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能源转型:问题与展望

  中国电力企业联合会电力统计与数据中心 蒋德斌

  在2020年9月第75届联合国大会上,习近平总书记向全世界做出“力争于2030年前二氧化碳排放达到峰值,努力争取2060年前实现碳中和”的承诺,这个承诺体现了中国作为一个负责任大国的勇气与担当,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、兑现气候承诺、保障能源安全方面,承担着重要的责任。必须紧紧抓住能源发展的关键,坚定不移地推动能源转型,在转型思路、转型策略、关键技术和系统设计等各方面,认真研究、统筹规划,确保实现能源转型的目标,推动中国能源安全、绿色、协调、高质量发展。

  一、能源发展的关键在于转型

  人类对能源的依赖性越来越强。

  能源的重要性,在人类早期就有所认识,所以自人类有社会组织以来,就很注意储存粮食以备饥荒,斗争时期更是将截断粮草作为夺取战争胜利屡试不爽的法宝。人类社会自实现能源的工业化生产和应用之后,才有可能实现在不到一个世纪的时间内,所创造的生产力,比过去一切时代所创造的生产力还要多、还要大。因为无论是工业机器、化学、轮船、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和能源具有极为紧密的关联性,能源供应的波动必然带来经济发展的波动,反过来,经济发展波动,也带来能源消费的波动。人类离不开能源,能源供应中断事故造成的破坏性后果,更是直观地展现了人类基本生产生活对能源的依赖性。

  化石能源始终是主力消费能源。

  人类社会进入工业社会以来,一段时间内对于能源的需求,呈现几何级数的增长。即使到最近几十年,总体上依旧处于较快增长的趋势。按照BP的统计数据,到2018年,全球的能源消费总量是138.65亿吨标准油,这个规模是1965年消费总量的3.72倍。在2018年所消耗的能源中,化石能源占117.44亿吨,在终端能源消费总量中的占比是84.7%,这个比重虽然比高峰年份有所降低,但是依然占绝对比重,而且绝对的消耗量仍在增加。

  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,所带来的问题有以下几点:第一,化石能源将很快被消耗净尽。虽然还有未曾发现的化石能源蕴藏,但是化石能源的储量终究是有限的,如果不能找到合适的替代能源,按照2018年的消费速度,在八十年左右的时间内,全球化石能源将消耗净尽。第二,大规模开发利用化石能源带来严重的环境污染。目前人们主要以直接燃烧的方式利用化石能源,其中含有的硫、氮等排到大气,形成酸雨等腐蚀性污染物,同时在开发、生产利用过程中排放烟尘的其他污染物,对局部地区水土、地质等造成破坏和污染。第三,化石能源利用过程中大量排碳,是大气温室效应的主要影响因素。大量碳本来储存于大地岩层内的化石能源中,在化石能源燃烧过程中以二氧化碳气体形式排入大气,急速加快大气中二氧化碳含量,使得地球大气温度升高,已经成为全球共识。这些问题都会对地球生态环境带来严重影响,最终对人类的发展和生存带来挑战。

  能源技术和能源治理都还没有找到革命性的突破口。

  人类意识到能源问题带来的挑战,一直在努力寻求未来能源供应的解决途径。从技术上看,还没有找到很好的办法。人们普遍认为,能够替代化石能源的主力能源,可能是水电能、核能、风能、太阳能和海洋能。除了海洋能主要还是在实验和小规模建设初步生产外,水电能、核能、风能和太阳能等的应用都已经比较成熟,近二十年也取得了很大的发展。然而,这几种能源在能源消费总量中的比重,加起来还不到16%,而且还没有一种单一能源在消费中的比重超过10%(水电能占比最大,为7%),所以,还没有一种能源可以作为三种化石能源的替代能源。从能源治理看,能源问题不是一个国家、一个民族的问题,所有国家和民族,是紧密绑在一起的人类命运共同体。地球上的所有生命的命运,都最终取决于人类的选择。地球不需要人类拯救,因为即使没有人类,地球依旧存在。但是人类和这个星球上的生命,生存或者死亡,则取决于人类的自觉、智慧和执行能力。问题在于,人类虽然已经认识到这个问题,但是在摒弃分歧、实现合作以达成全球统一行动,实现有效的能源治理上,还存在严重的问题。

  人类一切活动都严重地依赖于能源,而能源供应面临资源枯竭、技术能力、大气环境等因素的限制,能源已经日益显示出其成为人类发展的瓶颈和约束。确保未来能源供应,已经成为摆在人们面前的一大课题。人类必须合作以实现全球能源的有效治理,共同应对面临的困难和危机。然而,对于能源转型的技术方向,实现有效的全球能源治理,以及关系人类命运长远和持久发展和短期利益分配协调等机制,都还没有形成共识。能源发展正处于十字路口,人类的命运,处于十字路口。

  二、能源转型的关键在新型能源

  能源转型,也已成为业内专家和全社会的共识。但是,该如何转型,还有很多不同的意见。

  能源转型的关键,是能够规模地开发和使用新型能源。新型能源,是指风电能、太阳能(包括光伏、光热、热动力利用方式)、生物质能以及海洋能。这些能源一般具有以下几点最基本的特征,也是对转型能源最基本的要求:一是能源开发利用在技术和经济上是可行的。技术上可行,才有能源开发利用的可能;经济上可行,才能够得到可持续的推广应用,且应在计入环境成本等因素的条件下,单位能量的成本在可以承受的水平。二是能源在开发、运输和使用过程中不会对环境、大气等带来负的外部效应。能源过程必然会对外部环境带来影响,但是这个影响要么是正面的,要么其负面影响是在可接受的范围之内,或者可以通过技术和管理措施加以修正的。第三,这种能源可以安全地大规模开发利用,从而具备替代传统能源的能力。

  目前,符合这三个特征的能源,包括水电能、风电能、太阳能、生物质能等新能源。核能实际上也是清洁的能源,但是自福岛核电站事故以来,发展并不顺利。

  对于这几种能源,在笔者看来,还是存在一些关键的问题没有解决,这些问题不解决,就难以真正成功地实现能源转型。

  第一,决定太阳能、风能、水电能等的资源蕴藏量的主要因素,是受经纬度决定的环境气候、地理特点和地质特征等,在资源查探技术与能力基本成熟的情况下,资源蕴藏量是相对稳定的,在较长时期内不会有大幅度起落,除非局部地理或者全球气候发生突变。这一点在当前的能源转型讨论中很少提及,但却是十分重要的。这和化石能源资源很不一样——化石能源资源在每一年几乎都有新的矿藏发现。新型能源可开发的资源储量能不能满足未来的能源需求?笔者研究发现,至少对于中国而言,将所有技术可开发的太阳能、水电能、风电能均开发利用后,依然不能平衡中国未来强劲的能源需求。在分析的各种情景下,目标年需要化石能源平衡的能源需求份额较大。这是一个值得重视的问题,如果不能够提前预见并做好准备,在化石能源难以为继的情况下,能源出现断崖式的“硬”断供,从而引发经济和社会的混乱,不是不可能发生的事情。

  第二,在资源蕴藏总量一定的情况下,要增加新型能源的供应能力,唯一的途径是通过先进技术手段提高能源转换的效率。对于风电能来讲,就是能否改变风电能依靠风轮转换成电能的技术路线,以突破贝茨理论的转换效率限制,同时降低风电能转换设备的制造难度。对于太阳能光伏利用来讲,就是如何不断提高太阳能光伏转换的效率。目前投入商业应用的先进光伏发电的转换效率大约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,太阳能作为供应能源的供应能力可以得到大幅度增强。

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【编辑:叶先生