行业动态
编者按：2018年3月，美国电力科学研究院（Electric Power Research Institute，EPRI）发布《技术创新计划：2017综合发电技术报告》 （Program on Technology Innovation : Integrated Generation Technology Options 2017），该报告对美国煤电、天然气发电、核能发电、生物质发电、地热能发电、风能发电、太阳能发电和水资源发电八项发电技术进行了总体介绍，同时对这些发电技术的当前进展和未来发展趋势进行了概括描述和预测。本文对此报告进行摘编。
一、煤 电
2016年燃煤发电机组在美国国内装机容量中占26%，提供了30.4%的国内电能，与2012年相比分别下降了5%和16.6%（2012年的上述两个比例分别为31%和47%）。煤电比例下降的主要原因得益于当前廉价易得的天然气能源，同时还有联邦政府制定的气候政策、美国环保署（U.S. Environmental Protection Agency，EPA）针对温室气体（Greenhouse Gas，GHG）排放的“清洁能源计划”以及民众对灰渣库管理和水污染的日益关注等因素的共同推动。当前煤电行业主要技术包括：
1. 煤粉（Pulverized Coal，PC）
PC机组提供着几乎全部的美国国内燃煤发电量。美国大多数的PC发电站都已经使用了标准的亚临界操作规范，主蒸汽参数为540℃（或1000℉），16MPa（或2400psi）。在过去的20年中，随着锅炉和汽轮机材料的大幅改善，越来越完善的循环水化学处理技术，全世界越来越多的发电站使用了超临界机组（SC）和超超临界机组（USC）的蒸汽循环。SC的主蒸汽参数为540℃或1000℉以上，22MPa或3200psi；USC的主蒸汽参数为595℃或1100℉以上，24MPa或3500psi。超超临界煤粉发电站不但能够提高发电效率，而且大大减少了二氧化碳的排放。
2. 整体煤气化联合循环发电（Integrated-Gasification Combined-Cycle, IGCC）
IGCC技术指发电站中利用固体和（或）液体燃料（煤、石油焦炭、石油残留物、生物燃料或上述燃料的混合物）把煤气化和燃气-蒸汽联合循环发电系统有机集成的一种洁净煤发电技术。在一个标准的IGCC装置中，净输出功率中约有60%是由燃气轮机产生的，40%由蒸汽轮机产生。最先进的IGCC烟煤机组预计将达到8800~9800千焦/千瓦小时的高热值净发热量，与超临界煤粉机组相当。在进入电站设备燃烧之前除掉加压合成气中的污染成分，IGCC发电站能够达到极其严格的空气排放标准。2013年6月，杜克能源公司（Duke Energy）在爱德华兹波特的IGCC项目开始了商业运营，这是美国的第一个全规模IGCC发电站。南方电力公司（Southern Company）在肯珀县的IGCC发电站也是一项令人瞩目的工程。除此之外，目前美国正在运行的IGCC发电站只有位于弗罗里达州运营20多年的250兆瓦的瓦巴希河发电站。
3. 碳捕集与封存（Carbon Capture and Storage，CCS）
虽然市场上目前还没有应用于全规模PC发电站的CCS技术，但是基于胺分离的后燃二氧化碳捕集技术已经在液化石油气和天然气加工产业中用来分离气流中的二氧化碳。根据全球CCS研究院（Global CCS Institute）的大型CCS工程数据库的数据显示，截至2017年，全球电力部门的PC发电站中有两个正在运营的大规模CCS项目：一是自2014年10月开始运行的加拿大萨斯喀电力集团（SaskPower）的边界坝碳捕集项目（Boundary Dam Carbon Capture Project），这是世界上首个大规模电力部门CCS项目；二是自2017年1月开始运行的美国电力生产商NRG Energy公司位于德克萨斯州休斯顿附近的W.A. Parish电站中的Petra Nova碳捕集项目，这是世界上最大的安装在现有燃煤发电站上的后燃碳捕集设施。这两个项目都将捕集的二氧化碳转运到油田，用于提高原油采收率。
二、天然气发电
天然气联合循环（此处包括天然气简单循环燃烧涡轮和燃气轮机联合循环）是一种成熟的发电技术，在2016年占美国发电量的34%。据美国能源信息管理署（U.S.Energy Information Administration）的信息显示，2017年和2018年将新增超过3万兆瓦的天然气机组，2018年预计将稳定保持不超过4美元/百万英热单位（MMbtu）。天然气发电行业主要技术包括：
1. 燃气轮机（combustion turbine，CT）
CT主要包括空气压缩机、燃烧器和膨胀涡轮。空气压缩机连续地吸入气体并将其压缩；压缩后的气体进入燃烧器，与喷入的气态或液态燃料在压力下燃烧，成为高温燃气；高温燃气随即流入膨胀涡轮中膨胀做功，加热后的高温燃气的做功能力显著提高，能够作为CT的输出机械功。CT的传动轴与发电机连接在一起，进而能将发电机驱动起来。CT的电源输出量对周围环境非常敏感，其效率深受膨胀涡轮入口温度的影响。在早期的重型CT设计中，入口最高温度约为1100℃，而近期的CT设计使入口温度提高到1370℃，这一较高的入口温度使得耗热率减少了10%。
2. 天然气联合循环（Natural Gas Combined Cycle，NGCC）
NGCC就是与兰金蒸汽循环（Rankine steam cycle）相结合的CT。从CT 中排出的热废气通过热回收蒸汽发生器，与水交换热量产生蒸汽，CT的效率和电产量都有了显著的提高。因此，NGCC通常在间歇工作（20%~65% 容量因数）或基本荷载（65%~90%容量因数）时运行。输出量200~800兆瓦的NGCC机组达到了6600~7400千焦/千瓦小时的高热值净发热量。这一发热量比超临界PC机组要高出30%。亨利港（Henry Hub，纽约商品交易所天然气合约的官方交货点）的天然气的年平均价格在2017年约为3.17美元/MMbtu，2018年预估为3.43美元/MMbtu，预计NGCC机组将继续代替一定数量的基载煤电。
三、核能发电
核能发电量在美国约占20%。2016年，美国的61座核电站产出的电量超过了8000亿千瓦时。2016年10月，田纳西河流域管理局（Tennessee Valley Authority）的Watts Bar核电站2号机组开始启动，这是美国自1996年以来首座新的核反应堆。此外，南方电力公司在乔治亚州的沃格特勒核电站（Plant Vogtle）正在现有核电站的基础上新建3号和4号机组，预计将分别于2021和2022年启动。然而，由于主要承包人和反应堆供应商Westinghouse 破产而导致的成本增加和进度的不确定，另一座位于南卡罗莱纳州的V.C.Summer核电站在建的2号和3号机组于2017年7月停止建设。
截至2017年9月，美国核管理委员会（U.S. Nuclear Regulatory Commission）公布了美国14项新发布或正在审查的核反应堆申请，还有另外14项申请被撤销或推迟。同时，由于不利的市场条件或其他不可预测的复杂因素导致的经济原因，还有多个机组已被或计划被提前关闭。短期来看，新建核电站的前景还不明朗。但从全球来看，核能对于本国化石燃料资源有限的国家来说是具有吸引力的。例如，2016年法国的全国电力需求中有近75%是由核能供应的。目前，48个国家共有441个正在运行的反应堆（387吉瓦），14个国家有57个正在建设中的反应堆（60吉瓦）。电力需求的上涨、核能的温室气体零排放以及对能源安全的更多期望都是推动核能电站建设的主要因素。
四、生物质发电
生物质发电主要来自燃烧木材和农业残留物获得的热能和电能；此外，垃圾掩埋场气体和城市固体废弃物也是用来发电的其他类型的生物质燃料。自2005年以来，生物质发电量稳定中有小幅增长。美国的生物质发电装机容量约为16.8吉瓦。2016年，电力公司规模的生物质发电设施的发电量约占全美可再生能源发电量的10%，占全美总发电量的1.5%。
各州设立了可再生能源组合标准（Renewable Portfolio Standards，RPS），如北卡罗来纳州的RPS强制标准是到2021年之前可再生能量占12.5%，各公共事业单位正在寻找符合这些标准的可选方案。生物质能源在美国受到越来越多的关注。但是，生物质发电站面临着重大的挑战，其中最主要的是由碳中和、森林可持续性、环境法规和原料成本等问题所引发的制度不稳定性。
五、地热能发电
2015年年底，美国的累计地热装机容量为3.8吉瓦，居世界之首。自2000 年以来，地热能在美国的总发电量中约占0.4%。地热产业在美国一直相对萧条，大部分活动都围绕着现有的地热站点的改造或扩张展开。但从国际上看，印度尼西亚、菲律宾和肯尼亚等资源丰沛的国家的地热产能在持续增长。虽然美国地热发电站的装机容量相对于发电基地的总装机容量来说并不大，但其可用性和利用率都很高，发电量相当于同等风力或太阳能的3~4 倍。
当今的地热发电站通常使用闪蒸汽发电站或二元循环发电站来开发高于150℃的中高温热水地热资源。虽然中高温热水发电站的技术最为成熟，但是由于优质的地热资源有限，因此催生出利用较低温资源进行发电的需求。新兴的探测和钻孔技术以及预制式系统技术都正在促使较低温资源发电成本降低的同时扩大地热发电的地理范围。使用有机兰金循环系统的二元循环发电站适用于90~150℃的较低温资源。另一个正处于早期研发阶段的地热概念是增强型干热岩地热系统（Enhanced Geothermal System，EGS），这一系统通过分裂10千米深处的缺乏流体含量的地热岩层，将地表水抽过岩石来提取地热，并用热水使有机兰金循环系统运转起来。干热岩有巨大的能量潜能，但必须克服一些社会与环境问题的障碍。2015年，两个EGS示范项目——俄勒冈的Newberry Volcano和内华达的Desert Peak在美国成功建成；2016年共有3个EGS示范项目处于活跃状态。美国能源部还制订了“地热能研究前沿观测台”计划进行有针对性的EGS研究，以期为大规模经济可行的EGS开辟商用途径。
六、风能发电
风能是可再生电量的最大来源，2016年的发电量为82吉瓦，约占美国国内发电量的5%。到2016年年底，美国的风力发电总装机容量仅次于中国。继2013年风能设备安装急剧减速到仅1吉瓦后，2014年美国的风能产业又回弹到5吉瓦，2015年和2016年又安装了8吉瓦的风能新设备。美国风能市场的波动是源于生产税抵免（Production Tax Credit，PTC）的不稳定性。由于天然气的当前价格和未来预测价格都比较低，风能产业在近期要维持现有的新装机水平需要持续依赖优惠激励政策。在过去的五年中，风能发电的资金成本已经大大降低。技术的持续提高和成本的不断降低，加上企业需求增长和各州的RPS指令要求，都增加了对风能产业长期发展的期待。
但是风能发电的发展还面临着许多挑战。风能不可调度，常常不能与电需求高峰时段进行匹配，大型电网整合的影响还不能完全确定。风电输出的变化性和不稳定性是电力系统中的独特难题，要求其他发电资产具备额外的系统灵活性和负荷跟踪。风力发电场相对于电网负荷中心来说位置偏远，继续扩张需要新的输电设备。风能的高渗透性会对电网系统造成影响，必须通过适当的电站互联、输电规划以及系统与市场操作来进行管理。最后，由于风力机叶片、发电机机舱等部件体积巨大，其运输给物流带来了难度。
七、太阳能发电
太阳能发电技术主要有两大类：太阳能光伏（Photovoltaic，PV）和聚光太阳能热发电（Concentrating Solar Thermal Power，CSP）。CSP技术利用镜面将太阳光集中到线状焦点或中心点使工作介质升温，最终在蒸汽循环中产生电。PV技术则直接将太阳光转化成电，过程中不一定需要聚焦。成本的下降和政策的支持使得太阳能发电产业发展迅速。2016年年底，全世界的太阳能生产能力超过了300吉瓦，10年中增长了30倍。2016 年，美国增加了约14.7吉瓦的并网光伏（包括电力公司规模和屋顶安装），太阳能发电累计装机容量超过了40吉瓦。2016年，太阳能发电（包括所有来源）在美国总发电量中占比超过了1%。
1. 太阳能光伏
全球PV装机发电量近年来有显著的增长，其中以电力公司规模的设备（1兆瓦或以上的发电站）为领先。彭博新能源财经（BNEF）的全球市场预测显示，全球累计PV容量从2010年的42.5吉瓦增长到2016年的近318吉瓦。仅在中国就有75吉瓦的电力公司规模的PV容量，美国、德国和日本紧随其后。太阳能电厂的规模仍在继续增大。美国的太阳能电厂的平均规模是32 兆瓦，其中100兆瓦及以上的项目也很常见。现在世界上最大的装机项目已经超过了600兆瓦。PV系统所生产的电量取决于多重因素，包括太阳光强度、组件效率、工作温度、PV组件之间的非均匀（或不匹配）条件、污物、直流电转换成交流电的效率等。PV系统总的损失通常在10%~15%。减少系统以及各部件产生的损失是太阳能产业的研究重心。
2. 聚光太阳能热发电
CSP系统有四种常见类型：槽式（Parabolic Trough）、塔式（Central Receiver/Tower Plant）、线性菲涅尔式（LinearFresnel Reflector，LFR） 和碟式（Dish/Engine）。后两种技术近年来鲜有投资，目前在建或计划的大部分项目都将采用塔式或槽式技术并辅以热能存储技术（TES）。具备TES一体的CSP电站能够在太阳能发电不够充足的时段提供可调度的稳定电能，将有望成为化石燃料发电或带有电池存储的PV发电的主要竞争者。
这四种太阳能技术目前处在不同的开发阶段。槽式是当前在商用上最为成熟可靠的技术，全世界的装机容量超过了5吉瓦。塔式自2007年以来投入商业运营，2014—2017年第一批大型项目（50~377兆瓦）在美国、南非和中国上线。如今塔式技术的成本要显著低于槽式，因此新规划或正在开发的项目中约有2/3将是塔式。数个LFR电站正处于试点规模，全世界范围内有几个LFR电站正处于运行状态，但没有新的项目规划。碟式电站也已经过论证，但因其他几项技术更有竞争力而暂停了部署。截至2016年，美国的累计CSP装机容量为1.8吉瓦，仅次于西班牙，但美国目前没有新的CSP项目合同。世界其他地区新的CSP项目部署预计将在未来几年内使装机容量基础提高约40%。
八、水力发电
截至2016年年底，传统的水力发电是美国可再生能源的最大来源，具备约80吉瓦的装机容量。在世界范围内，水力仍然是最主要的可再生能源技术，2016年底装机容量约达1064吉瓦，在可再生电能中占71%。中国的装机容量超过300吉瓦，为世界之首，美国、巴西和加拿大紧随其后。
美国的水力发电装机容量大部分都建设于1930—1970年间。自1970年后，因环境问题和更加复杂的许可资格，在此之前未被开发的水路安装新的水力发电设备有所放缓。2005—2013年，美国新增了1.5吉瓦的水力发电装机容量，新增的容量主要来自效率提高或现有发电机组的升级、在原有发电所或大坝上新增发电机组以及在原有不产电的大坝上安装发电机组而产生。虽然美国的水力发电发展放缓，但世界上其他地区（主要是亚洲和拉丁美洲）一直在以越来越快的速度配置新的水力发电方案。抽水蓄能式水电站（Pumped-storage Hydro，PSH）用电力负荷低谷时的电能抽水至上水库，在电力负荷高峰期再放水至下水库发电的水电站，是目前美国及全世界能源存储的主要来源。美国共有42个PSH电站，总装机容量为21.6吉瓦。大部分PSH电站都建设于1990年之前，之后只新建了1个水电站。美国的水力电站装机容量中有半数都归属于联邦政府机构，如美国陆军工程兵部队、美国垦务局和田纳西河谷管理局等。
