资源,与当今用于发电的大多数热液体资源仅分布于少数地区形成对比,全世界都可以使用干热岩资源。

干热岩资源的特征是孔隙空间有限、裂缝较小,对自然开采而言缺少水和渗透性。虽然世界上任何地方都可以找到干热岩资源,但在自然放射性同位素增加的地区(例如南澳大利亚)或应力状态良好的地区(例如美国西部)资源更接近地表。在温度梯度较低(7°C / km至15°C / km)和低渗透率的地区,资源深度将大大增加。

干热岩资源开采技术仍处于样机阶段,需要创新和经验才能在商业上可行。美国和澳大利亚在开展EGS的研究、测试和示范。美国已将大型EGS RD&D组件纳入其最近的清洁能源计划,作为国家地热计划的一部分。目前尚无法获得全球干热岩资源地图,但是包括美国在内的一些国家已经开始绘制EGS资源图。

差距3

地热资源潜力评估

需要探索和评估热液资源和干热岩资源潜力。机载高光谱、热红外、磁和电磁传感器等技术能否大范围提供廉价数据(TRL 10)仍需验证,其他工具可能包括地面验证、土壤采样和地球物理调查(大地电磁、电阻率、重力、地震或热流测量等)。

(三)


海洋能发电


通过研究不断创新和学习是海洋力量走向成熟的关键。研究应集中在关键组件和子系统上,例如简化安装程序以降低成本。当今,绝大多数海洋发电技术是波浪能或潮汐能。目前处于创新初期的海洋热能转换(OTEC)、盐度梯度发电和洋流发电等技术可能会有突破。

差距1

通过先进的设计理念开发海洋能

海洋热能转换(OTEC)(TRL 4)是一项从深海吸收热能并将其转换为电能或商品的技术。这项技术要求地表热水和深水之间的温度差为20ºC,因此仅在世界某些地区可行,热带是实施这项技术的最佳区域。OTEC的主要用途是发电、海水淡化、制冷制热,以及支持鱼类或其他海洋生物的养殖。

盐度梯度发电(TRL 3)由化学压力产生能量,该化学压力来自淡水和盐水之间的盐浓度差异。因此,可应用在淡水和盐水汇合的河口。正在开发的两种技术为压力缓渗(PRO)和反向电渗析(RED),两者均处于TRL 3阶段。

洋流发电(TRL 3)从海流中收集能量,其受风、水的温度、盐度和密度等因素驱动,可以一直沿同一个方向流动,主要设计概念是以阵列形式部署的水轮机。

差距2

降低波浪能发电成本

波浪能发电从海浪中捕获动能和势能。波浪能转换器(WEC)旨在实现模块化并以阵列形式部署,但目前缺乏行业标准和设计共识。由于波浪资源的多样性,不同区域几乎不太可能使用同一种设备。

波浪能发电的研究应集中于关键组件和子系统,这些组件应在多种条件下分别测试并集成到整个设备。锚固设备和传输电缆应能承受结构和流体运动产生的应力,并且需要简化安装和退役流程以降低成本,甚至可能共享海上风电平台、基础设施和出口电缆。

数字化可以帮助扩大示范规模并扩大生产,传感和控制系统(TRL 9)可以帮助预测和减轻机械应力,大数据分析可辅助涡轮机系统调整电气设备或发电机的负荷(TRL 8),并进行预测性维护。

波浪能转换器的动力输出系统(PTO)(TRL 3)将不规则的低频波和浪涌转换为符合电网要求的电能,主要类型包括涡轮机、液压系统变速箱和线性发电机等。其中的控制系统非常重要,例如叶片的变桨控制系统将提高产量和设备可靠性。

(四)


光伏发电


光伏发电创新的重点,在于提高商用光伏系统的性能以及制造电池的流水线技术。在更高渗透率时,光伏发电可以创新并网技术提高对智能电网的贡献,减轻各种事故对电网影响。数字技术可以使光伏系统在微网和离网系统中实现更高的渗透率,还可以促进发展中国家的电力普及。

差距1

加强离网电气化系统的整合

目前,获得电力的方法很多,离网、微网和并网的系统设计都具有可行性。离网的一些技术(例如独立的太阳能家用系统)、微网和节能设备正尝试提供从电网以外获得电力的途径,这类去中心化的系统可满足接入电网成本过于昂贵的边远地区的电力需求,同时在城市为不可靠的供电系统提供备用。

【技术解决方案】

迄今为止,太阳能家用系统已被广泛应用于新型移动平台和即用即付(PAYG)融资,与煤油和柴油相比,太阳能家用系统的成本竞争力越来越强。PAYG(TRL 11)帮助消费者克服了光伏高昂的前期成本,传统上,这一直是贫困社区应用的一个重大障碍。移动技术,例如基于云的计量和软件平台(TRL 10)也可以与更大的系统(例如小型电网)配合使用,可为家庭提供额外服务,并为灌溉等生产用途提供电力。

集成了太阳能产品的高效家用电器正在得到更广泛的应用,通过使用高效电器减少电力需求,可降低系统(如光伏板)的前期成本。

许多离网系统生成大量数据,除了用于计费和资产监控外,利用大数据和人工智能分析,可以定制设备和模块的扩容、优化规划、改进设备管理和维护,促进更广泛的商业服务供应。

差距2

继续降低光伏发电成本

尽管光伏发电已经实现了巨大的规模效应,但仍需要提升效率。目前的主流技术是晶体硅,其中,铝背场电池技术(Al-BSF)占据了大约四分之三的市场,其余四分之一由钝化发射极背电池技术(PERC)主导。全球对更高效率模块的强烈需求,推动向PERC和n型HJT和IBC等下一代技术的转移。

【技术解决方案】

p型PERC技术有望达到24%的效率,这是一个关键的里程碑,需要进一步最大程度地发挥其潜力并完成市场转移,需要改进的技术包括清洁、钝化接触、互联、嵌入和新的金属化膏。

在n型电池中,可通过技术避免光诱导降解(LID,暴露于光后随时间降解),不易出现缺陷和硅中杂质,并且随着时间的推移通常具有更大的功率输出。目前,迫切需要找到一种将n型技术推向市场的方法(TRL 7)。

钝化接触技术有望进一步改善,但是产量、均质性、金属浆料接触等仍面临挑战。TOPCon技术(钝化触点的总称)可作为PERC的后续技术,非常具有前景。传统接触技术晶片上的纯金属镀层损耗很高,而钝化触点比其他设计结构减少了损耗并具有更高的效率。但是钝化触点的制造工艺复杂(需要额外的设备和步骤、更昂贵的晶圆等),这是传统光伏行业的主要障碍。从根本上讲,金属化膏是扩大规模的重点关注领域。

差距3

更智能的逆变器系统和BOS成本降低

高光伏渗透率配电网亟需开发新方法,实现和管理光伏系统发电并网。逆变器及其它功率控制技术已证明可以作为实现智能管理的接口,但需要变得更加智能,并为电网提供更大范围的电压、无功和其他辅助服务。此外,总体均衡系统(BOS)成本(包括逆变器)占光伏电站总投资的40%-60%(具体取决于地区),也应成为重点关注的领域。

【技术解决方案】

智能逆变器应自动稳定屋顶太阳能光伏系统对电网的干扰。在更高的光伏穿透率下,还应通过通信设备与公用部门(电网公司)进行实时交互,增加中、低电压电网整体状况的可见性。逐步地,还将越来越需要提供无功功率或爬坡控制等辅助服务。

目前,尚无用于管理大量光伏电站有功功率的标准通信协议,下一步需要在ICT和光伏发电系统的互操作性和标准化方面开展工作。

(五)


海上风电


海上风电领域存在降低成本甚至技术突破的巨大潜力,特别是在安装和基础设计中需要创新。对于机组、系统和风电场设计,需要更好地理解海上工况对技术的要求以及大量风电场对管理的要求。风机可能需要改进结构设计,并具有抵御飓风、表面覆冰、海浪颠簸等多种因素的能力。交流启动系统改进技术,将直流输电应用于海上风电内部联网以及连接岸上主网技术,都非常有前景。

差距1

海上风电场安装过程的创新

软性成本和互连成本,在海上风电总安装成本中占据了相当大的份额,它们是实现SDS成本目标的关键挑战。海上风电场还必须高度适应更强的风场以及近海的气象条件,特别是要减轻长期暴露在海洋环境的影响。

【技术解决方案】

为实现海上、寒冷和冰冻气候,热带气旋气候等特定工况下的优化设计,最大限度地减少组件间载荷,需要开发新的工具。目前的标准和建模工具都是基于欧洲的海洋和气象条件,随着海上风电向美国、日本、韩国和新兴经济体的新地区扩展,要求标准和建模工具都必须有所创新。改进的建模工具应在现场和受控测试设施中进行测量比较。

风力涡轮机的预调试技术已具备市场应用条件,短期来看,转子和涡轮机可在岸上组装(TRL 10)。从中期来看,集成结构的概念可能带来更多收益,包括联合安装涡轮机和基础(TRL 9)。

【前瞻研究】

除了商业机会之外,还有许多概念模拟项目,包括荷兰ECN公司的远海大型风电项目。欧洲风能技术平台和海上风能降低成本工作组在加速安装过程方面都有一些创新想法,例如英国的海上风力弹射器(WindCatapult)。

差距2

降低海上风电的输配电成本和风险

随着涡轮机成本下降,输配电系统在总安装成本中所占的比例升高,电力工程的设计概念有必要进行根本改进。

【技术解决方案】

减小风电场侧高压交流设施的体积是当务之急。深水项目更适合使用高压直流输电,需要进一步降低电缆损耗并降低成本,例如将电压升高到400 kV(TRL 9)。低频输电可以进一步减少损耗,通过阵列互联方式简化电缆布局,但这两方面推进研究很少。

【前瞻研究】

美国国家海上风能研发联盟共拨款4100万美元用于海上风电研究,2019年3月首次提出提案,包括降低与海上风电输电和配电相关的成本和风险。丹麦技术大学正在开展一个领先的低频传输研究项目。

差距3

通过漂浮式海上风电开发深海资源

最丰富的海上风能位于深海,水深超过50 m至60 m时风能资源增加显著。漂浮式基础具有材料少、安装和退役简单、风资源更丰富等潜在优势。美国和日本等地区浅水资源很少。在陆上和近海资源已开发饱和的地区,漂浮式基础对于中深度海上项目也很有吸引力,其中一个原因是漂浮式已趋于标准化设计,同时不需要重型船运输。

【技术解决方案】

为得到浮动平台的设计标准,需要开发能体现重量和浮力以及波浪产生瞬时剪切力的新建模工具。目前的漂浮式包括单点系泊、张力腿平台和半潜式平台。

陆上风电淘汰的垂直轴涡轮机可能在海上有第二次机会。尽管需要更高的高度来覆盖相同的扫风面机,并且存在一些动力学结构问题,但其重心较低且零件较少,可能适合海上风电。

【前瞻研究】

进展中的30MW Hywind样机和葡萄牙海岸US/PT原型机显示了良好的性能。Vertimed是EDF和Technip领导的20MW欧盟资助项目。美国国家海上风能研发联盟第一批投标项目包括了新型系泊和锚定漂浮式技术。其它项目包括日本的第一个漂浮式风电场,Glosten张力腿平台和半潜式概念Principle Power等。

(六)


水电


尽管水力发电是一种成熟的发电技术,具有很高的回报率和能源转换效率,但仍需要在许多方面进行微小但重要的技术改进。确定和应用新的技术、系统、方法和创新工作(包括来自其他行业的经验)正在进展中,可使水电开发更加可靠、高效、有价值和安全。尽管收益较小,但仍需要沿着过去的30到50年里的技术路线持续改进,主要包括物理尺寸、水力效率和环境性能方面。

差距1

创新的水电设计

大坝存在很高的社会和环境成本,可能破坏生态系统和居住环境。不需要重新安置居民的替代方案将有助于实现可持续发展。

【技术解决方案】

零水头或贯流式水轮机对环境影响较小,不需要水坝或水头差,不改变河流路线,也不需要大量的资本投资或大型的土木工程,该技术在水道较小的地区且泄水流量为1 m3/s时工况最佳。

受益于研究和投资激增,已出现成功的潮汐能原型机。这些水下设备大多是固定或可变桨叶的水平轴涡轮机,发电机直接或液压驱动,或采用轮毂安装定子。

让大坝继续运营需要重新获得许可,因通常会涉及更严格的环境标准,可能会影响水电厂的运营,包括限制发电量、影响灵活性以及收益流。可将大型装机与小型水力发电厂相结合(例如贯流式水轮机)增加发电量。

差距2

降低土建工程的成本和影响

新建水电厂总成本中,土建工程成本可能高达70%,对社会和环境的影响可能相当大,因此在规划、设计、施工各阶段的方法、技术和材料都有很大改进潜力。

【技术解决方案】

与传统的混凝土重力坝相比,碾压混凝土(RCC)大坝使用更多的干燥混凝土,可加快施工速度并降低成本。梯形水泥砂砾(CSG)水坝(例如在日本)使用更多当地材料,降低了成本及环境影响。最新的隧道技术也降低了成本,特别是对于小型项目。

涡轮机技术的某些改进旨在减少水力发电对环境的影响,例如鱼类友好型涡轮机。充气涡轮机利用涡轮机产生的低压引起额外气流,增加了溶解氧的比例,保护了大坝下方水域环境。无油涡轮机使用无油轮毂和轴承,消除机油泄漏到水中的可能性,并易于维护、减少摩擦。

为了降低下游鱼类通过水轮机的死亡率而进行的广泛研究大大改善了水轮机的设计。近年来,最小间隙流道(MGR)技术使大型轴流机组实现了超过95%的鱼类存活率。

【下一个五年的推荐行动】

环境和能源/资源部门应推动政策框架,以涵盖可持续和适当的水电项目的发展,以避免、最小化、减轻或补偿任何合法和重要的环境和社会问题。

工业界应在多级水电站的协调运行中考虑可持续性问题。

政府间组织和多边发展机构应该为帮助发展中国家实施可持续水电开发的监管框架和商业模式提供能力建设。

本文内容译自IEA,不代表本刊观点,编者水平有限,内容请以英文原文为准,版权归原作者所有。读者可登录IEA官网(iea.org)查看全文。小编加班不易,如转载请标明译文来源于全球能源互联网。










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翻译:张宇、白恺