能源“冷兵器时代”超乎想象

能源“冷兵器时代”超乎想象

煤代柴、油代煤的前两次能源革命,都是通过高温高压方式获得能量,能源价格都随之上升,而风光氢代煤油气的新一轮能源革命,是在常温常压下完成能量转换,绿色清洁,能源价格将持续降低、能源效率将大幅提升,很多过去不可能的事情将变成可能。



(河北邯郸,在太行山脉中壮观连片的光伏设备。图/视觉中国)

文 | 时家林

能源是人类文明的基础支撑之一。过去一个多世纪,以煤、油等化石能源为主的能源,使用方式是以燃烧、高温高压的方式为主,这可以称为“火药时代”。“火药时代”虽然成就了人类今天的辉煌,但也带来了严重的环境问题。而近代以风、光为主的新能源的出现,改变了过去的用能方式。新能源时代正在加速到来,速度将超出多数人的想象。

人类已经历了三次工业革命。前三次工业革命,人类从掌握薪火到发掘煤炭、再到开采石油,一直是通过燃烧的方式驾驭化石能源,这种能量转换是一个“高温高压”的过程,释放能量的同时也带来了污染。今天“第四次工业革命”已经在全球展开,这是一场以新能源、人工智能技术为代表的全新革命。风能吹动叶片做功产生电能,光伏则通过半导体硅片将光能直接转化成电能,这些过程都是在常温常压下完成的,没有碳排放、温升和环境污染。

新能源替代化石能源,其实质就是能源利用从“火药时代”进入“冷兵器时代”,这是一场能源利用的绿色革命。

新能源替代化石能源已到临界点

目前中国能源还处于“火药时代”,2018年一次能源消费是34.4亿吨标准煤(相当于11.45万亿千瓦时电量),非化石能源在一次能源消费占比仅为14.3%,其中以风光为主的新能源占比仅为4.2%,但风光等新能源的发展态势大大出乎我们的预料。

(一)过去十年“冷兵器”飞速发展

——规模增长快。截至2018年底,中国发电装机容量约19亿千瓦,其中风电及光伏装机规模突破3.5亿千瓦,占比达到18%,发电量占比约8%。2010年底,新能源装机仅有3000万千瓦,发电量占比还不足1%。2018年全国新增装机1.24亿千瓦,其中新能源就达到6500万千瓦,超过50%,已经成为名副其实的主力能源。

——成本下降快。2010年,风光发电平均度电成本在1元时以上。到今天,在国家政策支持及技术持续进步的共同作用下,新能源成本实现了加速下降,其中,在风光资源丰富的内蒙古、青海等西北区域,风光发电平均度电成本已经降到0.3元以下,已经低于或接近煤电成本价格;而在墨西哥、巴西、沙特等风光资源丰富的国家,这个价格已经降到0.2元。

(二)新能源示范项目昭示良好前景

中国内蒙古、青海等风光资源丰富的地区,规模化开发已经具备平价条件。去年底,由国家电投负责的全球最大单体风电工程——内蒙古乌兰察布600万千瓦平价上网示范项目获得核准。该工程不需要国家补贴、与煤电同价上网,直接送至京津冀地区消纳。预计年发电量约200亿千瓦时,可替代煤炭消耗650万吨,进一步改善京津冀环境质量。

青海海南州千万千瓦水风光互补清洁能源项目,将青海省优质的水电、光电、风电打捆综合调节,通过特高压送至河南省消纳,仅需要国家新能源补贴0.03元-0.04元/千瓦时,较河南省新能源补贴标准大大降低(河南光伏补贴在0.3元/千瓦时左右)。

(三)新旧能源交替进程会大大加速

2018年全球电力装机规模预计达到70亿千瓦,其中风、光发电装机12.7亿千瓦。2018年新增发电装机2亿千瓦,其中风、光装机1.7亿千瓦,占比达到80%以上,已成为全球主力增量能源。

2015年底,英国关闭了最后一个深井煤矿,2025年英国将关闭所有燃煤电站。2017年美国加州清洁能源占总发电量比例已达到33%,到2040年关闭所有燃煤电站。德国计划2038年关闭所有的燃煤电站。中国政府宣布,非化石能源占一次能源消费比例在2030年、2050年分别达到30%和50%。

从全球发展趋势上看,新能源发电成本接近或低于煤电成本,已进入新能源替代化石能源的临界点。“冷兵器时代”替代“火药时代”的能源变革进程会大大加快,就如数字成像技术对胶片的替代,实现各国提出的可再生能源替代化石能源的目标还会大大提前。

“冷兵器时代”来临

随着人类文明的演进和技术进步,每次工业革命都较上一次的周期大大缩短,这次“冷兵器时代”替代“火药时代”的能源革命同样也是这样。

虽然新能源替代化石能源已到临界点,但尚需解决新能源自身的一些弱点,比如中国新能源富集区域主要集中在西北部,且随着光照、风力强度大小的变化,不能像火电一样可随负荷大小调节等等。只有解决了这些问题,才能真正实现新旧能源的替代。

随着第四次工业革命而来的新能源技术和新材料技术的不断进步,特别是电动汽车的普及,为电能规模储存找到了一条新路径,带来的是电力系统颠覆性变革。一个“冷兵器时代”正日渐清晰,展现在我们面前。

(一)实施清洁能源的“空间转移”

新能源取代化石能源,首先要有足够的风光资源且价格要有竞争性。中国青海、西藏、内蒙古等西北部地区有着丰富的风光资源,但远离东部经济发达区域。以青海柴达木盆地为例,土地面积25.9万平方公里,如果全部进行光伏开发,理论上光伏发电装机可达到100亿千瓦以上,年发电量在20万亿千瓦时以上,可远远满足全国的能源需求(2018年全国一次能源消费是34.4亿吨标煤,折算成电量为11.45亿千瓦时)。该地区光伏资源丰富,年发电利用小时在2000小时以上,2023年前后度电开发成本预计可以降到0.2元,通过特高压送到东部地区(输电费用预计在0.1元/千瓦时),比东部地区煤电价格还要低(山东、江苏、浙江等东部省份的煤电价格都在0.4元/千瓦时左右)。

相比西部,东部发展新能源的土地不足且风光资源较差,不具备经济性。前文谈及的内蒙古乌兰察布、青海海南州新能源示范项目也充分论证了新能源“空间转移”的可行性。

通过规模化、集约化在西北部开发新能源大基地,利用特高压送到负荷集中区域,不仅可以加速对化石能源的替代,而且对改善中国东西、南北经济社会发展的不平衡,具有重大的战略意义。

(二)实施新能源的“时间转移”

电力系统一直以来都是发、供、用同时完成,电力是不可储存的。火力发电系统可随负荷大小自动调节,但是新能源是间歇性、不可调节的。当新能源在电力系统处于辅助地位时,由火电承担主力电源并对系统进行调节是可行的。如果新能源替代化石能源,担当电力系统的主力电源时,就必须解决好随负荷调节的问题,这是制约新能源发展的最大瓶颈。随着一种新的储能方式的日臻成熟,这个问题将得到彻底解决,就是电动汽车的普及应用。

中国目前的电力最大负荷约10亿千瓦左右,如果选择在电力供应侧部署储能系统,不仅规模庞大、系统复杂,而且投资需要万亿级以上,成本高昂不经济。但是在消费侧,随着电动汽车的普及,电动汽车本身可成为规模可观且经济高效的储能资源,具有巨大储能应用潜力。目前,全国汽车保有量在2亿辆左右,如果全部更换成电动汽车或氢动力汽车,按照单车储能容量80千瓦时,放电功率5千瓦,可为电力系统提供瞬时功率10亿千瓦,理论上可以作为电力系统储能调节装机,可满足新能源为主的电力系统调峰需求。电动车的分布与经济发展存在正相关性,且每台车单日有效行使时间有限(平均约2小时),大量时间在闲置状态,完全可以把电动汽车这种分散式社会资源充分利用于电力系统,大大提高社会资源的利用效率。

当前,电动汽车仅是从电网获取电力,也就是充电模式,但是随着电池容量的加大,技术的发展,成本的降低,电动汽车将具备向电网售电的条件,超越交通工具的单一功能,成为流动的储能电站。下一步要做的:一是电动汽车的全面普及,实现所有的停车位100%充电桩覆盖;二是依托大数据、云计算、智能网联等技术创新与应用,实现电动汽车充放电的自动化模式,并与电力系统一起构建智慧能源系统;三是创新商业模式,通过差异化充放电价等措施,让利于电动车主,这样在不额外增加社会成本的情况下,与大规模可再生能源形成供需协同,实现能源的“时间转移”,加速中国能源结构转型。

氢能:新能源的生力军

氢能利用的核心是燃料电池技术的成熟。日本丰田Mirai氢能汽车功率密度已经做到3千瓦/升,加满5公斤氢气,可以行驶500公里以上,运行经济性已经接近传统汽油车。氢能汽车具有续航能力强、加注燃料(氢气)时间短、完全“零排放”等优点,更适用于公交车、重型卡车、长途车等。

以新能源为主构建电气化社会,实现动力、供冷、供暖的全面替代,最难替代的就是交通动力。燃料电池的出现,彻底打通了新能源替代化石能源的最后一个环节。

氢能可由新能源发电并电解水的方式完成,绿色环保、简单易行并具有经济性。氢能有巨大需求量。以北京为例,如果投入1万辆氢能公交车运营,一年用氢量约5万吨,用电量是30亿千瓦时(2018年北京全年用电量是1200亿千瓦时)。氢能巨大需求量及特点,可以作为新能源为主的电力系统的调节器。当系统中风光充沛时,可将电能转化成氢能并储存起来,满足交通动力等用能需要;当风光不足时,也可将氢能转化成电能(与上述电动车原理类似),补充电力系统的电能不足,助力新能源的“时间转移”。西部丰富的风光资源也可以用来就地制氢,通过管道送至东部地区,助力新能源的“空间转移”。

随着新能源、特高压、储能及氢能技术的发展,中国风光资源将实现更大范围、更高效的配置,可充分利用不同地区能源的资源差、时区差、季节差及价格差,打造一个全面电气化的能源系统;可以将荒漠、戈壁、高原等无人区开发为新的、零污染的“电气田、氢气田”,以替代传统的“煤田、油田和气田”,开启人类大规模清洁用能的新纪元。

“冷兵器”将创造奇迹

“冷兵器时代”大大提高电力系统效率。传统电力系统是发、输、用同时完成,发电规模按照最大负荷来配置,输电线路从安全角度考虑,需要考虑备用线路和容量,整个电力系统效率很低。广泛应用储能技术后,电力供需只需满足能量平衡,功率平衡则由储能调节,可以减少电源和电网一半以上的投资,使电力系统大大简化,效率大幅提高。

“冷兵器时代”是全面电气化时代。不仅在供给侧是一场非化石能源全面替代化石能源的革命,对于消费侧,也是一场能源革命。电能和氢能以“人工智能电动汽车、高铁机车等的大量应用,以及热泵空调广泛应用对能源利用效率的大幅提高”为标志,实现在消费侧领域对化石能源的全面替代。

“冷兵器时代”超乎你的想象。进入“冷兵器时代”,零边际成本的新能源大规模使用将带动用电成本下降,电能的替代优势逐步凸显,前两次能源革命(以煤、油为标志),替代能源的价格都是上升的,而新一轮的能源革命带来的是能源价格的持续降低。一是替代速度超乎想象,预计2030年中国将实现增量100%清洁替代,消费侧电气化水平超过30%,电能超越煤炭成为终端消费主体能源;2050年实现大部分存量清洁替代,非化石能源在能源需求总量和电力需求总量中的贡献率分别超过90%和100%。二是替代的效果超乎想象,以电代煤、以电(氢)代油首当其冲,预计到2030年煤改电每年可减少2.5亿吨煤的直接燃烧,热泵将是未来以电代煤的主要方式;到2030年以电(氢)代油仅在交通领域每年可减少4000万吨交通石油消耗,中长期来看,电(氢)动汽车将是未来以电(氢)代油的主要途径。三是拓展人类的生存空间,不久的将来,人类利用充足、清洁、成本低廉的“冷兵器”,可以大规模实施海水淡化,变戈壁荒漠为良田,使“原来不可能的事变为可能”,为人类创造更好的未来。

对世界而言,“冷兵器”将构建起全球“绿色、低碳”的新的能源发展格局,并普及至整个社会,重塑全球工业体系,变革人类生活方式。对中国而言,“冷兵器时代”是中国产业结构调整和升级的绝佳机会,中国完全有能力率先实现“冷兵器”对“火药”的全面替代,率先实现新旧动能的转换,赢得“第四次工业革命”的主导权,走出一条具有中国特色的新能源发展道路,为构建“人类命运共同体”注入中国动力。

(作者曾担任多家能源央企高管;编辑:马克)

(本文首刊于2019年3月4日出版的《财经》杂志)