中國(guó)電力企業(yè)聯(lián)合會(huì)電力統(tǒng)計(jì)與數(shù)據(jù)中心 蔣德斌
在2020年9月第75屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)上，習(xí)近平總書(shū)記向全世界做出“力爭(zhēng)于2030年前二氧化碳排放達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和”的承諾，這個(gè)承諾體現(xiàn)了中國(guó)作為一個(gè)負(fù)責(zé)任大國(guó)的勇氣與擔(dān)當(dāng)，也為能源發(fā)展指明了目標(biāo)和方向。能源是二氧化碳排放的重要來(lái)源，在實(shí)現(xiàn)排放目標(biāo)、兌現(xiàn)氣候承諾、保障能源安全方面，承擔(dān)著重要的責(zé)任。必須緊緊抓住能源發(fā)展的關(guān)鍵，堅(jiān)定不移地推動(dòng)能源轉(zhuǎn)型，在轉(zhuǎn)型思路、轉(zhuǎn)型策略、關(guān)鍵技術(shù)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)等各方面，認(rèn)真研究、統(tǒng)籌規(guī)劃，確保實(shí)現(xiàn)能源轉(zhuǎn)型的目標(biāo)，推動(dòng)中國(guó)能源安全、綠色、協(xié)調(diào)、高質(zhì)量發(fā)展。
一、能源發(fā)展的關(guān)鍵在于轉(zhuǎn)型
人類對(duì)能源的依賴性越來(lái)越強(qiáng)。
能源的重要性，在人類早期就有所認(rèn)識(shí)，所以自人類有社會(huì)組織以來(lái)，就很注意儲(chǔ)存糧食以備饑荒，斗爭(zhēng)時(shí)期更是將截?cái)嗉Z草作為奪取戰(zhàn)爭(zhēng)勝利屢試不爽的法寶。人類社會(huì)自實(shí)現(xiàn)能源的工業(yè)化生產(chǎn)和應(yīng)用之后，才有可能實(shí)現(xiàn)在不到一個(gè)世紀(jì)的時(shí)間內(nèi)，所創(chuàng)造的生產(chǎn)力，比過(guò)去一切時(shí)代所創(chuàng)造的生產(chǎn)力還要多、還要大。因?yàn)闊o(wú)論是工業(yè)機(jī)器、化學(xué)、輪船、鐵路、電報(bào)等，都需要大規(guī)模的能源作為基礎(chǔ)和支撐。分析過(guò)去幾十年的經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度和能源供應(yīng)曲線，現(xiàn)代社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和能源具有極為緊密的關(guān)聯(lián)性，能源供應(yīng)的波動(dòng)必然帶來(lái)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的波動(dòng)，反過(guò)來(lái)，經(jīng)濟(jì)發(fā)展波動(dòng)，也帶來(lái)能源消費(fèi)的波動(dòng)。人類離不開(kāi)能源，能源供應(yīng)中斷事故造成的破壞性后果，更是直觀地展現(xiàn)了人類基本生產(chǎn)生活對(duì)能源的依賴性。
化石能源始終是主力消費(fèi)能源。
人類社會(huì)進(jìn)入工業(yè)社會(huì)以來(lái)，一段時(shí)間內(nèi)對(duì)于能源的需求，呈現(xiàn)幾何級(jí)數(shù)的增長(zhǎng)。即使到最近幾十年，總體上依舊處于較快增長(zhǎng)的趨勢(shì)。按照BP的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，到2018年，全球的能源消費(fèi)總量是138.65億噸標(biāo)準(zhǔn)油，這個(gè)規(guī)模是1965年消費(fèi)總量的3.72倍。在2018年所消耗的能源中，化石能源占117.44億噸，在終端能源消費(fèi)總量中的占比是84.7%，這個(gè)比重雖然比高峰年份有所降低，但是依然占絕對(duì)比重，而且絕對(duì)的消耗量仍在增加。
對(duì)化石能源的嚴(yán)重依賴隱藏著嚴(yán)重的危機(jī)。
對(duì)化石能源的嚴(yán)重依賴，所帶來(lái)的問(wèn)題有以下幾點(diǎn)：第一，化石能源將很快被消耗凈盡。雖然還有未曾發(fā)現(xiàn)的化石能源蘊(yùn)藏，但是化石能源的儲(chǔ)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(fèi)速度，在八十年左右的時(shí)間內(nèi)，全球化石能源將消耗凈盡。第二，大規(guī)模開(kāi)發(fā)利用化石能源帶來(lái)嚴(yán)重的環(huán)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(shí)在開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)利用過(guò)程中排放煙塵的其他污染物，對(duì)局部地區(qū)水土、地質(zhì)等造成破壞和污染。第三，化石能源利用過(guò)程中大量排碳，是大氣溫室效應(yīng)的主要影響因素。大量碳本來(lái)儲(chǔ)存于大地巖層內(nèi)的化石能源中，在化石能源燃燒過(guò)程中以二氧化碳?xì)怏w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(jīng)成為全球共識(shí)。這些問(wèn)題都會(huì)對(duì)地球生態(tài)環(huán)境帶來(lái)嚴(yán)重影響，最終對(duì)人類的發(fā)展和生存帶來(lái)挑戰(zhàn)。
能源技術(shù)和能源治理都還沒(méi)有找到革命性的突破口。
人類意識(shí)到能源問(wèn)題帶來(lái)的挑戰(zhàn)，一直在努力尋求未來(lái)能源供應(yīng)的解決途徑。從技術(shù)上看，還沒(méi)有找到很好的辦法。人們普遍認(rèn)為，能夠替代化石能源的主力能源，可能是水電能、核能、風(fēng)能、太陽(yáng)能和海洋能。除了海洋能主要還是在實(shí)驗(yàn)和小規(guī)模建設(shè)初步生產(chǎn)外，水電能、核能、風(fēng)能和太陽(yáng)能等的應(yīng)用都已經(jīng)比較成熟，近二十年也取得了很大的發(fā)展。然而，這幾種能源在能源消費(fèi)總量中的比重，加起來(lái)還不到16%，而且還沒(méi)有一種單一能源在消費(fèi)中的比重超過(guò)10%(水電能占比最大，為7%)，所以，還沒(méi)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(wèn)題不是一個(gè)國(guó)家、一個(gè)民族的問(wèn)題，所有國(guó)家和民族，是緊密綁在一起的人類命運(yùn)共同體。地球上的所有生命的命運(yùn)，都最終取決于人類的選擇。地球不需要人類拯救，因?yàn)榧词箾](méi)有人類，地球依舊存在。但是人類和這個(gè)星球上的生命，生存或者死亡，則取決于人類的自覺(jué)、智慧和執(zhí)行能力。問(wèn)題在于，人類雖然已經(jīng)認(rèn)識(shí)到這個(gè)問(wèn)題，但是在摒棄分歧、實(shí)現(xiàn)合作以達(dá)成全球統(tǒng)一行動(dòng)，實(shí)現(xiàn)有效的能源治理上，還存在嚴(yán)重的問(wèn)題。
人類一切活動(dòng)都嚴(yán)重地依賴于能源，而能源供應(yīng)面臨資源枯竭、技術(shù)能力、大氣環(huán)境等因素的限制，能源已經(jīng)日益顯示出其成為人類發(fā)展的瓶頸和約束。確保未來(lái)能源供應(yīng)，已經(jīng)成為擺在人們面前的一大課題。人類必須合作以實(shí)現(xiàn)全球能源的有效治理，共同應(yīng)對(duì)面臨的困難和危機(jī)。然而，對(duì)于能源轉(zhuǎn)型的技術(shù)方向，實(shí)現(xiàn)有效的全球能源治理，以及關(guān)系人類命運(yùn)長(zhǎng)遠(yuǎn)和持久發(fā)展和短期利益分配協(xié)調(diào)等機(jī)制，都還沒(méi)有形成共識(shí)。能源發(fā)展正處于十字路口，人類的命運(yùn)，處于十字路口。
二、能源轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵在新型能源
能源轉(zhuǎn)型，也已成為業(yè)內(nèi)專家和全社會(huì)的共識(shí)。但是，該如何轉(zhuǎn)型，還有很多不同的意見(jiàn)。
能源轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵，是能夠規(guī)模地開(kāi)發(fā)和使用新型能源。新型能源，是指風(fēng)電能、太陽(yáng)能(包括光伏、光熱、熱動(dòng)力利用方式)、生物質(zhì)能以及海洋能。這些能源一般具有以下幾點(diǎn)最基本的特征，也是對(duì)轉(zhuǎn)型能源最基本的要求：一是能源開(kāi)發(fā)利用在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上是可行的。技術(shù)上可行，才有能源開(kāi)發(fā)利用的可能;經(jīng)濟(jì)上可行，才能夠得到可持續(xù)的推廣應(yīng)用，且應(yīng)在計(jì)入環(huán)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(kāi)發(fā)、運(yùn)輸和使用過(guò)程中不會(huì)對(duì)環(huán)境、大氣等帶來(lái)負(fù)的外部效應(yīng)。能源過(guò)程必然會(huì)對(duì)外部環(huán)境帶來(lái)影響，但是這個(gè)影響要么是正面的，要么其負(fù)面影響是在可接受的范圍之內(nèi)，或者可以通過(guò)技術(shù)和管理措施加以修正的。第三，這種能源可以安全地大規(guī)模開(kāi)發(fā)利用，從而具備替代傳統(tǒng)能源的能力。
目前，符合這三個(gè)特征的能源，包括水電能、風(fēng)電能、太陽(yáng)能、生物質(zhì)能等新能源。核能實(shí)際上也是清潔的能源，但是自福島核電站事故以來(lái)，發(fā)展并不順利。
對(duì)于這幾種能源，在筆者看來(lái)，還是存在一些關(guān)鍵的問(wèn)題沒(méi)有解決，這些問(wèn)題不解決，就難以真正成功地實(shí)現(xiàn)能源轉(zhuǎn)型。
第一，決定太陽(yáng)能、風(fēng)能、水電能等的資源蘊(yùn)藏量的主要因素，是受經(jīng)緯度決定的環(huán)境氣候、地理特點(diǎn)和地質(zhì)特征等，在資源查探技術(shù)與能力基本成熟的情況下，資源蘊(yùn)藏量是相對(duì)穩(wěn)定的，在較長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)不會(huì)有大幅度起落，除非局部地理或者全球氣候發(fā)生突變。這一點(diǎn)在當(dāng)前的能源轉(zhuǎn)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(fā)現(xiàn)。新型能源可開(kāi)發(fā)的資源儲(chǔ)量能不能滿足未來(lái)的能源需求?筆者研究發(fā)現(xiàn)，至少對(duì)于中國(guó)而言，將所有技術(shù)可開(kāi)發(fā)的太陽(yáng)能、水電能、風(fēng)電能均開(kāi)發(fā)利用后，依然不能平衡中國(guó)未來(lái)強(qiáng)勁的能源需求。在分析的各種情景下，目標(biāo)年需要化石能源平衡的能源需求份額較大。這是一個(gè)值得重視的問(wèn)題，如果不能夠提前預(yù)見(jiàn)并做好準(zhǔn)備，在化石能源難以為繼的情況下，能源出現(xiàn)斷崖式的“硬”斷供，從而引發(fā)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的混亂，不是不可能發(fā)生的事情。
第二，在資源蘊(yùn)藏總量一定的情況下，要增加新型能源的供應(yīng)能力，唯一的途徑是通過(guò)先進(jìn)技術(shù)手段提高能源轉(zhuǎn)換的效率。對(duì)于風(fēng)電能來(lái)講，就是能否改變風(fēng)電能依靠風(fēng)輪轉(zhuǎn)換成電能的技術(shù)路線，以突破貝茨理論的轉(zhuǎn)換效率限制，同時(shí)降低風(fēng)電能轉(zhuǎn)換設(shè)備的制造難度。對(duì)于太陽(yáng)能光伏利用來(lái)講，就是如何不斷提高太陽(yáng)能光伏轉(zhuǎn)換的效率。目前投入商業(yè)應(yīng)用的先進(jìn)光伏發(fā)電的轉(zhuǎn)換效率大約25%，理論上，這個(gè)效率可以提高到70%以上。隨著轉(zhuǎn)換效率的提高，太陽(yáng)能作為供應(yīng)能源的供應(yīng)能力可以得到大幅度增強(qiáng)。
第三，新型能源具有間歇性和不可確定性的特點(diǎn)，與連續(xù)、可靠、可持續(xù)穩(wěn)定的能源供應(yīng)要求相矛盾。因此，在發(fā)展新型能源的同時(shí)，必須發(fā)展配套的能源技術(shù)，其中最為重要的是大容量的能源儲(chǔ)存技術(shù)，以及具有與新型能源互補(bǔ)特性或逆向調(diào)節(jié)特性的能源。在以新型能源為主的能源系統(tǒng)中，系統(tǒng)本身不具備足夠的調(diào)節(jié)容量，或者沒(méi)有安裝足夠容量的儲(chǔ)能設(shè)備，系統(tǒng)能源供應(yīng)的穩(wěn)定性、安全性和可靠性無(wú)法保障，新型能源也就不能作為主力能源。
三、中國(guó)能源轉(zhuǎn)型的前景和挑戰(zhàn)
作為一個(gè)有抱負(fù)的民族和國(guó)家，中國(guó)在能源問(wèn)題上的基本方針是要加強(qiáng)國(guó)際合作以實(shí)現(xiàn)全球能源的理想治理，同時(shí)又必須實(shí)現(xiàn)能源獨(dú)立自主——不僅僅是能源供應(yīng)，也包括能源核心技術(shù)和能源治理——從而實(shí)現(xiàn)獨(dú)立自主和安全充分發(fā)展，這確實(shí)是一個(gè)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。
分析中國(guó)能源轉(zhuǎn)型過(guò)程的基本思路是，設(shè)定一個(gè)經(jīng)濟(jì)目標(biāo)和相應(yīng)的能源目標(biāo)值，并由此反推，推算達(dá)到這個(gè)目標(biāo)值所需的合理時(shí)間和各水平年的平均增長(zhǎng)速度，以及各個(gè)水平年能源配置的基本結(jié)構(gòu)，從而可以模擬能源轉(zhuǎn)型的完整過(guò)程。筆者在模擬分析中，考慮在三十年的時(shí)間內(nèi)，中國(guó)人口基數(shù)維持14億不變，人均GDP4.23萬(wàn)美元，達(dá)到德國(guó)2018年水平，能源強(qiáng)度1.08千瓦時(shí)/美元，達(dá)到歐盟2017年的水平?？紤]水電能、風(fēng)能和太陽(yáng)能資源到目標(biāo)年實(shí)現(xiàn)充分開(kāi)發(fā)利用，按照三種化石能源不同的增長(zhǎng)組合，能源需求的缺口由核電能補(bǔ)足，對(duì)能源轉(zhuǎn)型分四個(gè)場(chǎng)景進(jìn)行分析。分析表明，到目標(biāo)年，中國(guó)的一次能源總需求將達(dá)到63.2億噸標(biāo)準(zhǔn)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(zhuǎn)型場(chǎng)景，顯示中國(guó)在能源轉(zhuǎn)型過(guò)程中，煤炭將持續(xù)作為基礎(chǔ)能源，到目標(biāo)年最為理想的情況下，煤炭依舊是一次能源消費(fèi)中占比最高、達(dá)到41%，其次是核能，占比將達(dá)到12%，其后一次是風(fēng)能11%、石油10%、太陽(yáng)能9%、水電能8%、天然氣7%?；诖四茉唇Y(jié)構(gòu)，在終端能源消費(fèi)中，電能消費(fèi)占比將達(dá)到52.8%。
展望中國(guó)的能源轉(zhuǎn)型，有幾個(gè)問(wèn)題需要重點(diǎn)關(guān)注:
第一，關(guān)于煤炭的地位問(wèn)題。中國(guó)是一個(gè)能源資源短缺的國(guó)家，化石能源資源儲(chǔ)量只有全球的8.3%，其中石油占全球的1.5%，天然氣占全球的3.1%，即使最為豐富的煤炭，也只占全球的13.2%，只有美國(guó)的一半左右。近年來(lái)，中國(guó)煤炭生產(chǎn)量大，2018年的儲(chǔ)采比只有38年。因此，煤炭是中國(guó)的主力能源，但是也是最需要謹(jǐn)慎利用、精心安排利用的能源。如果煤炭利用不當(dāng)，中國(guó)的能源安全得不到可靠保障，無(wú)法實(shí)現(xiàn)能源的“軟”轉(zhuǎn)型。
第二，依靠新型能源無(wú)法支撐中國(guó)安全地實(shí)現(xiàn)能源轉(zhuǎn)型。這里主要存在兩個(gè)方面的問(wèn)題，一是失去化石能源的支撐，又在技術(shù)上不能大規(guī)模開(kāi)發(fā)海洋能的情況下，新型能源的可利用能源量無(wú)法滿足未來(lái)中國(guó)的能源需求，而海洋能開(kāi)發(fā)利用技術(shù)目前才剛剛起步，其發(fā)展的技術(shù)路線、前景和規(guī)模尚難以預(yù)料;第二，如果沒(méi)有化石能源和核能的支持，新型能源的調(diào)節(jié)特性不具備響應(yīng)能源需求特性的能力，能源系統(tǒng)的安全性、可靠性和可持續(xù)性無(wú)法得到本質(zhì)性的保障。
第三，加強(qiáng)安全性能好、調(diào)節(jié)性能強(qiáng)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(wèn)題，以核裂變?cè)慝@得可控核能的技術(shù)，已經(jīng)發(fā)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(wàn)無(wú)一失，就要加強(qiáng)利用核聚變?cè)慝@得可控核能的技術(shù)開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)應(yīng)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(fā)電，而應(yīng)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(qiáng)研究和應(yīng)用，提高核能源的利用效率。第三，要加強(qiáng)核電機(jī)組的靈活性，從模塊化、小型化和提高核電機(jī)組調(diào)節(jié)能力等方面著手提高核能源的調(diào)節(jié)能力，以適應(yīng)大量新型能源接入系統(tǒng)的條件需求。
四、中國(guó)能源轉(zhuǎn)型的基本策略
能源的未來(lái)決定人類的未來(lái)，能源轉(zhuǎn)型是這個(gè)時(shí)代緊迫而重大的課題。在能源轉(zhuǎn)型過(guò)程中，要以瞻望長(zhǎng)遠(yuǎn)、尊重科學(xué)、周密論證、立足實(shí)際，確定能源轉(zhuǎn)型的基本策略。
第一、充分利用傳統(tǒng)化石能源
一是減少石油的動(dòng)力應(yīng)用。石油用途廣泛，十分珍貴，石油資源減少對(duì)工業(yè)影響很大。目前差不多七成左右的石油用于交通動(dòng)力，在控制石油總體消費(fèi)量的前提下，抓緊發(fā)展高能量的動(dòng)力電池等技術(shù)，發(fā)展電動(dòng)力、氫動(dòng)力、燃?xì)鈩?dòng)力新型交通工具，逐步替代石油在交通動(dòng)力領(lǐng)域的應(yīng)用。
二是擴(kuò)大天然氣生產(chǎn)渠道以保障能源穩(wěn)定供應(yīng)。從能源安全角度考慮，控制天然氣進(jìn)口比例保持在40%左右。以2018年天然氣儲(chǔ)量為基準(zhǔn)計(jì)算，到2048年，天然氣存在19.8%的缺口，缺口量為10.3億油當(dāng)量。為滿足天然氣需求，一方面，需要增加天然氣查探力度，發(fā)現(xiàn)更多天然氣資源，另一方面，則要加大可燃冰資源的開(kāi)發(fā)利用力度，盡快實(shí)現(xiàn)可燃冰資源低成本可持續(xù)生產(chǎn)。第三，推進(jìn)電轉(zhuǎn)甲烷技術(shù)研究，建設(shè)碳-能循環(huán)系統(tǒng)試驗(yàn)項(xiàng)目，并逐步實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，確保燃?xì)庠趯?lái)的能源供應(yīng)系統(tǒng)持續(xù)穩(wěn)定利用。
三是妥善利用煤炭資源。2018年，中國(guó)煤炭進(jìn)口量占煤炭總量的7.2%，為延長(zhǎng)國(guó)內(nèi)煤炭?jī)?chǔ)量的使用、為能源轉(zhuǎn)型爭(zhēng)取時(shí)間，應(yīng)在控制煤炭使用總量的同時(shí)，增大煤炭進(jìn)口比例，以每一年進(jìn)口量比上一年增長(zhǎng)5.9%計(jì)算，到2048年煤炭進(jìn)口量占煤炭總量的40%。按此，到2048年，三十年共消費(fèi)煤炭688.9億噸標(biāo)準(zhǔn)油，其中進(jìn)口138.4億噸，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)550.5億噸，平均進(jìn)口占總消費(fèi)的20.7%。以2018年煤炭?jī)?chǔ)量計(jì)算，到2048年，還可以剩余143.5億噸標(biāo)準(zhǔn)油煤炭?jī)?chǔ)量。這個(gè)量，以2048年的煤炭年產(chǎn)量算，還可以生產(chǎn)九年多時(shí)間。
從目前看，煤炭主要應(yīng)用于電力行業(yè)，其次是鋼鐵行業(yè)、化工行業(yè)，同時(shí)，全國(guó)還存在較大的散燒比例。煤炭的各種利用方式效率并不一樣，集中利用效率更高、排放更小、更清潔。未來(lái)煤炭利用，應(yīng)著力發(fā)展超低排放的燃煤發(fā)電，加強(qiáng)散煤治理和離散能量需求替代，開(kāi)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(rèn)的清潔能源，包括水電能、風(fēng)電能、太陽(yáng)能和海洋能。核能只要安全性得到保障，是極其優(yōu)質(zhì)的清潔能源。清潔能源是未來(lái)能源轉(zhuǎn)型的重要選擇，要大力開(kāi)發(fā)利用好。清潔能源利用，能源供應(yīng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)非常重要。綜合考慮，未來(lái)能源供應(yīng)系統(tǒng)主要包括以下幾類：
傳統(tǒng)型能源供應(yīng)。這是目前城鎮(zhèn)主要采取的能源供應(yīng)方式，也是將來(lái)重要的能源供應(yīng)模式。通過(guò)與大電網(wǎng)相聯(lián)獲得可靠的電能供應(yīng)，通過(guò)與燃?xì)庵飨到y(tǒng)相聯(lián)獲得可靠的燃?xì)夤?yīng)。具備條件的，可以安裝太陽(yáng)能利用設(shè)施(發(fā)電或者供熱)作為供能補(bǔ)充。這種模式未來(lái)在商業(yè)模式上、經(jīng)營(yíng)方式上可能會(huì)發(fā)生變化，對(duì)于用戶來(lái)講，一方面會(huì)增加商業(yè)的選擇性，甚至參與商業(yè)活動(dòng)。另一方面，通過(guò)開(kāi)發(fā)用戶多能源供應(yīng)的綜合優(yōu)化系統(tǒng)，能源供應(yīng)將更加經(jīng)濟(jì)和智慧。
掛網(wǎng)型能源供應(yīng)。這種方式一般是自身有一定容量的能源生產(chǎn)能力，但是通過(guò)和能源主網(wǎng)聯(lián)結(jié)，以能源主網(wǎng)作為備用能源以增強(qiáng)能源供應(yīng)的可靠性的供能方式。當(dāng)主網(wǎng)事故出現(xiàn)供應(yīng)中斷的時(shí)候，這些用戶的能源供應(yīng)一般可以保障能源供應(yīng)，有條件的用戶還可以返送能源以支持大網(wǎng)啟動(dòng)。這也是未來(lái)能源供應(yīng)的重要方式，用戶使用自己生產(chǎn)的能源還是主網(wǎng)能源，用戶對(duì)于主網(wǎng)是能源用戶還是能源生產(chǎn)廠，取決于用戶的經(jīng)濟(jì)優(yōu)化結(jié)果。
離網(wǎng)型能源供應(yīng)。在偏遠(yuǎn)地區(qū)，將能源供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)延伸過(guò)去成本很高，或者在技術(shù)上實(shí)施時(shí)較為困難。遠(yuǎn)離大陸的島嶼不太可能與大陸建設(shè)物理相連的能源系統(tǒng)，島嶼之間有時(shí)也很難通過(guò)物理的能源輸送網(wǎng)絡(luò)聯(lián)結(jié)起來(lái)相互供應(yīng)能源。這時(shí)需要因地制宜地在當(dāng)?shù)亟ㄔO(shè)離網(wǎng)型供能網(wǎng)絡(luò)，無(wú)論是單一農(nóng)村用戶，還是一個(gè)孤島的能源供應(yīng)，其基本原理都類似，只是復(fù)雜程度差別很大。離網(wǎng)型能源供應(yīng)系統(tǒng)，可用能源可以是天然氣、生物質(zhì)、太陽(yáng)能、風(fēng)能、海洋能等任何一種或者幾種的組合，其中，大容量蓄能設(shè)施是不可或缺的關(guān)鍵設(shè)備。
為孤島或者島嶼群設(shè)計(jì)的離網(wǎng)型供能系統(tǒng)，在生產(chǎn)能源的設(shè)施中，除了風(fēng)能和太陽(yáng)能以外，還包括波浪能等海洋能。如果碳-能循環(huán)系統(tǒng)發(fā)展成熟，可以利用此系統(tǒng)對(duì)島嶼實(shí)現(xiàn)燃?xì)夤?yīng)。島嶼之間通過(guò)船運(yùn)蓄能體或者人造天然氣，從而將島嶼群聯(lián)結(jié)成為一個(gè)能源供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)，島嶼群和大陸之間也可以通過(guò)船運(yùn)建立能源聯(lián)結(jié)。
第三、能源輸配系統(tǒng)
在結(jié)合實(shí)際綜合設(shè)計(jì)能源供應(yīng)系統(tǒng)的同時(shí)，能源的輸配網(wǎng)絡(luò)也將與現(xiàn)在有所不同。終端能源中電能比例增加，電儲(chǔ)存技術(shù)發(fā)展以及綜合能源利用技術(shù)的發(fā)展，可能會(huì)對(duì)能源轉(zhuǎn)運(yùn)格局產(chǎn)生深刻的影響。這個(gè)影響體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:
第一，終端能源消費(fèi)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(jī)性、低利用率使建設(shè)大電網(wǎng)輸送電能變得不那么經(jīng)濟(jì)。為此，煤火電、天然氣火電廠應(yīng)與新型能源開(kāi)發(fā)綜合規(guī)劃、配套建設(shè)。適應(yīng)新型能源的特征，需要增加火電機(jī)組的靈活性，以及處于負(fù)荷中心的核電機(jī)組的靈活性。這將使得火電機(jī)組、核電機(jī)組的效率和經(jīng)濟(jì)性變差，需要認(rèn)真研究解決。
第二，作為高能量密度的電源，核能應(yīng)該建設(shè)在負(fù)荷中心區(qū)域，但是核能站址選擇將是一個(gè)問(wèn)題。理論上講，可以在退役火電機(jī)組退出來(lái)的廠址，建設(shè)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(wèn)題所帶來(lái)的社會(huì)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(fā)展核電的廠址有限。在能源供需緊張的嚴(yán)峻形勢(shì)下，內(nèi)陸發(fā)展核電，是遲早的問(wèn)題。這些都將對(duì)未來(lái)能源輸配產(chǎn)生很大的影響。
第三，隨著小型太陽(yáng)能、小型風(fēng)電的普及應(yīng)用，以及農(nóng)村生物質(zhì)能源利用(如沼氣資源)的發(fā)展，掛網(wǎng)型、離網(wǎng)型等微網(wǎng)能源供應(yīng)比例增加，將對(duì)主網(wǎng)能源供應(yīng)帶來(lái)影響。一方面，使得在偏遠(yuǎn)地區(qū)不惜代價(jià)地建網(wǎng)通能失去比較價(jià)值 也褫奪了主網(wǎng)對(duì)這些地區(qū)實(shí)施能源供應(yīng)的權(quán)利。另一方面，微型能源網(wǎng)可以對(duì)主網(wǎng)形成很好的補(bǔ)充，在主網(wǎng)遭到外力破壞的時(shí)候，不僅能夠保障自身能源供應(yīng)，還可以對(duì)主網(wǎng)形成支援。
第四，電儲(chǔ)存技術(shù)使得電能不一定必然通過(guò)大電網(wǎng)輸送，也可以通過(guò)貨運(yùn)蓄電池的方式輸送電能。大容量蓄電池使得離網(wǎng)型能源網(wǎng)有了可靠備用，也使得孤島電網(wǎng)之間可以通過(guò)貨運(yùn)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)在一起，從而構(gòu)成了除電網(wǎng)之外的新的電能輸送網(wǎng)絡(luò)。
第五，不可調(diào)度、離散新型能源網(wǎng)生產(chǎn)的電能，也可以通過(guò)碳-能循環(huán)系統(tǒng)就地轉(zhuǎn)換成可大量?jī)?chǔ)存、運(yùn)輸?shù)奶烊粴?，通過(guò)貨運(yùn)網(wǎng)絡(luò)輸送到需求地，以燃?xì)庵苯永没蛘咴俅伟l(fā)電轉(zhuǎn)換成電能使用。技術(shù)成熟后的此類能源生產(chǎn)單元，在將來(lái)具有很大潛力，將成為未來(lái)能源供應(yīng)系統(tǒng)的重要組成部分，也使得天然氣有條件成為永遠(yuǎn)的能源。
第四、能源轉(zhuǎn)型中的關(guān)鍵技術(shù)
為確保能源轉(zhuǎn)型過(guò)程及未來(lái)的能源供應(yīng)系統(tǒng)安全、可靠、穩(wěn)定和可持續(xù)，需要重點(diǎn)攻克幾項(xiàng)關(guān)鍵的能源技術(shù)。這幾項(xiàng)技術(shù)是大規(guī)模能量?jī)?chǔ)存技術(shù)、海洋能綜合開(kāi)發(fā)與技術(shù)、碳-能循環(huán)的技術(shù)與系統(tǒng)集成。
大規(guī)模能量?jī)?chǔ)存技術(shù)。當(dāng)前，能量?jī)?chǔ)存技術(shù)已經(jīng)在能源供應(yīng)系統(tǒng)中得到較為廣泛的應(yīng)用，但是，較為成熟且能夠大規(guī)模儲(chǔ)能的只有抽水蓄能技術(shù)。采用壓縮空氣儲(chǔ)能(CAES)技術(shù)的，目前只是在德國(guó)和美國(guó)，各有一座十萬(wàn)千瓦級(jí)電站，國(guó)內(nèi)仍在做研究和工程示范。電儲(chǔ)能技術(shù)具有能量密度高、綜合效率高、反應(yīng)速度快的優(yōu)點(diǎn)，特別適用于與太陽(yáng)能光伏、風(fēng)能發(fā)電等新型不可調(diào)度能源配合使用，也很適合在微電網(wǎng)中使用，但是其主要的瓶頸在單個(gè)電池容量不高、壽命較短及廢舊電池處理帶來(lái)的環(huán)境污染問(wèn)題。儲(chǔ)能技術(shù)向著大容量、小型化、可移動(dòng)、標(biāo)準(zhǔn)化、智慧型的發(fā)展方向，將給未來(lái)的能源供應(yīng)系統(tǒng)，特別是電力系統(tǒng)帶來(lái)本質(zhì)性的改變，也是能源順利實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)型的基礎(chǔ)的和關(guān)鍵的技術(shù)。
海洋能的綜合開(kāi)發(fā)和利用技術(shù)。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(jī)械能或化學(xué)內(nèi)能轉(zhuǎn)換成電能，目前比較成熟的是潮汐能發(fā)電技術(shù)，能量密度比較大的是波浪能和海流能發(fā)電技術(shù)。這三種技術(shù)都已經(jīng)有建成運(yùn)行的發(fā)電站，或者試驗(yàn)站，并不斷向更大容量和規(guī)模發(fā)展。溫差能和鹽差能發(fā)電則依舊在試驗(yàn)研究階段，離正式的商業(yè)應(yīng)用還有一定的差距。海洋占地球表面積的70%以上，陽(yáng)光照射到地球，大部分能量為海洋吸收，而由于太陽(yáng)和月球引力所引起的潮汐和海流(洋流)，也蘊(yùn)藏著巨大的能量。據(jù)OES估計(jì)，全球海洋能年發(fā)電量合計(jì)超過(guò)76萬(wàn)億千瓦時(shí)，接近2018年全球總發(fā)電量(26.6萬(wàn)億千瓦時(shí))的三倍。
海洋能開(kāi)發(fā)利用的基本思路，一是要將海洋能發(fā)電系統(tǒng)和海上太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)、海上風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)多能互補(bǔ)海洋能集成系統(tǒng)發(fā)電。二是要將海洋能發(fā)電系統(tǒng)和儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)合，在提高能源開(kāi)發(fā)利用率的同時(shí)，儲(chǔ)能可以使海洋能發(fā)電系統(tǒng)完全脫離陸地岸邊，不需要建設(shè)成本高昂的輸電配電設(shè)施。三是海洋能發(fā)電系統(tǒng)與人工化石能源合成、海水淡化系統(tǒng)結(jié)合，即利用海洋能發(fā)電系統(tǒng)生產(chǎn)的電力就地淡化海水，這方面已經(jīng)有工程實(shí)施。也可以利用所發(fā)電能和海水制氫，進(jìn)而利用氫和空氣中的二氧化碳，制成安全技術(shù)和運(yùn)輸技術(shù)成熟的人造天然氣，同時(shí)可以吸收大氣中的二氧化碳。
人造天然氣技術(shù)。捕集空氣中的二氧化碳和水，消耗電能制造碳?xì)淙剂希a(chǎn)易于運(yùn)輸和儲(chǔ)存的液態(tài)碳?xì)淙剂?，如甲烷、乙醇等，從而?shí)現(xiàn)碳能循環(huán)。目前這種電轉(zhuǎn)碳?xì)淙剂霞夹g(shù)總體上還不算十分成熟，在多個(gè)技術(shù)路線中，以電解水制氫結(jié)合二氧化碳加氫技術(shù)路線已經(jīng)建成多套示范裝置。
五、針對(duì)氣候問(wèn)題的能源系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)
能源帶來(lái)氣候問(wèn)題的本質(zhì)，是因?yàn)榛茉吹拇笠?guī)模開(kāi)發(fā)利用，改變了碳的天然循環(huán)，把處于巖石圈中的還原碳過(guò)快地釋放到大氣中，人為地加快了巖石圈和其他圈層的碳交換，導(dǎo)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(lái)全球碳循環(huán)失衡，改變地球生物圈的能量轉(zhuǎn)換形式，導(dǎo)致全球氣候變暖，隨之帶來(lái)海平面升高、冰川融化、極端氣候等一系列生態(tài)環(huán)境問(wèn)題。
碳-能循環(huán)系統(tǒng)的基本思路，就是采用一些關(guān)鍵技術(shù)，將大氣中多余的碳還原，從而打通碳在大氣圈和巖石圈的雙向循環(huán)，進(jìn)而控制和調(diào)整大氣中的二氧化碳濃度，使其維持在允許的范圍之內(nèi)，同時(shí)，可以提供源源不斷的化石能源，確保高密度能源的可靠穩(wěn)定可持續(xù)供應(yīng)。利用海上綜合能源平臺(tái)實(shí)現(xiàn)碳-能循環(huán)系統(tǒng)的構(gòu)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(fā)現(xiàn)各種能源的特點(diǎn)，發(fā)揮每一種能源的長(zhǎng)處，規(guī)避其不足。在一個(gè)能源系統(tǒng)中，能源結(jié)構(gòu)的多元化十分重要。同時(shí)，用系統(tǒng)思維去想辦法解決諸如碳排放等問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)安全穩(wěn)定可持續(xù)的能源供應(yīng)是可能的。中國(guó)的能源資源稟賦、經(jīng)濟(jì)和技術(shù)發(fā)展水平?jīng)Q定了能源轉(zhuǎn)型的道路不會(huì)平坦，轉(zhuǎn)型過(guò)程中將會(huì)遇到很多問(wèn)題和困難。在這個(gè)過(guò)程中，要尊重科學(xué)，尊重規(guī)律，尊重自然資源稟賦，堅(jiān)定能源轉(zhuǎn)型的目標(biāo)，為確保實(shí)現(xiàn)國(guó)家經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展目標(biāo)，為國(guó)家富強(qiáng)和民族復(fù)興，提供堅(jiān)強(qiáng)的能源保障。
評(píng)論