能源转型:问题与展望

发布时间: 2020-10-14 09:55:12   来源:电力大数据  作者:蒋德斌

  中国电力企业联合会电力统计与数据中心 蒋德斌

  在2020年9月第75届联合国大会上,习近平总书记向全世界做出“力争于2030年前二氧化碳排放达到峰值,努力争取2060年前实现碳中和”的承诺,这个承诺体现了中国作为一个负责任大国的勇气与担当,也为能源发展指明了目标和方向。能源是二氧化碳排放的重要来源,在实现排放目标、兑现气候承诺、保障能源安全方面,承担着重要的责任。必须紧紧抓住能源发展的关键,坚定不移地推动能源转型,在转型思路、转型策略、关键技术和系统设计等各方面,认真研究、统筹规划,确保实现能源转型的目标,推动中国能源安全、绿色、协调、高质量发展。

  一、能源发展的关键在于转型

  人类对能源的依赖性越来越强。

  能源的重要性,在人类早期就有所认识,所以自人类有社会组织以来,就很注意储存粮食以备饥荒,斗争时期更是将截断粮草作为夺取战争胜利屡试不爽的法宝。人类社会自实现能源的工业化生产和应用之后,才有可能实现在不到一个世纪的时间内,所创造的生产力,比过去一切时代所创造的生产力还要多、还要大。因为无论是工业机器、化学、轮船、铁路、电报等,都需要大规模的能源作为基础和支撑。分析过去几十年的经济发展速度和能源供应曲线,现代社会经济的发展和能源具有极为紧密的关联性,能源供应的波动必然带来经济发展的波动,反过来,经济发展波动,也带来能源消费的波动。人类离不开能源,能源供应中断事故造成的破坏性后果,更是直观地展现了人类基本生产生活对能源的依赖性。

  化石能源始终是主力消费能源。

  人类社会进入工业社会以来,一段时间内对于能源的需求,呈现几何级数的增长。即使到最近几十年,总体上依旧处于较快增长的趋势。按照BP的统计数据,到2018年,全球的能源消费总量是138.65亿吨标准油,这个规模是1965年消费总量的3.72倍。在2018年所消耗的能源中,化石能源占117.44亿吨,在终端能源消费总量中的占比是84.7%,这个比重虽然比高峰年份有所降低,但是依然占绝对比重,而且绝对的消耗量仍在增加。

  对化石能源的严重依赖隐藏着严重的危机。

  对化石能源的严重依赖,所带来的问题有以下几点:第一,化石能源将很快被消耗净尽。虽然还有未曾发现的化石能源蕴藏,但是化石能源的储量终究是有限的,如果不能找到合适的替代能源,按照2018年的消费速度,在八十年左右的时间内,全球化石能源将消耗净尽。第二,大规模开发利用化石能源带来严重的环境污染。目前人们主要以直接燃烧的方式利用化石能源,其中含有的硫、氮等排到大气,形成酸雨等腐蚀性污染物,同时在开发、生产利用过程中排放烟尘的其他污染物,对局部地区水土、地质等造成破坏和污染。第三,化石能源利用过程中大量排碳,是大气温室效应的主要影响因素。大量碳本来储存于大地岩层内的化石能源中,在化石能源燃烧过程中以二氧化碳气体形式排入大气,急速加快大气中二氧化碳含量,使得地球大气温度升高,已经成为全球共识。这些问题都会对地球生态环境带来严重影响,最终对人类的发展和生存带来挑战。

  能源技术和能源治理都还没有找到革命性的突破口。

  人类意识到能源问题带来的挑战,一直在努力寻求未来能源供应的解决途径。从技术上看,还没有找到很好的办法。人们普遍认为,能够替代化石能源的主力能源,可能是水电能、核能、风能、太阳能和海洋能。除了海洋能主要还是在实验和小规模建设初步生产外,水电能、核能、风能和太阳能等的应用都已经比较成熟,近二十年也取得了很大的发展。然而,这几种能源在能源消费总量中的比重,加起来还不到16%,而且还没有一种单一能源在消费中的比重超过10%(水电能占比最大,为7%),所以,还没有一种能源可以作为三种化石能源的替代能源。从能源治理看,能源问题不是一个国家、一个民族的问题,所有国家和民族,是紧密绑在一起的人类命运共同体。地球上的所有生命的命运,都最终取决于人类的选择。地球不需要人类拯救,因为即使没有人类,地球依旧存在。但是人类和这个星球上的生命,生存或者死亡,则取决于人类的自觉、智慧和执行能力。问题在于,人类虽然已经认识到这个问题,但是在摒弃分歧、实现合作以达成全球统一行动,实现有效的能源治理上,还存在严重的问题。

  人类一切活动都严重地依赖于能源,而能源供应面临资源枯竭、技术能力、大气环境等因素的限制,能源已经日益显示出其成为人类发展的瓶颈和约束。确保未来能源供应,已经成为摆在人们面前的一大课题。人类必须合作以实现全球能源的有效治理,共同应对面临的困难和危机。然而,对于能源转型的技术方向,实现有效的全球能源治理,以及关系人类命运长远和持久发展和短期利益分配协调等机制,都还没有形成共识。能源发展正处于十字路口,人类的命运,处于十字路口。

  二、能源转型的关键在新型能源

  能源转型,也已成为业内专家和全社会的共识。但是,该如何转型,还有很多不同的意见。

  能源转型的关键,是能够规模地开发和使用新型能源。新型能源,是指风电能、太阳能(包括光伏、光热、热动力利用方式)、生物质能以及海洋能。这些能源一般具有以下几点最基本的特征,也是对转型能源最基本的要求:一是能源开发利用在技术和经济上是可行的。技术上可行,才有能源开发利用的可能;经济上可行,才能够得到可持续的推广应用,且应在计入环境成本等因素的条件下,单位能量的成本在可以承受的水平。二是能源在开发、运输和使用过程中不会对环境、大气等带来负的外部效应。能源过程必然会对外部环境带来影响,但是这个影响要么是正面的,要么其负面影响是在可接受的范围之内,或者可以通过技术和管理措施加以修正的。第三,这种能源可以安全地大规模开发利用,从而具备替代传统能源的能力。

  目前,符合这三个特征的能源,包括水电能、风电能、太阳能、生物质能等新能源。核能实际上也是清洁的能源,但是自福岛核电站事故以来,发展并不顺利。

  对于这几种能源,在笔者看来,还是存在一些关键的问题没有解决,这些问题不解决,就难以真正成功地实现能源转型。

  第一,决定太阳能、风能、水电能等的资源蕴藏量的主要因素,是受经纬度决定的环境气候、地理特点和地质特征等,在资源查探技术与能力基本成熟的情况下,资源蕴藏量是相对稳定的,在较长时期内不会有大幅度起落,除非局部地理或者全球气候发生突变。这一点在当前的能源转型讨论中很少提及,但却是十分重要的。这和化石能源资源很不一样——化石能源资源在每一年几乎都有新的矿藏发现。新型能源可开发的资源储量能不能满足未来的能源需求?笔者研究发现,至少对于中国而言,将所有技术可开发的太阳能、水电能、风电能均开发利用后,依然不能平衡中国未来强劲的能源需求。在分析的各种情景下,目标年需要化石能源平衡的能源需求份额较大。这是一个值得重视的问题,如果不能够提前预见并做好准备,在化石能源难以为继的情况下,能源出现断崖式的“硬”断供,从而引发经济和社会的混乱,不是不可能发生的事情。

  第二,在资源蕴藏总量一定的情况下,要增加新型能源的供应能力,唯一的途径是通过先进技术手段提高能源转换的效率。对于风电能来讲,就是能否改变风电能依靠风轮转换成电能的技术路线,以突破贝茨理论的转换效率限制,同时降低风电能转换设备的制造难度。对于太阳能光伏利用来讲,就是如何不断提高太阳能光伏转换的效率。目前投入商业应用的先进光伏发电的转换效率大约25%,理论上,这个效率可以提高到70%以上。随着转换效率的提高,太阳能作为供应能源的供应能力可以得到大幅度增强。

  第三,新型能源具有间歇性和不可确定性的特点,与连续、可靠、可持续稳定的能源供应要求相矛盾。因此,在发展新型能源的同时,必须发展配套的能源技术,其中最为重要的是大容量的能源储存技术,以及具有与新型能源互补特性或逆向调节特性的能源。在以新型能源为主的能源系统中,系统本身不具备足够的调节容量,或者没有安装足够容量的储能设备,系统能源供应的稳定性、安全性和可靠性无法保障,新型能源也就不能作为主力能源。

  三、中国能源转型的前景和挑战

  作为一个有抱负的民族和国家,中国在能源问题上的基本方针是要加强国际合作以实现全球能源的理想治理,同时又必须实现能源独立自主——不仅仅是能源供应,也包括能源核心技术和能源治理——从而实现独立自主和安全充分发展,这确实是一个严峻的挑战。

  分析中国能源转型过程的基本思路是,设定一个经济目标和相应的能源目标值,并由此反推,推算达到这个目标值所需的合理时间和各水平年的平均增长速度,以及各个水平年能源配置的基本结构,从而可以模拟能源转型的完整过程。笔者在模拟分析中,考虑在三十年的时间内,中国人口基数维持14亿不变,人均GDP4.23万美元,达到德国2018年水平,能源强度1.08千瓦时/美元,达到欧盟2017年的水平。考虑水电能、风能和太阳能资源到目标年实现充分开发利用,按照三种化石能源不同的增长组合,能源需求的缺口由核电能补足,对能源转型分四个场景进行分析。分析表明,到目标年,中国的一次能源总需求将达到63.2亿吨标准油,为2018年的1.93倍,年人均能源消耗能源189.6吉焦。

  分析四种能源转型场景,显示中国在能源转型过程中,煤炭将持续作为基础能源,到目标年最为理想的情况下,煤炭依旧是一次能源消费中占比最高、达到41%,其次是核能,占比将达到12%,其后一次是风能11%、石油10%、太阳能9%、水电能8%、天然气7%。基于此能源结构,在终端能源消费中,电能消费占比将达到52.8%。

  展望中国的能源转型,有几个问题需要重点关注:

  第一,关于煤炭的地位问题。中国是一个能源资源短缺的国家,化石能源资源储量只有全球的8.3%,其中石油占全球的1.5%,天然气占全球的3.1%,即使最为丰富的煤炭,也只占全球的13.2%,只有美国的一半左右。近年来,中国煤炭生产量大,2018年的储采比只有38年。因此,煤炭是中国的主力能源,但是也是最需要谨慎利用、精心安排利用的能源。如果煤炭利用不当,中国的能源安全得不到可靠保障,无法实现能源的“软”转型。

  第二,依靠新型能源无法支撑中国安全地实现能源转型。这里主要存在两个方面的问题,一是失去化石能源的支撑,又在技术上不能大规模开发海洋能的情况下,新型能源的可利用能源量无法满足未来中国的能源需求,而海洋能开发利用技术目前才刚刚起步,其发展的技术路线、前景和规模尚难以预料;第二,如果没有化石能源和核能的支持,新型能源的调节特性不具备响应能源需求特性的能力,能源系统的安全性、可靠性和可持续性无法得到本质性的保障。

  第三,加强安全性能好、调节性能强的核能利用。核能具有能量密度高,清洁、低碳等极为宝贵的特性。在核能利用上,第一,要重视核能利用中的安全问题,以核裂变原理获得可控核能的技术,已经发展到第四代,安全性总体上是能够得到保障的,但是要确保万无一失,就要加强利用核聚变原理获得可控核能的技术开发和生产应用,从原理上确保核能安全。第二,要重视核能源的综合利用,不要将核能利用仅仅局限于发电,而应在电、热综合利用、核电余热淡化海水或者制氢等等方面加强研究和应用,提高核能源的利用效率。第三,要加强核电机组的灵活性,从模块化、小型化和提高核电机组调节能力等方面着手提高核能源的调节能力,以适应大量新型能源接入系统的条件需求。

  四、中国能源转型的基本策略

  能源的未来决定人类的未来,能源转型是这个时代紧迫而重大的课题。在能源转型过程中,要以瞻望长远、尊重科学、周密论证、立足实际,确定能源转型的基本策略。

  第一、充分利用传统化石能源

  一是减少石油的动力应用。石油用途广泛,十分珍贵,石油资源减少对工业影响很大。目前差不多七成左右的石油用于交通动力,在控制石油总体消费量的前提下,抓紧发展高能量的动力电池等技术,发展电动力、氢动力、燃气动力新型交通工具,逐步替代石油在交通动力领域的应用。

  二是扩大天然气生产渠道以保障能源稳定供应。从能源安全角度考虑,控制天然气进口比例保持在40%左右。以2018年天然气储量为基准计算,到2048年,天然气存在19.8%的缺口,缺口量为10.3亿油当量。为满足天然气需求,一方面,需要增加天然气查探力度,发现更多天然气资源,另一方面,则要加大可燃冰资源的开发利用力度,尽快实现可燃冰资源低成本可持续生产。第三,推进电转甲烷技术研究,建设碳-能循环系统试验项目,并逐步实现产业化,确保燃气在将来的能源供应系统持续稳定利用。

  三是妥善利用煤炭资源。2018年,中国煤炭进口量占煤炭总量的7.2%,为延长国内煤炭储量的使用、为能源转型争取时间,应在控制煤炭使用总量的同时,增大煤炭进口比例,以每一年进口量比上一年增长5.9%计算,到2048年煤炭进口量占煤炭总量的40%。按此,到2048年,三十年共消费煤炭688.9亿吨标准油,其中进口138.4亿吨,国内生产550.5亿吨,平均进口占总消费的20.7%。以2018年煤炭储量计算,到2048年,还可以剩余143.5亿吨标准油煤炭储量。这个量,以2048年的煤炭年产量算,还可以生产九年多时间。

  从目前看,煤炭主要应用于电力行业,其次是钢铁行业、化工行业,同时,全国还存在较大的散烧比例。煤炭的各种利用方式效率并不一样,集中利用效率更高、排放更小、更清洁。未来煤炭利用,应着力发展超低排放的燃煤发电,加强散煤治理和离散能量需求替代,开展新型煤化工等,提高煤炭的使用效率,减低煤炭污染物排放。

  第二、综合利用清洁能源

  目前公认的清洁能源,包括水电能、风电能、太阳能和海洋能。核能只要安全性得到保障,是极其优质的清洁能源。清洁能源是未来能源转型的重要选择,要大力开发利用好。清洁能源利用,能源供应系统的设计非常重要。综合考虑,未来能源供应系统主要包括以下几类:

  传统型能源供应。这是目前城镇主要采取的能源供应方式,也是将来重要的能源供应模式。通过与大电网相联获得可靠的电能供应,通过与燃气主系统相联获得可靠的燃气供应。具备条件的,可以安装太阳能利用设施(发电或者供热)作为供能补充。这种模式未来在商业模式上、经营方式上可能会发生变化,对于用户来讲,一方面会增加商业的选择性,甚至参与商业活动。另一方面,通过开发用户多能源供应的综合优化系统,能源供应将更加经济和智慧。

  挂网型能源供应。这种方式一般是自身有一定容量的能源生产能力,但是通过和能源主网联结,以能源主网作为备用能源以增强能源供应的可靠性的供能方式。当主网事故出现供应中断的时候,这些用户的能源供应一般可以保障能源供应,有条件的用户还可以返送能源以支持大网启动。这也是未来能源供应的重要方式,用户使用自己生产的能源还是主网能源,用户对于主网是能源用户还是能源生产厂,取决于用户的经济优化结果。

  离网型能源供应。在偏远地区,将能源供应网络延伸过去成本很高,或者在技术上实施时较为困难。远离大陆的岛屿不太可能与大陆建设物理相连的能源系统,岛屿之间有时也很难通过物理的能源输送网络联结起来相互供应能源。这时需要因地制宜地在当地建设离网型供能网络,无论是单一农村用户,还是一个孤岛的能源供应,其基本原理都类似,只是复杂程度差别很大。离网型能源供应系统,可用能源可以是天然气、生物质、太阳能、风能、海洋能等任何一种或者几种的组合,其中,大容量蓄能设施是不可或缺的关键设备。

  为孤岛或者岛屿群设计的离网型供能系统,在生产能源的设施中,除了风能和太阳能以外,还包括波浪能等海洋能。如果碳-能循环系统发展成熟,可以利用此系统对岛屿实现燃气供应。岛屿之间通过船运蓄能体或者人造天然气,从而将岛屿群联结成为一个能源供应网络,岛屿群和大陆之间也可以通过船运建立能源联结。

  第三、能源输配系统

  在结合实际综合设计能源供应系统的同时,能源的输配网络也将与现在有所不同。终端能源中电能比例增加,电储存技术发展以及综合能源利用技术的发展,可能会对能源转运格局产生深刻的影响。这个影响体现在以下几个方面:

  第一,终端能源消费中增加的电能比例主要是新型能源和核能,新型能源的随机性、低利用率使建设大电网输送电能变得不那么经济。为此,煤火电、天然气火电厂应与新型能源开发综合规划、配套建设。适应新型能源的特征,需要增加火电机组的灵活性,以及处于负荷中心的核电机组的灵活性。这将使得火电机组、核电机组的效率和经济性变差,需要认真研究解决。

  第二,作为高能量密度的电源,核能应该建设在负荷中心区域,但是核能站址选择将是一个问题。理论上讲,可以在退役火电机组退出来的厂址,建设高安全性、具备综合能源利用特征的模块化核能电站,但这又将面临核能安全问题所带来的社会承受压力。核能布局东南沿海可以很好地平衡电能西电东送、北电南送的潮流,但是沿海适合发展核电的厂址有限。在能源供需紧张的严峻形势下,内陆发展核电,是迟早的问题。这些都将对未来能源输配产生很大的影响。

  第三,随着小型太阳能、小型风电的普及应用,以及农村生物质能源利用(如沼气资源)的发展,挂网型、离网型等微网能源供应比例增加,将对主网能源供应带来影响。一方面,使得在偏远地区不惜代价地建网通能失去比较价值 也褫夺了主网对这些地区实施能源供应的权利。另一方面,微型能源网可以对主网形成很好的补充,在主网遭到外力破坏的时候,不仅能够保障自身能源供应,还可以对主网形成支援。

  第四,电储存技术使得电能不一定必然通过大电网输送,也可以通过货运蓄电池的方式输送电能。大容量蓄电池使得离网型能源网有了可靠备用,也使得孤岛电网之间可以通过货运网络联在一起,从而构成了除电网之外的新的电能输送网络。

  第五,不可调度、离散新型能源网生产的电能,也可以通过碳-能循环系统就地转换成可大量储存、运输的天然气,通过货运网络输送到需求地,以燃气直接利用或者再次发电转换成电能使用。技术成熟后的此类能源生产单元,在将来具有很大潜力,将成为未来能源供应系统的重要组成部分,也使得天然气有条件成为永远的能源。

  第四、能源转型中的关键技术

  为确保能源转型过程及未来的能源供应系统安全、可靠、稳定和可持续,需要重点攻克几项关键的能源技术。这几项技术是大规模能量储存技术、海洋能综合开发与技术、碳-能循环的技术与系统集成。

  大规模能量储存技术。当前,能量储存技术已经在能源供应系统中得到较为广泛的应用,但是,较为成熟且能够大规模储能的只有抽水蓄能技术。采用压缩空气储能(CAES)技术的,目前只是在德国和美国,各有一座十万千瓦级电站,国内仍在做研究和工程示范。电储能技术具有能量密度高、综合效率高、反应速度快的优点,特别适用于与太阳能光伏、风能发电等新型不可调度能源配合使用,也很适合在微电网中使用,但是其主要的瓶颈在单个电池容量不高、寿命较短及废旧电池处理带来的环境污染问题。储能技术向着大容量、小型化、可移动、标准化、智慧型的发展方向,将给未来的能源供应系统,特别是电力系统带来本质性的改变,也是能源顺利实现转型的基础的和关键的技术。

  海洋能的综合开发和利用技术。海洋能包括潮汐能、波浪能、潮流能(洋流能)、温差能、盐差能等。将海洋中的机械能或化学内能转换成电能,目前比较成熟的是潮汐能发电技术,能量密度比较大的是波浪能和海流能发电技术。这三种技术都已经有建成运行的发电站,或者试验站,并不断向更大容量和规模发展。温差能和盐差能发电则依旧在试验研究阶段,离正式的商业应用还有一定的差距。海洋占地球表面积的70%以上,阳光照射到地球,大部分能量为海洋吸收,而由于太阳和月球引力所引起的潮汐和海流(洋流),也蕴藏着巨大的能量。据OES估计,全球海洋能年发电量合计超过76万亿千瓦时,接近2018年全球总发电量(26.6万亿千瓦时)的三倍。

  海洋能开发利用的基本思路,一是要将海洋能发电系统和海上太阳能发电系统、海上风力发电系统结合起来,实现多能互补海洋能集成系统发电。二是要将海洋能发电系统和储能系统结合,在提高能源开发利用率的同时,储能可以使海洋能发电系统完全脱离陆地岸边,不需要建设成本高昂的输电配电设施。三是海洋能发电系统与人工化石能源合成、海水淡化系统结合,即利用海洋能发电系统生产的电力就地淡化海水,这方面已经有工程实施。也可以利用所发电能和海水制氢,进而利用氢和空气中的二氧化碳,制成安全技术和运输技术成熟的人造天然气,同时可以吸收大气中的二氧化碳。

  人造天然气技术。捕集空气中的二氧化碳和水,消耗电能制造碳氢燃料,生产易于运输和储存的液态碳氢燃料,如甲烷、乙醇等,从而实现碳能循环。目前这种电转碳氢燃料技术总体上还不算十分成熟,在多个技术路线中,以电解水制氢结合二氧化碳加氢技术路线已经建成多套示范装置。

  五、针对气候问题的能源系统集成设计

  能源带来气候问题的本质,是因为化石能源的大规模开发利用,改变了碳的天然循环,把处于岩石圈中的还原碳过快地释放到大气中,人为地加快了岩石圈和其他圈层的碳交换,导致大气中二氧化碳的浓度升高,破坏了自然界原有的平衡。从而带来全球碳循环失衡,改变地球生物圈的能量转换形式,导致全球气候变暖,随之带来海平面升高、冰川融化、极端气候等一系列生态环境问题。

  碳-能循环系统的基本思路,就是采用一些关键技术,将大气中多余的碳还原,从而打通碳在大气圈和岩石圈的双向循环,进而控制和调整大气中的二氧化碳浓度,使其维持在允许的范围之内,同时,可以提供源源不断的化石能源,确保高密度能源的可靠稳定可持续供应。利用海上综合能源平台实现碳-能循环系统的构想。

  自然界中的能源各自具有不同的特性,不存在十全十美满足各方面要求的能源。因此,要善于发现各种能源的特点,发挥每一种能源的长处,规避其不足。在一个能源系统中,能源结构的多元化十分重要。同时,用系统思维去想办法解决诸如碳排放等问题,实现安全稳定可持续的能源供应是可能的。中国的能源资源禀赋、经济和技术发展水平决定了能源转型的道路不会平坦,转型过程中将会遇到很多问题和困难。在这个过程中,要尊重科学,尊重规律,尊重自然资源禀赋,坚定能源转型的目标,为确保实现国家经济和社会发展目标,为国家富强和民族复兴,提供坚强的能源保障。

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