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能源转型中我国电能结构问题及趋势

姜德斌,中国电力企业联合会电力统计数据中心

2020年9月,习近平总书记在第75届联合国大会上向世界做出“力争2030年二氧化碳排放达峰、力争2060年前实现碳中和”的承诺。 这一承诺体现了中国作为一个负责任大国的勇气和责任,也为能源发展指明了目标和方向。 能源是二氧化碳排放的重要来源,在实现排放目标、履行气候承诺、保障能源安全方面承担着重要责任。 我们要牢牢抓住能源发展这个关键,坚定不移推进能源转型。 我们要从转型思路、转型策略、关键技术、系统设计等方面认真研究、统筹规划,确保能源转型目标实现,推动我国能源转型。 安全、绿色、协调、高质量发展。

一、能源发展关键在于转型

人类对能源的依赖越来越大。

人类早期就已经认识到能源的重要性。 因此,人类自从有了社会组织,就非常注重储存食物,以备饥荒之需。 在斗争时期,断粮断草一直是久经考验的打胜仗的法宝。 人类社会只有实现了能源的工业化生产和应用,才有可能在不到一个世纪的时间里创造出比以往所有时代更多、更大的生产力。 因为无论是工业机械、化工、船舶、铁路、电报等,都需要大规模的能源作为基础和支撑。 分析过去几十年的经济发展速度和能源供应曲线,现代社会经济的发展与能源极其密切相关。 能源供应的波动必然带来经济发展的波动。 反过来,经济发展的波动也会带来能源消费的波动。 人类的生存离不开能源,能源供应中断事故造成的毁灭性后果直观地展现了人类基本生产和生活对能源的依赖。

化石能源一直是能源消费的主体。

人类社会进入工业社会以来,一段时间内对能源的需求呈几何级数增长。 即使近几十年来,总体趋势仍处于较快增长。 据BP统计,到2018年,全球能源消费总量为138.65亿吨标准油,是1965年消费总量的3.72倍。2018年消费能源中,化石能源占117.44亿吨,占84.7%。占终端能源消耗总量的%。 虽然这一比例低于高峰年,但仍占绝对比例,且绝对消费量仍在增加。

对化石能源的严重依赖隐藏着严重的危机。

对化石能源的严重依赖带来了以下问题:一是化石能源即将枯竭。 尽管仍有未发现的化石能源储量,但化石能源的储量最终是有限的。 如果找不到合适的替代能源,按照2018年的消耗速度计算,全球化石能源将在八十年左右彻底耗尽。 。 其次,化石能源的大规模开发利用带来了严重的环境污染。 目前,人们主要通过直接燃烧的方式使用化石能源。 其中所含的硫、氮排放到大气中,形成酸雨等腐蚀性污染物。 同时,开发、生产和利用过程中排放烟尘等其他污染物,对当地水和土壤产生负面影响。 、地质等造成破坏和污染。 第三,化石能源使用过程中的大量碳排放是影响大气温室效应的主要因素。 大量的碳最初以化石能源的形式储存在地球的岩层中。 化石能源在燃烧过程中,以二氧化碳气体的形式排放到大气中,迅速加速大气中二氧化碳含量,导致地球大气温度升高。 这已成为全球共识。 这些问题将对地球生态环境产生严重影响,最终挑战人类的发展和生存。

无论是能源技术还是能源治理都尚未找到革命性突破。

人类意识到能源问题带来的挑战,一直在努力寻找未来能源供应的解决方案。 从技术角度来看,目前还没有找到好的解决方案。 一般认为,能够替代化石能源的主要能源可能是水力发电、核能、风能、太阳能和海洋能。 除海洋能仍主要处于试验和小规模建设及前期生产外,水电、核能、风能、太阳能的应用已相对成熟,近二十年来也取得了长足进步。 但这些能源占能源消费总量的比重不足16%,没有单一能源消费量超过10%(水电占比最大,为7%)。 因此,目前还没有一种能源可以作为三种化石能源的替代能源。 从能源治理的角度来看,能源问题不是一个国家、一个民族的问题。 世界各国、各民族是紧密相连的人类命运共同体。 地球上所有生命的命运最终取决于人类的选择。 地球不需要人类来拯救,因为即使没有人类,地球仍然存在。 但人类和这个星球上的生命,生存还是死亡,取决于人的意识、智慧和执行能力。 问题在于,尽管人类已经认识到这一问题,但在搁置分歧、开展合作以实现全球统一行动、实现有效能源治理方面仍存在严重问题。

人类的一切活动都严重依赖能源,而能源供应受到资源枯竭、技术能力、大气环境等因素的限制。 能源日益成为人类发展的瓶颈和制约因素。 保障未来能源供应已成为摆在人们面前的重大课题。 人类必须合作,实现全球能源的有效治理,共同应对面临的困难和危机。 但对于能源转型的技术方向、实现有效的全球能源治理、事关人类命运长期可持续发展和短期利益分配协调的机制等问题尚未达成共识。 能源发展正处于十字路口,人类命运正处于十字路口。

2、能源转型关键在于新能源

能源转型也成为行业专家和全社会的共识。 但对于如何转型,目前仍存在多种不同意见。

能源转型的关键是能否大规模开发和利用新能源。 新能源是指风电、太阳能(包括光伏、光热、火电利用)、生物质能和海洋能。 这些能源一般具有以下基本特征,这也是过渡能源最基本的要求:一是能源开发利用在技术上和经济上可行。 只有技术可行,能源开发利用才有可能; 只有经济可行,才能可持续推广应用,并且在考虑环境成本等因素的条件下,单位能源的成本应处于可接受的水平。 其次,能源的开发、运输和使用不会对环境和大气带来负面的外部影响。 能源过程不可避免地会对外部环境产生影响,但这种影响要么是积极的,要么其消极影响在可接受的范围内,或者可以通过技术和管理措施来纠正。 第三,这种能源可以安全开发和大规模利用,具有替代传统能源的能力。

目前,满足这三个特征的能源包括水力发电、风能、太阳能、生物质能等新能源。 核能其实是清洁能源,但自福岛核电站事故以来,发展并不顺利。

对于这几类能源,在笔者看来,还有一些关键问题没有得到解决。 如果这些问题不解决,能源转型就很难真正成功实现。

首先,决定太阳能、风能、水力发电等资源储量的主要因素是经纬度决定的环境气候、地理特征、地质特征。 当资源勘探技术和能力基本成熟时,资源储量相对稳定,在较长时期内不会出现大的波动,除非当地地理或全球气候发生突然变化。 这一点在当前的能源转型讨论中很少被提及,但却非常重要。 这与化石能源非常不同——化石能源几乎每年都会发现新的矿藏。 新能源可开发的资源储量能否满足未来的能源需求? 笔者研究发现,至少对于中国来说,在开发利用一切技术可以开发的太阳能、水能、风能等能源后,仍然无法平衡中国强大的未来能源。 能源需求。 根据分析的各种情景,目标年需要更大比例的能源需求来实现化石能源平衡。 这是一个值得关注的问题。 如果不能提前预见和做好准备,在化石能源不可持续的情况下,断崖式的“硬”能源供应也并非不可能,从而导致经济社会混乱。 发生的事情。

其次,在资源总量一定的情况下,增加新能源供给能力的唯一途径就是通过先进的技术手段提高能源转换效率。 就风电而言,能否改变依靠风轮将风能转换为电能的技术路线,从而突破贝茨理论的转换效率极限,降低风电的制造难度转换设备。 对于太阳能光伏利用来说,就是如何不断提高太阳能光伏转换效率。 目前,投入商业应用的先进光伏发电转换效率约为25%。 理论上,这个效率可以提高到70%以上。 随着转换效率的提高,太阳能作为供给能源的供给能力可以大大增强。

第三,新能源具有间歇性和不确定性,与持续可靠、可持续稳定的能源供应要求相矛盾。 因此,在发展新能源的同时,需要发展配套的能源技术,其中最重要的是大容量储能技术,以及与新能源互补或反向调节的能源。 在以新能源为主的能源系统中,系统本身不具备足够的调节能力,或者没有安装足够容量的储能设备,无法保证系统能源供应的稳定性、安全性和可靠性,新能源不能作为主要能源。

3、中国能源转型的前景与挑战

作为一个有抱负的民族和国家,中国在能源问题上的基本政策是加强国际合作,实现全球能源治理的理想,同时必须实现能源独立——不仅是能源供应,还包括能源核心技术和能源治理——使自给自足和安全充分发展,这确实是一个严峻的挑战。

分析中国能源转型过程的基本思路是设定一个经济目标和相应的能源目标值,然后计算达到这个目标值所需的合理时间和各个级别年的平均增长率,以及年度能源分配的基本结构,使得能源转型的完整过程可以被模拟。 在模拟分析中,作者认为30年内,中国人口基数将保持在14亿不变,人均GDP为4.23万美元,达到2018年德国的水平,能源强度为1.08千瓦时/千瓦时。美元,达到2017年欧盟水平。 考虑到目标年水电、风能、太阳能资源将得到充分开发利用,根据三种化石能源增长组合的不同,能源需求缺口将由核电弥补,能源转型将分四种情况进行分析。 分析显示,到目标年,我国一次能源需求总量将达到63.2亿吨标准油,是2018年的1.93倍,年人均能源消费量为189.6吉焦。

对四种能源转型情景的分析表明,煤炭仍将是中国能源转型过程中的基础能源。 在目标年最理想的情况下,煤炭仍将占一次能源消费比重最大,达到41%,其次是核能。 占比将达到12%,其次是风能11%、石油10%、太阳能9%、水电8%、天然气7%。 按此能源结构计算,电力消费将占最终能源消费的52.8%。

展望中国能源转型,有几个问题需要重点关注:

一是关于煤炭现状。 我国是一个能源资源匮乏的国家。 其化石能源资源储量仅占世界的8.3%,其中石油占世界的1.5%,天然气占世界的3.1%。 即使是最丰富的煤炭也仅占世界总量的13.2%。 只有美国的一半左右。 近年来,我国煤炭产量较大,2018年储采比仅为38年。 因此,煤炭是我国的主要能源,但也是需要谨慎使用、精心布局的能源。 如果煤炭利用不当,我国能源安全就得不到可靠保障,就不可能实现能源“软”转型。

其次,依靠新能源无法支撑我国能源安全转型。 这里有两个主要问题。 首先,没有化石能源的支撑,加上技术上无法大规模开发海洋能,新能源的可利用量无法满足我国未来的能源需求,海洋能开发利用技术才刚刚起步,其技术路线、前景和发展规模仍难以预测; 其次,如果没有化石能源和核能的支撑,新能源的监管特性将不具备响应能源需求特征的能力,能源系统的安全性、可靠性和可持续性将无法得到保障。本质。

三是加强安全性能好、调节性能强的核能利用。 核能具有能量密度高、清洁、低碳等极其宝贵的特性。 在核能利用中,首先要注意核能利用中的安全问题。 基于核裂变原理获取可控核能的技术已发展到第四代。 安全总体上是可以保证的,但一定要保证万无一失。 要加强利用核聚变原理获取可控核能的技术开发和生产应用,原则上保证核能安全。 二要重视核能综合利用。 我们不应将核能的利用仅限于发电。 应加强电热综合利用、核电余热淡化海水或制氢等方面的研究和应用,提高核能利用效率。 。 三是要强化核电机组灵活性,从模块化、小型化、提高核电机组调节能力等方面提高核能调节能力,以适应大量核电机组的条件和需求。连接到系统的新能源。

四、中国能源转型的基本战略

能源的未来决定人类的未来,能源转型是当今时代紧迫而重要的问题。 在能源转型过程中,要着眼长远,尊重科学,认真论证,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

一是减少石油电力使用。 石油用途广泛且非常珍贵,石油资源的减少对工业影响很大。 目前,约70%的石油用于运输动力。 在控制石油总量消费的前提下,要抓住机遇,发展高能动力电池等技术,发展新型电力、氢能、燃气动力,在交通领域逐步替代石油。 在电力领域的应用。

二是拓宽天然气生产渠道,保障能源稳定供应。 从能源安全角度考虑,天然气进口比例应控制在40%左右。 以2018年天然气储量计算,到2048年,天然气缺口将达19.8%,缺口达10.3亿油当量。 为了满足天然气需求,一方面需要加大天然气勘探力度,发现更多天然气资源; 另一方面,要加大可燃冰资源的开发利用力度,尽快实现可燃冰资源的低成本可持续生产。 三是推动电力制甲烷技术研究,建设碳能源循环系统试点,并逐步实现产业化,确保天然气在未来能源供应体系中持续稳定使用。

三是合理利用煤炭资源。 2018年,我国煤炭进口量占煤炭总量的7.2%。 为延长国内煤炭储备的利用,为能源转型争取时间,在控制煤炭使用总量的同时,将煤炭进口比例提高到每年1万吨。 按比上年增长5.9%计算,2048年煤炭进口量将占煤炭总量的40%。据此计算,到2048年,全国将消耗煤炭和标准油688.9亿吨。近三十年来,其中进口138.4亿吨,国内生产550.5亿吨。 平均而言,进口占总消费的20.7%。 以2018年煤炭储量计算,到2048年,仍剩余143.5亿吨标准油煤储量。这个数量,以2048年煤炭年产量计算,仍可生产九年以上。

从目前来看,煤炭主要用于电力行业,其次是钢铁行业和化工行业。 与此同时,全国范围内仍存在较大比例的零散燃烧。 煤炭的各种利用方式的效率是不同的。 集中利用效率更高、排放更低、更清洁。 未来煤炭利用方面,应大力发展超低排放燃煤发电,加强分散煤炭管理和离散能源需求替代,发展新型煤化工产业,提高煤炭利用效率利用煤炭,减少污染物排放。

二、清洁能源综合利用

目前公认的清洁能源包括水电、风电、太阳能和海洋能。 只要安全得到保证,核能就是一种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,必须大力开发利用。 对于清洁能源的利用,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:

传统能源供应。 这是目前城镇采用的主要能源供应方式,也是未来重要的能源供应模式。 通过接入大电网获得可靠的电能供应,通过接入主燃气系统获得可靠的燃气供应。 有条件的可安装太阳能利用设施(发电或供暖)作为补充能源供应。 这种模式未来可能会在商业模式和运营方式上发生变化。 对于用户来说,一方面会增加业务选择性,甚至参与业务活动。 另一方面,通过开发用户多能源供应综合优化系统,能源供应将更加经济、更加智能。

并网能源供应。 这种方式一般自身具有一定容量的能源生产能力,但与主能源网相连,利用主能源网作为备用能源,以增强能源供应的可靠性。 当发生主网事故、供电中断时,这些用户的能源供应一般可以保证能源供应。 有条件的用户还可以回送能量,支持大网络的启动。 这也是未来能源供应的重要方式。 用户使用自产能源或主网能源。 用户是主网的能源用户还是能源生产厂取决于用户的经济优化结果。

离网能源供应。 在偏远地区,扩展能源供应网络成本高昂或技术上难以实施。 远离大陆的岛屿不可能建立与大陆物理连接的能源系统,有时岛屿也很难通过物理能源传输网络连接起来互相供应能源。 这时就需要因地制宜地在当地建设离网能源供应网络。 无论是单个农村用户还是孤岛能源供应,基本原理相似,但复杂程度差异很大。 在离网能源供应系统中,可用能源可以是天然气、生物质能、太阳能、风能、海洋能等中的任意一种或组合。其中,大容量储能设施是不可或缺的关键设备。

为孤岛或岛群设计的离网能源供应系统,除风能、太阳能外,还包括波浪能和其他海洋能能源生产设施。 如果碳能循环系统发展成熟,可以利用该系统向岛上供气。 在岛屿之间运输储能或人工天然气,将岛群连接成能源供应网络。 岛群与大陆之间的能源联系也可以通过航运建立。

三、能源输配电系统

虽然能源供应系统是根据实际情况进行综合设计的,但能源输配电网络也将与现在有所不同。 电能在终端能源中占比的提高、蓄电技术的发展以及能源综合利用技术的发展可能对能源转移格局产生深远影响。 这种影响体现在以下几个方面:

一是终端能源消费中电能比重增加的主要是新能源和核能。 新能源的随机性和利用率低,使得建设大型电网传输电能并不经济。 为此,煤电、天然气电厂要与新能源发展结合起来统筹规划和建设。 适应新能源特点,需要增加负荷中心火电机组的灵活性和核电机组的灵活性。 这将使火电机组和核电机组的效率和经济性变差,需要认真研究和解决。

其次,核电作为高能量密度的电源,应该建设在负荷中心地区,但核电选址将是一个问题。 理论上,在退役火电机组已退出的地点,可以建设具有高安全性和能源综合利用特点的模块化核电站。 然而,这又将面临核能安全问题带来的社会压力。 东南沿海核能布局可以很好地平衡西电东送和北电南电的趋势。 但沿海适合发展核电的场地有限。 在能源供需紧张的严峻形势下,内陆地区发展核电只是时间问题。 这些将对未来的能源传输和分配产生巨大影响。

三是随着小型太阳能发电、小型风电的推广应用,以及农村生物质能源利用(如沼气资源)的发展,并网型、离网型等微电网能源供应比例不断提高。增加,将对主电网能源供应产生影响。 去影响。 一方面,它使得不惜成本在偏远地区建设互联网连接失去了比较价值,并剥夺了主网向这些地区供应能源的权利。 另一方面,微能源网络可以作为主网络的良好补充。 当主网受到外力破坏时,不仅可以保证自身能源供应,还可以为主网提供支持。

第四,蓄电技术意味着电能不一定要通过大电网传输,也可以通过货运蓄电池传输。 大容量蓄电池为离网能源网络提供可靠的备份,也可以让海岛电网通过货运网络连接起来,从而形成除电网之外的新的输电网络。

第五,不可调度、离散的新能源电网产生的电能也可以通过碳能循环系统就地转化为可大量储存和运输的天然气。 它可以通过货运网络运输到需求地点并直接用作天然气或再次转化为电力。 转化为电能。 一旦技术成熟,这类能源生产装置未来潜力巨大,将成为未来能源供应系统的重要组成部分,这也将使天然气成为永久能源。

四、能源转型关键技术

为确保能源转型过程和未来能源供应体系安全、可靠、稳定、可持续,需要重点攻克几项关键能源技术。 这些技术包括大规模储能技术、海洋能综合开发与技术、碳能循环技术与系统集成。

大规模储能技术。 目前,储能技术已广泛应用于能源供应系统中。 但目前只有抽水蓄能技术成熟并具备大规模储能能力。 压缩空气储能(CAES)技术目前仅在德国和美国使用,各拥有10万千瓦电站。 中国仍在进行研究和工程示范。 电能存储技术具有能量密度高、综合效率高、响应速度快等优点。 特别适合与太阳能光伏、风力发电等不可调度新能源结合使用,也适合在微电网中使用。 但其主要瓶颈是单体电池容量低、寿命短以及废旧电池处理带来的环境污染问题。 The development direction of energy storage technology towards large capacity, miniaturization, mobility, standardization and intelligence will bring essential changes to the future energy supply system, especially the power system, and it is also the basis and key to the smooth transformation of energy Technology.

Comprehensive development and utilization technology of ocean energy. Ocean energy includes tidal energy, wave energy, tidal energy (ocean current energy), temperature difference energy, salinity difference energy, etc. To convert the mechanical energy or chemical internal energy in the ocean into electrical energy, tidal power generation technology is relatively mature at present, and wave energy and ocean current power generation technology have relatively high energy density. These three technologies have already built and operated power stations or test stations, and are constantly developing towards larger capacities and scales. Thermoelectricity and salinity difference energy power generation are still in the experimental research stage, and there is still a certain gap between them and formal commercial applications. The ocean accounts for more than 70% of the earth’s surface area. When the sun shines on the earth, most of the energy is absorbed by the ocean. The tides and ocean currents (ocean currents) caused by the gravitational force of the sun and the moon also contain huge energy. According to OES estimates, global ocean energy annual power generation totals more than 76 trillion kilowatt hours, nearly three times the global total power generation in 2018 (26.6 trillion kilowatt hours).

The basic idea for the development and utilization of ocean energy is to combine the ocean energy power generation system with the offshore solar power system and the offshore wind power system to realize multi-energy complementary ocean energy integrated system power generation. The second is to combine the ocean energy power generation system with the energy storage system. While improving the utilization rate of energy development, energy storage can make the ocean energy power generation system completely separate from the land shore, without the need to build costly power transmission and distribution facilities. The third is the combination of ocean energy power generation system with artificial fossil energy synthesis and seawater desalination system, that is, using the electricity produced by the ocean energy power generation system to desalinate seawater on site. There are already projects in this regard. It can also use the generated energy and seawater to produce hydrogen, and then use hydrogen and carbon dioxide in the air to make artificial natural gas with mature safety technology and transportation technology, and can absorb carbon dioxide in the atmosphere.

Man-made natural gas technology. Capture carbon dioxide and water in the air, consume electricity to produce hydrocarbon fuels, and produce liquid hydrocarbon fuels that are easy to transport and store, such as methane and ethanol, so as to realize the carbon energy cycle. At present, this kind of electricity-to-hydrocarbon fuel technology is not very mature in general. Among multiple technical routes, the technical route of hydrogen production by electrolysis of water combined with carbon dioxide hydrogenation technology has already built several sets of demonstration devices.

5. Integrated energy system design for climate issues

The essence of the climate problem caused by energy is that the large-scale development and utilization of fossil energy has changed the natural cycle of carbon, released the reduced carbon in the lithosphere to the atmosphere too quickly, and artificially accelerated the evolution of the lithosphere and other circles. This layer of carbon exchange leads to an increase in the concentration of carbon dioxide in the atmosphere, destroying the original balance of nature. As a result, the imbalance of the global carbon cycle will be brought about, the energy conversion form of the earth’s biosphere will be changed, and global warming will be caused, which will bring about a series of ecological and environmental problems such as rising sea levels, melting glaciers, and extreme climates.

The basic idea of ​​the carbon-energy cycle system is to use some key technologies to reduce excess carbon in the atmosphere, thereby opening up the two-way cycle of carbon in the atmosphere and lithosphere, and then controlling and adjusting the concentration of carbon dioxide in the atmosphere to maintain it at Within the allowable range, at the same time, it can provide a continuous supply of fossil energy to ensure a reliable, stable and sustainable supply of high-density energy. The concept of using offshore integrated energy platforms to realize the carbon-energy cycle system.

Energy in nature each has different characteristics, and there is no energy that perfectly meets all requirements. Therefore, we must be good at discovering the characteristics of various energy sources, giving full play to the strengths of each energy source, and avoiding its shortcomings. In an energy system, the diversification of energy structure is very important. At the same time, it is possible to use systems thinking to find ways to solve problems such as carbon emissions and achieve safe, stable and sustainable energy supply. China’s energy resource endowment, economic and technological development level determine that the road to energy transformation will not be smooth, and many problems and difficulties will be encountered in the transformation process. In this process, we must respect science, respect laws, respect natural resource endowments, firmly set the goal of energy transformation, and provide a strong energy guarantee to ensure the realization of national economic and social development goals, national prosperity and national rejuvenation.