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何继江:中国能源转型路线图的思考

2019-01-02

  全球能源转型是石油能源、环境保护、应对气候变化等因素不断迭加的结果。70年代两次石油危机,推动了石油依赖型的经济体思考石油替代的问题。英国、洛杉矶等发展城市应用酸雨、雾霾等环境问题的探索进一步推动了未来能源体系去煤化去油化的认识。而90年代全球应对气候变化的讨论最终明确了从化石能源向可再生能源转型的能源转型主旋律。联合国气候专门委员会于1995年发布IPCC第二次评估报告,极大地推动了世界人民对气候变化的关注,以及对能源转型的支持。1997年的京都议定书正是在这样的背景下签定。

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  能源转型的先锋则在政策和实践层面开始行动。瑞典小城韦克舍认为:“我们可以领先一步,不必等全球集体行动。”1996年,在京都议定书尚在酝酿过程中的时候,市政府在议会确定了fossil fuel free的愿景,希望未来成为化石能源零耗地区,而且能源消耗对城市不会有任何负面影响。具体时间为2030年零化石能源消耗,并随后实现零碳。这可能是最早提出完全不依赖化石能源目标的城市。到2013年,从1993年人均碳排放已经比1993年降低了47%了,为2.4吨。2014年,韦克舍供应的能源中有60%来自可再生能源。

  这样的愿景逐渐成为瑞典和更多国家的愿景。如瑞典明确2030年交通能源完全摆脱化石能源,2040年实现100%可再生能源。丹麦和冰岛明确2050年实现零化石能源。德国的目标是2050年温室气体减排80-95%。可再生能源占一次能源60%以上,电力系统中可再生能源超过80%。在欧洲之外,有很多政府提出很高的能源转型目标,如美国夏维夷州和加利福尼亚州制订了2045年电力系统100%可再生能源的目标。

  各国在能源转型的总目标有所不同,各国的转型策略的重点也有明确差异。如德国确定了2022年弃核的目标,弃煤的时间表尚未完全确定。法国高度依赖核电,但已经明确2021年就完全摆脱核电。英国宣布2025年弃用煤电,北欧国家的电力系统从来没有高度依赖过煤电。英国和法国宣布2040年禁售燃油车,而挪威则明确在2025年就要禁售燃油车。

  能源转型是一次全球的技术创新竞赛

  20多年前,fossil fuel free的目标被提出的时候,并没有成形的技术和方案来确保这个目标的实现。那时候,除了水电等有限的可再生能源技术,大多数可再生能源的技术很昂贵,很不成熟,或者还没有被创造出来。围绕建立可持续的能源系统的目标,围绕fossil fuel free的目标,世界各国,各领域的机构和人员启动了一场全球的技术创新竞赛。

  80年代末,冷战的结束宣告了全球军备技术竞赛基本告一段落。国与国之间的竞争转向到能源转型技术创新上,无论如何是人类文明的一件幸事。

  二十年来,能源转型的先行国家已经在在许多技术领域取得了许多创新成果,可资世界各国可再生能源借鉴。

  冰岛的地热利用技术的创新:成熟的地热的开采技术,地热发电技术,地热的低温供热技术等技术使冰岛的地热能源在一次能源系统中达到了66%的比例。

  瑞典的垃圾变能源技术。瑞典建立起了完善的垃圾分类制度,可燃垃圾热电联产,有机垃圾制沼气供车辆使用。现在瑞典有

  丹麦的风电技术和第四代供热系统。丹麦的风电设备技术也带动了全球风电技术的发展,丹麦的风电已经占到电力系统的42%以上。丹麦以及北欧各国推动的第四代供热系统大幅降低了供热系统的水温。

  挪威和瑞典的交通电动化技术。挪威2017年电动汽车(含混合动力)在汽车销售中的比重已经超过36%,虽然挪威自己不怎么生产电动汽车,但其在充电基础设施的建设方面为全世界积累了经验。瑞典由于电和热的生产中化石能源的比重已经很低,在交通能源转型方面正在进行积极探索,其探索的燃料电池技术在交通和住宅领域的应用具有领先性。

  德国的技术创新涉及面比较多。德国对世界能源转型最突出的贡献首推光伏,德国不仅生产制造光伏产品,而且在光伏服务业、光伏建筑一体化、高比例光伏渗透率的电力系统等方面都做出了前沿的实践。德国对光伏的度电补贴制度,对全球光伏产业的发展起到了重要推动作用。德国的E-ENERGY积极探索通信技术与能源系统的融合,不断提升了可再生能源在电力系统中的渗透率。德国正在探索的电力系统2.0以高比例消纳风电和光伏等可再生能源为目标。2017年,德国电力系统中风电和光伏等可再生能源的比重达到36.1%。德国的被动房技术、氢能技术也具有一定引领性。

  美国的能源技术的创新点以加利福尼亚州为标志。以特斯拉为代表的电动汽车引领了车辆能源清洁化的发展方向。日本的氢燃料电池技术技术,加拿大的燃料电池技术也丰富了全球能源转型技术库。

  在这二十多年间,能源技术的创新不断涌现,许多当年给予寄予厚望的技术并未取得预期的成功,如CCS技术,也有些技术取得了当初未曾设想过的成功,比如,风电和光伏。风电光伏并非是20年前的能源转型所设定的主要技术,但在实践中,光伏和风电成为了这次能源创新竞赛的胜出者。

  中国能源转型路线图

  把世界各地能源转型的先行者的探索汇集起来,并与中国国情相结合,中国能源转型路线图基本上浮现出轮廓。

  能源转型分为四大模块:电力系统转型、供热能源转型、交通能源转型、工业能源转型。

  一、电力系统转型。

  中国目前以煤电为主的电力系统将逐步转变为以风电、光伏和水电为的电力系统。

  青海、四川和云南,可以率先建成无化石能源的电力系统,燃煤电厂尽快退出。

  辽宁、浙江、山东、广东、福建、广西等省有丰富的沿海风电资源,又有一定的水电资源和抽水蓄能电站资源,可以建成水风光互补的电力系统。

  山西、内蒙、新疆、甘肃等煤炭资源丰富、煤电装机规模很大的省份,要逐步退役老旧电厂,存量煤电逐步从以发电为主转变为作为灵活性资源备用,直至完全退出。

  垃圾发电还有很大的发展空间,难点倒不是发电,而是环保和选址以及垃圾分类等问题。

  生物质发电在中国不宜推广,尤其是规模较大的电厂。

  核电不宜新增。即使不考虑核电的安全性问题,核废料将给子孙后代造成严重环保问题,是人所共知。而且从电的角度,所有新建核电站,建成之日起其发电成本就会高于光伏成本,不如搞光伏,而且核电调峰能力差,在未来以光伏风电为主的电力系统中提供不了灵活性,反而对电力系统造成巨大负担。

  二、供热能源转型。

  中国的供热能源要从目前的以燃煤热电联产和燃煤锅炉为主转变为以工业余热、可再生能源和电供热为主。中国目前的工业余热资源非常丰富,而且很多资源与大城市并不远。50-100公里的热力输送管线技术的发展将能够实现在更大范围内的热力资源的统筹和调用,为中国的大中型城市提供供热。

  从热源的角度,主要可用的可再生能源有太阳能、生物质能源、垃圾、地热等。利用这些资源,辅以多种热泵,可以建设分布式供热系统。配建大型储热水池项目的太阳能供热系统可以实现跨季节储热,把夏季的太阳能储存到冬季用于供热。 天然气属于化石能源,在中国的供热系统中只是个过渡角色,不宜大规模推广,其它的原因还有天然气价格高,进口比重过大影响国家能源安全等。

  长江流域传统上不属于供热地区,但随着经济水平和消费方式的转变,这些地区也逐步会采用住宅供热系统。多种类型的热泵供热可以在其中扮演关键角色。沿海地区的一些城市,因为电厂热电联产的缘故,燃煤电厂目前不得不继续保留,这些城市可以通过发展海水源热泵技术,淘汰燃煤电厂。

  随着新型城镇化的进展,在农村,区域供热的比重将越来越大。村镇级的区域供热采用生物质供热锅炉或小微型生物质热电联产具有很高的可行性。农村,独立的住宅,采用生物质供热锅炉、热泵供热和太阳能供热均是可行的解决方案。高档的独幢别墅或旅游区的分散式房屋未来可以采用氢燃料电池热电联产系统建设离网的,能源自我平衡型建筑系统。

  通过被动房技术建设低能耗建筑或近零能耗建筑降低建筑能耗,通过建筑与光伏的一体化提高建筑自身的能源生产能力,将成为未来现代化建筑的标准配置。

  中国的南方地区冬冷夏热,冬季有供暖需求,夏季有制冷需求,与北欧地区供冷需求很少的情况有明显不同,该地区的房屋不能简单套用被动房的技术路线。中国城市区域建筑密度大,热需求强度大,这是中国供热能源转型的最大矛盾。

  三、交通能源转型。

  乘用车用电动汽车为主,氢燃料电池为辅的方案可以将内燃机汽车基本替代。目前电动汽车使用的电以煤电为主,二氧化碳减排效益不明显。随着电源的清洁化,车辆用电的碳排放会越来越低。电动汽车、无人驾驶技术、汽车共享技术的协同推进将重塑交通系统,公路与光伏技术的结合也将推动实现交通系统oil-free和零温室气体排放。

  大货车有可能采用以氢燃料电池为主,电动汽车为辅的方案。电气化公路与无轨电动货车、无线充电等技术的组合可以使货车大幅降低对燃油的依赖。

  铁路已经全部电动化,铁路与光伏的结合有助于铁路使用更低碳的电力。

  内河航运将以船用LNG燃料作为过渡燃料,最终方向是氢燃料电池船舶,电动船舶和港口岸电系统的组合。

  航空运输的能源转型是巨大的挑战。中短期内可以考虑的是提高生物燃油的比重,中国大量的地沟量用于制备航空燃油是有必要的引导的方向。长期来看,还需要飞机能源系统的突破性创新,或交通技术的巨大变革。

  四、工业能源转型。

  钢铁行业和水泥行业等工业领域的巨大排放对中国是能源转型的巨大挑战。钢铁生产流程可以改用氢而不是煤来做还原剂,可以在根本上摆脱钢铁行业对煤炭的依赖。这些技术已经接近成熟,只是成本问题有待解决。中小型工业的蒸汽需求可以通过生物质成形燃料来解决,太阳能供蒸汽也将是重要的技术路线之一。

  中国能源转型的四项基本原则

  1、坚定目标。要在绿色发展理念下明确能源转型的总目标。目标设定的最基本原则是不要把环境问题留给下一代,更不要给下一代增加环境污染问题。在这个总原则下,要尽快明确2050年中国可再生能源占比目标,以及细化到电力、供热、交通等分领域的目标。尽快明确100%可再生能源的

  2、博采众长。中国要充分吸纳世界各国在推动能源转型过程中的技术创新、制度创新和社会创新。

  3、自主创新。中国是世界人口第一大国,能源消费第一大国,中国不可能等待其他国家把能源转型的技术问题全部解决以后,坐享其成。而且中国除了总量大之外,还有很多问题是欧美国家不具备的情况,比如,中国城市的大规模高密度和高能源强度。中国必须坚定的走自主创新的道路,加大能源技术的创新力度,力图创造能源转型的中国解决方案和中国模式。

  4、放眼世界。中国的能源转型不仅要考虑中国的问题,还要考虑世界各国的问题。欧美在推动能源转型,亚非拉国家也都需要能源转型,这是个大市场,是中国发展的机遇。中国要争取为世界提供能源转型的中国模式。

  中国将为世界的能源转型创造什么

  中国为世界能源新技术贡献试验场和庞大的市场。中国的光伏、风电装机量都是世界第一,中国的电动汽车保有量也是世界第一。中国在很长一段时间内将保持新能源投资第一大国的位置,从而为全世界的新能源技术提供了市场。

  中国为世界能源转型提供大规模低成本的产品。中国通过扩大规模,工艺改造、集成创新等手段,大幅度降低了光伏产品的价格,全世界光伏产业70%以上的产品由中国生产。中国持续增长的光伏产能将为世界能源转型提供坚实的后盾。中国的风电设备产业的发展也大幅度降低了产品的价格。在电池,电动汽车、氢燃料电池领域,中国也有望通过大规模制造大幅降低其成本。中国将成为新能源领域的世界工厂为世界能源转型提供广泛的产品保障。

  中国为世界能源转型创新引领性技术。中国的配电网、电力输送技术、电网高铁技术、能源互联网技术已经处于世界领先水平,能够以技术、产品、服务一体化的方式为发展中国家提供整体解决方案,推动其能源转型。

  中国的共享单车、互联网+正在创造新的低碳社会形态和社会治理模式,并已开始走出国门,为世界所借鉴。中国强大的自主创新能力,还将继续创造更多的新技术,贡献给世界。

  放眼全球,中国能源转型的探索,必将成为人类文明的重要成果,并将为全人类所共享。