編者按:面對巨大的挑戰(zhàn),中國必須大幅度調(diào)整能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu),這既是積極應(yīng)對氣候變化、推動低碳轉(zhuǎn)型、承擔(dān)大國責(zé)任的義務(wù),也是中國自身的戰(zhàn)略需求。
《巴黎協(xié)定》提出,要通過全人類的努力實現(xiàn)未來因氣候變化導(dǎo)致的大氣升溫不超過2攝氏度,這一目標(biāo)預(yù)示著,到2050年,全世界二氧化碳排放總量不能超過150億噸,中國的額度不會高于30~35億噸。然而,2015年中國碳排放量已達(dá)105億噸,如果持續(xù)當(dāng)前的生活生產(chǎn)方式與能源利用模式,33年后幾乎不可能將碳排放削減三分之二。
面對巨大的挑戰(zhàn),中國必須大幅度調(diào)整能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu),這既是積極應(yīng)對氣候變化、推動低碳轉(zhuǎn)型、承擔(dān)大國責(zé)任的義務(wù),也是中國自身的戰(zhàn)略需求。
面向2050年的能源系統(tǒng)
縱觀發(fā)達(dá)國家的能源轉(zhuǎn)型過程,在上世紀(jì)50年代之前,美國以及歐洲國家均以煤炭作為主要能源,從50年代初到70年代中期,這些國家掀起了一場以油氣替代煤炭的能源革命,逐漸過渡到油氣時代。到本世紀(jì)初,能源轉(zhuǎn)型再次在歐美國家興起,可再生能源嶄露頭角,讓其碳排放A量進(jìn)一步降低。數(shù)據(jù)顯示,英國2016的碳排放量較1990年減少了約36%,已經(jīng)降至自1894年以來除20世紀(jì)20年代煤炭開采糾紛期間的最低水平。
這些國際經(jīng)驗激勵了不少國人,他們希望中國能夠走入相同的能源轉(zhuǎn)型通道。2016年,煤炭在中國一次能源消費結(jié)構(gòu)中占比61.3%,中國仍處于煤炭時代,很多人呼吁中國首先應(yīng)該進(jìn)入油氣時代,尤其是提高天然氣消費比重,以盡快降低碳排放,然后再向以可再生能源為主的能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。
然而,如果以中國實際情況為基礎(chǔ)進(jìn)行分析,這種轉(zhuǎn)型路徑成本是極高的。從資源稟賦來說,中國富煤貧油少氣,加大油氣消費比例,需要進(jìn)一步提高油氣對外依存度,能源安全問題如芒在背。從技術(shù)條件來說,中國的燃煤發(fā)電技術(shù)全球領(lǐng)先,發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗是世界上最低的,而各種燃?xì)鈶?yīng)用技術(shù)則比發(fā)達(dá)國家落后很多,燃?xì)庠O(shè)備幾乎全部依賴進(jìn)口,放棄自身的優(yōu)勢技術(shù),去追求劣勢技術(shù),并不一定明智。
從能源轉(zhuǎn)型進(jìn)度分析,時間上也不允許中國走從油氣時代過渡的老路。石油、天然氣是化石能源,即使中國將全部燃煤都換為天然氣,考慮到經(jīng)濟(jì)發(fā)展和用能增長,每年的碳排放量也很難低于70億噸。如果先花10~15年時間進(jìn)入油氣時代,再花15~20年轉(zhuǎn)向低碳時代,投入巨資打造的油氣基礎(chǔ)設(shè)施還未真正發(fā)揮作用,便要分期廢棄掉,是不科學(xué)、不經(jīng)濟(jì)、不聰明的選擇。
考慮到能源革命的緊迫性,以及具體國情與資源分布特點,中國的能源轉(zhuǎn)型可能應(yīng)該一步到位地?fù)肀Э稍偕茉?,以可再生能源發(fā)電為基礎(chǔ)規(guī)劃未來的能源系統(tǒng)。
按照30~35億噸的年碳排放標(biāo)準(zhǔn),可以這樣規(guī)劃中國2050年的能源結(jié)構(gòu)。第一部分為電力,電氣化水平達(dá)到50%以上,年發(fā)電量8.5萬億~9萬億千萬時,其中核電1萬億、水電1.5萬億、風(fēng)電和太陽能發(fā)電均為1萬億,這樣非碳電力達(dá)到4.5萬億千瓦時,再由燃煤、燃?xì)猱a(chǎn)生4萬億~4.5萬億千瓦時,由此造成的碳排放量大約為22億噸。第二部分,非電燃料全年消費17億噸標(biāo)準(zhǔn)煤,其中生物質(zhì)提供8.5億噸,燃煤燃?xì)馊加吞峁?.5億噸,綜合起來形成的碳排放大致在14億噸左右。與前面發(fā)電碳排放加總為每年36億噸,略高于屆時的碳配額,如果再通過進(jìn)一步造林等碳匯活動,應(yīng)該能夠找回這1億噸排放量,從而實現(xiàn)中國的低碳承諾。
其實,由煤炭時代直接向以電為主的低碳時代過渡的能源轉(zhuǎn)型方案,與中國能源需求未來發(fā)展方向是相契合的。本世紀(jì)以來,中國能源消費快速增長,主要拉動因素是持續(xù)大規(guī)模的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè),而這種大規(guī)?;赡茉俪掷m(xù)十余年便將告一段落,只要不“大拆大建”,未來將不會像現(xiàn)在這樣需要巨量鋼鐵、有色金屬、水泥等依靠燃煤生產(chǎn)的建筑材料。到那時,能源需求盡管還會很高,用能結(jié)構(gòu)已然不同,對煤炭需求大幅減少,對電力需求快速增加,恰好可以與低碳能源結(jié)構(gòu)改造相適應(yīng)。
城市供熱系統(tǒng)藍(lán)圖
以可再生能源電力為中心,構(gòu)建面向未來的能源系統(tǒng),需要對能源需求端進(jìn)行比較大的改造。中國的可再生能源地域分布與傳統(tǒng)化石能源類似,絕大多數(shù)資源分布在“三北”地區(qū),而能源需求中心在東部沿海地區(qū),尤其是東部的城市,西電東輸、北電南送的能源輸送格局成為必然,這就要求東部城市必須滿足大規(guī)模接入?yún)^(qū)外電力的條件。
這并非一件容易做到的事情。目前,中國已經(jīng)遭遇了比較嚴(yán)重的棄風(fēng)、棄光、棄水問題,其中,約7成左右的棄風(fēng)出現(xiàn)在供暖期,在供暖期棄風(fēng)電量中,低谷時段棄風(fēng)又占供暖期總棄風(fēng)的80%。原因在于,現(xiàn)在的熱電廠在供暖季調(diào)峰能力不足。熱電廠除了發(fā)電,還要承擔(dān)北方城市的供暖任務(wù),且均采用“以熱定電”的模式運行,這導(dǎo)致其在供暖季的發(fā)電量很難調(diào)控,難以為風(fēng)電、太陽能發(fā)電騰出接納空間。
隨著中國城鎮(zhèn)化發(fā)展,城市供熱需求還將增加。為了在不影響居民用熱的情況下,增加城市能源系統(tǒng)對可再生能源電力的接納能力,就要改變熱電廠以熱定電的運行模式。一個可行的辦法是,采用“熱電廠+蓄能罐+電動熱泵”的方式,實現(xiàn)高效的能源轉(zhuǎn)換和電力調(diào)峰。具體做法為,給熱電廠加裝巨型蓄熱裝置和調(diào)峰裝置,在電力需求較大時發(fā)揮機(jī)組最大發(fā)電能力,靠蓄熱裝置供熱,在電力需求較小時,只輸出相當(dāng)于最大容量40%左右的電力,其他全高效地轉(zhuǎn)換為熱能,除滿足當(dāng)時的供給要求外還蓄存到蓄能罐中。這樣,可以根據(jù)電力負(fù)荷變化,在鍋爐主蒸汽量僅在80%~100%范圍內(nèi)調(diào)節(jié)的條件下,實現(xiàn)對輸出電力的連續(xù)調(diào)節(jié),在避免高效電廠低效運行前提下解決區(qū)外電力的供需矛盾。
充分利用純凝電廠和各類工業(yè)余熱作為熱源,進(jìn)行城市集中供熱,也可以在很大程度緩解因供暖造成的電力消納不足問題。目前,在冬季,全國純凝火力發(fā)電廠有大約6億千瓦熱量可用,,五大耗能工業(yè)(鋼鐵、有色、建材、石化、煉油)排放的余熱為2億千瓦,如果取熱電廠余熱的70%和工業(yè)余熱的50%作為城鎮(zhèn)供熱的基礎(chǔ)熱源,則二者合計為5.2億千瓦,可為130億平方米建筑提供40瓦/平方米的熱量,只需再補(bǔ)充一部分用于調(diào)峰的末端燃?xì)忮仩t,就可以滿足目前北方城鎮(zhèn)集中供熱系統(tǒng)的熱源需求。
未來的城市供熱系統(tǒng),應(yīng)該是一張跨區(qū)域聯(lián)接的大熱網(wǎng),把不同的低品位工業(yè)余熱熱源聯(lián)接在一起,與分散在城市中的成千上萬個熱力站連接,通過大管網(wǎng)互通互聯(lián),輸送到城市,根據(jù)電力需求變化調(diào)節(jié)熱電廠出力,根據(jù)工廠生產(chǎn)需要互通有無,滿足城市居民的熱需求。這樣的場景模式不但解決了當(dāng)前的難題,還可以大幅度地提高城市能源利用效率。
(作者系中國工程院院士、清華大學(xué)建筑節(jié)能研究中心主任,本文根據(jù)作者專訪整理)
原標(biāo)題:專家:中國能源轉(zhuǎn)型應(yīng)一步到位 直接擁抱可再生能源