來源:中國科協創新戰略研究院《創新研究報告》
第55期（總第256期）2018-10-19
<strong>編者按：2018年3月，美國電力科學研究院（Electric Power Research Institute，EPRI）發佈《技術創新計劃：2017綜合發電技術報告》（Program on Technology Innovation : Integrated Generation Technology Options 2017），該報告對美國煤電、天然氣發電、核能發電、生物質發電、地熱能發電、風能發電、太陽能發電和水資源發電八項發電技術進行了總體介紹，同時對這些發電技術的當前進展和未來發展趨勢進行了概括描述和預測。本文對此報告進行摘編。
<strong>一、煤 電
2016年燃煤發電機組在美國國內裝機容量中佔26%，提供了30.4%的國內電能，與2012年相比分別下降了5%和16.6%（2012年的上述兩個比例分別為31%和47%）。煤電比例下降的主要原因得益於當前廉價易得的天然氣能源，同時還有聯邦政府制定的氣候政策、美國環保署（U.S. Environmental Protection Agency，EPA）針對溫室氣體（Greenhouse Gas，GHG）排放的“清潔能源計劃”以及民眾對灰渣庫管理和水汙染的日益關注等因素的共同推動。當前煤電行業主要技術包括：
<strong>1. 煤粉（Pulverized Coal，PC）
PC機組提供著幾乎全部的美國國內燃煤發電量。美國大多數的PC發電站都已經使用了標準的亞臨界操作規範，主蒸汽參數為540℃（或1000℉），16MPa（或2400psi）。在過去的20年中，隨著鍋爐和汽輪機材料的大幅改善，越來越完善的循環水化學處理技術，全世界越來越多的發電站使用了超臨界機組（SC）和超超臨界機組（USC）的蒸汽循環。SC的主蒸汽參數為540℃或1000℉以上，22MPa或3200psi；USC的主蒸汽參數為595℃或1100℉以上，24MPa或3500psi。超超臨界煤粉發電站不但能夠提高發電效率，而且大大減少了二氧化碳的排放。
<strong>2. 整體煤氣化聯合循環發電（Integrated-Gasification Combined-Cycle, IGCC）
IGCC技術指發電站中利用固體和（或）液體燃料（煤、石油焦炭、石油殘留物、生物燃料或上述燃料的混合物）把煤氣化和燃氣-蒸汽聯合循環發電系統有機集成的一種潔淨煤發電技術。在一個標準的IGCC裝置中，淨輸出功率中約有60%是由燃氣輪機產生的，40%由蒸汽輪機產生。最先進的IGCC煙煤機組預計將達到8800~9800千焦/千瓦小時的高熱值淨髮熱量，與超臨界煤粉機組相當。在進入電站設備燃燒之前除掉加壓合成氣中的汙染成分，IGCC發電站能夠達到極其嚴格的空氣排放標準。2013年6月，杜克能源公司（Duke Energy）在愛德華茲波特的IGCC項目開始了商業運營，這是美國的第一個全規模IGCC發電站。南方電力公司（Southern Company）在肯珀縣的IGCC發電站也是一項令人矚目的工程。除此之外，目前美國正在運行的IGCC發電站只有位於弗羅裡達州運營20多年的250兆瓦的瓦巴希河發電站。
<strong>3. 碳捕集與封存（Carbon Capture and Storage，CCS）
雖然市場上目前還沒有應用於全規模PC發電站的CCS技術，但是基於胺分離的後燃二氧化碳捕集技術已經在液化石油氣和天然氣加工產業中用來分離氣流中的二氧化碳。根據全球CCS研究院（Global CCS Institute）的大型CCS工程數據庫的數據顯示，截至2017年，全球電力部門的PC發電站中有兩個正在運營的大規模CCS項目：一是自2014年10月開始運行的加拿大薩斯喀電力集團（SaskPower）的邊界壩碳捕集項目（Boundary Dam Carbon Capture Project），這是世界上首個大規模電力部門CCS項目；二是自2017年1月開始運行的美國電力生產商NRG Energy公司位於德克薩斯州休斯頓附近的W.A. Parish電站中的Petra Nova碳捕集項目，這是世界上最大的安裝在現有燃煤發電站上的後燃碳捕集設施。這兩個項目都將捕集的二氧化碳轉運到油田，用於提高原油採收率。
<strong>二、天然氣發電
天然氣聯合循環（此處包括天然氣簡單循環燃燒渦輪和燃氣輪機聯合循環）是一種成熟的發電技術，在2016年佔美國發電量的34%。據美國能源信息管理署（U.S.Energy Information Administration）的信息顯示，2017年和2018年將新增超過3萬兆瓦的天然氣機組，2018年預計將穩定保持不超過4美元/百萬英熱單位（MMbtu）。天然氣發電行業主要技術包括：
<strong>1. 燃氣輪機（combustion turbine，CT）
CT主要包括空氣壓縮機、燃燒器和膨脹渦輪。空氣壓縮機連續地吸入氣體並將其壓縮；壓縮後的氣體進入燃燒器，與噴入的氣態或液態燃料在壓力下燃燒，成為高溫燃氣；高溫燃氣隨即流入膨脹渦輪中膨脹做功，加熱後的高溫燃氣的做功能力顯著提高，能夠作為CT的輸出機械功。CT的傳動軸與發電機連接在一起，進而能將發電機驅動起來。CT的電源輸出量對周圍環境非常敏感，其效率深受膨脹渦輪入口溫度的影響。在早期的重型CT設計中，入口最高溫度約為1100℃，而近期的CT設計使入口溫度提高到1370℃，這一較高的入口溫度使得耗熱率減少了10%。
<strong>2. 天然氣聯合循環（Natural Gas Combined Cycle，NGCC）
NGCC就是與蘭金蒸汽循環（Rankine steam cycle）相結合的CT。從CT 中排出的熱廢氣通過熱回收蒸汽發生器，與水交換熱量產生蒸汽，CT的效率和電產量都有了顯著的提高。因此，NGCC通常在間歇工作（20%~65% 容量因數）或基本荷載（65%~90%容量因數）時運行。輸出量200~800兆瓦的NGCC機組達到了6600~7400千焦/千瓦小時的高熱值淨髮熱量。這一發熱量比超臨界PC機組要高出30%。亨利港（Henry Hub，紐約商品交易所天然氣合約的官方交貨點）的天然氣的年平均價格在2017年約為3.17美元/MMbtu，2018年預估為3.43美元/MMbtu，預計NGCC機組將繼續代替一定數量的基載煤電。
<strong>三、核能發電
核能發電量在美國約佔20%。2016年，美國的61座核電站產出的電量超過了8000億千瓦時。2016年10月，田納西河流域管理局（Tennessee Valley Authority）的Watts Bar核電站2號機組開始啟動，這是美國自1996年以來首座新的核反應堆。此外，南方電力公司在喬治亞州的沃格特勒核電站（Plant Vogtle）正在現有核電站的基礎上新建3號和4號機組，預計將分別於2021和2022年啟動。然而，由於主要承包人和反應堆供應商Westinghouse 破產而導致的成本增加和進度的不確定，另一座位於南卡羅萊納州的V.C.Summer核電站在建的2號和3號機組於2017年7月停止建設。
截至2017年9月，美國核管理委員會（U.S. Nuclear Regulatory Commission）公佈了美國14項新發布或正在審查的核反應堆申請，還有另外14項申請被撤銷或推遲。同時，由於不利的市場條件或其他不可預測的複雜因素導致的經濟原因，還有多個機組已被或計劃被提前關閉。短期來看，新建核電站的前景還不明朗。但從全球來看，核能對於本國化石燃料資源有限的國家來說是具有吸引力的。例如，2016年法國的全國電力需求中有近75%是由核能供應的。目前，48個國家共有441個正在運行的反應堆（387吉瓦），14個國家有57個正在建設中的反應堆（60吉瓦）。電力需求的上漲、核能的溫室氣體零排放以及對能源安全的更多期望都是推動核能電站建設的主要因素。
<strong>四、生物質發電
生物質發電主要來自燃燒木材和農業殘留物獲得的熱能和電能；此外，垃圾掩埋場氣體和城市固體廢棄物也是用來發電的其他類型的生物質燃料。自2005年以來，生物質發電量穩定中有小幅增長。美國的生物質發電裝機容量約為16.8吉瓦。2016年，電力公司規模的生物質發電設施的發電量約佔全美可再生能源發電量的10%，佔全美總髮電量的1.5%。
各州設立了可再生能源組合標準（Renewable Portfolio Standards，RPS），如北卡羅來納州的RPS強制標準是到2021年之前可再生能量佔12.5%，各公共事業單位正在尋找符合這些標準的可選方案。生物質能源在美國受到越來越多的關注。但是，生物質發電站面臨著重大的挑戰，其中最主要的是由碳中和、森林可持續性、環境法規和原料成本等問題所引發的制度不穩定性。
<strong>五、地熱能發電
2015年年底，美國的累計地熱裝機容量為3.8吉瓦，居世界之首。自2000 年以來，地熱能在美國的總髮電量中約佔0.4%。地熱產業在美國一直相對蕭條，大部分活動都圍繞著現有的地熱站點的改造或擴張展開。但從國際上看，印度尼西亞、菲律賓和肯尼亞等資源豐沛的國家的地熱產能在持續增長。雖然美國地熱發電站的裝機容量相對於發電基地的總裝機容量來說並不大，但其可用性和利用率都很高，發電量相當於同等風力或太陽能的3~4 倍。
當今的地熱發電站通常使用閃蒸汽發電站或二元循環發電站來開發高於150℃的中高溫熱水地熱資源。雖然中高溫熱水發電站的技術最為成熟，但是由於優質的地熱資源有限，因此催生出利用較低溫資源進行發電的需求。新興的探測和鑽孔技術以及預製式系統技術都正在促使較低溫資源發電成本降低的同時擴大地熱發電的地理範圍。使用有機蘭金循環系統的二元循環發電站適用於90~150℃的較低溫資源。另一個正處於早期研發階段的地熱概念是增強型乾熱巖地熱系統（Enhanced Geothermal System，EGS），這一系統通過分裂10千米深處的缺乏流體含量的地熱岩層，將地表水抽過岩石來提取地熱，並用熱水使有機蘭金循環系統運轉起來。乾熱巖有巨大的能量潛能，但必須克服一些社會與環境問題的障礙。2015年，兩個EGS示範項目——俄勒岡的Newberry Volcano和內華達的Desert Peak在美國成功建成；2016年共有3個EGS示範項目處於活躍狀態。美國能源部還制訂了“地熱能研究前沿觀測臺”計劃進行有針對性的EGS研究，以期為大規模經濟可行的EGS開闢商用途徑。
<strong>六、風能發電
風能是可再生電量的最大來源，2016年的發電量為82吉瓦，約佔美國國內發電量的5%。到2016年年底，美國的風力發電總裝機容量僅次於中國。繼2013年風能設備安裝急劇減速到僅1吉瓦後，2014年美國的風能產業又回彈到5吉瓦，2015年和2016年又安裝了8吉瓦的風能新設備。美國風能市場的波動是源於生產稅抵免（Production Tax Credit，PTC）的不穩定性。由於天然氣的當前價格和未來預測價格都比較低，風能產業在近期要維持現有的新裝機水平需要持續依賴優惠激勵政策。在過去的五年中，風能發電的資金成本已經大大降低。技術的持續提高和成本的不斷降低，加上企業需求增長和各州的RPS指令要求，都增加了對風能產業長期發展的期待。
但是風能發電的發展還面臨著許多挑戰。風能不可調度，常常不能與電需求高峰時段進行匹配，大型電網整合的影響還不能完全確定。風電輸出的變化性和不穩定性是電力系統中的獨特難題，要求其他發電資產具備額外的系統靈活性和負荷跟蹤。風力發電場相對於電網負荷中心來說位置偏遠，繼續擴張需要新的輸電設備。風能的高滲透性會對電網系統造成影響，必須通過適當的電站互聯、輸電規劃以及系統與市場操作來進行管理。最後，由於風力機葉片、發電機機艙等部件體積巨大，其運輸給物流帶來了難度。
<strong>七、太陽能發電
太陽能發電技術主要有兩大類：太陽能光伏（Photovoltaic，PV）和聚光太陽能熱發電（Concentrating Solar Thermal Power，CSP）。CSP技術利用鏡面將太陽光集中到線狀焦點或中心點使工作介質升溫，最終在蒸汽循環中產生電。PV技術則直接將太陽光轉化成電，過程中不一定需要聚焦。成本的下降和政策的支持使得太陽能發電產業發展迅速。2016年年底，全世界的太陽能生產能力超過了300吉瓦，10年中增長了30倍。2016 年，美國增加了約14.7吉瓦的併網光伏（包括電力公司規模和屋頂安裝），太陽能發電累計裝機容量超過了40吉瓦。2016年，太陽能發電（包括所有來源）在美國總髮電量中佔比超過了1%。
<strong>1. 太陽能光伏
全球PV裝機發電量近年來有顯著的增長，其中以電力公司規模的設備（1兆瓦或以上的發電站）為領先。彭博新能源財經（BNEF）的全球市場預測顯示，全球累計PV容量從2010年的42.5吉瓦增長到2016年的近318吉瓦。僅在中國就有75吉瓦的電力公司規模的PV容量，美國、德國和日本緊隨其後。太陽能電廠的規模仍在繼續增大。美國的太陽能電廠的平均規模是32 兆瓦，其中100兆瓦及以上的項目也很常見。現在世界上最大的裝機項目已經超過了600兆瓦。PV系統所生產的電量取決於多重因素，包括太陽光強度、組件效率、工作溫度、PV組件之間的非均勻（或不匹配）條件、汙物、直流電轉換成交流電的效率等。PV系統總的損失通常在10%~15%。減少系統以及各部件產生的損失是太陽能產業的研究重心。
<strong>2. 聚光太陽能熱發電
CSP系統有四種常見類型：槽式（Parabolic Trough）、塔式（Central Receiver/Tower Plant）、線性菲涅爾式（LinearFresnel Reflector，LFR） 和碟式（Dish/Engine）。後兩種技術近年來鮮有投資，目前在建或計劃的大部分項目都將採用塔式或槽式技術並輔以熱能存儲技術（TES）。具備TES一體的CSP電站能夠在太陽能發電不夠充足的時段提供可調度的穩定電能，將有望成為化石燃料發電或帶有電池存儲的PV發電的主要競爭者。
這四種太陽能技術目前處在不同的開發階段。槽式是當前在商用上最為成熟可靠的技術，全世界的裝機容量超過了5吉瓦。塔式自2007年以來投入商業運營，2014—2017年第一批大型項目（50~377兆瓦）在美國、南非和中國上線。如今塔式技術的成本要顯著低於槽式，因此新規劃或正在開發的項目中約有2/3將是塔式。數個LFR電站正處於試點規模，全世界範圍內有幾個LFR電站正處於運行狀態，但沒有新的項目規劃。碟式電站也已經過論證，但因其他幾項技術更有競爭力而暫停了部署。截至2016年，美國的累計CSP裝機容量為1.8吉瓦，僅次於西班牙，但美國目前沒有新的CSP項目合同。世界其他地區新的CSP項目部署預計將在未來幾年內使裝機容量基礎提高約40%。
<strong>八、水力發電
截至2016年年底，傳統的水力發電是美國可再生能源的最大來源，具備約80吉瓦的裝機容量。在世界範圍內，水力仍然是最主要的可再生能源技術，2016年底裝機容量約達1064吉瓦，在可再生電能中佔71%。中國的裝機容量超過300吉瓦，為世界之首，美國、巴西和加拿大緊隨其後。
美國的水力發電裝機容量大部分都建設於1930—1970年間。自1970年後，因環境問題和更加複雜的許可資格，在此之前未被開發的水路安裝新的水力發電設備有所放緩。2005—2013年，美國新增了1.5吉瓦的水力發電裝機容量，新增的容量主要來自效率提高或現有發電機組的升級、在原有發電所或大壩上新增發電機組以及在原有不產電的大壩上安裝發電機組而產生。雖然美國的水力發電發展放緩，但世界上其他地區（主要是亞洲和拉丁美洲）一直在以越來越快的速度配置新的水力發電方案。抽水蓄能式水電站（Pumped-storage Hydro，PSH）用電力負荷低谷時的電能抽水至上水庫，在電力負荷高峰期再放水至下水庫發電的水電站，是目前美國及全世界能源存儲的主要來源。美國共有42個PSH電站，總裝機容量為21.6吉瓦。大部分PSH電站都建設於1990年之前，之後只新建了1個水電站。美國的水力電站裝機容量中有半數都歸屬於聯邦政府機構，如美國陸軍工程兵部隊、美國墾務局和田納西河谷管理局等。
https://www.epri.com/#/pages/product/3002011806/
編譯：宋 穎
《創新研究報告》編輯：曹學偉 張麗琴
<strong>感謝您的支持與關注，歡迎賜稿交流
投稿郵箱：[email protected]
閱讀更多 中國科協創新院 的文章
