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能源转型:问题与展望(下)
来源:电力大数据 时间:2020-10-10 字体:[ ]

四、中国能源转型的基本策略

能源的未来决定人类的未来,能源转型是这个时代紧迫而重大的课题。在能源转型过程中,要以瞻望长远、尊重科学、周密论证、立足实际,确定能源转型的基本策略。

一、充分利用传统化石能源

一是减少石油的动力应用。石油用途广泛,十分珍贵,石油资源减少对工业影响很大。目前差不多七成左右的石油用于交通动力,在控制石油总体消费量的前提下,抓紧发展高能量的动力电池等技术,发展电动力、氢动力、燃气动力新型交通工具,逐步替代石油在交通动力领域的应用。

二是扩大天然气生产渠道以保障能源稳定供应。从能源安全角度考虑,控制天然气进口比例保持在40%左右。以2018年天然气储量为基准计算,到2048年,天然气存在19.8%的缺口,缺口量为10.3亿油当量。为满足天然气需求,一方面,需要增加天然气查探力度,发现更多天然气资源,另一方面,则要加大可燃冰资源的开发利用力度,尽快实现可燃冰资源低成本可持续生产。第三,推进电转甲烷技术研究,建设碳-能循环系统试验项目,并逐步实现产业化,确保燃气在将来的能源供应系统持续稳定利用。

三是妥善利用煤炭资源。2018年,中国煤炭进口量占煤炭总量的7.2%,为延长国内煤炭储量的使用、为能源转型争取时间,应在控制煤炭使用总量的同时,增大煤炭进口比例,以每一年进口量比上一年增长5.9%计算,到2048年煤炭进口量占煤炭总量的40%。按此,到2048年,三十年共消费煤炭688.9亿吨标准油,其中进口138.4亿吨,国内生产550.5亿吨,平均进口占总消费的20.7%。以2018年煤炭储量计算,到2048年,还可以剩余143.5亿吨标准油煤炭储量。这个量,以2048年的煤炭年产量算,还可以生产九年多时间。

从目前看,煤炭主要应用于电力行业,其次是钢铁行业、化工行业,同时,全国还存在较大的散烧比例。煤炭的各种利用方式效率并不一样,集中利用效率更高、排放更小、更清洁。未来煤炭利用,应着力发展超低排放的燃煤发电,加强散煤治理和离散能量需求替代,开展新型煤化工等,提高煤炭的使用效率,减低煤炭污染物排放。

二、综合利用清洁能源

目前公认的清洁能源,包括水电能、风电能、太阳能和海洋能。核能只要安全性得到保障,是极其优质的清洁能源。清洁能源是未来能源转型的重要选择,要大力开发利用好。清洁能源利用,能源供应系统的设计非常重要。综合考虑,未来能源供应系统主要包括以下几类:

传统型能源供应。这是目前城镇主要采取的能源供应方式,也是将来重要的能源供应模式。通过与大电网相联获得可靠的电能供应,通过与燃气主系统相联获得可靠的燃气供应。具备条件的,可以安装太阳能利用设施(发电或者供热)作为供能补充。这种模式未来在商业模式上、经营方式上可能会发生变化,对于用户来讲,一方面会增加商业的选择性,甚至参与商业活动。另一方面,通过开发用户多能源供应的综合优化系统,能源供应将更加经济和智慧。

挂网型能源供应。这种方式一般是自身有一定容量的能源生产能力,但是通过和能源主网联结,以能源主网作为备用能源以增强能源供应的可靠性的供能方式。当主网事故出现供应中断的时候,这些用户的能源供应一般可以保障能源供应,有条件的用户还可以返送能源以支持大网启动。这也是未来能源供应的重要方式,用户使用自己生产的能源还是主网能源,用户对于主网是能源用户还是能源生产厂,取决于用户的经济优化结果。

离网型能源供应。在偏远地区,将能源供应网络延伸过去成本很高,或者在技术上实施时较为困难。远离大陆的岛屿不太可能与大陆建设物理相连的能源系统,岛屿之间有时也很难通过物理的能源输送网络联结起来相互供应能源。这时需要因地制宜地在当地建设离网型供能网络,无论是单一农村用户,还是一个孤岛的能源供应,其基本原理都类似,只是复杂程度差别很大。离网型能源供应系统,可用能源可以是天然气、生物质、太阳能、风能、海洋能等任何一种或者几种的组合,其中,大容量蓄能设施是不可或缺的关键设备。

为孤岛或者岛屿群设计的离网型供能系统,在生产能源的设施中,除了风能和太阳能以外,还包括波浪能等海洋能。如果碳-能循环系统发展成熟,可以利用此系统对岛屿实现燃气供应。岛屿之间通过船运蓄能体或者人造天然气,从而将岛屿群联结成为一个能源供应网络,岛屿群和大陆之间也可以通过船运建立能源联结。

三、能源输配系统

在结合实际综合设计能源供应系统的同时,能源的输配网络也将与现在有所不同。终端能源中电能比例增加,电储存技术发展以及综合能源利用技术的发展,可能会对能源转运格局产生深刻的影响。这个影响体现在以下几个方面:

第一,终端能源消费中增加的电能比例主要是新型能源和核能,新型能源的随机性、低利用率使建设大电网输送电能变得不那么经济。为此,煤火电、天然气火电厂应与新型能源开发综合规划、配套建设。适应新型能源的特征,需要增加火电机组的灵活性,以及处于负荷中心的核电机组的灵活性。这将使得火电机组、核电机组的效率和经济性变差,需要认真研究解决。

第二,作为高能量密度的电源,核能应该建设在负荷中心区域,但是核能站址选择将是一个问题。理论上讲,可以在退役火电机组退出来的厂址,建设高安全性、具备综合能源利用特征的模块化核能电站,但这又将面临核能安全问题所带来的社会承受压力。核能布局东南沿海可以很好地平衡电能西电东送、北电南送的潮流,但是沿海适合发展核电的厂址有限。在能源供需紧张的严峻形势下,内陆发展核电,是迟早的问题。这些都将对未来能源输配产生很大的影响。

第三,随着小型太阳能、小型风电的普及应用,以及农村生物质能源利用(如沼气资源)的发展,挂网型、离网型等微网能源供应比例增加,将对主网能源供应带来影响。一方面,使得在偏远地区不惜代价地建网通能失去比较价值 也褫夺了主网对这些地区实施能源供应的权利。另一方面,微型能源网可以对主网形成很好的补充,在主网遭到外力破坏的时候,不仅能够保障自身能源供应,还可以对主网形成支援。

第四,电储存技术使得电能不一定必然通过大电网输送,也可以通过货运蓄电池的方式输送电能。大容量蓄电池使得离网型能源网有了可靠备用,也使得孤岛电网之间可以通过货运网络联在一起,从而构成了除电网之外的新的电能输送网络。

第五,不可调度、离散新型能源网生产的电能,也可以通过碳-能循环系统就地转换成可大量储存、运输的天然气,通过货运网络输送到需求地,以燃气直接利用或者再次发电转换成电能使用。技术成熟后的此类能源生产单元,在将来具有很大潜力,将成为未来能源供应系统的重要组成部分,也使得天然气有条件成为永远的能源。

 四、能源转型中的关键技术

为确保能源转型过程及未来的能源供应系统安全、可靠、稳定和可持续,需要重点攻克几项关键的能源技术。这几项技术是大规模能量储存技术、海洋能综合开发与技术、碳-能循环的技术与系统集成。

大规模能量储存技术。当前,能量储存技术已经在能源供应系统中得到较为广泛的应用,但是,较为成熟且能够大规模储能的只有抽水蓄能技术。采用压缩空气储能(CAES)技术的,目前只是在德国和美国,各有一座十万千瓦级电站,国内仍在做研究和工程示范。电储能技术具有能量密度高、综合效率高、反应速度快的优点,特别适用于与太阳能光伏、风能发电等新型不可调度能源配合使用,也很适合在微电网中使用,但是其主要的瓶颈在单个电池容量不高、寿命较短及废旧电池处理带来的环境污染问题。储能技术向着大容量、小型化、可移动、标准化、智慧型的发展方向,将给未来的能源供应系统,特别是电力系统带来本质性的改变,也是能源顺利实现转型的基础的和关键的技术。

海洋能的综合开发和利用技术。海洋能包括潮汐能、波浪能、潮流能(洋流能)、温差能、盐差能等。将海洋中的机械能或化学内能转换成电能,目前比较成熟的是潮汐能发电技术,能量密度比较大的是波浪能和海流能发电技术。这三种技术都已经有建成运行的发电站,或者试验站,并不断向更大容量和规模发展。温差能和盐差能发电则依旧在试验研究阶段,离正式的商业应用还有一定的差距。海洋占地球表面积的70%以上,阳光照射到地球,大部分能量为海洋吸收,而由于太阳和月球引力所引起的潮汐和海流(洋流),也蕴藏着巨大的能量。据OES估计,全球海洋能年发电量合计超过76万亿千瓦时,接近2018年全球总发电量(26.6万亿千瓦时)的三倍。

海洋能开发利用的基本思路,一是要将海洋能发电系统和海上太阳能发电系统、海上风力发电系统结合起来,实现多能互补海洋能集成系统发电。二是要将海洋能发电系统和储能系统结合,在提高能源开发利用率的同时,储能可以使海洋能发电系统完全脱离陆地岸边,不需要建设成本高昂的输电配电设施。三是海洋能发电系统与人工化石能源合成、海水淡化系统结合,即利用海洋能发电系统生产的电力就地淡化海水,这方面已经有工程实施。也可以利用所发电能和海水制氢,进而利用氢和空气中的二氧化碳,制成安全技术和运输技术成熟的人造天然气,同时可以吸收大气中的二氧化碳。

人造天然气技术。捕集空气中的二氧化碳和水,消耗电能制造碳氢燃料,生产易于运输和储存的液态碳氢燃料,如甲烷、乙醇等,从而实现碳能循环。目前这种电转碳氢燃料技术总体上还不算十分成熟,在多个技术路线中,以电解水制氢结合二氧化碳加氢技术路线已经建成多套示范装置。

五、针对气候问题的能源系统集成设计

能源带来气候问题的本质,是因为化石能源的大规模开发利用,改变了碳的天然循环,把处于岩石圈中的还原碳过快地释放到大气中,人为地加快了岩石圈和其他圈层的碳交换,导致大气中二氧化碳的浓度升高,破坏了自然界原有的平衡。从而带来全球碳循环失衡,改变地球生物圈的能量转换形式,导致全球气候变暖,随之带来海平面升高、冰川融化、极端气候等一系列生态环境问题。

碳-能循环系统的基本思路,就是采用一些关键技术,将大气中多余的碳还原,从而打通碳在大气圈和岩石圈的双向循环,进而控制和调整大气中的二氧化碳浓度,使其维持在允许的范围之内,同时,可以提供源源不断的化石能源,确保高密度能源的可靠稳定可持续供应。利用海上综合能源平台实现碳-能循环系统的构想。

自然界中的能源各自具有不同的特性,不存在十全十美满足各方面要求的能源。因此,要善于发现各种能源的特点,发挥每一种能源的长处,规避其不足。在一个能源系统中,能源结构的多元化十分重要。同时,用系统思维去想办法解决诸如碳排放等问题,实现安全稳定可持续的能源供应是可能的。中国的能源资源禀赋、经济和技术发展水平决定了能源转型的道路不会平坦,转型过程中将会遇到很多问题和困难。在这个过程中,要尊重科学,尊重规律,尊重自然资源禀赋,坚定能源转型的目标,为确保实现国家经济和社会发展目标,为国家富强和民族复兴,提供坚强的能源保障。


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