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“双碳”目标下多措并举推进能源革命

2021-09-27 08:41:53 中国科学报   作者: 谭忠富  

导致地球温室效应的气体主要有二氧化碳、甲烷、一氧化二氮、含氢氟氯的碳化合物、六氟化硫等,近30年二氧化碳的温室气体贡献率占比80%以上。多项研究表明,无论从机理还是特征上看,地球升温主要由二氧化碳导致。

我国正处于经济高速发展期,二氧化碳排放自然会很高。作为负责任的大国,我国主动提出“碳中和”目标,但由于我国碳排放强度是国际平均水平的1.3倍,而且经济发展与碳排放没有脱钩,对于当前的经济总量、产业结构和能源结构来说,供能与用能结构的全面调整将面临巨大挑战。

多源互补推进能源供给侧革命

我国西北地区的内蒙古、新疆、甘肃、青海和宁夏,风光可开发量达到397万亿千瓦时/年,相当于4700个三峡水电站,只要开发1/60就能满足当前全国的电力需求。

目前,青海发电装机4030万千瓦,其中,清洁能源发电装机3638万千瓦,占比超90%,新能源发电装机2445万千瓦,占比超60%,2020年全省清洁能源发电量847亿千瓦时,新能源发电量249亿千瓦时,相当于替代原煤3811万吨,减排二氧化碳6268万吨;新疆风电装机2009万千瓦,光伏装机1027万千瓦;宁夏风电装机1116万千瓦,光伏装机918万千瓦,并建设了全球最大的光伏发电电解水制氢项目;内蒙古风能可开发潜力达1.5亿千瓦,占中国陆地50%,风电装机1849万千瓦。

西北地区用电负荷不高,火电、光伏发电、风电可以打捆向华北和华中电网外送,减少煤电出力从而降低二氧化碳排放。如云南、四川的水电装机比重近70%,水电丰枯期出力与负荷需求特性不匹配,造成弃水,而广东、贵州以火电为主,区域之间可通过水电、火电互补运行,既减少弃水又节约煤炭资源,同时降低二氧化碳排放。

我国需要依托特高压大电网对可再生能源进行基地化、规模化开发,如西南地区金沙江、雅砻江等流域建成了4个水电基地,三北地区及甘肃、新疆、宁夏等建成8个千万千瓦级风电基地,青海、新疆、内蒙古等建成8个千万千瓦级太阳能发电基地。

我国能源结构需要从煤电为主向光伏与风电为主转变,发展抽水蓄能、电化学储能,实现以光伏、风电优先消纳为主的“水电+风电+光伏+储能+核电+燃气发电”多源互补运行方式。

“冷热电气”推进能源消费侧革命

2019年,我国能源活动过程的碳排放为94亿吨,其中能源生产与转换过程的碳排放占比47%,能源消费过程的碳排放占比53%。能源消费过程中,工业碳排放占比30%,交通占比13%,建筑占比6%,其他占比4%。而工业领域中,钢铁碳排放占比17%,建材占比8%,化工占比6%。

针对钢铁、水泥、化工和有色等工业领域的碳减排,可通过再电气化(如电窑炉、电锅炉等)实现以电代煤;针对建筑楼宇、学校、医院和企业的食堂等,可以推广屋顶光伏、电源热泵、电采暖和电气化厨房等,实现以电代煤或以电代气;我国新能源汽车保有量突破500万辆,针对交通领域的碳减排,可以大力推广电动汽车、氢燃料车,实现以电代油或以氢代油。

对于产业园区、机场、火车站、校园、医院、综合楼宇等,以燃气分布式冷热电三联供为核心,互补整合光伏发电、小风电、地源热泵、污水源热泵、生物质能、工厂余热余压尾气等,继而将新能源发电转换成制冷、制热、制气并进行储能(蓄冷、储热、储气、储电),实现连续需求用户的用冷、用热、用电、用气、用氢等,就地利用分散新能源,减少碳排放。

新型电力系统催生能源技术侧革命

以新能源为主体的新型电力系统应以风电、太阳能发电等新能源为主体,以煤电、气电等化石能源为辅助,以辅助性电源支撑大规模波动性、间歇性风、光出力有效消纳的新型电力系统。

我国日用电高峰一般出现在上午9~11点和晚上7~10点,而风电主要出现在后半夜,光伏在晚高峰为零;季用电高峰出现在夏、冬,而风电主要集中在春、秋。国网区域风电出力日波动可达6300万千瓦,光伏出力日波动达到2亿千瓦;相邻两日间风电发电量相差可达9.46亿度,光伏发电量相差可达4.23亿度;东北出现连续92小时无风,华北58小时无风,西北120小时无风;华中、华东持续8天无光,湖南、江西持续超过10天无光。1月6~8日,南方出现寒潮,寒潮前全国风电出力达到1.1亿千瓦,寒潮后风电出力降低到0.6亿千瓦,但寒潮后增加制热电负荷5000万千瓦,正负相差1亿千瓦,相当于200台50万千瓦机组的停启。

上述数据表明,在火电全部退出的情形下,储能需要连续放电120小时或10天,充/放功率需要达到5000万千瓦。2030年,我国风电、光伏发电装机预计达到19亿千瓦,电动汽车保有量达到4000万辆。

发电、用电的高度双侧随机性,需要构建以新能源为主体的新型电力系统,融合信息化、智慧化、互动化信息通信技术,凭借互联互通能源网络平台,各类电力资源互动共享和互为备用,区域间、时段间的风光水火核、冷热电气氢等能源电力配置双向互动、智能高效,新能源发电主动平抑波动,电网与发电、用户友好协调,灵活柔性,精准调峰调频,提升主动支撑性能。

各类投资主体需要能源体制革命

我国煤电油气能源领域基本由国有企业垄断经营,随着冷热电气综合能源供应体的出现,以及“风光水火”电的打捆互补运行,原来的垄断状态正在被打破,一些优秀的低碳设备技术民营企业、股份制企业蓬勃发展。

例如,比亚迪的电动公交车出口美国、日本、英国和法国等国;远景能源的智能风机出口英国、墨西哥、阿根廷和法国等国;特变电工的光伏、风电出口智利、泰国、印度和巴基斯坦等国;金风科技的风机出口北美、欧洲和中东等地区;华为的智能光伏逆变器出口60多个国家和地区。

另外,用户用能的多样化(采暖业的热负荷、炼油业的电负荷、造纸业的蒸汽负荷、商场的冷负荷、工业锅炉的燃气负荷)基本归结为电、热(热水、蒸汽)、冷、气(燃气)等需求,可以通过电采暖、电制冷、电转气、储能(蓄热蓄冷储气储电)、电动汽车、客户群需求响应,与风电、光伏发电、小水电、地源热、秸秆发电、燃气冷热电三联供互补来实现能源梯级利用。

多能互补运行不仅需要“风光水火”电源的多补、“源荷储”(冷源、热源、电源、气源,冷负荷、热负荷、电负荷、气负荷,储冷、储热、储电、储气)的多补,还需要“冷热电气”的互补。因而迫切需要能源体制革命,打破各主体之间的“行业分割”“地域分块”,以及技术、市场和体制等壁垒,跨界融合冷热电气供应与需求,推动能效提升和新能源消纳。

(作者系华北电力大学经济与管理学院教授)




责任编辑: 江晓蓓

标签: 双碳 能源革命

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