未來能源變革將呈08靠設計包裝現“五化” _ 中國發展門戶網-國家發展門戶

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中國網/中國發展門戶網訊   碳中和是一場綠色革命,將構建全新的零碳產業道具製作體系——如果沒有顛覆性、變革性技術突破,不可能實現碳中和。未來能源變革將呈現“五化”:從能源供給側看,是電力零碳化、燃料零碳化;從能源需求側看,能源利用高效化、再電氣化、智慧化。最終使我國建成以新能源為主體,“化石玖陽視覺能源+二氧化碳捕集利用與封存(CCUS)”和核能為保障的未來清潔零碳、安全高效能源體系。

從能源供給側看未來能源變革

電力零碳化

目前全球高達41%的碳排放來自于電力行業,我國更是高達51%碳排放來自于發電和熱力,電力脫碳與零碳化是實現碳中和目標的關鍵。

要實現電力脫碳與零碳化,首先要大力發展可再生能源發電。近10年來,我國可再生能源實現跨越式發展,可再生能源開發利用規模穩居世界第一。2020年我國可再生能源發電量占比全社會用電量29.5%,總發電量達到2.2萬億千瓦時;截至當年年底,我國可再生能源發電裝機占比總裝機42.4%,總規模已達到9.3億千瓦。可再生能源發電成本也在不斷下降,全球光伏發電成本在過去10年(2010—2020年)下降了85%左右。2021年6月國家電力投資集團公司在四川甘孜州正斗一期20萬千瓦光伏項目上報出0.1476元/千瓦時低價,創下中國光伏電站項目最低價紀錄。據預測,我國風電和光伏裝機到2030年可達16億—18億千瓦,2050年將超過50億千瓦。

要實現電力脫碳與零碳化,核心是構建以新能源為主體的新型電力系統。高比例策展新能源和海量負荷的雙重隨機性與波動性,給電網功率平衡和安全運行帶來了很大挑戰,亟須變革“源隨荷動”的傳統電力供給模式,提高電力系統靈活性。要重點突破區域電力系統“源網荷儲”的深度互動與調控方法,提升電力電子化電力系統韌性、進行基于大數據電力供給和需求的預測與管理、建立電力分散自治互信交易機制。要深化電力體制改革,創新電力市場機制和商業模式。依賴遍布全國的分布式光伏發電和風電,將每一個建筑物轉化為微型發電廠,大力發展虛擬電廠、智能微電網和儲能技術,部署更多的新能源裝機容量,發出與消納更多的新能源電量,使常規火力發電從現在的基荷電力轉變為調峰電力,實現電力脫碳與零碳化。構建以新能源為主體的新型電力系統是一項重大變革,德國的經驗值得借鑒。德國先后宣布2022年棄核和2038年棄煤,2050年構建全部100%采用可再生能源的用能體系⑥。德國在推進可再生能源發展中立法先行,建立起遍布全國的分布式光伏發電、風電、生物質發電及儲能機組;通過基于大數據的電力供給側和需求側的預測與管理,以及基于互聯網的電力交易和服務平臺,有效促進可再生能源消納,提高電網的供需平衡。在德國,高比例的可再生能源已使常規火電從基荷電力轉變為調峰電力,成功實現了能源結構轉型。

要實現電力脫碳與零碳化,化石能源發電可通過CCUS實現凈零碳排放。CCUS是目前實策展現大規模化石能源零碳排放利用的關鍵技術,結合CCUS的火電將平衡可再生能源發電的波動性,提供保障性電力和電網靈活性。“新能源發電+儲能”與“火電+CCUS”將是不可或缺的技術組合,它們間的深度協同將成為未來清潔零碳、安全高效能源體系的關鍵。根據國際能源署(IEA)研究結果,可持續發展情景下,2045年前全球將淘汰所有非碳捕獲與封存(CCS)煤電機組,將有1000太瓦時的電力由煤電結合CCS技術生產。因此,要加大CCUS技術研發投入,降低成本及能耗:研發新型吸收劑、吸附劑和膜分離材料,針對碳捕集、分離、運輸、利用、封存及監測等各個環節開展核心FRP技術攻關;要盡快建立CCUS標準體系及管理制度、CCUS碳排放交易體系、財稅激勵政策、碳金融生態,推動火電機組百萬噸級CO2捕集與利用技術應用示范,實現CCUS市場化、商業化應用。

燃料零碳化

燃料零碳模型化是以太陽能、風能等可再生能源為主要能量制取可再生燃料,包括氫、氨和合成燃料等。基于零碳電力的可再生燃料制取,將創建一種全新的“源-儲-荷”離線可再生能源利用形式,有望使交通和工業燃料獨立于化石能源,實現燃料凈零碳排放。可再生燃料是一項參展極具潛力的變革性技術,可為國家能源戰略轉開幕活動型與碳中和目標實現提供全新的解決方案。

可再生合成燃料是利用可再生能源通過電催化、光催化、熱催化記者會等轉化還原CO2,以合成碳氫燃料或醇醚燃料,具有能量密度高、輸運和加注方便、可利用目前加油站等基礎設施、社會應用成本低等優點。諾貝爾化學獎得主喬治·安德魯·歐拉(George Andrew Ola人形立牌h)等于2006年在著作《跨越油氣時代:甲醇經濟》中提出了利用可再生能策展源將工業排放及自然界的CO2轉化為碳中性醇場地佈置醚燃料的觀點。2018年施春風、張濤、李靜奇藝果影像海、白春禮4位院士聯合在Joule發文提出,如果人類想要獲取、儲存及供給太陽能,關鍵就在于如何將其轉化為穩定、可儲存、高能量的化學燃料,“液態陽光”將可能成就未來世界。近年來,通過可再生能源來轉化CO2制備合成燃料技術引起了世界主要發達國家和地區的高度關注。冰島碳循環國際公司(Carbon Recycling International)在冰島建成了世界上第一座基于CO2循環利用的商業化甲醇工廠,通過地熱發電,電解水制氫氣(H2),進一步與CO2合成可再生甲醇;2014年該公司甲醇產能達到4000噸。2020年10月中國科學院大連化學物理研究所李燦院士團隊千噸級“液態陽光”燃料合成參展示范項目在蘭州成功運行。歐盟啟動Energy-X項目VR虛擬實境,以CO2為介質來探究碳基能源的循環利用;美國能源部成立“液態陽光聯盟”(Liquid Sunlight Alliance,LiSA),聚焦CO2光/電還原液體燃料;上海交通大學成立了可再生合成燃料研究中心,目標是研發基于零碳電力的可再生合成燃料系統。牛津大學Hepburn等在Nature上發文預測到2050年全球將有42億噸CO2被轉化為合成燃料。

大型公仔

要真正實現通過陽光、水、CO2獲取可再生合成燃料,亟待開展可再生合成燃料的基礎理論和關鍵技術研究。針對CO2還原轉化產物,基于燃料與動力裝置相互作用及調控機制,進行可再生合成燃料設計;從分子水平上建大型公仔立催化劑構效關系,實現高效CO2還原催化劑體系的設計與功能化定制;進而構建高能效的CO2還原合成燃料系統,實現CO2到液體燃料分子的高選擇性轉化和可再生燃料的合成。

從能源需求側看未來能源變革

在能源需求側,要加快實現能源利用的高效化、再電氣化和智慧化。

高效化

能源利用高效化、節能減碳是碳達峰、碳中和最基礎的重要工作。2012年以來我國單位GDP能耗累計降低24.4攤位設計%,明顯高于全球平均降速;但是,值得注意的是2019年我國單位GDP能耗仍高于全球平均水平50%,是英國、日本的3倍左右,節能減碳潛力可觀。我國要加大節能、節水、節材、減碳等先進技術研發和推廣力度,全面推進電力、工業、交通、建筑等重點領域節能減碳;加快對電力、鋼鐵、石化場地佈置化工、有場地佈置色金屬、建材等高耗能、高碳排放行業企業,以及交通運輸車輛設備和公共建筑,實施節能和減碳技術改造,以降低單位GDP能耗和碳排放強度。

再電氣化

再電氣化是指在傳統電氣化基礎上,實現基于零碳電力的高度電氣化;未來碳中和社會的能源一AR擴增實境定是圍繞零碳電力展開的。2018年全球電氣化水平即電能占終端能源消費的比重僅為19%,我國為25.5%,預計2050展覽策劃年全球電氣化水平將高于50%。在加速零碳電力供給的基礎上,加快工業、建筑、交通等領域的再電氣化,這是提高能源利用效率、實現能源利用脫碳和零碳的重要途徑。

智慧化

智慧化是通過互聯網、物聯網、人工智能、大數據、云技術等信息與控制技術,將人、能源設備及系統、能源服務互聯互通,使電源、電網、負荷和能源存儲深度協同,實現能源流與信息流的高度融合。把多種多樣的分布式發電源和海量的負荷通過網絡構架起FRP來,給每個單元賦予智能,實現能源生產、交易、利用的高效化,以及能源基礎設施的共享,這是提高能源利用效率、最大限度就地消納可再生能源的重要手段。區塊鏈技術使數據或信息具有“全程留痕”“可以追溯”“公開透明”“集體維護”等特征,將改變能源系統生產和交易模式,實現點對點新能源生產、交易、基礎設施共享。例如,未來人們通過手機應用程序(APP)就能方便地把自家屋頂多余的光伏電賣給附近需要給電動汽車充電的陌生人,這種點對點的交易系統使能源系統中各節點成為獨立的產消VR虛擬實境者。

能源發展大趨勢

面向碳中和的能源發展大趨勢是通過能源變革,大力推進能源供給側的電力脫碳與零碳化、燃料零碳化,以及能源需求側的能源利用高效化、再電氣化和智慧化。化石能源尤其是煤炭將轉變為保障性能源,通過CCUS實現化石能源凈零碳排放,同時穩步發展核電;在此基礎上,構建以新能源為主體、“化石能源+CCUS”和核能為保障展覽策劃的未來清潔零碳、安全高效能源體系。

在能源生產形式上,將從現有電力系統自頂向下的樹狀結構(發電—輸電—配電—用電)走向扁平化、大量分布式能源自治單元之間相互對等互聯的結構。這種能源互聯使可再生能源分層接入與消納得以實現,構建以新能源為主體的新型電力系統。

在能源生產和模型消費的主體上,將從能源生產者、消費者互相獨立轉變為能源產銷者一體。隨著分布式能源系統和智能微網、局域網技術的日益成熟及電品牌活動動汽車普及,電網中分散電源和有源負荷將不斷增長,每一個建筑物轉化為微型發電廠,原本需求側的用戶將扮演消費者和生產者的雙重角色,成為獨立的能源產消者。

在能源結構上,化石能源從主體參展能源逐步轉變為保障性能源,在一次能源消費中的占比將大幅降低,可再生能源從補充能源變為主體能源,比例會持續大幅度提高。能源利用從高碳走向低碳,最后走向零碳能源的時代,這種變化將是革命性和顛覆性的。

碳中和愿景下的能源變革包括供給側的電力零碳化、燃料零碳化,以及需求側的能源利用高效化、再電氣化、智慧化。電力脫碳與零碳化是實現碳中和目標的關鍵和重中之重,碳中和社會的能源一定是圍繞零碳電力展開的。要盡最大努力,提高非碳基電力發展速度和供給能力,構建以新能源為主體的新型電力系統。

(作者:黃震,上海交通大學碳中和發展研究院;謝曉敏,上海活動佈置交通大學碳中和展場設計發展研究院。《中國科學院院刊》供稿)


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