电力工业的发展趋势、挑战和机遇

发布时间：2010-04-07 作者：Harry Forbes，ARC咨询集团

　　概论
　　今天的全球电力行业面临许多挑战。全球电力持续增长，在经济迅速发展的中国和印度表现尤为突出。仅美国到2030年电力消费预计将增加40%，由于总的发电量跟不上需求，企业利润率在降低，同时，传统化石电厂成本的70%都来自燃料成本，如今这一燃料价格却在暴涨。
　　电力行业在全球环境保护和温室气体排放（主要是二氧化碳）中也是一个重点。很多研究人员都认为温室气体导致全球变暖，因此，电力工业必须找到有效的解决方案以满足日益增长的电力需求，同时最大限度地减少碳的使用。

　　电力SCADA系统的市场容量（百万美元）

　全球发电量的增长（10亿千瓦时）　　资料来源: EIA

　　全球对可再生能源用电量的变化（10亿千瓦时）　　资料来源: EIA国际能源展望

　　输电与配电的挑战
　　发电量只是总体电力工程的一部分，另一方面则是输电和配置适当的电压和电流，使工业、商业和住宅用户的用电更高效和可靠。发电厂生产了适用于相对高压的三相电源，通过相关联的传输系统或“电网”加强了高压电的长距离传输。电源到下级变电站，从传输电网出来的电流进入当地配电网和电线。归根结底，电力分配给工业、商业和住宅用户比较低的电压，通常为单相电源。
　　区域输电电网相互关联，一个国家或地区的电力短缺或中断可以在另一国家或地区获得发电补偿。这就是所谓的“负载平衡”，北美的网状电路意味着，即使少数传输链路出现问题，大多数客户仍然能够用电。今天，即使在同一市场的发电资产、输电资产、分销和营销资产也可以拥有不同的经营实体。
　　今天，需要的主要投资在于更新现有输电线路，增加新的输电线路以支持石化、核电站和可再生发电进入电网，使通信系统与新的数字自动化技术、仿真技术、信息技术更现代化，增强物理和网络安全。
　　放眼智能电网的未来，是逐步过渡到一个统一的、基于一定标准的智能系统，可以预见的电力问题在问题发生时就能得以解决，无缝地容纳新一代分布式和可再生能源使客户积极主动参与到智能计量和双向通信工具。
　　智能电网的要求本身就是一个重大挑战。
　　■ 一个带有通用方式和工具的统一整体概念结构来规划和设计系统
　　■ 一个开放式的、基于标准的物理和软件架构
　　■ 实时仿真和建模功能
　　■ 电网中大量传感器和嵌入式智能设备间的通信能有效处理数据
　　■ 企业信息系统与实际操作系统网络互联，以实现实时数据采集、分析和决策支持
　　■ 消费者门户网站为公共事业和客户提供一个双向通信平台
　　■ 以高度可扩展方式进行实施

　　亚太地区问题和挑战
　　在中国和印度这两个国家，到2030年电力消费和发电量增长将达到前所未有的速度。新的发电资源主要是燃煤，许多人认为这是全球电力行业和气候变化所面临的最严峻的挑战。
　　到2030年，中国和印度的总发电量将达到现在的三倍以上。在中国，即使天然气和新能源使用的比例在上升，但到2030年，预计使用燃煤发电仍占主导地位，将增至总燃料的84%。预计印度燃煤发电占混合燃料的比例将减少到69%。
　　中国到2030年计划增加核电站发电量36千兆瓦，印度将增加17千兆瓦。这种新能源的发电能力有助于燃料的多样化。中国和印度两国也有一些大型水电项目正在进行建设并扩大使用风力发电。印度正面临严重的电力短缺问题，到2012年计划发电量从目前的124，000兆瓦增至20，000兆瓦。印度政府鼓励投资于发电、输电和配电，包括可再生能源发电。　　

印度基础能源的发电能力　　来源：印度电力部

　　中国现有电力发电量增长。　　资料来源: EIA

　　领头企业如何解决这些问题
　　显然，电力公司再也不能继续这样下去。为帮助取得积极成效，今天，领先的公用电力事业公司正加紧采用新的业务模式，制定和实施创新程序和办法，并加强与政府之间的合作。
　　许多公司都开始以身作则，以帮助贡献、调节并扶持用于发电、污染控制、输电、配电的新技术。
　　时间要素非常关键。最近一些科学研究表明，全球变暖问题的解决比我们原来所预想的发展更快，达到了一定程度的遏制。包括独立企业或社团，电力行业的领头羊已经开始实施解决方案等先决条件和技术以减少温室气体排放。这些企业正在探索清洁能源技术的经济价值，扩大使用核能和可再生能源发电。同时，领先的电力企业也实施一些需求项目以鼓励工业、商业和住宅用户采取节能措施。在供应方面面临的挑战是找到符合成本效益的解决方案，延长现有电力系统的使用寿命，使其进入一个安全的、符合成本效益的、环保的时代，同时建立新的资产投资于下一代技术。

　　能源生产与消费是全球变暖的首要因素　　来源: http://www.env.go.jp

　　美国整体发电量与核电发电量对比
　　资料来源: EIA

　　改造现有的电力资产
　　为解决现有燃煤负荷的可靠性问题，自1960年以来已经有很多公司进行了工艺设备的改造和升级，也投入巨资为电力机组加装了最新的污染控制设备以获得更高质量的煤炭原料。新的污染控制系统，可以帮助工厂在燃烧燃料的设计中减少高达90%到95%的氮氧化物和硫氧化物的排放。这些公司将老式模拟设备和过程控制系统升级为最新的数字现场总线技术和过程控制技术，帮助提高整个工厂的可靠性和性能，降低运营和维护费用。新的在线优化软件技术也被用于现有工厂中，减少排放量，同时提高经济效益。
　　通过在过程控制系统中实施了先进的基于模型预测控制（MPC）战略，至少有一个企业已经延长了即将退役的两个老燃煤机组的使用寿命，在满足当前氮氧化物排放标准的同时取得了良好的收益并提高了坡道率，使这两个以前的系统负荷能继续服务于市场并盈利。先进的控制策略通过坡道实现对重要设备的闭环保护。

　　发电量投资环境友好
　　今天，领先的公司正大力投资于能在未来几十年中更为环保的燃煤，包括新的更清洁和更高效的工厂设计和下一代整体煤气化联合循环（IGCC）系统。这些可以生产电力和其他副产品，几乎没有任何污染排放，整体煤气化循环系统也可以改造为二氧化碳的追踪和封存。IGCC发电厂正在建设比常规燃煤电厂更昂贵的电厂，在政府的大力支持和鼓励下，使得这一技术的发展更加充满希望。
　　尽管无法预测天然气价格，但领头企业也将继续循环使用天然气，这些天然气发电厂将大大减少常规燃煤污染中的MWH。虽然目前在美国还没有新的核电厂在建，但已有30个新核电厂正在申请许可证。核管理委员会（NRC）早已批准了目前美国现有的核电厂的申请。为保持并增加碳中性基荷发电核来源，全球企业正在建设新核能基础上的先进轻水反应堆（ ALWR ）技术，先进的轻水反应堆正在日本，韩国，台湾，法国和芬兰进行建设中。五大ALWR设计，其中两个已通过美国核管理委员会和15个公用事业许可证认证。新的标准设计降低了复杂性并可以创建更多安全功能，先进的物理和网络安全机制也正在设计当中，旨在协助保护新的核电厂免受恐怖袭击或其他敌对行动。

　　投资新兴的智能电网技术
　　领先企业需要美国现代化的电力传输和分配系统，提高新资本的现代化水平，改进和扩大有形基础设施（电线，塔，变电站等）。这些公司正着力提高整个系统的可靠性，效率和反应能力，实施各种创新的智能电网相关技术，包括应用先进的SCADA系统进行实时监测和优化大规模输电和配电电网，基于模型的实时直流和变电站自动化系统的应用，促进自诊断功能。另外，这些公司也开始实现先进的计量基础设施（ AMI ），使用智能仪表进行通信的数据中心。随着时间的推移，这种先进的技术将逐渐普及，因为我们知道，未来将是智能的世界。

　　需求管理和需求响应项目
　　领先的电力公司已经开始发起计划鼓励其工业、商业和住宅用户减少电力消耗，特别是在需求高峰期。其中包括安装智能仪表，使客户能够充分利用现有的时间使用电力资源，家庭和企业能对资源的使用自主审计。这一做法将在未来继续推广，新的智能网技术的启用将扩大与消费者之间的互动，针对电力消耗的费用上涨或下降，消费者将事先签订合同。
　　领先的公用事业已经认识到，虽然这些做法看来不合理，但实际上对客户进行经济的鼓励，支持客户提高能效和节约能源，也是利于客户自身的。这并不需要花费太多费用，只是通过需求管理减少需求力，，而不是建立新发电厂来满足持续增长的需求。未来还可以通过立法提供额外补偿来抑制需求，这也是行之有效的办法。
　　未来的电力行业是一个复杂的难题，可能出现各种不同的结果，电力行业可能成为这些结果的催化剂，积极促进全球经济增长或成为经济增长的瓶颈，在全球变暖的问题上，要么成为英雄，要么成为恶棍。

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