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综观|世界能源清洁化之路

2018-05-14

  2018年3月13日,彭博新能源财经资深撰稿人Michael Liebreich撰文,深度探讨了未来全球能源清洁化发展的趋势。他认为,到2040年,全球1/3的电力将由风电和太阳能发电提供,1/3的交通工具将使用电力驱动,同时,世界经济的发展将从每个单位能源中获取总量达1/3的GDP。但在世界向清洁化发展迈进的进程中,仍存在诸多的困难与挑战,需要世界各国在政策支持、技术发展等方面作出更多有益探索。以下为Michael Liebreich所撰文章节选。

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  我在稍早前的文章中曾谈到过清洁能源和交通运输领域在过去15年中的巨变。曾经,可再生能源被认为是“可以被替换”的能源类型,而今,其被认为是“新型正统能源”类型,并将逐渐占据能源系统的主要地位。到2040年,全球1/3的电力将由风电和太阳能发电提供,1/3的交通工具将使用电力驱动,同时,世界经济将从每个单位能源中获取总量达1/3的GDP。

  事实上,我们也正在以超乎想象的速度步入这样“三足鼎立”的世界。且这样的速度似乎是不可阻挡的——风电、太阳能发电及电池成本的下降速度超过任何一家主流预测机构的想象,同样特朗普政府力求复活煤电的计划似乎也难以如愿所偿。

  但负面消息是,即便我们正在以极快的速度向2040年“三足鼎立”的能源构架迈进,但这样的成效仍难以达到巴黎协定所设定的目标。目前,电力仅满足20%左右的世界终端能源需求。即便是增加乘用车和轻型卡车的燃料供给,电力也仅仅只能解决1/3的终端能源消费需求。

  最值得引起注意的是,到目前为止,在工业、航空等交通运输领域,还没有任何关于如何协调经济与深度脱碳并行发展的正式概念被广泛推行。

  热负荷

  当我在3月初坐下来写这篇文章的时候,有“东方的野兽”之称的一股冷空气从西伯利亚席卷至英国,覆盖着整个大不列颠半岛的积雪使气温远低于冰点。当然这种情况并不经常发生,也许每十年发生1次或2次,但对于任何一个思考能源未来发展的人来说,这无疑是一个真正的挑战——英国经济发展中任何深度脱碳的解决方案都是关于如何应对这头来自东方的“野兽”。

  即使是在正常年份,英国冬季的热负荷(夏季的几个月份几乎为零)都将达到峰值——这是该国电力负荷的六倍,并且热负荷曲线几天内就能上下循环三次。

  如果计划依赖于电气化实现零碳供暖,不仅需要考虑更换国内所有锅炉和商业暖通空调系统、电暖器和热泵,所需的巨大成本,同时,还要考虑到发电能力、电网基础设施和电力储存方面所需的投资。在2016年政策交易所估算该笔费用将高达3000亿英镑(按当前汇率计算为4200亿美元)。

  在阳光明媚的天气,太阳能加电池的组合基本能够满足相当大比例的用电和供热需求(或更有可能是制冷)——太阳能发电或许只需要几天的存储量,并且根据电池成本的下降曲线,即便是电池化学在短期内还未有突破性进展,这样的组合都更具经济性和环境效益。

  尽管享受着非常低成本的页岩气,阳光明媚的美国各个州正在上演着太阳能发电与电池组合和天然气发电之间的竞争——尽管目前太阳能发电投资设有税收抵免,但补贴的缺失仍是光伏发电发展的一个制约因素。

  然而,在北纬40度左右的地方,太阳能发电可能在夏天生产极具经济性的电力,而其产量却在冬季急剧下降。以位于伦敦某住宅区屋顶光伏为例,其冬季的电力生产能力仅为夏季的1/13。

  尽管太阳能发电有诸多的优势,但其却并不能完全承担英国全境的供暖需求。当然,特高压直流输电技术使得从南欧或非洲等地远距离输送电力到英国得以实现,但特高压直流线路的成本,以及伴生的可能存在的风险等都需要审慎考虑。

  那么改用风电?其输出功率在冬季明显提升,符合供暖需求曲线,但风电的间歇期有可能会持续几天甚至几周,并通常出现在低温天气。因此风电配储能的经济性和技术要求显然与光伏配储能不可相提并论。

  尽管彭博新能源财经预测,全球的电池安装量都在迅速增长,但到2030年,所有与电网相连的电池总容量仅可满足全球7.5分钟的电力需求;即便将每辆电动汽车和轻型卡车的电池容量都算在内,也仅可以满足几个小时的电力供应——不是几天,不是几周,更不是几个月。然而,这仅仅是与用电负荷作比较,而英国的热负荷是电负荷的6倍。

  当然,将不同的可再生能源有机结合将对深度脱碳提供很大帮助。从理论上讲,可以建立一个充分利用任何可调度的可再生能源的系统,主要以生物质发电和水电来为风能和太阳能的间歇作补充,这其中也包含有电储能,以此来满足英国在所有天气条件下的能源需求。

  但与此同时,发电成本也会随着可再生能源渗透率的增加而以惊人的速度上升,甚至可以增长60%。即使是美国这样享有多样化可再生能源的国家,目前也正在探寻如何更好地利用和统筹多种可再生能源发电的路径。

  近期美国一位100%推崇可再生能源发电的学者指出,由21位专家学者提出的,将美国现有的水电资源利用率提升15倍,作为低风速和低光照时期的备用电力,其不菲的成本将大大降低此项举措的经济性和可行性。

  但这是否意味着,供暖需求将使我们背离脱碳之路?也是否意味着我们离“三足鼎立”的“理想国”越来越远?并不全然,即便我们将所有的希望都寄托于可再生能源,这里仍存在很多的可能性促使我们实现深度脱碳。

  建筑能效

  首先,我们都需要开始认真考虑建筑物的能效。这里所指的能效主要包括绝缘性,气密性,以及良好周到的建筑物设计。提高能效并不需要给建筑增加太多的建设成本,甚至在有些情况下,不需要任何的额外成本支出。

  十年前,我从来没有听说过被动式(PassivHaus)房屋建筑标准,然而十年后,几乎所有的新建建筑都在通用这个标准。实际上,使建筑物生产更多的能源,来抵消其所消耗的能源,以公共事业收入平衡其支出的能源消耗成本是完全可行的。这只需要应用我们所熟知的技术和技巧。

  虽然老房翻新困难重重,但重要的是,任何时候一个建筑物进行深度改造,都是力求将其能效提高到最高水平。一旦所有的新建筑物和深度改造都恰好完成,那么近20年内的供暖挑战将被削弱近半——更多的供热负荷将能够以电能替代的方式来满足,主要包括使用空气源和地源热泵。这已经在挪威和日本等国的低温地区普遍施行。

  同时还有其他新技术——很多创新型新技术研发公司正在致力于热电池、相变材料的使用、盐的利用,以及智慧热力学等技术的研发,甚至是混凝土保温水箱。Drake’s太阳能社区已经实现了冬季95%的供暖需求由夏季采集的太阳能进行供给。

  也因此,使用固体、气体甚至是液体能源满足世界绝大部分供热需求,具有重要意义。因为这些物质比电力更容易大规模地储存,以应对季节性和弹性需求。电力总是需要借助工业技术达到一定周期内的实时平衡,但关键问题是如何使它们成为真正的零碳排放。

  地处温带气候的国家和地区,如英国、北欧、新英格兰、加拿大、前苏联和北亚,很大一部分供暖负荷是通过沼气或生物质来满足,而实践证明,最有效的方式是热电联产。

  虽然在现有的社区很难增设区域供暖,但是该项技术在瑞典已经普及。自1960年以来,每十年就有10%的新增瑞典家庭使用区域供暖,到目前为止,已有超过半数的家庭接通区域供暖。

  因此我有这样的想法——既然我们不得不增加本地电网的容量来为所有的电动汽车充电,那么,结合新的基于生物质的热电联产,配以大容量的电池储能满足本地的供热需求,以提供电网服务和提高能源密集型行业的恢复能力为目标,同时减少对配电网的投资需求,是否会成为未来的发展趋势呢?

  氢能利用

  当没有充足的沼气供应,化石能源仍是运行热电联产的不二选择,它的效率可高达85%,但不是“零”碳。

  若想达到化石能源零碳排放,则需要使用碳捕获和储存(CCS)技术。但需要明确的是,在没有碳价格的制约下其是不可行的。在不考虑资金成本的前提下,微型热电联产具有强大的吸引力,即使是在有碳价格的制度存在下,对于如何捕捉来自分布式排放源的排放仍然存在一定困难。这就引出了氢能的使用——在不造成任何污染物排放的前提下提供所需能量。

  根据彭博新能源财经的预测,电池电动汽车可以在有充足电力供应的条件下,满足用户对于出行的任何需求,并且在未来五六年没有补贴的情况下,其对于用户而言,在市场上仍然具有与大多数内燃机交通工具相比极佳的成本竞争优势。

  那么又为什么要浪费一半的电力来进行电解氢,压缩并储存,用以氢燃料汽车的用能呢?如果只关心充电的时长,那么对于习惯于长途驾驶,并利用夜间充电的美国人来说,这基本上不算是个问题。因为大多数人都不想每隔几天去一趟氢站,以此来避免在长途跋涉期间可能会出现的为时仅20分钟一次的充电过程。

  因此,通常行驶里程超过300英里的商用车辆,基本均采用电来驱动。在船舶、跨大陆列车、长途卡车以及叉车等交通工具类型,氢能才能显现出其所具有的价值和意义。

  事实上,即使是出于季节性储存等其他原因而生产了氢气,那么相较于直接将其储存在氢燃料汽车里,将氢能用于集中发电或是给电动汽车充电也许会更具意义。因为这样做的话,不仅可以降低每兆瓦的综合成本,提高能效,并且可以利用余热从中获取额外的价值。也因此,与氢能站的稀缺相比,电网相对健全且无处不在,同时燃料电池车辆的复杂性,使得电动汽车的简单性、维护成本相对较低、安全性较高等优势更加凸显。

  尽管如此,我对氢能的发展前景依然看好。因为其是应对长期储存挑战最有优势的方法之一,其可以超越电池以分钟、小时或天的储存计量效果,亦或者是抽水蓄能电站对于地点的限制。它可以以氢的方式进行储存,或融入现有的天然气系统,或转换成氨、天然气、甲醇或一些高价值的合成液体燃料。

  氢可以为依赖于稳定电力供应的行业,比如制陶业等用电量巨大的工业提供可靠电力供应。我们目前需要做的,是进一步探索氢能在化工等领域的广泛用途,而不是仅仅将其定义为交通运输的燃料。

  氢的清洁程度取决于它的生产过程。目前,最经济的方法是蒸汽甲烷重组(利用热和催化剂来制氢)。然而,就像天然气热电联产一样,除非可以有效捕获在重组过程中释放出来的二氧化碳并将其隔离,否则小型反应装置(SMR)制氢在深度脱碳系统中并没有发挥太大价值。但当SMR制氢系统利用天然气进行操作,将大幅提高能效,并减少对新建基础设施的要求。

  第二种主要的制氢方法是通过电解。当然,利用的是来自于生物质发电的电能,太阳能发电的电力进行电解仍处于探索阶段。目前普遍存在一种认知——电解是有效利用过剩风电和太阳能电的一种完美解决方式,但这也可能存在一定的误区。电解,加上压缩、储存和运输过程所需的相关设备,或将氢转化为更高价值原料所需的设备,都需要大量的资本投入。

  即使设备的成本不断下降,并且发展的趋势也将要大幅度削减生产及设备成本,但7天24小时不间断地运行所节约的成本总好过断断续续地运行。同样地,利用富余的可再生能源电力推进脱碳化进程,表面上看是另一种有效利用富余可再生能源发电的方式,实际上是以可再生能源替代资本密集型产业的过程。从目前情况来看,制氢的最经济的途径是利用可再生能源中的光伏电力,并辅以电池即可实现电力的不间断供应。例如由荷兰实现的人造岛屿,都是得益于这些“高容量”因素。

  同样,太阳能热的发展也大有前途,有效的利用余热来驱动高温电解,将大大降低对电力的需求。相对于目前实施的碳价格约束机制而言,高温电解不失为一个优秀的解决方案。电解过程中产生的氧气可以用于天然气的燃烧,同时在过程中产生的近纯二氧化碳排放流,可以在隔离前直接用于Allam循环涡轮机发电。因此,利用余热驱动高温电解,可以实现天然气输入,氢、电以及水的输出,同时二氧化碳以尽可能低的成本被有效捕获隔离。

  考量核电发展

  在深度脱碳的选择路径上,核能的利用是另一种不得不被提及的有效方法。目前,在世界所有的零碳发电类型中,核能占比28%。2017年法国电力生产的总碳强度约估为65克/千瓦时二氧化碳当量,而德国为488克/千瓦时(不包括生物质)。

  尽管德国正在实施著名的“能源过渡计划”,但该国仍有可能达不到其2020年气候目标,这与其决定退出现有的核电站密切相关。欧洲其他国家,比如英国仍在启用核电站,该国则更有可能完成其2020年气候目标。当我们认真对待气候变化这一议题时,我们则应该保持现有的、安全的核电站继续运转,而不是过早地、冒然地退出核电产能。

  但对于是否应该新建核电站,仍值得讨论。据估计,HinkleyC电站获得了300亿英镑的补贴,而Flamanville,Olkiluoto,Vogtle,VCSummer和其他新建核电项目的延迟和超期运行都不容乐观。即便是在中国和印度,两国正在以供应链允许的速度建设核电站,但可再生能源产出的增长速度仍快于核能。

  几乎可以肯定的是,当前一代核技术在深度脱碳的未来中并没有显著的地位。然而根据统计数据显示,2015年仅在美国和加拿大,就有近50家公司筹集了超过13亿美元的私募基金,准备开启新的核电站建设计划。目前几乎所有关于小型反应堆的研究都是围绕灵活性、模块化和破损安全性的研究。换句话说,即使是在最糟糕的情况下,在电力和工作人员完全缺失的情况下,小型反应堆也会安全关闭,而不是熔化或爆炸。当然,目前世界各地还有许多其他更具有竞争性的设计。

  有待观察的是,这些所谓的第四代核电设计能否生产出具有成本竞争力的电力5美分/千瓦时的可调配零碳电力将更具市场,而15美分/千瓦时的价格则完全不具备市场竞争力。

  目前世界上有太多具有经济性的电源来满足电力需求,如前所述,“三足鼎立”的能源系统并不会坐等下一代核能的生产回报。该系统因具有储能(经济性)和需求响应的形式而具有强大的灵活性,因此,大量的“基础成本可再生能源”——即2~4美分/千瓦时甚至更低价格的电力,将不可阻挡地渗透于整个电力系统。

  “现代生态科学家”主张推进核能的使用,这将不会对风电和光伏发电产生实质性的威胁。但核能在未来“三足鼎立”的能源系统中的定位和作用值得思考。其中一个很重要的角色是制氢。作为电解电源,与风电和光伏发电相比,核能具有两大优势:首先,核能可以为电解过程提供持续不间断的电力供应;其次,核电的生产过程会产生余热,可以被利用于高温电解。

  其实,在未来“三足鼎立”的能源系统中,核电所产生的热能是其立足的秘密武器。目前还没有任何其他零碳能源的生产规模可以与之匹敌,包括地热和生物质。事实上,中国一直在考虑使用小型核反应堆进行区域供热。

  反对核能的人总是会以核扩散、废物处理和退役成本为论点质疑核能,其实这些都是合理的担忧,但是核能对未来深度脱碳可以作出的贡献也不能忽视。

  机遇期

  事实上,这篇文章的立意并不是在于如何勾画超越“三足鼎立”能源系统的蓝图,或者是给出实施深度脱碳的具体实施路径。任何关于未来30年技术发展的预测都有可能脱离现实,而如何正确运用和理解目前多变性能源和规模发展的机遇才是目前开展深度脱碳工作的关键。

  在过去15年中,我们目睹了世界能源和交通运输领域走向清洁化的几个关键节点——2004年,可再生能源实现了爆发式增长;2008年,世界电力系统开始走向数字化;2012年,电动汽车取代轻型地面交通工具。而时至今日,那些曾经“抵制”变革的行业——重型陆运、工业、化工、热能、航空和航运、农业,将会一个接一个地,或者更有可能形成一个紧密耦合的系统,在未来的几十年里逐步走向清洁化,并将会在超高效工业流程、互联和共享的车辆、航空运输的电气化、精准农业、食品科学、合成燃料、工业生物化学、石墨烯和气凝胶等新材料、能源和基础设施区块链、添加剂制造、零碳建筑材料、小型核聚变等领域取得惊人的进展。

  这些技术在当今可能并不具有成本竞争力,但未来它们的发展都将得益于风能、太阳能和电池领域发展所取得的成果。此外,就像无处不在的传感器、云和网格边缘计算、大数据和机器学习一样,它们也将为能源、交通和工业部门带来巨大的变革,使得待开发的能源得到更加有效的利用。借用马克˙安德烈森(MarcAndreesen)的话来说,“软件将吃掉效率低下的产品。”

  可以预见的是,最终清洁技术的发展将超过目前化石燃料技术所取得的成就。它们甚至不需要碳价格的约束,便可以释放出更多的经济效益和环境效益。

  而可再生能源的发展真正需要的是一套具有连续性的政府支持政策——涵盖研发、标准、税收、贸易政策和政府采购,以此来减少摩擦、消除统筹风险,以此来帮助可再生能源克服在发展道路上可能出现的问题,还原其成本竞争力。玛丽安娜˙马祖卡托(Marianna Mazzucato)称之为“以使命为导向”的创新,在这个方面,英国政府称将其称之为“清洁发展战略”。

  所以,无论是努力走向“三足鼎立”的世界,还是试图弄清楚接下来会发生什么,目前我们正处在一个无与伦比的机遇期。那些押注正确的国家、企业和投资者必将获得丰厚的回报。