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黄河上游（青海、甘肃等）地区风力、太阳能、水力等自然资源丰富，在能源转型背景下，可再生能源开发有望成为拉动经济增长的重要动力引擎。然而，黄河上游地区海拔较高、气候寒冷、热量条件差，导致生态修复能力较差、环境容量不足，一旦生态环境遭到破坏，甚至会对黄河中下游地区发展造成冲击。因此，在大力开发黄河上游可再生能源、打造可再生能源基地的过程中，要将生态保护放在首位，从资源开发、输送和利用三个角度入手，构建与生态环境保护相适应的可再生能源供应体系，多渠道、多举措、多模式扩大可再生能源外送能力，并着力提升可再生能源的本地消纳能力和利用水平。
黄河上游地区风力、太阳能、水力资源丰富，可再生能源发展的资源基础雄厚。在传统开发模式下，各可再生能源基地各自为战，造成了电力系统安全问题、调峰难、上网难、输送设备利用率低等一系列问题。由于风电、光伏发电、水电的出力特点各不相同，且具有一定的互补互济关系，因此，应创新可再生能源发展理念，探索“以清洁能源调清洁能源”的多元互补开发模式，整合黄河上游地区各类可再生能源资源，实现统筹规划、协调发展和大规模开发。
多能互补打破了单一的能源供应模式，为用户提供综合能源服务，从而提升输电通道的利用效率和能源系统的综合利用效率，缓解能源供需矛盾、加大可再生能源的消纳，同时获得较好的环境效益的用能方式，是未来能源发展的大势所趋。我国已在青海、西南（藏区）地区水电资源较为丰富的地区试点开发水光互补能源基地。依托水电的可调节性，在水电输送中配套一定的光伏电力，在系统负荷高峰时段，电站可在系统中承担调峰任务；在系统负荷低谷时段，视系统需要和下游用水要求调整电站出力。这种互补模式可以充分利用已有输电通道，优化系统出力曲线，进而保证清洁电力的外送（见图5-2）。大力发展多能互补集成优化系统，既是深入推进我国能源生产和消费革命的题中之义，也是破解我国能源电力发展中弃风、弃光、弃水等现实难题的有效手段之一。
图5-2 黄河公司龙羊峡水光互补项目总有功曲线
资料来源：澎湃新闻（2018）。
随着能源开发、储能等技术的不断进步，更为多元、智能的多能互补模式正在不断涌现，开拓了“以清洁能源调清洁能源”的发展空间。例如，青海省鲁能海西州多能互补集成优化示范项目（一期）示范基地是国际领先的“风、光、热、蓄”多能互补、智能调度的纯清洁能源综合利用创新基地。项目建设光伏发电项目20万千瓦，风电项目40万千瓦，光热发电项目5万千瓦，蓄电池储能电站5万千瓦。该示范项目总投资约63.7亿元，其中风电项目投资金额为32亿元，光伏发电项目投资金额为16亿元，光热发电项目投资金额为12亿元，储能电池项目投资约3.7亿元。该项目建设地点位于格尔木东出口，采用虚拟同步机技术，使风电、光电能够主动参与一次调频、调压，对电网提供一定的有功和无功支撑。按照“统一设计、分步实施、整体集成”的原则，对风电、光伏发电、光热发电的新能源组合实施柔性控制，实现智能调控，在已签订消纳协议的基础上，实现地方发电就地消纳，最大限度地减少弃光、弃风
。
黄河上游地区海拔较高、气候寒冷、热量条件差，是导致生态脆弱的根本原因。由于地处沙漠与黄土高原交会地带，黄河上游地区的生态区位极其重要。但是，由于受降水稀少、水资源短缺和用水困难的制约，区域生态环境脆弱，环境承载力低下，经济社会发展长期滞后，土地资源、能源资源、矿产资源富集的优势得不到充分发挥，实为我国生态文明建设和扶贫攻坚的主战场。2000年以来，在国家重点林业生态工程、草原保护工程、水土保持工程带动下，黄河上游地区生态环境保护工作取得显著成效，但由于资金、人才和技术等方面的欠缺，工作中仍存在诸多问题，生态整体恶化的态势尚未从根本上得到有效遏制，环境治理形势仍然较为严峻。由上所述，黄河中上游地区严重的生态问题，造成区域经济发展长期滞后，有相当一部分群众的生存条件差，生活困难，有的地区甚至呈“生态贫困”“环境贫困”“人口贫困”的恶性循环
。
可再生能源的开发需要依托于黄河上游地区丰富的自然资源，在开发过程中，需要充分发挥可再生能源对于生态保护的积极作用，推广水电治水、光伏治沙（水电站的水库可以发挥“冷湖效应”，减缓因气候变化引起的雪线上升，并促进水库周边植被生长；光伏板则可以发挥“遮阴作用”，有利于修复生态）（见图5-3）等模式，协同推进清洁能源开发与生态保护。此外，可再生能源开发还能够与地区经济转型发展、脱贫扶贫等工作相结合，青海、甘肃等地区相继探索出“光伏扶贫”等新模式，实现可再生能源开发、经济社会发展、增进民生福祉三者的统一。
图5-3 光伏治沙效果
例如，达拉特旗致力于推广光伏治沙工程，一方面，基桩能固沙，光伏板能遮阴，为植物生长明显改善环境条件，治沙效果事半功倍；另一方面，绿化治沙能减少风沙侵袭，降低光伏项目的管护成本，光伏企业自身也有治沙积极性。因此，国家电投、中广核太阳能等新能源巨头在投资建设中，每亩
专门配套了3000元治沙资金，用于栽植沙障、防护林和经济作物等。据悉，一期项目已完成生态绿化工程超过13平方千米，光伏发电站的建设正在让沙漠变绿洲。与此同时，达拉特旗还把一二三产融合发展作为核心关键，把发展光伏产业与沙漠有机农业、沙漠风情旅游和乡村振兴有机结合起来，最大限度地放大基地的生态效益、经济效益和社会效益。采取“板上发电、板间养殖、板下种草（药）”的方式，实现土地的综合利用
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以青海、甘肃为代表的黄河上游地区可再生能源资源丰富，如图5-4所示，能源消费结构中“一次电力及其他”占比分别达到45.3%和16%，都高于全国平均水平的14.3%。然而甘肃省煤炭能源消费占比达到62.3%，比全国平均59%的水平高出3个百分点以上。数据表明，尽管黄河上游地区低碳能源占比较高，但化石能源大量使用问题依然存在，在甘肃省表现尤为严重。由于化石能源的开发、加工转换和使用都会对生态环境产生巨大负面影响，与风能、太阳能资源禀赋条件，以及生态系统的脆弱性相比，相关地区还需要在能源发展思路上作出重大调整。为践行生态优先理念、加大生态屏障保护力度，需要转变化石能源在黄河上游地区能源生产和消费体系中的定位，尽可能减少化石能源使用，将化石能源定位于辅助可再生能源发展，为构建高比例可再生能源提供必要支撑。
图5-4 全国、青海、甘肃能源消费结构对比（2018年）
资料来源：《中国能源统计年鉴》，青海省统计局，甘肃省统计局。
推进煤电机组灵活性改造，可提升电力系统安全水平和输电设施利用率，进而有利于可再生能源的大规模开发。风电、光伏发电等清洁能源具有随机性和波动性，保证出力率较低，基本不参与电力平衡。此外，特高压交流远距离纯送新能源电量可能存在电压稳定问题，直流送电会引起输送功率的频繁波动，对直流换流站的无功控制产生很大的影响。基于以上原因，可对黄河上游地区已有煤电机组进行灵活性改造，并构建“以化石能源调清洁能源”的能源发展模式。据分析，我国煤电机组调峰能力与德国、丹麦等国家之间存在明显差距（见图5-5），特别是热电联产机组，丹麦和德国分别为80%和65%，而我国只有20%，进而造成了供暖季大量弃风、弃光现象。据中电联分析，我国“三北”地区风电、太阳能发电装机分别占全国的72%、61%，但灵活调节电源不足3%，调节能力先天不足。因此，黄河上游地区应加快推进煤电机组灵活性改造，一方面设置合理的改造任务，确保调峰改造与新能源发展同步；另一方面建立辅助调峰服务补偿机制，电网也要制定合理的调度体系，优化调峰辅助服务市场运营规则。
图5-5 中国、丹麦、德国煤电机组深度调峰能力对比（2016年）
资料来源：《为何要对煤电进行灵活性改造》（2016）。
与传统化石能源相比，可再生能源发电设备年利用小时数较少，风电年运行2000～2500小时，光伏年运行1500～2000小时，而且在空间上分布较散，不利于充分利用输电通道等基础设施。特别是对于黄河上游地区，如果每个清洁能源基地都各自建设独立外送通道，高昂的初始投资平摊到每千瓦时电上，将导致清洁能源最终使用成本过高。因此，应开展跨区域、跨基地的合作，整合不同可再生能源品种，形成稳定、连续出力，再进行统一输送，进而提高能源外送基础设施利用率，降低度电输送成本。
德国的能源转型很好地利用了欧洲的整体资源，并主导和推动这一进程。北欧电力市场的良好运行已初步证明跨越国界发展可再生能源可带来更高的系统效率和更低的系统成本。德国早在欧洲开放的电力市场形成和融合初期就意识到这一点，在推动欧盟发展可再生能源、建设统一的能源市场进程中与欧洲电力体系不断融合，在解决风电和光伏发电的不稳定性、共享可靠的容量和利用低成本的灵活度交易上取得了巨大的成功。目前，德国已与周边7个国家实现联网，并建立了关联市场，年输出电量为600亿～700亿千瓦时，年输入电量为200亿～400亿千瓦时，与大部分国家均有双向的电量传输，为可再生能源在更大范围内的优化配置提供保障。通过电网的互联和“一日间”市场的应用，欧洲各地可再生能源发电的波动性可以在更大的范围内进行平滑，北欧的大型水电、工业需求响应以及其他类型的电力灵活性资源可以进行跨国的调用，可再生能源发电较多的国家可将多余的可再生能源电力送至其他国家消纳。德国充分利用整个欧盟范围内的供应侧和需求侧资源，以较低的成本弥补本国电力系统的不足。
黄河上游地区面临清洁能源开发潜力巨大和本地能源需求有限的矛盾，清洁能源大规模开发和大规模外送是现实必然选择。但如果单一依靠输电来实现清洁能源外送，可能面临外送能力不足、终端市场受局限等问题。而近几年随着能源转化技术的发展，尤其是电化学技术的突破，使得跨能源品种耦合模式由理想变为现实。如图5-6所示，利用风能、太阳能、水能生产可再生能源电力以后，可以通过三条技术路线实现多元化外送。首先是应用特高压等先进输电技术，建设输电基础设施，提升清洁电力外送能力；其次是通过电解水制氢技术，将可再生能源制成绿氢，再通过液氢、固态储氢、天然气掺氢等先进氢气储运技术，将黄河上游绿氢输送至终端需求市场；最后是依托于先进物质转化技术，以绿氢为依托，生产绿色合成氨、绿色甲醇等化工产品再进行外送。这种“可再生能源+”的多样化外送模式，极大地扩展了可再生能源的外送途径，未来可在黄河上游地区进行重点探索。
继续推进电力基础设施建设，应用先进输配电技术，扩大清洁能源外送能力，降低输配损失。尽管在西电东送战略指引下，我国已建成多条特高压线路，将大量清洁能源从黄河上游地区送至中东部经济相对发达地区，但从规模上来看，与黄河上游地区资源开发潜力相比仍显不足。未来一段时期是我国加强西电东送、提高黄河上游地区清洁能源消纳比例以巩固能源安全保障的重要发展阶段，应在保证设备利用率前提下，大力推进特高压输电通道建设，扩展清洁能源外送通道。同时，还应大力应用先进输配电技术，降低输配损失。例如，意大利从20世纪初开始开发太阳能和风能，2018年其光伏发电和风电装机容量分别超过20吉瓦和10吉瓦，但大部分安装在南部地区，而其主要用电负荷则集中在中北部城市，供需不平衡导致可再生能源发电量的削减。对此，政府采用动态提高输电线路容量（DLR）技术减少了由于传输限制导致的发电量削减。
图5-6 可再生能源多方式外送模式
随着能源转换技术的革新和终端用能技术的升级，黄河上游地区可应用前沿技术，探索“可再生能源+制氢+X”新业态，由单一输出清洁电力向输出多元化产品转型。例如，荷兰于2020年启动了全球最大的海上风电制氢项目——NortH 2 ，由荷兰壳牌公司、荷兰天然气网运营商Gasunie和格罗宁根港联合开发，计划到2030年在北海建成3～4吉瓦的海上风力发电能力，完全用于制造绿色氢气。该项目预计在2027年实现首次送电，并计划到2040年在区域达成10吉瓦海上风电装机、年产80万吨绿氢的目标。我国甘肃省兰州市2020年启动了首个太阳能燃料生产示范工程——“液态太阳能燃料合成—二氧化碳加氢合成甲醇技术开发”项目，占地289亩，将建设年产1440吨甲醇的制备装置，总投资14100万元。该项目由光伏发电、电解水制氢、二氧化碳加氢合成甲醇三大系统单元组成，通过装机规模为10兆瓦的光伏发电单元向两台功率为1000米 3 /小时的电解槽供电实现电解水制氢，制取的氢气与气化后的二氧化碳在催化剂作用下反应生产出的绿色甲醇将被输送至下游企业，用于合成甲醚、烯烃等产品。
电力需求侧管理是提升能源供需两侧互动水平、以较低成本移峰填谷的有效手段。与传统供应侧调峰思路相比，需求侧响应不仅注重减小负荷峰谷差，更加注重电能节约，引导高耗能大用户自觉错峰，不断提高自觉错峰效率，引导大用户改变用电方式，开发低谷用电市场，实现移峰填谷，提高电网负荷率。同时，电网也将对高耗能用电户进行合理控制，科学安排高耗能大用户企业在日间高峰、夏季高峰或不可控因素引起的负荷高峰期间进行自觉错峰，对设备进行停产检修，以腾出部分负荷空间，满足社会用电需求
。电力需求侧管理项目类型可分为能效电厂项目（永久性节约电力）、移峰填谷项目（永久性转移电力）、需求响应项目（临时性节约电力）三大类。电力需求侧管理已成为深入推进供给侧结构性改革的重要途径，既是推动能源革命和全社会节能减排的有效方式，也是促进电力经济绿色发展和生态文明建设的必要手段。电力需求侧管理系统内涵见图5-7。
图5-7 电力需求侧管理系统内涵
电力需求侧管理工作近年来得到了相关政府管理部门和企业的重视，通过采取有效的推广措施，取得了较为显著的社会效益和经济效益。例如，工业领域广泛应用高效节能变压器、无功补偿及谐波治理技术、电动机变频调速技术、高效照明技术等；商用领域重点开展政府办公场所、居民生活以及医院、学校、宾馆、酒店等公共机构和商业场所的节电技术改造。随着用能设备智能化水平提升，电力需求侧管理的适用范围也在不断扩大，传统意义上不具备需求响应能力的连续性工业生产，如今也具备了一定响应能力。青海、甘肃等黄河上游地区已有电解铝、钢铁、化工等产业布局，建筑、生活用能也在快速增长，未来应加快提升需求侧用能的智能化管理水平，发展适应间歇性可再生能源的可中断设备用户，挖掘需求侧调峰能力，推动可再生能源发展。
青海、甘肃等黄河上游地区正面临可再生能源规模化发展的历史机遇，同时也面临系统调峰能力不足导致的电力系统安全挑战，迫切需要开展电力需求侧管理，挖掘需求侧调峰潜力，使本地负荷成为维护电力系统安全稳定运行的重要保障资源。例如，甘肃省酒钢宏电铁合金厂高炉锰铁、高钛铁合金生产线70%（7.3万千瓦）左右的负荷都是二类负荷，生产时间可以灵活安排，可以纳入到转移负荷之内，而当电网处于低峰时，可以安排部分生产线恢复生产，以增大最小等效负荷。主动参与调峰之后，风电幅度由原来的0.6万千瓦减小为0.2万千瓦左右，减小幅度在2/3以上，对平滑风电出力、减小电网负荷峰谷差起到很好的调节作用。
未来，应在开展用电企业耗电设备节能诊断的基础上，推动电力需求侧管理技术在重点行业、重点用能企业中的应用。一般而言，工业企业在不影响正常生产能力的前提下，用电负荷调整能力为该企业最高用电负荷的5%～20%，更重要的是，工业企业对价格信号敏感，基于生产成本的考虑，在适当的激励条件下，参与电力需求侧响应的积极性较高。因此，应尽快完善能效电厂建设政策支持及管理体系，制定相对完善的示范项目标准、实施规范和资金管理办法等。发挥市场化手段，鼓励电能服务机构、金融机构参与能效电厂项目建设，并在冶金、建材、化工、纺织、电力、石化等重点耗电行业和主要耗电产品领域集中实施一批能效电厂项目
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在输配电网与可再生能源发展不匹配、跨区消纳存在技术和管理障碍的现实情况下，利用负荷端资源参与可再生能源就地消纳是可行思路。高耗电产业负荷能耗密度较大、布局集中，还具有一定调节能力，有望与可再生能源大发展形成配合。特别是近几年，随着东部沿海发达地区生产要素成本上升，产业转移在持续推进，高耗能、高耗电产业正在逐步迁往低价、低碳能源富集地区。在此背景下，黄河上游地区应结合市场需求、行业发展前景、自身比较优势等多方面因素，适度发展高耗能产业。特别是在数据中心、云上经济快速发展过程中，青海、甘肃等地区气候适宜、电力资源丰富且价格较低，可以扮演相关高耗电产业的承接者角色，提升本地可再生能源消纳能力，进而对可再生能源发展形成杠杆效应。
张家口市可再生能源资源丰富，近几年，张家口以冬奥会和承接产业转移为契机，做好“绿色加减法”，逐步构建出“绿色能源+绿色产业”的发展格局。一方面，大力推动可再生能源开发及利用，进一步提升全市能源的清洁化水平。风电方面，在原有两个国家百万千瓦级风电基地的基础上，张家口又启动了第三期规划，规划70个项目共计682.5万千瓦。光伏方面，重点推进张北、阳原、康保等区域光伏项目，在怀来至崇礼高速公路沿线两侧建成40万千瓦奥运迎宾光伏廊道，具备并网条件。另一方面，积极发展先进、绿色高载能产业。面对工业发展的环境限制和区域发展的需要，张家口在淘汰退出传统产业的同时，积极培育更为绿色的新型产业。依托比邻北京的区位优势和已有产业基础，重点规划发展新能源、大数据、高端装备、食品加工、冰雪等产业，支持和引进了阿里、京东、沃尔沃、蒙牛、伊利等知名企业和重大项目，通过重大项目的建设实现接续产业的培育和发展，将其生态资源优势转变为产业发展优势。
“十四五”及未来一段时间，随着风电、光伏发电成本的不断降低，国家有关管理部门预计“十四五”初期风电、光伏发电将逐步全面实现平价，并正在研究取消补贴后一段时期普遍性的支持政策。同时，国家能源局正进一步扩大和丰富市场化交易，构建以中长期交易为主、现货交易为补充的省间交易体系，不断完善可再生能源参与省间中长期交易机制，不断提升跨省跨区输电通道输送可再生能源电量，确保新能源电量应送尽送、能送尽送。“隔墙售电”等发电企业与电力用户直接交易的形式也正在进行试点和探讨，可再生能源配额制和绿色电力证书交易制度也在逐渐完善。
与传统集中式电源相比，分布式电源更贴近用电负荷，且符合智能配电、用电的发展方向，有望成为可再生能源发展的重要途径。分布式可再生能源具有以下两方面优势：一方面是有助于并网。由于光伏发电中，经常面临的一个产业性问题和技术性问题就是并网难度大，在一些光照条件较好地方虽然建立了大型光伏发电站，但是因为并网难度较大，所以即便是在建成之后，往往也因为无法并网而导致电能浪费。而如果采用新能源分布式光伏发电，因为规模小、贴近用户，并网难度大大降低。另一方面是有助于降低成本。以往的光伏发电主要是采取集中的方式进行，所以不管是建站还是并网都需要较高的成本，这样就会给投资效益带来影响。而如果是采取新能源分布式光伏发电，则能有效地降低投入成本，并且建设微型发电站时所需的成本较低，投资风险也能有效地降低，达到降本增效的目的
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黄河上游地区在建设可再生能源基地时，既要注重集中式可再生能源开发方式所产生的规模效益，也要看到分布式可再生能源开发方式具有的灵活性、安全性等特点，二者统筹兼顾、因地制宜发展，共同实现可再生能源的最大化开发和利用。例如企业厂房屋顶一直是光伏产业的宠儿，利用闲置的工厂屋顶建设光伏项目，既可以减少能源的消耗，又充分地利用了闲置的资源，起到了节能减排的作用，能给工厂带来巨大的经济效益、环境效益，可谓一举多得（见图5-8）。南宁锦虹棉纺织有限责任公司在易地搬迁中，充分利用新房屋顶资源，兴建了3兆瓦太阳能光伏发电项目，总装机容量3兆瓦，年均发电量300万千瓦时。太阳能光伏发电工程现已投入正常运行，预计在25年寿命期内输出电量约7500万千瓦时，与同等电量的火电厂相比，相当于累计节约标准煤约2.625万吨（按火力发电每千瓦时电煤耗350克计），减排二氧化碳6.5万吨、二氧化硫525吨、粉尘262吨。
图5-8 工厂屋顶光伏
除了分布式可再生能源在工业、建筑领域应用以外，近几年国内外还涌现出一些新模式，进一步扩展了分布式可再生能源的应用场景和潜力。例如，光伏农业是近年来在国内外新兴的一种产业模式，是在农业设施棚顶安装太阳能组件发电、棚下开展农业生产的形式。光伏农业极大地吸收了最新的光伏与农业技术，促进了两个产业的健康发展与技术进步，以期达到“1+1＞2”的产业融合效果，最大限度地利用土地资源，增加生态效益和社会效益，提高农民收入，有效带动地方经济发展
。此外，随着数据中心、5G基站等信息基础设施的大规模建设，可开展“分布式光伏发电+5G基站+储能”等应用探索，树立分布式能源发展新模式、新样板。
我国正处于信息基础设施高速建设时期。5G基站、数据中心的快速发展，给能源供应带来巨大压力，也给能源系统安全带来一定挑战。例如，5G所需要的基站更密集，对网络规划、基站选址、设施建设、电力保障等都提出了更高要求，甚至可能对部分地区的通信基础设施规划产生颠覆性影响。据预测，按照5G基站和数据中心的建设速度，2025年信息基础设施消耗电量或将接近1.5万亿千瓦时。再加上能源成本（尤其是电力成本）占信息基础设施运行成本的40%～60%，选择更为安全、经济、清洁的能源供应方式，对于新基建发展和信息产业“降成本”都具有重大意义。
首先，利用分布式光伏打造节能环保的新型绿色铁塔基站，提高了通信基站后备供电保障能力，防止因铁塔意外供电不足导致基站功能受到影响。其次，通过充分利用基站闲置屋顶或土地，实现铁塔运营成本和生产电费的大幅降低。最后，分布式光伏与5G基站的高度分散化特征完美契合，可极大地降低国家的电力基础设施投资，协助5G以最低成本、最大覆盖、最高效率服务社会和用户。
2019年底，分布式光伏领军企业联盛新能源与中国铁塔河源市分公司正式达成合作，打造国内首批5G绿色铁塔基站。由联盛新能源投资分布式光伏电站，为铁塔基站提供节能减排服务和清洁能源保障。首批项目装机总规模约11.76兆瓦，覆盖超过1000个高耗能基站，已于11月正式开工建设。该项目不仅是“光伏+”模式的又一次有力探索，将太阳能应用领域进一步延展，同时也为未来5G的应用普及奠定了良好的清洁能源基础
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