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能源轉型:問題與展望(上)

發布日期:2020-10-10 信息來源: 電力大數據 字號:[ ]

中國電力企業聯合會電力統計與數據中心

蔣德斌

在2020年9月第75屆聯合國大會上,習近平總書記向全世界做出“力爭於2030年前二氧化碳排放達到峰值,努力爭取2060年前實現碳中和”的承諾,這個承諾體現了中國作為一個負責任大國的勇氣與擔當,也為能源發展指明了目標和方向。能源是二氧化碳排放的重要來源,在實現排放目標、兌現氣候承諾、保障能源安全方麵,承擔著重要的責任。必須緊緊抓住能源發展的關鍵,堅定不移地推動能源轉型,在轉型思路、轉型策略、關鍵技術和係統設計等各方麵,認真研究、統籌規劃,確保實現能源轉型的目標,推動中國能源安全、綠色、協調、高質量發展。

一、能源發展的關鍵在於轉型

人類對能源的依賴性越來越強。

能源的重要性,在人類早期就有所認識,所以自人類有社會組織以來,就很注意儲存糧食以備饑荒,鬥爭時期更是將截斷糧草作為奪取戰爭勝利屢試不爽的法寶。人類社會自實現能源的工業化生產和應用之後,才有可能實現在不到一個世紀的時間內,所創造的生產力,比過去一切時代所創造的生產力還要多、還要大。因為無論是工業機器、化學、輪船、鐵路、電報等,都需要大規模的能源作為基礎和支撐。分析過去幾十年的經濟發展速度和能源供應曲線,現代社會經濟的發展和能源具有極為緊密的關聯性,能源供應的波動必然帶來經濟發展的波動,反過來,經濟發展波動,也帶來能源消費的波動。人類離不開能源,能源供應中斷事故造成的破壞性後果,更是直觀地展現了人類基本生產生活對能源的依賴性。

化石能源始終是主力消費能源。

人類社會進入工業社會以來,一段時間內對於能源的需求,呈現幾何級數的增長。即使到最近幾十年,總體上依舊處於較快增長的趨勢。按照BP的統計數據,到2018年,全球的能源消費總量是138.65億噸標準油,這個規模是1965年消費總量的3.72倍。在2018年所消耗的能源中,化石能源占117.44億噸,在終端能源消費總量中的占比是84.7%,這個比重雖然比高峰年份有所降低,但是依然占絕對比重,而且絕對的消耗量仍在增加。

對化石能源的嚴重依賴隱藏著嚴重的危機。

對化石能源的嚴重依賴,所帶來的問題有以下幾點:第一,化石能源將很快被消耗淨盡。雖然還有未曾發現的化石能源蘊藏,但是化石能源的儲量終究是有限的,如果不能找到合適的替代能源,按照2018年的消費速度,在八十年左右的時間內,全球化石能源將消耗淨盡。第二,大規模開發利用化石能源帶來嚴重的環境汙染。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,形成酸雨等腐蝕性汙染物,同時在開發、生產利用過程中排放煙塵的其他汙染物,對局部地區水土、地質等造成破壞和汙染。第三,化石能源利用過程中大量排碳,是大氣溫室效應的主要影響因素。大量碳本來儲存於大地岩層內的化石能源中,在化石能源燃燒過程中以二氧化碳氣體形式排入大氣,急速加快大氣中二氧化碳含量,使得地球大氣溫度升高,已經成為全球共識。這些問題都會對地球生態環境帶來嚴重影響,最終對人類的發展和生存帶來挑戰。

能源技術和能源治理都還沒有找到革命性的突破口。

人類意識到能源問題帶來的挑戰,一直在努力尋求未來能源供應的解決途徑。從技術上看,還沒有找到很好的辦法。人們普遍認為,能夠替代化石能源的主力能源,可能是水電能、核能、風能、太陽能和海洋能。除了海洋能主要還是在實驗和小規模建設初步生產外,水電能、核能、風能和太陽能等的應用都已經比較成熟,近二十年也取得了很大的發展。然而,這幾種能源在能源消費總量中的比重,加起來還不到16%,而且還沒有一種單一能源在消費中的比重超過10%(水電能占比最大,為7%),所以,還沒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,能源問題不是一個國家、一個民族的問題,所有國家和民族,是緊密綁在一起的人類命運共同體。地球上的所有生命的命運,都最終取決於人類的選擇。地球不需要人類拯救,因為即使沒有人類,地球依舊存在。但是人類和這個星球上的生命,生存或者死亡,則取決於人類的自覺、智慧和執行能力。問題在於,人類雖然已經認識到這個問題,但是在摒棄分歧、實現合作以達成全球統一行動,實現有效的能源治理上,還存在嚴重的問題。

人類一切活動都嚴重地依賴於能源,而能源供應麵臨資源枯竭、技術能力、大氣環境等因素的限製,能源已經日益顯示出其成為人類發展的瓶頸和約束。確保未來能源供應,已經成為擺在人們麵前的一大課題。人類必須合作以實現全球能源的有效治理,共同應對麵臨的困難和危機。然而,對於能源轉型的技術方向,實現有效的全球能源治理,以及關係人類命運長遠和持久發展和短期利益分配協調等機製,都還沒有形成共識。能源發展正處於十字路口,人類的命運,處於十字路口。

二、能源轉型的關鍵在新型能源

能源轉型,也已成為業內專家和全社會的共識。但是,該如何轉型,還有很多不同的意見。

能源轉型的關鍵,是能夠規模地開發和使用新型能源。新型能源,是指風電能、太陽能(包括光伏、光熱、熱動力利用方式)、生物質能以及海洋能。這些能源一般具有以下幾點最基本的特征,也是對轉型能源最基本的要求:一是能源開發利用在技術和經濟上是可行的。技術上可行,才有能源開發利用的可能;經濟上可行,才能夠得到可持續的推廣應用,且應在計入環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。二是能源在開發、運輸和使用過程中不會對環境、大氣等帶來負的外部效應。能源過程必然會對外部環境帶來影響,但是這個影響要麽是正麵的,要麽其負麵影響是在可接受的範圍之內,或者可以通過技術和管理措施加以修正的。第三,這種能源可以安全地大規模開發利用,從而具備替代傳統能源的能力。

目前,符合這三個特征的能源,包括水電能、風電能、太陽能、生物質能等新能源。核能實際上也是清潔的能源,但是自福島核電站事故以來,發展並不順利。

對於這幾種能源,在筆者看來,還是存在一些關鍵的問題沒有解決,這些問題不解決,就難以真正成功地實現能源轉型。

第一,決定太陽能、風能、水電能等的資源蘊藏量的主要因素,是受經緯度決定的環境氣候、地理特點和地質特征等,在資源查探技術與能力基本成熟的情況下,資源蘊藏量是相對穩定的,在較長時期內不會有大幅度起落,除非局部地理或者全球氣候發生突變。這一點在當前的能源轉型討論中很少提及,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現。新型能源可開發的資源儲量能不能滿足未來的能源需求?筆者研究發現,至少對於中國而言,將所有技術可開發的太陽能、水電能、風電能均開發利用後,依然不能平衡中國未來強勁的能源需求。在分析的各種情景下,目標年需要化石能源平衡的能源需求份額較大。這是一個值得重視的問題,如果不能夠提前預見並做好準備,在化石能源難以為繼的情況下,能源出現斷崖式的“硬”斷供,從而引發經濟和社會的混亂,不是不可能發生的事情。

第二,在資源蘊藏總量一定的情況下,要增加新型能源的供應能力,唯一的途徑是通過先進技術手段提高能源轉換的效率。對於風電能來講,就是能否改變風電能依靠風輪轉換成電能的技術路線,以突破貝茨理論的轉換效率限製,同時降低風電能轉換設備的製造難度。對於太陽能光伏利用來講,就是如何不斷提高太陽能光伏轉換的效率。目前投入商業應用的先進光伏發電的轉換效率大約25%,理論上,這個效率可以提高到70%以上。隨著轉換效率的提高,太陽能作為供應能源的供應能力可以得到大幅度增強。

第三,新型能源具有間歇性和不可確定性的特點,與連續、可靠、可持續穩定的能源供應要求相矛盾。因此,在發展新型能源的同時,必須發展配套的能源技術,其中最為重要的是大容量的能源儲存技術,以及具有與新型能源互補特性或逆向調節特性的能源。在以新型能源為主的能源係統中,係統本身不具備足夠的調節容量,或者沒有安裝足夠容量的儲能設備,係統能源供應的穩定性、安全性和可靠性無法保障,新型能源也就不能作為主力能源。

三、中國能源轉型的前景和挑戰

作為一個有抱負的民族和國家,中國在能源問題上的基本方針是要加強國際合作以實現全球能源的理想治理,同時又必須實現能源獨立自主——不僅僅是能源供應,也包括能源核心技術和能源治理——從而實現獨立自主和安全充分發展,這確實是一個嚴峻的挑戰。

分析中國能源轉型過程的基本思路是,設定一個經濟目標和相應的能源目標值,並由此反推,推算達到這個目標值所需的合理時間和各水平年的平均增長速度,以及各個水平年能源配置的基本結構,從而可以模擬能源轉型的完整過程。筆者在模擬分析中,考慮在三十年的時間內,中國人口基數維持14億不變,人均GDP4.23萬美元,達到德國2018年水平,能源強度1.08千瓦時/美元,達到歐盟2017年的水平。考慮水電能、風能和太陽能資源到目標年實現充分開發利用,按照三種化石能源不同的增長組合,能源需求的缺口由核電能補足,對能源轉型分四個場景進行分析。分析表明,到目標年,中國的一次能源總需求將達到63.2億噸標準油,為2018年的1.93倍,年人均能源消耗能源189.6吉焦。

分析四種能源轉型場景,顯示中國在能源轉型過程中,煤炭將持續作為基礎能源,到目標年最為理想的情況下,煤炭依舊是一次能源消費中占比最高、達到41%,其次是核能,占比將達到12%,其後一次是風能11%、石油10%、太陽能9%、水電能8%、天然氣7%。基於此能源結構,在終端能源消費中,電能消費占比將達到52.8%。

展望中國的能源轉型,有幾個問題需要重點關注:

第一,關於煤炭的地位問題。中國是一個能源資源短缺的國家,化石能源資源儲量隻有全球的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,也隻占全球的13.2%,隻有美國的一半左右。近年來,中國煤炭生產量大,2018年的儲采比隻有38年。因此,煤炭是中國的主力能源,但是也是最需要謹慎利用、精心安排利用的能源。如果煤炭利用不當,中國的能源安全得不到可靠保障,無法實現能源的“軟”轉型。

第二,依靠新型能源無法支撐中國安全地實現能源轉型。這裏主要存在兩個方麵的問題,一是失去化石能源的支撐,又在技術上不能大規模開發海洋能的情況下,新型能源的可利用能源量無法滿足未來中國的能源需求,而海洋能開發利用技術目前才剛剛起步,其發展的技術路線、前景和規模尚難以預料;第二,如果沒有化石能源和核能的支持,新型能源的調節特性不具備響應能源需求特性的能力,能源係統的安全性、可靠性和可持續性無法得到本質性的保障。

第三,加強安全性能好、調節性能強的核能利用。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題,以核裂變原理獲得可控核能的技術,已經發展到第四代,安全性總體上是能夠得到保障的,但是要確保萬無一失,就要加強利用核聚變原理獲得可控核能的技術開發和生產應用,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於發電,而應在電、熱綜合利用、核電餘熱淡化海水或者製氫等等方麵加強研究和應用,提高核能源的利用效率。第三,要加強核電機組的靈活性,從模塊化、小型化和提高核電機組調節能力等方麵著手提高核能源的調節能力,以適應大量新型能源接入係統的條件需求。





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