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中国工程院院士杜祥琬:能源转型,推动高质量发展

来源:中国能源报 

 

能源是经济和社会发展的基础。我国进入了高质量发展阶段,需要高质量能源体系的支撑,“能源革命”新战略应运而生。“能源革命”意味着,我国能源必须有质的变革、革命性的创新和转型。在习近平总书记提出的“四个革命、一个合作”中,能源消费革命意味着由粗放、低效走向节约、高效;能源供给革命意味着由黑色、高碳走向绿色、低碳;能源技术革命是消费革命和供给革命的支撑;能源体制革命则是成功的保障。“能源革命”的思想是在总结国内外发展经验的基础上提出的,是我国高质量发展和可持续发展的内在需求。其目标是建成我国清洁、低碳、安全、高效的能源体系。

文丨中国工程院院士 杜祥琬

能源体系向节约、高效的转型

在改革开放之初,我国注重能源发展的量,并未强调能效的问题。进入本世纪后,随着工业化、城镇化进程,一次能源消费曾呈现不寻常的高速增长态势,近年来,以能源强度、碳强度列入考核指标为标志,从消费端将能效列入国家五年计划指标和地方考核指标,能源消费弹性系数逐步下降(见表1)。

 

能源弹性系数的下降,意味着能源强度的下降,是开始改变粗放型发展的表征。我国的能源强度(单位GDP消耗的能源)在2010年是世界平均水平的2倍,近十年来逐步下降,但2018年仍是世界平均水平的1.5倍(生产了全球15%的GDP,消耗了全球能耗的23%)。

能源强度仍然偏高的原因主要是高耗能产业占比仍然过高,产业结构调整尚不到位;技术水平不够节能高效;再加上诸多的浪费。我国节能提效潜力巨大,例如燃煤电厂,每供1千瓦时的电力,1978年平均消耗煤炭471克,2018年已进步到只消耗308克,而我国先进的上海外高桥三厂,只需270克煤炭。如果全国的燃煤电厂都达到这个水平,则发电用煤就可以节约12%之多。

如果我们的能源强度达到世界平均水平(且不说先进水平),则每年可节省50%的能源消耗,约为15亿吨标准煤。因此,节能提效是中国能源战略之首,效能是一个国家能源体系先进性的标志。能源转型,首先要向节约、高效转型。

能源结构向绿色、低碳转型

全球一次能源结构变革的三个历史阶段是:煤炭为主阶段→油气为主阶段→非化石能源为主阶段。1913年,全球一次能源中70%是煤炭,经过几十年的转型,进入了油气为主阶段,目前全球一次能源中,油、气总和的占比超过50%。世界各主要国家的能源发展战略表明,再经过几十年的努力,一次能源结构将走向非化石能源为主的阶段。

与全球不同的是,定量的评估表明,我国不会有油、气为主的阶段。中国一次能源结构变革的三个阶段是:煤炭为主阶段→多元发展阶段→非化石能源为主阶段。现在,我国能源进入了多元发展阶段,煤炭、石油、天然气、可再生能源和核能协调互补、此消彼长、逐步转型。通过几十年电气化、智能化、低碳化的努力,走向非化石能源为主的阶段。

当前阶段,重点要做好以下两件事:

1、坚持煤炭清洁、高效利用的战略方针。

煤炭作为能源的利用,应主要用于发电。目前,中国的煤炭消耗中,约一半用于发电。燃煤发电目前是中国电力的主力,煤电的高质量发展,体现在两个方面:

一是作为供电主力,做好洁净、高效的技术升级改造。如前所述,以先进企业为标杆,煤电节能、高效潜力不小。我国煤电厂近年来每年的运行时数只有4300小时左右,开工率不足,应不再扩大装机规模,而在洁净、提效上下功夫;

二是,部分煤电厂需做好灵活性改造,为间歇性新能源调峰,助推可再生能源上马,这是煤电的新使命,政策上应予鼓励支持。

中国煤炭消耗的第二个去向是散烧煤,这是最污染且低效的。应明确因地制宜,以各种清洁取暖尽快替代散烧煤,这也是蓝天保卫战的重要举措。

煤炭消耗的第三个去向是工业用煤,特别是高耗能产业用煤。中国的高耗能产业已经饱和、甚至产能过剩。高质量发展的方向之一就是调整产业结构。同时,随着技术进步,单位产品的能耗(如吨钢煤耗)每年也在下降。所以工业用煤总量也呈下降趋势。

煤炭消耗的第四个去向是煤化工。煤化工种类多,用作能源转换的煤化工,如煤制油、煤制气,作为技术储备,我国已有一定规模的安排。基于经济性和气候安全的考虑,不宜再扩大规模。煤炭是富含碳元素的宝贵资源,用作生产高端化工产品的原料是合适的。

综上所述,清洁、高效将使煤耗总量逐步减少,这是煤炭技术进步作出的新贡献。

2.大力发展可再生能源

可再生能源是本国可以掌控的能源,不受国际地缘政治变化的影响,是能源供给安全的要素。绿色的可再生能源还是能源环境安全的要素,同时,低碳的可再生能源又是能源气候安全的要素。

高比例发展可再生能源是完全可行的。

首先,丰厚的可再生能源资源是中国能源资源禀赋的重要组成部分。文献给出,我国技术可开发的风能资源约为35亿千瓦,技术可开发的太阳能光伏资源约为22亿千瓦。而截至2019年底,我国已开发的风能装机为2.1亿千瓦,光伏已装机2.04亿千瓦,均不到技术可开发量的十分之一。如果再加上资源可观的水能、生物质能、地热能,还有海洋能、太阳能热利用、固废能源化等,我国可再生能源的资源量是足够丰富的。

第二,发展可再生能源的技术可行性,已为国内外的实践所证明,与之相关的多种储能技术也在迅速进步。至于可再生能源的间歇性,通过储能、调峰等技术是可以解决的。

第三,高成本曾经是制约非水可再生能源发展的障碍,近二十年来,风电和光伏的成本下降了几十倍。经济可行性已被市场认可。

根据已有的国家能源发展规划,以可再生能源为主的非化石能源在一次能源中占比的变化如表2。

高比例非化石能源将为我国提供绿色电力、绿色氢气、低碳供暖(冷),使我国以更经济的方式,实现更高水平的绿色发展。

东、西部能源供需格局的优化

党的十九大提出的我国发展不平衡、不充分,也体现在我国能源空间格局上。中国的东部是用能大户,西部是产能大户。通过西部发展经济来提升消纳能力,东部增加产能的能力,可缓解发展的不平衡、不充分。东部地区可以将“远方来(如西电东送)”的能源与“身边来”的能源相结合,高度重视发展和调动身边的能源。我国中东部地区技术可开发的海上和陆上风能资源量有11亿千瓦,集中式加分布式太阳能可开发量有9亿千瓦。而中东部已经开发的占比不到技术可开发量的十分之一。倘若中东部省份把身边能源调动起来,结合远方来的能源,不仅使发展更平衡和充分,而且自控水平和安全性更高。经济性方面,经过天津大学和华北电力大学研究组测算,与西部发运送电的度电成本相比,东部自发电更便宜。

再考虑到生物质能、地热、水电、核电和天然气,东部能源高比例自给是完全可能的。考虑到东部的储能、节能技术和信息化技术较为先进,煤电在提供电力的同时,以灵活性改造起到调峰作用。我国东部由能源“消费者”变成能源的“产消者”不仅是必要的,也是可能的。

我国中东部能源做到高比例自给,可缓解“西电东送”和“北煤南运”的压力,对国家经济和能源发展的全局是有利的。

能源空间格局的优化与能源结构的优化显然是相耦合的,它们必将共同推动中国的能源转型。

集中式与分布式结合将改变能源系统的模式

过去长期习惯集中式概念。近些年,发展光伏、天然气、风电、生物质能、地热能等分布式能源,已经成为我国应对气候变化、保障能源安全的重要内容,分布式的重要性日益受到人们重视。

分布式能源是能源发展的重要方向,分布式能源的技术进步和应用推广将极大改变传统的能源生产和消费方式、消费模式。这不仅是能源、电力的重大变化,而且有助于城乡一体化能源转型。低碳能源网络(太阳能、风能、生物质能、地热、天然气),不论是农村还是城市,都可以由集中式的大电网和分散的微网进行互动。微网可以通过大数据等信息化手段,把星罗棋布的自发电小产能和储能进行管理,虚拟电厂(VPP)的概念应运而生。大批VPP可减轻集中电网的负担。

未来,一系列低碳能源网络和智能化的大电网、大能源基地结合起来,配电网中的分散发电和有源负荷将呈现高速增长态势,更多电力用户将由单一的消费者(consumer)转变为能源生产型消费者,即产消者(Prosumer),寓电于民,可培育大面积产消者。产消者依托互联网和现代信息通讯技术,把分布式电源、储能、负荷等分散在电网的各类资源聚合,进行协同化运行控制和市场交易,对电网提供辅助服务。

另外,走向现代化和美丽中国所面临的垃圾围城、垃圾围村难题,可以通过固废资源化利用解决。垃圾、固体废弃物,通过分布式利用,如堆肥、沼气、焚烧发电等进行能源化利用,成为可再生能源之一。一旦我国有了大批的产消者和VPP,它们将创造电力系统的新形态,中国能源的局面将会发生革命性的变化。

河南省兰考县被选为能源革命试点县,他们实际操作的是分散式风电、与建筑结合的光伏、生物质气、地热、储能、垃圾发电。三年来的实际效果已证实了上述思想的可行性。

分布式与集中式结合,将增强各地能源的自供能力和韧性,有利于应对突发公共事件,这也是新冠疫情给我们的启示之一。

能源与信息技术的结合改变能源业态

近年来,移动互联网、大数据、云计算、物联网等数字信息技术得到迅猛发展,全球经济社会正在形成新的发展图景,数字经济作为新生业态正在成为经济社会发展的新动力,世界各国和企业纷纷开启数字化转型。

在此浪潮下,“大云物智移”等数字化技术日益融入能源产业,重塑能源业态。能源、电力、互联网技术相结合,构成能源物联网(IoT),实现横向多能互补、电热协同,纵向源、网、荷、储、用、服、管协调优化,具有全面互联、全面感知、全面智能、全面协调特征的新型能源生态体系(智慧能源)。

人工智能AI技术与能源领域也在结合。这个结合就是一个多能能源服务业,提高能效和高质量个性化服务是其特征。能源业要成为能源业+能源服务业,不仅提供能源,还有服务,而且服务的功能会越来越强,无人管理的风场、光伏发电站会越来越多,都离不开数字化的支撑。这是需求侧推动的供给侧能源革命。

能源转型是产业革命的一部分。能源转型具有长期性、艰巨性,但方向是清晰的,需要立足现实,放眼未来。上述五个方面涉及一些观念的革命,能源观的创新将引领能源革命,共同成就能源的新常态、高质量、新体系。 

 

 

 

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