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  中國電力企業聯合會電力統計與數據中心 蔣德斌

  在2020年9月第75屆聯合國大會上,習近平總書記向全世界做出“力爭于2030年前二氧化碳排放達到峰值,努力爭取2060年前實現碳中和”的承諾,這個承諾體現了中國作為一個負責任大國的勇氣與擔當,也為能源發展指明了目標和方向。能源是二氧化碳排放的重要來源,在實現排放目標、兌現氣候承諾、保障能源安全方面,承擔著重要的責任。必須緊緊抓住能源發展的關鍵,堅定不移地推動能源轉型,在轉型思路、轉型策略、關鍵技術和系統設計等各方面,認真研究、統籌規劃,確保實現能源轉型的目標,推動中國能源安全、綠色、協調、高質量發展。

  一、能源發展的關鍵在于轉型

  人類對能源的依賴性越來越強。

  能源的重要性,在人類早期就有所認識,所以自人類有社會組織以來,就很注意儲存糧食以備饑荒,斗爭時期更是將截斷糧草作為奪取戰爭勝利屢試不爽的法寶。人類社會自實現能源的工業化生產和應用之後,才有可能實現在不到一個世紀的時間內,所創造的生產力,比過去一切時代所創造的生產力還要多、還要大。因為無論是工業機器、化學、輪船、鐵路、電報等,都需要大規模的能源作為基礎和支撐。分析過去幾十年的經濟發展速度和能源供應曲線,現代社會經濟的發展和能源具有極為緊密的關聯性,能源供應的波動必然帶來經濟發展的波動,反過來,經濟發展波動,也帶來能源消費的波動。人類離不開能源,能源供應中斷事故造成的破壞性後果,更是直觀地展現了人類基本生產生活對能源的依賴性。

  化石能源始終是主力消費能源。

  人類社會進入工業社會以來,一段時間內對于能源的需求,呈現幾何級數的增長。即使到最近幾十年,總體上依舊處于較快增長的趨勢。按照BP的統計數據,到2018年,全球的能源消費總量是138.65億噸標準油,這個規模是1965年消費總量的3.72倍。在2018年所消耗的能源中,化石能源佔117.44億噸,在終端能源消費總量中的佔比是84.7%,這個比重雖然比高峰年份有所降低,但是依然佔絕對比重,而且絕對的消耗量仍在增加。

  對化石能源的嚴重依賴隱藏著嚴重的危機。

  對化石能源的嚴重依賴,所帶來的問題有以下幾點︰第一,化石能源將很快被消耗淨盡。雖然還有未曾發現的化石能源蘊藏,但是化石能源的儲量終究是有限的,如果不能找到合適的替代能源,按照2018年的消費速度,在八十年左右的時間內,全球化石能源將消耗淨盡。第二,大規模開發利用化石能源帶來嚴重的環境污染。目前人們主要以直接燃燒的方式利用化石能源,其中含有的硫、氮等排到大氣,形成酸雨等腐蝕性污染物,同時在開發、生產利用過程中排放煙塵的其他污染物,對局部地區水土、地質等造成破壞和污染。第三,化石能源利用過程中大量排碳,是大氣溫室效應的主要影響因素。大量碳本來儲存于大地岩層內的化石能源中,在化石能源燃燒過程中以二氧化碳氣體形式排入大氣,急速加快大氣中二氧化碳含量,使得地球大氣溫度升高,已經成為全球共識。這些問題都會對地球生態環境帶來嚴重影響,最終對人類的發展和生存帶來挑戰。

  能源技術和能源治理都還沒有找到革命性的突破口。

  人類意識到能源問題帶來的挑戰,一直在努力尋求未來能源供應的解決途徑。從技術上看,還沒有找到很好的辦法。人們普遍認為,能夠替代化石能源的主力能源,可能是水電能、核能、風能、太陽能和海洋能。除了海洋能主要還是在實驗和小規模建設初步生產外,水電能、核能、風能和太陽能等的應用都已經比較成熟,近二十年也取得了很大的發展。然而,這幾種能源在能源消費總量中的比重,加起來還不到16%,而且還沒有一種單一能源在消費中的比重超過10%(水電能佔比最大,為7%),所以,還沒有一種能源可以作為三種化石能源的替代能源。從能源治理看,能源問題不是一個國家、一個民族的問題,所有國家和民族,是緊密綁在一起的人類命運共同體。地球上的所有生命的命運,都最終取決于人類的選擇。地球不需要人類拯救,因為即使沒有人類,地球依舊存在。但是人類和這個星球上的生命,生存或者死亡,則取決于人類的自覺、智慧和執行能力。問題在于,人類雖然已經認識到這個問題,但是在摒棄分歧、實現合作以達成全球統一行動,實現有效的能源治理上,還存在嚴重的問題。

  人類一切活動都嚴重地依賴于能源,而能源供應面臨資源枯竭、技術能力、大氣環境等因素的限制,能源已經日益顯示出其成為人類發展的瓶頸和約束。確保未來能源供應,已經成為擺在人們面前的一大課題。人類必須合作以實現全球能源的有效治理,共同應對面臨的困難和危機。然而,對于能源轉型的技術方向,實現有效的全球能源治理,以及關系人類命運長遠和持久發展和短期利益分配協調等機制,都還沒有形成共識。能源發展正處于十字路口,人類的命運,處于十字路口。

  二、能源轉型的關鍵在新型能源

  能源轉型,也已成為業內專家和全社會的共識。但是,該如何轉型,還有很多不同的意見。

  能源轉型的關鍵,是能夠規模地開發和使用新型能源。新型能源,是指風電能、太陽能(包括CG賽車開獎直播網、光熱、熱動力利用方式)、生物質能以及海洋能。這些能源一般具有以下幾點最基本的特征,也是對轉型能源最基本的要求︰一是能源開發利用在技術和經濟上是可行的。技術上可行,才有能源開發利用的可能;經濟上可行,才能夠得到可持續的推廣應用,且應在計入環境成本等因素的條件下,單位能量的成本在可以承受的水平。二是能源在開發、運輸和使用過程中不會對環境、大氣等帶來負的外部效應。能源過程必然會對外部環境帶來影響,但是這個影響要麼是正面的,要麼其負面影響是在可接受的範圍之內,或者可以通過技術和管理措施加以修正的。第三,這種能源可以安全地大規模開發利用,從而具備替代傳統能源的能力。

  目前,符合這三個特征的能源,包括水電能、風電能、太陽能、生物質能等新能源。核能實際上也是清潔的能源,但是自福島核電站事故以來,發展並不順利。

  對于這幾種能源,在筆者看來,還是存在一些關鍵的問題沒有解決,這些問題不解決,就難以真正成功地實現能源轉型。

  第一,決定太陽能、風能、水電能等的資源蘊藏量的主要因素,是受經緯度決定的環境氣候、地理特點和地質特征等,在資源查探技術與能力基本成熟的情況下,資源蘊藏量是相對穩定的,在較長時期內不會有大幅度起落,除非局部地理或者全球氣候發生突變。這一點在當前的能源轉型討論中很少提及,但卻是十分重要的。這和化石能源資源很不一樣——化石能源資源在每一年幾乎都有新的礦藏發現。新型能源可開發的資源儲量能不能滿足未來的能源需求?筆者研究發現,至少對于中國而言,將所有技術可開發的太陽能、水電能、風電能均開發利用後,依然不能平衡中國未來強勁的能源需求。在分析的各種情景下,目標年需要化石能源平衡的能源需求份額較大。這是一個值得重視的問題,如果不能夠提前預見並做好準備,在化石能源難以為繼的情況下,能源出現斷崖式的“硬”斷供,從而引發經濟和社會的混亂,不是不可能發生的事情。

  第二,在資源蘊藏總量一定的情況下,要增加新型能源的供應能力,唯一的途徑是通過先進技術手段提高能源轉換的效率。對于風電能來講,就是能否改變風電能依靠風輪轉換成電能的技術路線,以突破貝茨理論的轉換效率限制,同時降低風電能轉換設備的制造難度。對于太陽能CG賽車開獎直播網利用來講,就是如何不斷提高太陽能CG賽車開獎直播網轉換的效率。目前投入商業應用的先進CG賽車開獎直播網發電的轉換效率大約25%,理論上,這個效率可以提高到70%以上。隨著轉換效率的提高,太陽能作為供應能源的供應能力可以得到大幅度增強。

  第三,新型能源具有間歇性和不可確定性的特點,與連續、可靠、可持續穩定的能源供應要求相矛盾。因此,在發展新型能源的同時,必須發展配套的能源技術,其中最為重要的是大容量的能源儲存技術,以及具有與新型能源互補特性或逆向調節特性的能源。在以新型能源為主的能源系統中,系統本身不具備足夠的調節容量,或者沒有安裝足夠容量的儲能設備,系統能源供應的穩定性、安全性和可靠性無法保障,新型能源也就不能作為主力能源。

  三、中國能源轉型的前景和挑戰

  作為一個有抱負的民族和國家,中國在能源問題上的基本方針是要加強國際合作以實現全球能源的理想治理,同時又必須實現能源獨立自主——不僅僅是能源供應,也包括能源核心技術和能源治理——從而實現獨立自主和安全充分發展,這確實是一個嚴峻的挑戰。

  分析中國能源轉型過程的基本思路是,設定一個經濟目標和相應的能源目標值,並由此反推,推算達到這個目標值所需的合理時間和各水平年的平均增長速度,以及各個水平年能源配置的基本結構,從而可以模擬能源轉型的完整過程。筆者在模擬分析中,考慮在三十年的時間內,中國人口基數維持14億不變,人均GDP4.23萬美元,達到德國2018年水平,能源強度1.08千瓦時/美元,達到歐盟2017年的水平。考慮水電能、風能和太陽能資源到目標年實現充分開發利用,按照三種化石能源不同的增長組合,能源需求的缺口由核電能補足,對能源轉型分四個場景進行分析。分析表明,到目標年,中國的一次能源總需求將達到63.2億噸標準油,為2018年的1.93倍,年人均能源消耗能源189.6吉焦。

  分析四種能源轉型場景,顯示中國在能源轉型過程中,煤炭將持續作為基礎能源,到目標年最為理想的情況下,煤炭依舊是一次能源消費中佔比最高、達到41%,其次是核能,佔比將達到12%,其後一次是風能11%、石油10%、太陽能9%、水電能8%、天然氣7%。基于此能源結構,在終端能源消費中,電能消費佔比將達到52.8%。

  展望中國的能源轉型,有幾個問題需要重點關注:

  第一,關于煤炭的地位問題。中國是一個能源資源短缺的國家,化石能源資源儲量只有全球的8.3%,其中石油佔全球的1.5%,天然氣佔全球的3.1%,即使最為豐富的煤炭,也只佔全球的13.2%,只有美國的一半左右。近年來,中國煤炭生產量大,2018年的儲采比只有38年。因此,煤炭是中國的主力能源,但是也是最需要謹慎利用、精心安排利用的能源。如果煤炭利用不當,中國的能源安全得不到可靠保障,無法實現能源的“軟”轉型。

  第二,依靠新型能源無法支撐中國安全地實現能源轉型。這里主要存在兩個方面的問題,一是失去化石能源的支撐,又在技術上不能大規模開發海洋能的情況下,新型能源的可利用能源量無法滿足未來中國的能源需求,而海洋能開發利用技術目前才剛剛起步,其發展的技術路線、前景和規模尚難以預料;第二,如果沒有化石能源和核能的支持,新型能源的調節特性不具備響應能源需求特性的能力,能源系統的安全性、可靠性和可持續性無法得到本質性的保障。

  第三,加強安全性能好、調節性能強的核能利用。核能具有能量密度高,清潔、低碳等極為寶貴的特性。在核能利用上,第一,要重視核能利用中的安全問題,以核裂變原理獲得可控核能的技術,已經發展到第四代,安全性總體上是能夠得到保障的,但是要確保萬無一失,就要加強利用核聚變原理獲得可控核能的技術開發和生產應用,從原理上確保核能安全。第二,要重視核能源的綜合利用,不要將核能利用僅僅局限于發電,而應在電、熱綜合利用、核電余熱淡化海水或者制氫等等方面加強研究和應用,提高核能源的利用效率。第三,要加強核電機組的靈活性,從模塊化、小型化和提高核電機組調節能力等方面著手提高核能源的調節能力,以適應大量新型能源接入系統的條件需求。

  四、中國能源轉型的基本策略

  能源的未來決定人類的未來,能源轉型是這個時代緊迫而重大的課題。在能源轉型過程中,要以瞻望長遠、尊重科學、周密論證、立足實際,確定能源轉型的基本策略。

  第一、充分利用傳統化石能源

  一是減少石油的動力應用。石油用途廣泛,十分珍貴,石油資源減少對工業影響很大。目前差不多七成左右的石油用于交通動力,在控制石油總體消費量的前提下,抓緊發展高能量的動力電池等技術,發展電動力、氫動力、燃氣動力新型交通工具,逐步替代石油在交通動力領域的應用。

  二是擴大天然氣生產渠道以保障能源穩定供應。從能源安全角度考慮,控制天然氣進口比例保持在40%左右。以2018年天然氣儲量為基準計算,到2048年,天然氣存在19.8%的缺口,缺口量為10.3億油當量。為滿足天然氣需求,一方面,需要增加天然氣查探力度,發現更多天然氣資源,另一方面,則要加大可燃冰資源的開發利用力度,盡快實現可燃冰資源低成本可持續生產。第三,推進電轉甲烷技術研究,建設碳-能循環系統試驗項目,並逐步實現產業化,確保燃氣在將來的能源供應系統持續穩定利用。

  三是妥善利用煤炭資源。2018年,中國煤炭進口量佔煤炭總量的7.2%,為延長國內煤炭儲量的使用、為能源轉型爭取時間,應在控制煤炭使用總量的同時,增大煤炭進口比例,以每一年進口量比上一年增長5.9%計算,到2048年煤炭進口量佔煤炭總量的40%。按此,到2048年,三十年共消費煤炭688.9億噸標準油,其中進口138.4億噸,國內生產550.5億噸,平均進口佔總消費的20.7%。以2018年煤炭儲量計算,到2048年,還可以剩余143.5億噸標準油煤炭儲量。這個量,以2048年的煤炭年產量算,還可以生產九年多時間。

  從目前看,煤炭主要應用于電力行業,其次是鋼鐵行業、化工行業,同時,全國還存在較大的散燒比例。煤炭的各種利用方式效率並不一樣,集中利用效率更高、排放更小、更清潔。未來煤炭利用,應著力發展超低排放的燃煤發電,加強散煤治理和離散能量需求替代,開展新型煤化工等,提高煤炭的使用效率,減低煤炭污染物排放。

  第二、綜合利用清潔能源

  目前公認的清潔能源,包括水電能、風電能、太陽能和海洋能。核能只要安全性得到保障,是極其優質的清潔能源。清潔能源是未來能源轉型的重要選擇,要大力開發利用好。清潔能源利用,能源供應系統的設計非常重要。綜合考慮,未來能源供應系統主要包括以下幾類︰

  傳統型能源供應。這是目前城鎮主要采取的能源供應方式,也是將來重要的能源供應模式。通過與大電網相聯獲得可靠的電能供應,通過與燃氣主系統相聯獲得可靠的燃氣供應。具備條件的,可以安裝太陽能利用設施(發電或者供熱)作為供能補充。這種模式未來在商業模式上、經營方式上可能會發生變化,對于用戶來講,一方面會增加商業的選擇性,甚至參與商業活動。另一方面,通過開發用戶多能源供應的綜合優化系統,能源供應將更加經濟和智慧。

  掛網型能源供應。這種方式一般是自身有一定容量的能源生產能力,但是通過和能源主網聯結,以能源主網作為備用能源以增強能源供應的可靠性的供能方式。當主網事故出現供應中斷的時候,這些用戶的能源供應一般可以保障能源供應,有條件的用戶還可以返送能源以支持大網啟動。這也是未來能源供應的重要方式,用戶使用自己生產的能源還是主網能源,用戶對于主網是能源用戶還是能源生產廠,取決于用戶的經濟優化結果。

  離網型能源供應。在偏遠地區,將能源供應網絡延伸過去成本很高,或者在技術上實施時較為困難。遠離大陸的島嶼不太可能與大陸建設物理相連的能源系統,島嶼之間有時也很難通過物理的能源輸送網絡聯結起來相互供應能源。這時需要因地制宜地在當地建設離網型供能網絡,無論是單一農村用戶,還是一個孤島的能源供應,其基本原理都類似,只是復雜程度差別很大。離網型能源供應系統,可用能源可以是天然氣、生物質、太陽能、風能、海洋能等任何一種或者幾種的組合,其中,大容量蓄能設施是不可或缺的關鍵設備。

  為孤島或者島嶼群設計的離網型供能系統,在生產能源的設施中,除了風能和太陽能以外,還包括波浪能等海洋能。如果碳-能循環系統發展成熟,可以利用此系統對島嶼實現燃氣供應。島嶼之間通過船運蓄能體或者人造天然氣,從而將島嶼群聯結成為一個能源供應網絡,島嶼群和大陸之間也可以通過船運建立能源聯結。

  第三、能源輸配系統

  在結合實際綜合設計能源供應系統的同時,能源的輸配網絡也將與現在有所不同。終端能源中電能比例增加,電儲存技術發展以及綜合能源利用技術的發展,可能會對能源轉運格局產生深刻的影響。這個影響體現在以下幾個方面:

  第一,終端能源消費中增加的電能比例主要是新型能源和核能,新型能源的隨機性、低利用率使建設大電網輸送電能變得不那麼經濟。為此,煤火電、天然氣火電廠應與新型能源開發綜合規劃、配套建設。適應新型能源的特征,需要增加火電機組的靈活性,以及處于負荷中心的核電機組的靈活性。這將使得火電機組、核電機組的效率和經濟性變差,需要認真研究解決。

  第二,作為高能量密度的電源,核能應該建設在負荷中心區域,但是核能站址選擇將是一個問題。理論上講,可以在退役火電機組退出來的廠址,建設高安全性、具備綜合能源利用特征的模塊化核能電站,但這又將面臨核能安全問題所帶來的社會承受壓力。核能布局東南沿海可以很好地平衡電能西電東送、北電南送的潮流,但是沿海適合發展核電的廠址有限。在能源供需緊張的嚴峻形勢下,內陸發展核電,是遲早的問題。這些都將對未來能源輸配產生很大的影響。

  第三,隨著小型太陽能、小型風電的普及應用,以及農村生物質能源利用(如沼氣資源)的發展,掛網型、離網型等微網能源供應比例增加,將對主網能源供應帶來影響。一方面,使得在偏遠地區不惜代價地建網通能失去比較價值 也褫奪了主網對這些地區實施能源供應的權利。另一方面,微型能源網可以對主網形成很好的補充,在主網遭到外力破壞的時候,不僅能夠保障自身能源供應,還可以對主網形成支援。

  第四,電儲存技術使得電能不一定必然通過大電網輸送,也可以通過貨運蓄電池的方式輸送電能。大容量蓄電池使得離網型能源網有了可靠備用,也使得孤島電網之間可以通過貨運網絡聯在一起,從而構成了除電網之外的新的電能輸送網絡。

  第五,不可調度、離散新型能源網生產的電能,也可以通過碳-能循環系統就地轉換成可大量儲存、運輸的天然氣,通過貨運網絡輸送到需求地,以燃氣直接利用或者再次發電轉換成電能使用。技術成熟後的此類能源生產單元,在將來具有很大潛力,將成為未來能源供應系統的重要組成部分,也使得天然氣有條件成為永遠的能源。

  第四、能源轉型中的關鍵技術

  為確保能源轉型過程及未來的能源供應系統安全、可靠、穩定和可持續,需要重點攻克幾項關鍵的能源技術。這幾項技術是大規模能量儲存技術、海洋能綜合開發與技術、碳-能循環的技術與系統集成。

  大規模能量儲存技術。當前,能量儲存技術已經在能源供應系統中得到較為廣泛的應用,但是,較為成熟且能夠大規模儲能的只有抽水蓄能技術。采用壓縮空氣儲能(CAES)技術的,目前只是在德國和美國,各有一座十萬千瓦級電站,國內仍在做研究和工程示範。電儲能技術具有能量密度高、綜合效率高、反應速度快的優點,特別適用于與太陽能CG賽車開獎直播網、風能發電等新型不可調度能源配合使用,也很適合在微電網中使用,但是其主要的瓶頸在單個電池容量不高、壽命較短及廢舊電池處理帶來的環境污染問題。儲能技術向著大容量、小型化、可移動、標準化、智慧型的發展方向,將給未來的能源供應系統,特別是電力系統帶來本質性的改變,也是能源順利實現轉型的基礎的和關鍵的技術。

  海洋能的綜合開發和利用技術。海洋能包括潮汐能、波浪能、潮流能(洋流能)、溫差能、鹽差能等。將海洋中的機械能或化學內能轉換成電能,目前比較成熟的是潮汐能發電技術,能量密度比較大的是波浪能和海流能發電技術。這三種技術都已經有建成運行的發電站,或者試驗站,並不斷向更大容量和規模發展。溫差能和鹽差能發電則依舊在試驗研究階段,離正式的商業應用還有一定的差距。海洋佔地球表面積的70%以上,陽光照射到地球,大部分能量為海洋吸收,而由于太陽和月球引力所引起的潮汐和海流(洋流),也蘊藏著巨大的能量。據OES估計,全球海洋能年發電量合計超過76萬億千瓦時,接近2018年全球總發電量(26.6萬億千瓦時)的三倍。

  海洋能開發利用的基本思路,一是要將海洋能發電系統和海上太陽能發電系統、海上風力發電系統結合起來,實現多能互補海洋能集成系統發電。二是要將海洋能發電系統和儲能系統結合,在提高能源開發利用率的同時,儲能可以使海洋能發電系統完全脫離陸地岸邊,不需要建設成本高昂的輸電配電設施。三是海洋能發電系統與人工化石能源合成、海水淡化系統結合,即利用海洋能發電系統生產的電力就地淡化海水,這方面已經有工程實施。也可以利用所發電能和海水制氫,進而利用氫和空氣中的二氧化碳,制成安全技術和運輸技術成熟的人造天然氣,同時可以吸收大氣中的二氧化碳。

  人造天然氣技術。捕集空氣中的二氧化碳和水,消耗電能制造碳氫燃料,生產易于運輸和儲存的液態碳氫燃料,如甲烷、乙醇等,從而實現碳能循環。目前這種電轉碳氫燃料技術總體上還不算十分成熟,在多個技術路線中,以電解水制氫結合二氧化碳加氫技術路線已經建成多套示範裝置。

  五、針對氣候問題的能源系統集成設計

  能源帶來氣候問題的本質,是因為化石能源的大規模開發利用,改變了碳的天然循環,把處于岩石圈中的還原碳過快地釋放到大氣中,人為地加快了岩石圈和其他圈層的碳交換,導致大氣中二氧化碳的濃度升高,破壞了自然界原有的平衡。從而帶來全球碳循環失衡,改變地球生物圈的能量轉換形式,導致全球氣候變暖,隨之帶來海平面升高、冰川融化、極端氣候等一系列生態環境問題。

  碳-能循環系統的基本思路,就是采用一些關鍵技術,將大氣中多余的碳還原,從而打通碳在大氣圈和岩石圈的雙向循環,進而控制和調整大氣中的二氧化碳濃度,使其維持在允許的範圍之內,同時,可以提供源源不斷的化石能源,確保高密度能源的可靠穩定可持續供應。利用海上綜合能源平台實現碳-能循環系統的構想。

  自然界中的能源各自具有不同的特性,不存在十全十美滿足各方面要求的能源。因此,要善于發現各種能源的特點,發揮每一種能源的長處,規避其不足。在一個能源系統中,能源結構的多元化十分重要。同時,用系統思維去想辦法解決諸如碳排放等問題,實現安全穩定可持續的能源供應是可能的。中國的能源資源稟賦、經濟和技術發展水平決定了能源轉型的道路不會平坦,轉型過程中將會遇到很多問題和困難。在這個過程中,要尊重科學,尊重規律,尊重自然資源稟賦,堅定能源轉型的目標,為確保實現國家經濟和社會發展目標,為國家富強和民族復興,提供堅強的能源保障。

      關鍵詞︰ 能源轉型
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