中国太阳能集热发电的可行性及政策研究报告.doc

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1、摘要 本工程由能源基金会中国可持续能源工程 (CSEP) 委托进行，旨在研究 CSP在中国开展的可行性，并为政府制定 CSP 鼓励政策提出建议。 太阳能集热发电Concentrating Solar Power, CSP是一种可集中进行规模化发电的清洁能源方式。上个世纪 70 年代爆发的石油危机使得 CSP 发电作为一种替代能源方式得到各国政府的重视，最早一批商业化的 CSP 电厂由此得以兴建，并运行至今。这些电站的成功运行验证了 CSP 技术上的可行性。虽然目前 CSP发电的本钱仍高于传统化石能源发电，但未来随着技术的成熟和规模化的应用，CSP 发电的本钱有望降低到和传统化石能源相当的水平本

2、工程中通过对 CSP电站模型的经济性分析对此进行了说明。 作为一个化石能源相对贫乏的国家，开展 CSP 对中国有着重要的意义。本项 目 对 中 国 集 热 发 电 的 资 源潜 力 和 技 术 发 展 情 况 作 了 分析 。 我 们 借 助BLACK&VEATCH 协助本工程所做的一个简化的地理信息系统分析Geographic Information System, GIS，对中国的太阳能集热发电潜力进行了估算。中国符合太阳能集热发电根本条件即 DNI5kWh/m2-day，坡度小于 3%的太阳能集热发电可装机容量约有 16000GW，与美国相近，远超过西班牙。以年发电量来讲，中国潜在的太阳

3、能集热可发电量为 42000TWh/年，远大于目前的年用电需求3427TWh/年。 在技术方面，虽然我国太阳能热发电技术的实际应用尚在起步，但国家从“七五期间就已经开始设立有关太阳能集热发电技术工程以对其进行技术跟踪。因而在太阳能集热发电的单元技术和人才培养上，积累了一定的根底。我国科学家目前已经掌握了一批太阳能热发电的关键技术。例如，中科院电工所建立在北京延庆的“太阳能热发电技术及系统示范工程是目前国内乃至亚洲唯一的一座兆瓦级的太阳能热发电示范工程。该电站中的所有技术和装备都将是完全自主知识产权，已申请专利 34 项。 本工程还研究了在推进大规模 CSP 发电中可能会遇到的障碍因素，如高额初

4、始投资、太阳能发电的间歇性、土地要求、电网输送、政策风险等等。从我国V太阳能资源的分布来看，我国最适合建设 CSP电站的地方多半集中在西部人口稀少的地区，因此土地使用本钱相对较低。由于中国太阳能资源的分布不均匀、远离用电中心的特性，电力传输必然造成本钱增加，对未来中国 CSP 的开展可能会造成一定的障碍。虽然在电力输送方面，中国电网根本属于国家管理，不像国外完全由私人企业分割控制，在统一规划上会具有一定的优势。我国未来还将建设全国性的智能电网，解决新能源发电的间歇性问题。 本工程还结合 CSP 在中国的开展情况提出了中国 CSP 阶段性开展的路线图，分析了 CSP 在中国的开展前景。 目前 C

5、SP 技术开展还不成熟，因此其发电本钱仍远高于传统化石能源发电。再加上建设 CSP 电站初始投资过高，因此 CSP 发电在实现大规模应用和自由市场化开展之前，仍需要政府相关政策的引导和支持。在报告后半局部，我们参考了世界各国的新能源鼓励政策，分析了中国现有的政策根底，最后结合我们提出的中国 CSP 阶段性开展的路线图，为政府制定 CSP 相关的鼓励政策提出了建议。 VI 目录 第一 章 背景 .1 第二 章 资源潜力 .4 第三 章 太阳能集热发电技术开展概况 .10 第四 章 太阳能集热发电的商业化 .17 第五 章 太阳能集热发电的驱动因素以 及障碍风险分析 .27 第六 章 CSP 的

6、本钱与电价分析 .33 第七 章 光热与光伏商业化的竞争分析 .45 第八 章 中国太阳能集热发电的技术及 装备制造水平概况 .48 第九 章 中国太阳能热发电的本钱研究 .55 第十 章 北京延庆八达岭 1MW 塔式发电示 范工程 .61 第十 一章 中国太 阳能集热发电开展的路线图 .64 第十 二章 国外的 可再生能源政策分析 .74 第十 三章 中国现 有的政策根底和分析 .78 第十 四章 政策 建议.84 参考 文献 .89 VII表格索引 表 1 中国可再生能源的资源可开发量 .4表 2 中国、美国和西班牙的太阳能集热发电的资源总潜力. 7表 3 按 DNI 值分类，中国各省份的

7、太阳能集热发电的资源分布 . 8表 4. SEGS 电站的历史和运行参数. 20表 5 用来分析的槽式电站的根本数据. 34表 6 槽式支架本钱比拟. 34表 7 槽式的吸热器本钱比拟. 35表 8 槽式聚光镜的造价比拟. 35表 9 太阳能其它辅助设施的本钱比拟. 36表 10 电站发电局部的本钱比拟. 37表 11 双罐式热储存系统本钱明细. 37表 12 热储存本钱比拟. 38表 13 槽式太阳能热发电电站的的固定资产本钱投资的比拟. 38表 14 槽式太阳能热电站的年运行和维护费用 O&M 比拟 . 39表 15 槽式电站的 LCOE 比拟 crf：9.37%. 39表 16 太阳能塔

8、式发电的固定本钱比拟. 40表 17 塔式运行和维护本钱的比拟. 41表 18 太阳能塔式热发电的平准化本钱 LCOE 的比拟( crf: 9.37% ). .42表 19 Sargent&Lundy 对太阳能集热发电技术的 LCOE 的预测 . 43表 20 内蒙古与德国 Solar Millennium AG 合资 50MW 槽式工程的预期国产化比例. 53IX表 21 CSP 投资本钱中相关产品与效劳价格的比照 .55表 22 中国槽式电站本钱与欧美的比拟 .56表 23 中国与德国的人员在开支上的比照. 57表 24 关于对 CSP 的规模的预测比照. 64表 25 2030- 205

9、0 年间，新增 CSP 发电量在总的发电增 长量中所占的比例. 72图形索引 图 1 太阳能集热发电示意图 .10图 2 槽式发电系统. 11图 3 菲涅尔发电系统. 12图 4 塔式发电系统. 13图 5 西班牙 PS10 塔式发电站11MW . 13图 6 斯特林碟式发电系统. 14图 7 当前世界范围内的太阳能集热发电的装机情况按国家分类. 17图 8 当前世界太阳能集热发电的装机容量的技术占比情况. 17图 9 世界范围内在建的太阳能集热发电的容量按国家分类. 18图 10 世界范围内在建的太阳能集热发电的装机容量的技术占比情况. 18图 11 世界 范围内宣 布的规划 中太阳能 集热

10、发电 装机容量 按国家 分类. 19图 12 世界 范围内已 宣布的规 划中太阳 能集热发 电装机容 量的技术占 比情况. 19图 13 位于 Kramer Junction 的 SEGS III 到 SEGS VII 的空中俯瞰景象. 21图 14 Nevada Solar One . . 21X 图 15 西班牙 Andasol 1 50MW槽式发电站 .22图 16 Solar Two 的接收塔和定日镜 . 23图 17 西班牙塔式太阳能热发电站 PS10 .24图 18 PS10左和 PS20 .24图 19 西班牙 Andasol150M电站的投资组成. 28图 20 到 2021

11、年中国规划的 HVDC/AC 传输网络. 30图 21 2021-2021 年中国规划的 HVDC/AC 传输网络 . 31图 22 太阳能集热发电的价值链. 32图 23 ESTELA 对太阳能槽式发电预测的至 2025 年的本钱降低情况. 43图 24 不同太阳能集热发电电价降低的原因，按技术分类所占的比例. 44图 25 中国的太阳能槽式热发电固定投资的根本组成. 56图 26 100MW 的北美槽式太阳能热发电站的日常运行和维护费 O&M 的分布. 57图 27 中国太阳能热电站的日常运行和维护费用 O&M 的分配比例 58图 28 到 2021 年槽式电站的本钱降低趋势. 59图 2

12、9 三种情景之下的中国太阳能槽式热发电的本钱预测. 59图 30 IEA 对于中国电力需求增长的预测TWh. 65图 31 CSP 在中国开展规模的预测保守情况 .71图 32 CSP 在中国开展的规模预测常规情况下 .72XI第一章 背景 1.1 太阳能 集热发电世界未来能源幅员中的重要角色 作 为 一种 可 集中 进 行规 模 化大 型 发电 的清 洁 能源 方 式， 太 阳能 集 热发 电12Concentrating Solar Power, CSP近期在全球范围内掀起了一股新的投资和建设热潮。根据国际绿色和平组织、欧洲太阳热电协会和国际能源署下属的太阳能热动力和太阳化学能系统方案So

13、larPACES Program在?2021 年世界太阳能集热发电概况?中的预测，如果开展顺利，到 2030 年，太阳能热发电有可能满足全球 7%的能源需求，2050 年时甚至可满足高达 25%的全球能源需求 。美国华盛顿地球政策研究对太阳能集热发电所做出的预测那么更为乐观，他们预测在未来5 年内，全球的集热型太阳能发电能力每隔 16 个月就将翻一番 。基于中国现有的太阳能集热发电的技术和商业化水平，太阳能集热发电在中国，极有可能会先经过技术验证2021-2021 年、商业起步2021-2021 年、规模化商业开展2021-2030 年的阶段性的开展过程，最终进入自由市场竞争阶段(2030 年

14、-)。到 2050 年，我们预计太阳能集热发电可满足中国大约 8%的电力需求。到那时，中国的 CSP 技术将与世界一起，成为能源幅员中重要的组成局部。 1.2 历史和 现状：全球对能源平安和能源环境危机的 认识是太阳能热发电的根本 动力 从 1998-2021 年，OECD 国家和地区使用的能源占年消费总量的 54% ，但是OECD 国家人口不到世界人口的 16%BP 世界能源统计 2021。显然，依赖化石能源支持经济增长的方式无法使全球人口实现工业化。另一方面，全球对气候变化问题终于从疑心走向行动。为了防止走上气候变化的不归路，保障地球和人类的可持续开展，世界各国再次把目光转向清洁的可再生能

15、源。 从太阳能集热发电的技术和商业化情况来看，太阳能集热发电并不是一种新的技术。上个世纪 70 年代爆发的石油危机开始迫使人们寻找其它可替代能源，太阳能集热发电因此得到各国政府的重视，最早一批商业化的太阳能热发电厂由此得以兴建，并运行至今。太阳能集热发电在经历了 80 年代的第一次起飞之后，由于石油价格回落，能源的政治敏感度相应降低，而太阳能集热发电自身，又面13临着单位投资大，短时间内缺乏必要的降低本钱的技术突破等问题，开展渐趋缓慢，十几年中甚至接近于停滞。近年来，由于能源平安和环境问题，各国相应的经济扶持和鼓励政策相继出台，太阳能集热发电产业也随之再次升温成为热点，为 2021 年后一度低

16、迷的世界经济大背景带来了新的刺激和产业希望。如果我们对太阳能集热发电的历史开展轨迹认真检视的话，会发现，太阳能集热发电产业的起伏涨落，和政府对于可再生能源的重视以及政策的推动是息息相关的。 1.3 中国太 阳能集热发电还须快速开展才能赶上世界的脚 步 相比起来，我国对太阳能热发电技术的研究起步较晚， 20 世纪 70 年代才开始一些根底研究。20 世纪 80 年代初，湘潭电机厂与美国太空电子公司合作，试制了 2 台 5KW 碟式抛物面点聚焦太阳能热发电装置。但由于价格过高，加上工艺、材料、部件及相关技术等没有得到根本解决，而未能得到推广使用。国家“ 八 五方案安排了小型部件和材料的攻关工程，于

17、 中国科学院电工研究所内建成了小型抛物面槽式真空管高温集热装置。南京江宁地区与以色列合作在 2005年建立了国内第一座塔式的 70KW 的示范装置 。2021 年 3 月由中国科学院电工所主持的第一个兆瓦级的塔式示范电站开始建设开工。而商业化工程，目前进入实质工程审批阶段的只有内蒙古与 Solar Millennium 共同开发的 50MW 的槽式发电工程。随着近期清洁能源产业的升温，更多的商业化工程的意向被各方在各地纷纷提出，但总体来说，中国的太阳能集热发电的商业化应用，还在起步阶段。如果说，现今的太阳能集热发电产业，不约而同地被世界上多家与能源相关的权威评测机构，诗意而热情地描写为一个沉睡

18、了十几年，正在迅速觉醒的巨人的话，那么中国的太阳能集热发电离成长为这样举足轻重的巨人，还有很长的路要走。但 是如果给 予适当的政 策扶持和 鼓励，一 旦经过最初 的技术验 证和初步 开展阶段，我们预测在中国，到 2021 年，太阳能集热发电有可能经历与风电和光伏产业类似 的爆发式开展，成为新能源中替代传统大型集中 式发电的主力。到 2050年，有可能满足全国电力需求的 8%甚至更多。 1.4 中国太 阳能集热发电的开展在前期离不开政策的推动 和支持 由 于现阶段 环境污染 和治理的 本钱因素 并没有反 映到传统 化石能源 发电的价格上，如果没有政府政策的干预，单纯依靠市场自身调节，新能源在价格

19、上还2 缺乏和传统能源竞争的能力。 和火电相比，虽然在运行阶段，太阳能集热发电不像火电那样需要燃料才能运行，电站本身的维护运行本钱较低，尤其是在固定资产投资全部回收之后，在设备的维修和维护费用之外，因为无需燃料本钱，营运的利润更是远大于一般的火电厂。但是太阳能集热发电技术还未成熟，产业还在起步阶段，设备制造未到达规模经济，因而造成初始投资本钱和单位发电本钱远高于火电。 因此，政府政策支持和扶助那么是必不可少的。 有关政府政策的制定，我们会在报告的后部，结合我们提出的太阳能集热发电阶段性开展的路线图，提出更为详尽的建议。 3种类资源可开发量折合标准煤 亿 tce太阳能17000 亿 tce170

20、00风能10 亿 kW8水能经济可开发 亿 kW技术可开发 亿 kW生物质发电3 亿秸秆+3 亿吨林业废弃物液体燃料5000 万吨沼气800 亿 m3总计地热能33 亿 tce33但适用于发电的少第二章 资源潜 力 2.1 中国是 一个太阳能资源非常丰富的国家 相比于其它可再生能源，太阳能取之不尽，用之不竭。太阳能每秒钟到达地13球的能量达810kW，如果我们可以把地球外表仅仅0.1%的太阳能转为电能，16转化率为5%，每年的发电量即有望到达5.61040倍。 kWh，相当于目前全世界能耗的2中国是一个太阳能资源非常丰富的国家。全国陆地面积接受的太阳能辐射能约为17000亿吨标准煤。其中年日照

21、时数大于2200h，辐射总量高于5000MJm的太阳能资源丰富或较丰富的地区约占全国总面积的23以上，具有良好的太阳能利用条件。特别是人口密度稀少的西北，青海、西藏等地区，更具有开展大规模的太阳能集热电站的潜力。 表 1 中国可再生能源的资源可开发量 生物质能4根据国家统计局在2021年12月25日发布的第二次全国经济普查结果 ，中国4 2021年一次能源生产总量为亿吨标准煤，能源消费总量为亿吨标准煤。如果参照国家开展改革委员会在2007年发布的?可再生能源中长期开展规划?中所罗列的各种资源的可开发量表1，我们可以看出，太阳能是唯一在数量上能够完全满足中国未来能源能源消耗的可再生能源。 56其

22、次，根据国土资源部发布的2004年国土资源公报，全国荒漠化土地面积已达262万平方公里，占国土面积近三分之一。每年新增荒漠化面积2400多平方公里。大局部在太阳能资源丰富的西部地区，仅新疆地区166万平方公里的土地面积中就有荒漠戈壁111万平方公里 。 下面，我们将借助 BLACK&VEATCH 协助本工程所做的一个简化的地理信息系统分析Geographic Information System, GIS，通过其分析假设和数据结论的简要说明，对中国的太阳能集热发电潜力来做一个粗略的量化的估算 。 2.2 中国太 阳能集热发电的潜力 2.2.1 太阳集 热发电的选址条件 太阳能集热发电和太阳能光

23、伏发电不同，只能利用太阳法向直射辐射(Direct Normal Insolation，简称为法直辐射, DNI) 。因此，DNI 数值是太阳能集热发电站选址布局的首要依据。其次，太阳能集热发电对地面坡度有比拟严格的要求。槽式发电系统一般要求地面坡度不得大于 1%，塔式发电对地面坡度的要求相对宽松一些。在本模型中，坡度大于 3%的地面被视为完全不适合开展太阳能集热发电有坡度的地面虽然可以进行人工整平，但对于建电站所需的大面积土地来说，这么做显然缺乏经济适用性。此外, 电站选址还需要通过地理信息系统所提供的信息，将水体、流沙、沼泽、森林、盐盆，以及城市，自然保护区、矿区等不适合开展太阳能电站的地

24、方扣除。如果电厂采用水冷方式冷却的话，那么对附近水资源的可取性也有一定的要求。 2.2.2 GIS 分析的根本假设 在本文计算中，采用的是由美国National Renewable Energy Lab根据天气日辐照模型Climatological Solar Radiation Model提供的分辨率为40km40km的DNI数据，其中已经考虑了云遮盖、水汽、气溶胶、和痕量气体等因素。由于在522 22 22 2 2 22 2 222 2222本文中的GIS分析还只是比拟粗略的估算，很多可影响到电站选址以及上网电价的因素，如当地的水资源供给、人口密度、距交通干道和电网的距离等，为了简化原因，

25、并没有包含在当前的评价系统当中。 下面是GIS分析中所做的一些假设： DNI 值的简 化处理 为了简便，如果某地区的日 DNI 量小于 5kWh/m -day 的话，在分析中被忽略不计，即 0kWh/m -day；对于 DNI 数值在 5-6 kWh/m -day 范围内的地区，计算 时 被 统 一 简 化 为 kWh/m -day ； 同 理 ， 6-7kWh/m -day 被 简 化 为 6.5 kWh/m -day；7-8 kWh/m -day 被简化为 -day；8-9 kWh/m -day 被简化为 8.5 kWh/m -day，DNI 在 9 kWh/m -day 以上的被统计为

26、9 kWh/m -day。 坡度的 简化处理 对于坡度小于 3%的，我们认为此地区是 100%可为太阳能集热电站所用；坡度大于 3%的那么为彻底不可用，全部被忽略。 自然和 经济原因造成的土地可使用程度 城市、水体、矿区正在开采区与矿藏区，和受保护地区如自然保护区，均不做考虑，土地可用率被视为零。沙漠和荒原那么按照 100%可用来处理；草地、牧区、农业区做 50%考虑；森林和灌木区，可用率被定为 10%。 在扣除了上述使用率折扣之后，就是综合考虑了坡度和自然经济因素的可用于太阳能集热发电的土地使用面积。 例如，在西藏自治区内，日平均法直辐射量在 7-8kWh/m -day 之间的土地面积为 3

27、8,260km ，其中坡度小于 3%的土地面积为 22,726km ，而在这其中又有20,736km 为草地，由于草地的利用率被估计为 50%，那么在乘以 50%的系数以后，在西藏自治区，日平均法直辐射量在 7-8kWh/m -day 之间，适用于太阳能集热发电的有效总面积共计为 10,368km 。 太阳能 集热发电站的效率 在计算中，我们将太阳能发电站的光电转化效率假设为在现阶段比拟典型的6 222不带储能装置的槽式 CSP 的发电效率 ，即 15%。并且，在经过上述 GIS 分析的假设后得出的适用于开展太阳能集热发电站的面积，与其中真正用于收集阳光的有效面积的比例，即一个发电厂中所安装的

28、聚光镜面积和发电厂总面积之间的比例， 被定为 25%。此外，太阳能集热电站的装机容量与地面面积的比率估算为30MW/km 。 太阳能 集热发电的可年发电量和潜力估算 基于上面的假设，我们可以根据可用于开展太阳能集热发电的有效土地面积和 DNI，乘以转化效率等，来估算中国太阳能集热发电的潜力： 年发 电的瓦时数=地区内 CSP 有效面 积DNI电厂发电效率 (如槽式无储能 15%)聚光镜占发电厂总面积的比例如 25% 发电潜力瓦=地区内 CSP 有效面积CSP 电站的容量与地面的比率如30 MW/km 2.2.3 GIS 的分析结果 采用上述相同的假设和计算方法，对中国、美国和西班牙做出的 GI

29、S 分析结果显示表 2，相对于美国的 15000GW 和西班牙的 720GW，中国符合太阳能集热发电根本条件，即 DNI5kWh /m -day，坡度小于 3%的太阳能集热发电可装机容量约有 16000GW，与美国相近。以年发电量来讲，中国潜在的太阳能集热可发电量为 42000TWh/年，远大于目前的年用电需求 3427TWh/年。 表 2 中国、美国和西班牙的太阳能集热发电的资源总潜力 GWTWh/年DNI 7 kWh/m 2 的 功率GW中国16,00042,0001,400美国15,00040,0001,300西班牙7201,900这意味着，即便在未来，所有的化石能源枯竭之后，中国仍然有

30、着远大于自7给自足能力的丰富的太阳能集热发电资源。因此，开展太阳能集热发电，对于保障中国未来的能源平安，具有深刻的战略意义。 表 3 按 DNI 值分类，中国各省份的太阳能集热发电的资源分布 5-6kWh/m2-day6-7kWh/m2-day7 kWh/m2-day省份GWTWh/yrGWTWh /yrGWTWh/yr内蒙古6,00015,0005917000新疆4,30011,0004001,1003401,200青海2,0004,9007202,10031100西藏3207703008601,1003,900甘肃4401,100154200四川561400000河北26640000山西1

31、8440000陕西9210000黑龙江7170000吉林4100000总和13,18033,0001,5004,3001,4715,2002由表 3 可见，中国太阳能集热发电的总体潜力位居前五位的省份，分别是内蒙古、新疆、青海、西藏和甘肃。其中西藏具有高品质的太阳能集热发电资源，拥有 DNI 大于 7kw/m -day 的总功率数为 1100GW，占全国总数的 78.5%，在各省中遥遥领先。总体而言，GIS 分析得出结论与以前的中国太阳能资源调查根本一致，即中国太阳能资源丰富，且主要集中在内蒙古、新疆、青海和西藏这些人口稀少，地理位置比拟偏远的省份。 8 7我国目前全面研究太阳能热发电站选址的科研成果不多。中