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產業技術研究

青海省清潔能源發電潛力及價值分析

摘    要:

隨著科技進步,清潔能源開發利用成為緩解資源短缺、改善生態環境的重要途徑,對清潔能源潛力進行量化評估,有助于有關部門制定合理的開發利用決策。本文基于模型模擬和空間分析等方法,對青海省水電勢能、太陽能風能生物質能地熱能5種主要清潔能源發電潛力及價值進行評估,得到了青海省主要清潔能源發電潛力的時空分布格局和數量統計特征。結果表明:①從時間上看,2000—2018年清潔能源發電潛力呈逐年增加趨勢,空間分布格局變化不大,發電潛力較穩定。從空間上看,青海省西部清潔能源發電潛力相對較高,東部較低;州(市)尺度上,玉樹州、海西州處于清潔能源發電潛力高值區,西寧市處于低值區;生態功能區尺度上,三江源地區處于清潔能源發電潛力高值區,祁連山地區處于低值區。②從清潔能源結構來看,青海省水電資源潛力最為豐富,2000—2018年水電勢能平均發電潛力達到2338.41億kW·h,其次是生物質能地熱能太陽能風能,且在實際應用中清潔能源能源消費中的比重逐漸增大。③2000—2018年青海省清潔能源潛力平均價值為1887.75億元,未來可獲得的清潔能源的經濟價值將隨著中國市場的發展和清潔能源開發利用強度的增大而逐漸增長。本文為青海省相關部門了解省內清潔能源的現狀和未來開發利用前景,制定清潔能源開發利用政策提供了重要依據。


關鍵詞:清潔能源;太陽能風能;水電勢能;生物質能地熱能;生態文明;青海


研究區概況

青海省地理坐標范圍為89°35′E—103°04′E,31°36′N—39°19′N之間。中國七大地理分區將全國劃分為華北、東北、華東、華中、華南、西南、西北,青海省位于七大地理分區的西北地區,深居內陸,遠離海洋,地處青藏高原,屬于高原大陸性氣候。


青海省地勢總體呈西高東低,南北高中部低的態勢,西部海拔高峻,向東傾斜,呈梯型下降,東部地區為青藏高原向黃土高原過渡地帶,地形復雜,地貌多樣。青海省是長江、黃河、瀾滄江等重要水系的發源地,降水較多,水系發育,河網密集,河流比降大,境內多海拔5000米以上的高大山體,山上終年積雪,廣布冰川,形成許多天然巨型固體水庫。青海省地勢高、空氣稀薄、干燥少云,太陽輻射透過大氣層的距離較海拔低的地區短,被大氣層所反射和吸收的部分也較少,因而到達地面的輻射量相對增多,是中國太陽輻射量最多的地區之一。青藏高原地勢開闊,海拔較高,對風的阻擋小,冬季東南部盛行偏南風,東北部多為東北風,風能資源豐富。青海省位于歐亞板塊的交接地區,地殼運動較頻繁,頻繁的造山運動使得活躍地殼的熱運動頻繁,地熱資源豐富。青海省蘊藏豐富的水能、太陽能、風能等可再生能源,是中國的能源資源儲備大省,且具備大規模開發條件,是國家重要的清潔能源基地。

清潔能源潛力評估方法

水電資源潛力評估方法

CLM(Community Land Model)陸面過程模式是國家大氣研究中心(National Center of Atmospheric Research,NCAR)發展推廣的陸面過程模式。CLM在綜合了LSM(Land Surface Model)、IAP94(Institute of Atmospheric Physics Land Surface model)以及BATS(Biosphere-Atmosphere Transfer Scheme)等陸面模式優點的基礎上,改進了一些物理過程參數化方案,并且加入了水文、生物地球化學以及動態植被等過程,是目前世界上發展最為完善而且也是最具發展潛力的陸面過程模式之一。因此,本文采用最新發布的CLM5.0,使用其尺度自適應河流運輸模型(MOSART),通過運動波方法對河道匯流、隨時間變化的河道徑流速度、水深以及河道地表水儲量進行模擬,進而得到青海省地表徑流量,由地表徑流的勢能產生的最大水電勢能作為水電開發利用潛力評估的依據。本文根據水資源量和水位差(高程)計算水電勢能理論蘊藏量,計算方法如公式(1)所示:


式中:N為水電勢能理論蘊藏量(k W);Q為地表水資源量(m3);L為上下斷面水位差(m);g表示重力加速度,取值為9.81。水電勢能計算步驟如下:

首先,利用Arc GIS水文分析工具,基于青海省90 m數字高程模型(DEM)數據,以當年的地表徑流為權重計算青海省匯流累積分布,并生成集水區分布圖。水資源只有達到一定匯集量才具有發電能力。參考已有研究,確定該匯集量為1.28×106m3,即達到或超過此閾值點具備建設水庫使水勢能轉化為電能的條件。此外,由于當代可開發水電技術條件限制以及水能不能完全轉變為電能,存在一定損失,因此真正能夠被利用的水能資源為可開發水電勢資源。全國技術可開發水能資源量占全國水能理論蘊藏量的40.67%,以此比例計算青海省水電勢能發電量及其經濟價值。

本文驅動CLM模型所用數據集如表1所示,水電勢能潛力評估的空間分辨率為1 km,時間為2000—2018年。

目前沒有統一的劃分標準來確定水電勢能潛力的高低,參考中華人民共和國水利部批準的《水利水電工程等級劃分及洪水標準》(SL252-2017)、《水力發電工程地質勘察規范》(GB50287-2016)[光伏發電站設計規范》中推薦的光伏陣列最佳傾角參考值,選取青海省固定最佳斜面傾角為35°。在此基礎上計算得到最佳斜面總輻射年總量。


地熱能發電潛力評估方法

中國地質科學院水文地質環境地質研究所在青海省開展的“青海省地熱資源調查評價”“貴德盆地深部水文地質調查”項目完成了青海省地熱資源現狀評價與區劃工作[地熱能發電潛力依據該研究探明的2012—2014年地熱資源量平均值代替。


青海省地熱資源總儲量為1.43×1020J,折合標準煤為8.10×109t;可開采地熱資源總量為1.40×1017J/年,折合標準煤為7.98×106t/年[溫泉形式沿斷裂帶排泄于地表,具有溫度高、分布面積小的特點,主要分布在西寧盆地南緣藥水灘地熱區、貴德熱水溝地熱區、興海縣溫泉地熱區及唐古拉山口溫泉地熱區等。青海省沉降盆地型地熱資源主要分布在青海東部西寧、貴德、共和等盆地內,該地區地熱資源豐富,開發利用價值較高,同時勘查研究程度較高。青海省地熱資源的熱源特征與底部巖漿活動歷史和特征密切相關,由于我國青藏高原地區具有強烈的構造運動,新生代以來,受歐亞板塊和印度洋板塊的擠壓,青藏高原逐漸隆升,局部有巖漿入侵的存在,故產生沉積盆地型干熱巖資源和隆起斷裂型地熱資源[政策措施引導下,能更好地推動地熱資源開發利用,為中國地熱發電戰略部署做出貢獻。


 風能發電潛力

2000—2018年青海省風能發電潛力呈下降趨勢(n=19,R2=0.449),平均每年下降約0.384億k W·h,但空間分布格局變化較小。

2000—2018年青海省平均風能發電潛力的空間分布如圖3所示。從全省空間分布來看,風能發電潛力在空間上呈不均勻分布,整體上為西部高,東部低。從州(市)尺度來看,海西州是風能發電潛力的高值區,最高每年達1.82×106W/m2,占全省風能發電潛力總量的48%;玉樹州是風能發電潛力的中值區,占全省風能發電潛力總量的30%;果洛州、海南州、海北州、黃南州、海東市、西寧市是風能發電潛力的低值區。從生態功能區尺度來看,三江源地區始終處于風能發電潛力的高值區,多年平均最高發電潛力達1.77×106W/m2,占全省風能發電潛力總量的56%;柴達木地區是風能發電潛力的中值區,占全省風能發電潛力總量的32%;祁連山地區、青海湖流域、東部干旱山區是風能發電潛力的低值區。




青海省清潔能源蘊藏量豐富,開發利用潛力巨大,具有時間和空間變化特征。2000—2018年青海省清潔能源潛力整體呈逐年增加的趨勢,其中水電勢能、太陽能、生物質能呈增加趨勢,風能呈減少趨勢;在空間上,青海省西部清潔能源潛力相對較高,東部較低,西部具有豐富的太陽能和風能,東部具有豐富的水電勢能。能源總量和單位面積能源產出效率排序并不完全一致,因此在能源開發時應綜合考慮不同地區的生態環境現狀、能源產出效率、能源蘊藏總量等因素,可以把長期處于清潔能源潛力的高值區作為優先開發區,如在西部地區開發太陽能與風能,在東部地區開發水電勢能等。


從清潔能源結構來看,青海省水電資源潛力最為豐富,其次是生物質能、地熱能、太陽能和風能。隨著科學技術的進步,青海省水電站、光伏電站風電站的裝機量都在逐年增加,生物質能源的使用量也在不斷提高,但是地熱能利用仍然處于初級階段,開發利用量較少。針對清潔能源利用現狀,應充分考慮清潔能源的蘊藏量和開發條件,在合理保護生態環境的前提下,在適宜地區進一步建設水力發電站、太陽能發電站、風力發電站,提高生物質資源的利用效率,對可用于發電的地熱資源進行勘探和開發。


從清潔能源價值來看,2000—2018年清潔能源價值呈增加趨勢,水電勢能平均價值占清潔能源總價值的比重最大,其次是生物質能、地熱能、太陽能和風能。根據相關統計數據與本文研究結果比較后發現,全省清潔能源實際應用程度與清潔電力應用潛力尚有較大差距,未來青海省清潔能源利用水平存在較大提升空間。在未來清潔能源開發利用過程中應結合能源潛力總量、不同地區的能源產出效率與能源需求,建立與清潔能源生產相適應的產業體系、消費體系,加大推廣清潔能源開發利用的力度。 (作者:毛愛涵)