近期,拉閘限電、煤炭緊俏、保供、天然氣價格飆升、美德俄關(guān)系微妙的消息甚囂塵上,不斷刷新著我們的世界觀和認(rèn)知度。不禁要問,能源這是怎么了?我們用了三十多年的穩(wěn)定電力,即使斷電,也都會提前通知,現(xiàn)在竟然開始限電了。
9月以來,包括東三省在內(nèi)的15個省份陸續(xù)出現(xiàn)拉閘限電。最直接的原因:動力煤價格飆升,電廠存煤緊張?,F(xiàn)在雖然采取了一些積極的舉措,問題也向著好的方向發(fā)展,但是我們不得不重新審視一下當(dāng)前的能源供給系統(tǒng)和建立在能源供給系統(tǒng)之上的能源秩序。
一、能源系統(tǒng)正處在脆弱期
“拉閘限電”表象是煤炭價格上漲,電煤庫存緊張,深層次是在“雙碳”目標(biāo)下,我國對低廉、清潔穩(wěn)定能源支撐經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求和新能源技術(shù)發(fā)展滯后暴露出的復(fù)雜利益矛盾。
據(jù)國家統(tǒng)計(jì)局:2021年8月份能源生產(chǎn)情況。1—8月份,生產(chǎn)原煤26.0億噸,同比增長4.4%;進(jìn)口煤炭19769萬噸,同比下降10.3%。另外,8月份,發(fā)電7383億千瓦時,同比增長0.2%,增速比上月回落9.4個百分點(diǎn),兩年平均增長3.5%,日均發(fā)電238.2億千瓦時。從以上數(shù)據(jù)可以看出,煤炭供給一升一降,浮動不是太大;而9月是過了夏季用電高峰,進(jìn)入用電平緩期,正常應(yīng)該是動力煤價格向下調(diào)整。恰恰相反,煤炭價格卻一路高歌猛進(jìn),達(dá)到了歷史新高,并且還在不斷刷新最高記錄。這時,各種消息漫天飛,陰謀論瘋傳,大國博弈,毛衣戰(zhàn),大宗商品定價權(quán),大宗產(chǎn)品暴漲的直接原因不是什么供需,而是資本扎堆操作。無論上述消息的真?zhèn)魏蛯﹀e,最根本的一條“谷賤傷農(nóng),米貴傷民”,確實(shí)影響實(shí)體經(jīng)濟(jì)正常運(yùn)行,進(jìn)而影響民生。
另外一方面,環(huán)境不斷惡化,地球在不停的變暖,早期的酸雨、毒霧,到現(xiàn)在的霧霾、風(fēng)沙、海平面上升,不用精密的儀器,單從感官就能體會到城市和鄉(xiāng)野的空氣差別。在這場人類存續(xù)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)及人類命運(yùn)共同體構(gòu)建過程中,各國表現(xiàn)的多元化高度統(tǒng)一,減碳、低碳、無碳過程中的高度默契。在各國都爭相去完成“雙碳”目標(biāo),同時也是從傳統(tǒng)能源向可再生能源轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵期,舊秩序向新秩序更迭也是最脆弱,最容易出現(xiàn)問題的時期。據(jù)《人民日報》2021年9月5日電,我國非化石能源裝機(jī)10.3億千瓦,占全國總裝機(jī)的45.5%,風(fēng)電裝機(jī)2.7億千瓦,太陽能裝機(jī)2.7億千瓦。但是“拉閘限電”的問題,客觀上也反映出發(fā)展了那么多年的新能源并未獲得實(shí)效,然而一直宣稱做配角、做好調(diào)峰的火電,竟然還是主角,還處在能源系統(tǒng)的C位,能源秩序并沒有發(fā)生實(shí)質(zhì)性改變。
全球氣溫,尤其是近一百年呈現(xiàn)加速狀態(tài),海平面上升明顯,所以降低碳排放,實(shí)現(xiàn)碳中和的“雙碳”目標(biāo)成為既定方案,確立的國策,不容改變。這場能源風(fēng)波中,雖然能通過“保供”的方式化解,也只能是短期行為,能源秩序處在一個相對的脆弱期。長遠(yuǎn)來看,傳統(tǒng)能源向新能源的過度需要真正的動力源和驅(qū)動力,而政府需要更強(qiáng)有力的“抓手”推動這次變革。當(dāng)然誰先獲得這個“抓手”,誰就獲得先人一步幾十年的發(fā)展機(jī)會。
二、重塑能源秩序需要動力源
習(xí)近平總書記站在國家發(fā)展和安全戰(zhàn)略的高度提出了“四個革命、一個合作”能源安全新戰(zhàn)略,并將能源技術(shù)革命列入重要的一項(xiàng)內(nèi)容。今年7月15日,國家發(fā)改委、國家能源局印發(fā)的《關(guān)于加快推動新型儲能發(fā)展的指導(dǎo)意見》(下稱《指導(dǎo)意見》)更是以技術(shù)革新為內(nèi)生動力,創(chuàng)新引領(lǐng),在不斷完善政策的頂層設(shè)計(jì),探尋能源變革的動力源。
現(xiàn)在大數(shù)據(jù)、智能化、云計(jì)算等發(fā)展迅速,在能源行業(yè)應(yīng)用也非常廣泛,軟件技術(shù)提高很快,但是底層技術(shù)或者稱基礎(chǔ)科學(xué)等核心硬件技術(shù)上發(fā)展滯后,能源技術(shù)革命性的不多。筆者通過多年從事新能源技術(shù)研究和原創(chuàng)技術(shù)開發(fā),結(jié)合筆者團(tuán)隊(duì)涉及的風(fēng)能、儲能、低溫原動機(jī)三塊領(lǐng)域,通過新能源賦存、風(fēng)能、儲能、原動機(jī)四個部分談一下現(xiàn)有新能源技術(shù)的短板和發(fā)力點(diǎn),希望能給更多的科技工作者啟發(fā)和機(jī)構(gòu)合作。
1.新能源賦存
太陽能、風(fēng)能在可再生能源中被公認(rèn)為最清潔、環(huán)保的能源,并且資源豐富。據(jù)國家氣象局統(tǒng)計(jì),我國屬太陽能資源豐富的國家之一,全國總面積2/3以上地區(qū)年日照時數(shù)大于2000小時,年輻射量在5000MJ/m2以上。據(jù)統(tǒng)計(jì)資料分析,中國陸地面積每年接收的太陽輻射總量為3.3×103~8.4×103MJ/m2,相當(dāng)于2.4×104億噸標(biāo)準(zhǔn)煤的儲量。我國離地10米高的風(fēng)能資源總儲量約32.26億千瓦。
圖1 我國太陽能資源分布
圖2 我國風(fēng)能分布
從以上數(shù)據(jù)可以看出,太陽能和風(fēng)能總規(guī)模和總量都非常巨大。根據(jù)我們在當(dāng)?shù)亟ㄔO(shè)的監(jiān)測數(shù)據(jù)站統(tǒng)計(jì),一個全日照周期,夏至前后能高達(dá)13kW·h/m2,冬至前后也有5kW·h/m2。這些能源如果充分利用,基本能解決當(dāng)前的能源問題。雖然太陽能、風(fēng)能分布廣泛,規(guī)模和總量都非??捎^,但是資源稟賦不高,具有明顯的隨機(jī)性、不穩(wěn)定、間歇性,同時還有能流密度低、品位低的特點(diǎn)。所以對太陽能、風(fēng)能的開發(fā)和利用不能簡單的使用傳統(tǒng)模式、傳統(tǒng)技術(shù),而是要開發(fā)匹配的底層技術(shù)、創(chuàng)新技術(shù)。
圖3 監(jiān)測站和太陽輻射數(shù)據(jù)
2.風(fēng)能
風(fēng)能和太陽能是衍生關(guān)系,太陽輻射到地面的能量2%轉(zhuǎn)化成風(fēng)能,風(fēng)資源分布極不平均。根據(jù)歷年氣象數(shù)據(jù),我國風(fēng)資源總量85%的是二級、三級風(fēng)風(fēng)圈,國土面積68%的屬于低風(fēng)速區(qū)。這部分風(fēng)資源面域廣、總量大、風(fēng)頻高,品位低、能流密度小,以現(xiàn)有的技術(shù)模式不容易利用,但是這部分資源距離人口密集區(qū)最近,能源很容易消納。這也就是我們經(jīng)常看到山上的風(fēng)機(jī)總是在“曬太陽”的原因。
圖4 風(fēng)力發(fā)電工況圖
圖5 風(fēng)機(jī)原理
筆者早在2016年在中國電力網(wǎng)發(fā)表過《垂直軸風(fēng)電技術(shù)革新能否改寫能源版圖?》中就探討過,風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的弊端和方向?,F(xiàn)有的主流風(fēng)機(jī)是水平軸風(fēng)機(jī),葉片裸露在外,也可以稱為“開放式”風(fēng)機(jī)。這類“開放式”風(fēng)機(jī),從風(fēng)力發(fā)電工況圖可以看出:風(fēng)小了風(fēng)機(jī)不運(yùn)行,即使運(yùn)行出力也很小,對高頻次、低密度的風(fēng)資源利用很有限。另外,從風(fēng)機(jī)原理圖可以看出,“開放式”風(fēng)機(jī)主要是利用風(fēng)的動能轉(zhuǎn)化成葉片的機(jī)械能,開放式的結(jié)構(gòu)降低了轉(zhuǎn)化效能。
針對上述情況,筆者所在團(tuán)隊(duì)開發(fā)了自主知識產(chǎn)權(quán)高效利用低風(fēng)速資源的風(fēng)力技術(shù),不需要尋找風(fēng)向,葉片不再裸露在外,安全性更高的非開放式結(jié)構(gòu)的風(fēng)機(jī)。其中非可視風(fēng)力技術(shù)獲得2017年山東省科學(xué)技術(shù)廳的資助,其姊妹單軸雙式風(fēng)力技術(shù)獲得2018年山東省科學(xué)技術(shù)廳的資助。下圖是正在安裝測試的非可視風(fēng)力技術(shù)的原型樣機(jī)。
圖6 非可視風(fēng)力技術(shù)控制系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)樣機(jī)
3.儲能
太陽能、風(fēng)能因?yàn)橘Y源稟賦不高,不能提供穩(wěn)定的能源。在“雙碳”背景下,能源保障成為新的挑戰(zhàn),所以在太陽能、風(fēng)能開發(fā)使用過程中使儲能一開始就自帶光環(huán)。將可再生能源高效的存儲并充分的利用是儲能的目的,同時也是技術(shù)突破的方向。上文《指導(dǎo)意見》中明確的提出了高安全、低成本、高可靠性、長壽命等方面的儲能技術(shù),探索開展儲熱技術(shù)的研究和示范。下面是通過網(wǎng)絡(luò)收集整理的一些儲能系統(tǒng)信息,僅作為對比參考。
圖7 儲能系統(tǒng)信息對比1
圖8 儲能系統(tǒng)信息對比2
每種儲能自誕生就有相應(yīng)的技術(shù)優(yōu)勢和特點(diǎn)及應(yīng)用場景,這里僅介紹儲熱的優(yōu)勢。儲熱相對其他儲能方式具有原理簡單、材料來源豐富、價格低廉、循環(huán)壽命長等優(yōu)勢。而儲熱中的相變儲熱方式能提供恒定溫度便于穩(wěn)定的能源輸出,單位儲能密度大的優(yōu)點(diǎn)。對相變儲熱的研究逐漸深入,去年在《2020年超臨界CO2循環(huán)光熱發(fā)電前言技術(shù)論壇》中來自清華大學(xué)的胥蕊娜教授談到的蜂窩式相變潛熱儲能,到今年的《太陽能熱利用科學(xué)技術(shù)研究生論壇》中多孔介質(zhì)、膨脹石墨等等研究內(nèi)容,相變儲熱系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、骨架材料及抗腐蝕性能等相關(guān)技術(shù)在不斷提高。
另外,光熱系統(tǒng)能夠更好的利用紫外光、可見光、紅外光,波長在300-3000納米,約占太陽總輻射能量的96%。而平板式集熱器能夠更好的吸收直射光和散射光,相比聚光型光熱系統(tǒng)對散射光有苛刻要求,應(yīng)用場景更加廣泛。據(jù)清華大學(xué)宮鵬研究組統(tǒng)計(jì),2017年中國城市建成區(qū)面積為146102平方公里,城市與農(nóng)村建成區(qū)總面積209950平方公里。按照這一數(shù)據(jù),當(dāng)前我國城市與農(nóng)村建成區(qū)總面積已占國土面積1/48,在胡煥庸線以東的人口密集區(qū)要遠(yuǎn)高于這個比例。這些區(qū)域除了綠植需要外,有充足的空間開發(fā)太陽能和風(fēng)能。針對這種情況,筆者所在團(tuán)隊(duì)開發(fā)了疊加儲能技術(shù)。疊加儲能技術(shù)根據(jù)太陽東升西落,不同時段照射在建筑物不同位置的特點(diǎn),將平板式吸熱器安裝在建筑物的不同位置,模塊化吸熱儲能,同時將風(fēng)能轉(zhuǎn)化成熱能進(jìn)行存儲。在需要能源的時候進(jìn)行釋放,完成能源儲發(fā)一體化。該技術(shù)獲得2019年山東省科學(xué)技術(shù)廳的資助。
圖9 科技廳競技現(xiàn)場
4.原動機(jī)
光熱能夠利用更寬泛的光資源,儲熱能夠更經(jīng)濟(jì)安全,使光熱發(fā)電具有很多優(yōu)勢。但是聚光型光熱發(fā)電系統(tǒng)采用傳統(tǒng)火電運(yùn)行模式,尤其是使用火電的蒸汽輪機(jī)作為原動機(jī)。
圖10 火電運(yùn)行原理
而火電是不斷提高溫度來提高發(fā)電效率,從亞臨界、超臨界、超超臨界,溫度高達(dá)700度?;痣娡ㄟ^燃燒化石能源,能流密度高,比較容易通過提高溫度來獲得高效率。但是太陽光能流密度低,通過提高溫度的模式提高效率比較困難,只能不斷提高聚光比,增加反射鏡的數(shù)量來提高溫度。這也就是為什么現(xiàn)在的光熱發(fā)電系統(tǒng)需要龐大鏡場的原因。
圖11 聚光型光熱電站
造成這種問題的根本原因在于:1、蒸汽輪機(jī)的低溫狀態(tài)下的效率不高,即低溫效率問題;2、蒸汽輪機(jī)制造困難、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、運(yùn)營成本高只適合規(guī)?;⌒突竽茉崔D(zhuǎn)化效率低,限制了應(yīng)用場景。針對這種問題,去年在《2020年超臨界CO2循環(huán)光熱發(fā)電前言技術(shù)論壇》中筆者就提出過質(zhì)疑。下面是筆者和浙江中控太陽能金建祥董事長的交流內(nèi)容,后面很多與會專家也都談到原動機(jī)需要重大技術(shù)突破的問題。這種論壇形式的會議非常高效也更能深入的探討技術(shù),整個過程也非常融洽,尤其是通過線上的形式能夠打破空間的距離。
圖12 論壇中的提問內(nèi)容
當(dāng)時提出透平機(jī)自身的瓶頸問題并非一時興起,而是基于對現(xiàn)有原動機(jī)的深入研究和開發(fā)出來的一套新的原動機(jī)技術(shù),也就是“二次元發(fā)動機(jī)”。二次元發(fā)動機(jī)自2009年萌芽開始,歷經(jīng)十余年,經(jīng)歷了三次名字變更,二次元發(fā)動機(jī)的命名最能體現(xiàn)該技術(shù)特征。既然稱為“二次元發(fā)動機(jī)”,肯定會有一次元發(fā)動機(jī)。和我們生活比較接近的汽油機(jī)、柴油機(jī),或者用另外一種稱呼奧托循環(huán)、狄塞爾循環(huán),這類原動機(jī)都是將高溫高壓或者高壓氣相工質(zhì)的壓力勢能轉(zhuǎn)化成活塞的機(jī)械能。如果將高溫高壓(高壓)氣相工質(zhì)定義為一個變量,而對這類原動機(jī)不停的研究、升級的目的就是在提高效率,就像在求解只有一個未知數(shù)的一元方程。而高溫高壓(高壓)氣相工質(zhì)做工的過程只有膨脹一項(xiàng),也就是只有一次性。所以這類發(fā)動機(jī)定義為“一次元發(fā)動機(jī)”。燃?xì)廨啓C(jī)、汽輪機(jī)通過高壓氣體透平,也就是膨脹過程中對葉片做工,同樣屬于“一次元發(fā)動機(jī)”。一次元發(fā)動機(jī)普遍誕生都超過了一百多年,也經(jīng)歷了一百多年的研究,效率提升空間非常有限。
二次元發(fā)動機(jī)不同于一次元發(fā)動機(jī),動力工質(zhì)也不在只有一種,能源轉(zhuǎn)換過程也不是單純的一種形式,而是多種能源形式相互迭代。最為關(guān)鍵的是二次元發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)更加簡單,非常容易小型化,適應(yīng)更低的溫度,屬于低溫發(fā)動機(jī),能夠更好的開發(fā)資源稟賦不高的太陽能和風(fēng)能。
三、能源新秩序:能源B2C
上面談到了筆者團(tuán)隊(duì)在風(fēng)能、儲能、低溫原動機(jī)的研究內(nèi)容和原創(chuàng)技術(shù),相信很多科研工作者也有自己見解和方向。無論如何,歡迎更多的科研工作者和機(jī)構(gòu)加入到這場能源變革中來或者加入到我們的團(tuán)隊(duì)中,因?yàn)槿祟愇拿鞯拿看芜M(jìn)步,都是以科技為先導(dǎo),形成一點(diǎn)的創(chuàng)新突破,以點(diǎn)帶面,推動整個社會文明的全面進(jìn)步。
當(dāng)能源技術(shù)革命能夠更高效的利用太陽能、風(fēng)能,不再受制于“火電”調(diào)峰及高昂的環(huán)境成本和電費(fèi)之苦時,環(huán)境會變的更加美好,人類文明新的進(jìn)步很快就會來。以下是筆者預(yù)測的能源秩序:能源B2C。能源B2C中的B2C取自電商,即Business-to-Consumer,這里區(qū)別是能源端直接對客戶端,客戶端既是發(fā)電端同是消納端。與以往的大電網(wǎng)、局部電網(wǎng)、分布式能源、智能微網(wǎng)不同的地方就是不再有網(wǎng)和電費(fèi)的存在。更通俗一點(diǎn),以后家里用電,買個發(fā)電設(shè)備就像買個普通家電一樣簡單。交電費(fèi)的時代真的可能會成為歷史。
圖13 能源B2C結(jié)構(gòu)
低廉、清潔、環(huán)保的能源會像新鮮血液輸送到下游的加工制造業(yè)和民生行業(yè),帶來新一輪的繁榮。最后還是要為我生活的這片土地和這座城市做一下宣傳,歡迎國內(nèi)外的投資機(jī)構(gòu)、企業(yè)、智囊團(tuán)、科研院所、高校、人才來這座上承孔子、孟子,下有雄厚傳統(tǒng)能源工業(yè)基礎(chǔ)的東方圣地投資、合作、擇業(yè)、定居。在這百年未有之大變局,夯實(shí)能源基礎(chǔ),理順能源秩序,為中華實(shí)現(xiàn)彎道超車,直道加速,領(lǐng)跑世界貢獻(xiàn)一份力量。
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