中國(guó)科學(xué)院院士、國(guó)網(wǎng)公司中國(guó)電科院名譽(yù)院長(zhǎng)周孝信通過(guò)視頻發(fā)表了題為《雙碳目標(biāo)下我國(guó)能源電力系統(tǒng)發(fā)展前景和關(guān)鍵技術(shù)》的精彩主旨演講。他表示，雙碳目標(biāo)和能源轉(zhuǎn)型的戰(zhàn)略目標(biāo)是高度一致的，兩個(gè)構(gòu)建是實(shí)現(xiàn)能源轉(zhuǎn)型的根本措施，是實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)的基本保證。
以下為演講全文：
周孝信：各位領(lǐng)導(dǎo)、各位專(zhuān)家，今天我向大家匯報(bào)的題目是《雙碳目標(biāo)下我國(guó)能源電力系統(tǒng)發(fā)展前景和關(guān)鍵技術(shù)》。主要分為五部分：第一，我國(guó)能源轉(zhuǎn)型的戰(zhàn)略目標(biāo)和實(shí)施路徑;第二、新型電力系統(tǒng)主要特征核心指標(biāo)和關(guān)鍵技術(shù);第三，雙碳目標(biāo)下我國(guó)能源電力系統(tǒng)發(fā)展情景分析;第四，綜合能源生產(chǎn)單元(IEPU)設(shè)想;第五，總結(jié)與討論。
關(guān)于我國(guó)能源轉(zhuǎn)型的戰(zhàn)略目標(biāo)和實(shí)施路徑，習(xí)近平總書(shū)記2014年6月提出“四個(gè)革命一個(gè)合作”的能源安全新戰(zhàn)略。習(xí)近平主席2020年9月22日提出中國(guó)“二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前碳中和的雙碳目標(biāo)”。2021年3月15日提出要“構(gòu)建清潔低碳安全高效的能源體系”，構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)，可以稱(chēng)之為“兩個(gè)構(gòu)建”。
雙碳目標(biāo)和能源轉(zhuǎn)型的戰(zhàn)略目標(biāo)是高度一致的，兩個(gè)構(gòu)建是實(shí)現(xiàn)能源轉(zhuǎn)型的根本措施，是實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)的基本保證。關(guān)于具體的能源電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型怎么實(shí)現(xiàn)呢?也是有以下五點(diǎn)：
一，大力開(kāi)發(fā)利用可再生能源，形成以非化石能源為主的電源結(jié)構(gòu)，這是實(shí)現(xiàn)能源轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵。
二，積極推動(dòng)煤電靈活性改造，為新型電力系統(tǒng)運(yùn)行提供緊急備用和靈活調(diào)節(jié)能力，探索煤電碳資源綜合利用。
三，持續(xù)推進(jìn)終端用能的電氣化，提高能源綜合利用效率。
四，加強(qiáng)電力電子和儲(chǔ)能等關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新，確保可再生能源消納，確保電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。
五，完善能源轉(zhuǎn)型各項(xiàng)政策，堅(jiān)持市場(chǎng)化改革方向。
關(guān)于新型電力系統(tǒng)主要特征核心指標(biāo)和關(guān)鍵技術(shù)，特征是以下五點(diǎn)：第一點(diǎn)是高比例可再生能源電力系統(tǒng);第二點(diǎn)是高比例電力電子裝備電力系統(tǒng);第三點(diǎn)是多能互補(bǔ)綜合能源電力系統(tǒng);第四點(diǎn)是數(shù)字化國(guó)家能源互聯(lián)網(wǎng)大會(huì)化智慧能源電力系統(tǒng);第五點(diǎn)是清潔高效低碳零碳電力系統(tǒng)。
核心指標(biāo)有以下五點(diǎn)，實(shí)際上是能源和電力緊密聯(lián)系在一起的五點(diǎn)： 第一點(diǎn)是非化石能源在一次能源消費(fèi)中的比重; 第二點(diǎn)是非化石能源發(fā)電量在發(fā)電量中的比重;第三點(diǎn)是電能在終端能源消費(fèi)中的比重;第四點(diǎn)是系統(tǒng)總體能源利用效率;第五點(diǎn)是能源電力系統(tǒng)二氧化碳排放總量。
關(guān)于新型電力系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)我把它歸納為十類(lèi)，這都是具有全局性影響的一些技術(shù)，我就不一一介紹了，重點(diǎn)介紹一下氫能生產(chǎn)、儲(chǔ)運(yùn)、轉(zhuǎn)化和應(yīng)用技術(shù)。
對(duì)于我們來(lái)說(shuō)，主要是要大力推動(dòng)可再生能源電力規(guī)?；茪洌茪湟院螽?dāng)然可以直接應(yīng)用。但是為了便于長(zhǎng)期儲(chǔ)存、便于運(yùn)輸，希望進(jìn)一步能源化工技術(shù)融合，與火電廠(chǎng)二氧化碳捕集利用技術(shù)配合，來(lái)規(guī)?；a(chǎn)便于運(yùn)輸、便于儲(chǔ)存的甲烷、甲醇、氨等氣體液體燃料，希望能夠部分代替石油天然氣等化石能源。這既是能源系統(tǒng)低碳化轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵舉措，也有可能成為未來(lái)高比例再生能源電力系統(tǒng)應(yīng)對(duì)發(fā)電短期出力波動(dòng)和中長(zhǎng)期能源電力供應(yīng)不平衡的一種有效途徑。
具體來(lái)說(shuō)，左邊圖是可再生能源電解水制氫，這個(gè)技術(shù)已經(jīng)很成熟了，但是還要進(jìn)一步提高效率。中間的圖是氫和二氧化碳合成甲烷和甲醇，甲烷是天然氣的主要組成部分，甲醇當(dāng)然是一種液體的可以作為燃料使用。它們都便于輸送和儲(chǔ)存。甲烷和甲醇都是含碳，所以一定要和二氧化碳合成。
還有不含碳的就是右邊的氫和氮?dú)夂铣砂?，大家都知道氨是制造化肥的基礎(chǔ)原料，也是另外的化工原料。但是作為能源來(lái)說(shuō)，氨也是一種含能量很高的能源形式。
這張圖就是可再生能源制氫、制甲烷、制甲醇、制氨的圖表示出來(lái)，可再生能源有很多種，包括大規(guī)模電網(wǎng)的風(fēng)電、光伏，包括地?zé)?、海洋能電站。特別提高生物質(zhì)能電站，生物質(zhì)能電站是排放二氧化碳，但是二氧化碳是零碳的過(guò)程。排放出來(lái)的二氧化碳如果捕集起來(lái)就變成富碳的技術(shù)，這是非常好的技術(shù)。這個(gè)二氧化碳拿來(lái)和氫氣來(lái)制甲烷、制甲醇等等，同時(shí)氫本身也可以通過(guò)天然氣管網(wǎng)來(lái)部分與天然氣混合，來(lái)輸送給終端發(fā)電使用。
下面做一個(gè)簡(jiǎn)單分析，“雙碳”目標(biāo)下我國(guó)能源電力系統(tǒng)發(fā)展情景。我以前做過(guò)的情景一到情景五都是在“雙碳”目標(biāo)提出之前做的。根據(jù)“雙碳”目標(biāo)的要求，設(shè)置了一種新的情景，就是情景六。首先是一次能源消費(fèi)總量及其組成結(jié)構(gòu)，這是非常重要的。非化石能源以綠色表示，煤炭以灰色表示，天然氣以藍(lán)色表示，石油是黃色表示。一次能源消費(fèi)總量是紅顏色折線(xiàn)構(gòu)成，2030年以前，我們能源還繼續(xù)增長(zhǎng)。2030年以后，就會(huì)逐步下降。它的組成中非化石能源占比是未來(lái)越來(lái)越高，煤和天然氣占比越來(lái)越低。
這是另外指標(biāo)，非化石能源占比和全社會(huì)用電量指標(biāo)是很重要的參數(shù)，決定了未來(lái)電力系統(tǒng)發(fā)展到什么樣的規(guī)模，可再生能源、綠色能源占什么樣的比例。
這是情景六設(shè)置以后的計(jì)算結(jié)果，以很簡(jiǎn)單的模型做了計(jì)算，算出了裝機(jī)容量和發(fā)電量，從2025年一直到2060年的過(guò)程。2025年非化石能源發(fā)電裝機(jī)占比超過(guò)50%，2025年到2030年風(fēng)電和光伏裝機(jī)容量超過(guò)煤電，2035年風(fēng)光裝機(jī)容量超過(guò)裝機(jī)容量50%，這是很關(guān)鍵的。如果說(shuō)新型電力系統(tǒng)，用風(fēng)光占比作為指標(biāo)的話(huà)，超過(guò)50%是達(dá)到了相當(dāng)?shù)某潭取?/p>
從發(fā)電量來(lái)看，2030年到2035年間非化石能源發(fā)電量超過(guò)50%，2035年到2040年風(fēng)光發(fā)電量開(kāi)始超過(guò)煤電，最后煤電加速退役。2030年風(fēng)光發(fā)電量占總發(fā)電量的20%，2045年到2050年間風(fēng)光發(fā)電量超過(guò)總發(fā)電量的50%，這是非常重要的。新型電力系統(tǒng)如果超過(guò)總量50%作為衡量的話(huà)，這標(biāo)志著我們國(guó)家在2045年到2050年間，風(fēng)光電發(fā)電量占比就回答道超過(guò)50%的程度。這種計(jì)算還是非常初步的，也是其中一種的計(jì)算。
這是二氧化碳的排放，二氧化碳排放有三條曲線(xiàn)。一條是能源系統(tǒng)排放總量，我們可以看到總的能源系統(tǒng)二氧化碳排放的峰值大概在2025年之后，2026年、2027年。下面是電力系統(tǒng)二氧化碳排放量在2030年以前達(dá)到峰值。黑顏色是煤電排放，煤電是電力系統(tǒng)二氧化碳排放的主要組成部分。右邊是兩項(xiàng)核心指標(biāo)，第一是電能在終端消費(fèi)中的比重，是紅顏色的曲線(xiàn)，目前來(lái)說(shuō)還不到30%，(2020年是26.7%)。隨著可再生能源比例增加，隨著終端消費(fèi)能源的轉(zhuǎn)型，比例會(huì)逐步增加到2050年超過(guò)70%。
我們現(xiàn)在總的能源系統(tǒng)利用效率只有30%幾，比較低的，希望經(jīng)過(guò)二三十年的發(fā)展希望超過(guò)50%。
2020年我國(guó)能源電力發(fā)展情景，一次消費(fèi)總量接近50億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，非化石能源消費(fèi)比重接近16%。全社會(huì)用電量7.51萬(wàn)億千瓦時(shí)，人均年用電量5327千瓦時(shí)。左邊的圖是裝機(jī)容量，其中黑色的是煤電裝機(jī)是49.1%，這是第一次煤電裝機(jī)比例小于50%的一年，也就是去年。太陽(yáng)能風(fēng)電、發(fā)電占的比例都是超過(guò)10%的情況。右邊是發(fā)電量，煤電占60%，在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間里面還是占比較重要的比重。
2030年的情況，煤電占裝機(jī)容量32.3%，差不多1/3的樣子。但是發(fā)電量還要維持在46.1%，依然是我們國(guó)家發(fā)電量的主要組成部分。太陽(yáng)能占10%，風(fēng)電占10%。
下面就是我們介紹一下綜合能源生產(chǎn)單元(IEPU)設(shè)想。
接著剛才談到的氫能，具體到發(fā)電廠(chǎng)配合的情況，我們希望傳統(tǒng)的燃煤發(fā)電，當(dāng)然燃煤發(fā)電本身也在發(fā)展，比如說(shuō)混燒生物質(zhì)的火電廠(chǎng)是更好。這個(gè)電廠(chǎng)進(jìn)行二氧化碳捕集，捕集產(chǎn)生的二氧化碳和通過(guò)光伏發(fā)電以及火電發(fā)電本身發(fā)出來(lái)的電力，再加上電網(wǎng)取的電，比如電網(wǎng)低谷時(shí)候的電力可以拿來(lái)用。三種是和不同電源的電力可以進(jìn)行電解水制氫。
產(chǎn)生出的氫氣，當(dāng)然是可以直接拿來(lái)應(yīng)用，或者通過(guò)管道來(lái)輸送。我們這里是推薦要把二氧化碳的資源綜合利用起來(lái)，所以二氧化碳和氫來(lái)合成制甲醇，二氧化碳和氫合成制甲烷。這是作為一個(gè)多元架構(gòu)來(lái)說(shuō)是既生產(chǎn)電，又生產(chǎn)能源化工的產(chǎn)品，也生產(chǎn)氫的綜合能源生產(chǎn)單元，希望將來(lái)是一個(gè)總的能源供給側(cè)的單元結(jié)構(gòu)形式，這樣就可以對(duì)未來(lái)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的變化、電網(wǎng)的發(fā)展提供思路。同時(shí)也為火電廠(chǎng)的低碳、零碳轉(zhuǎn)型提供可行的方案。
剛才介紹了生產(chǎn)各自能源產(chǎn)品、電等等之外，這個(gè)單元由于本身具有發(fā)電能力，一天24小時(shí)的發(fā)電能力，包括調(diào)度的安排。黃顏色是太陽(yáng)能光伏發(fā)電，灰顏色是燃煤電場(chǎng)、燃煤混燒、生物質(zhì)能電場(chǎng)發(fā)電，它們是作為發(fā)電存在的。藍(lán)顏色在單元內(nèi)部是作為內(nèi)部的負(fù)荷、負(fù)載，因?yàn)殡娊馑茪浜碾娛潜容^大的，應(yīng)該說(shuō)這個(gè)單元是不同的單元組成的，其中可調(diào)節(jié)的電源是火電廠(chǎng)本身，火電廠(chǎng)進(jìn)行改造以后可以降低到30%的出力。電解水制氫作為整體來(lái)說(shuō)，可以運(yùn)行在30%額定容量的情況下。如果分為若干組，它的組合就更多，最小的負(fù)荷就可以更小。所以有兩種，一個(gè)是發(fā)電可以靈活調(diào)節(jié)，一個(gè)是負(fù)載，電解水制氫也可以靈活調(diào)節(jié)，所以總的靈活調(diào)節(jié)能力就比較強(qiáng)。其中我們希望所有太陽(yáng)能光伏電量都得到充分應(yīng)用，是不需要調(diào)節(jié)的。
調(diào)節(jié)能力這樣來(lái)說(shuō)，作為單元來(lái)說(shuō)，出力上限等于火電機(jī)組額定功率加上光伏發(fā)電功率，減去電解水制氫、制甲烷裝置出力的下弦，就是整個(gè)出力的上限。這個(gè)圖里面的曲線(xiàn)就是在不同時(shí)刻調(diào)節(jié)的上限。出力下限等于煤電機(jī)組最小的出力限制(約30%)減去電解水制氫制甲醇裝置出力上限。
這樣的話(huà)，加上太陽(yáng)能光伏本身在中國(guó)的出力比較高。這個(gè)例子上限是447千瓦，下限是早晨6點(diǎn)是負(fù)74千瓦，所以調(diào)節(jié)的范圍就很大了。
結(jié)論是這樣，與電網(wǎng)并網(wǎng)的優(yōu)化運(yùn)行結(jié)果表明，IEPU比傳統(tǒng)火電廠(chǎng)具有范圍更大的靈活調(diào)節(jié)能力。這個(gè)表是設(shè)備的配置，實(shí)際上發(fā)電是30萬(wàn)的機(jī)組，而且機(jī)組最好已經(jīng)是運(yùn)行過(guò)一段時(shí)間，還款已經(jīng)還過(guò)了，所以成本是比較低。二氧化碳捕集量是15%，占總量的18%。光伏發(fā)電容量是180兆瓦，電解槽用電功率是140兆瓦，氫產(chǎn)量一年是兩萬(wàn)噸，制甲醇是10萬(wàn)噸的情況。除了能夠產(chǎn)生電和綠色的燃料的依賴(lài)，我們還可以在電網(wǎng)里面具有非常好的靈活調(diào)節(jié)能力。
下面是總結(jié)與討論：
關(guān)于情景分析的總結(jié)：
雙碳目標(biāo)下的情景分析表明：2035年風(fēng)電光伏裝機(jī)容量超過(guò)裝機(jī)總?cè)萘?0%，2045到2050年間風(fēng)電光伏發(fā)電量超過(guò)總發(fā)電量50%，這兩個(gè)50%是具有標(biāo)志性的。應(yīng)該所是為構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)創(chuàng)造必要條件。
能源系統(tǒng)和電力系統(tǒng)二氧化碳排放均可實(shí)現(xiàn)2030年前達(dá)峰，能源系統(tǒng)二氧化碳排放2050年、2060年分別降低為峰值的28%、10.5%;電力系統(tǒng)二氧化碳排放2050年、2060年分別降低為峰值的25.4%和1.6%，為實(shí)現(xiàn)2060年前碳中和目標(biāo)奠定了基礎(chǔ)。
關(guān)于IEPU的討論：
綜合能源生產(chǎn)單元IEPU既可生產(chǎn)除電外各種綠色燃料，又能以其高靈活調(diào)節(jié)能力來(lái)支撐高比例可再生能源電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，期望能作為火電低碳/無(wú)碳轉(zhuǎn)型路徑方案的一種選擇。
IEPU可以有不同類(lèi)型的方案：IEPU所需的二氧化碳可由火電廠(chǎng)碳捕集來(lái)取得，未來(lái)也可從空氣中捕集來(lái)取得;IEPU可由風(fēng)光發(fā)電與電解水制氫裝置，或者是水電廠(chǎng)與電解水制氫裝置組成。生產(chǎn)的綠氫與空氣中氮?dú)饨M合制氨;IEPU可由燃?xì)怆姀S(chǎng)與風(fēng)光發(fā)電及電解水制氫、儲(chǔ)氫耦合組成。未來(lái)燃?xì)怆姀S(chǎng)的燃料將由綠氫提供，成為應(yīng)對(duì)長(zhǎng)周期能源不平衡的能源重要措施;IEPU本身可以是實(shí)體的，也可以是虛擬的。
IEPU與數(shù)字化國(guó)家能源互聯(lián)網(wǎng)大會(huì)化技術(shù)結(jié)合，可形成能源供應(yīng)側(cè)各種智慧型基本單元，與消費(fèi)側(cè)智慧型基本單元(Integrated Energy Consumption Unit，IECU)如虛擬電廠(chǎng)、綜合能源微網(wǎng)等一起，組成未來(lái)典型電力系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)，以便充分挖掘利用供應(yīng)和消費(fèi)雙側(cè)自主管理和靈活性調(diào)節(jié)能力，有可能對(duì)未來(lái)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性、靈活性和儲(chǔ)能需求以及電網(wǎng)調(diào)度管理方式產(chǎn)生重要影響。
可再生能源制氫和各類(lèi)IEPU的經(jīng)濟(jì)性是制約其發(fā)展的關(guān)鍵因素，對(duì)此期待相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步帶來(lái)的成本進(jìn)一步降低，當(dāng)前我們應(yīng)結(jié)合實(shí)際工程的各種因素進(jìn)行詳細(xì)的經(jīng)濟(jì)性分析;IEPU設(shè)想的實(shí)現(xiàn)將會(huì)促進(jìn)能源領(lǐng)域不同行業(yè)之間的融合，對(duì)此需要體制機(jī)制的突破和創(chuàng)新。
(本文根據(jù)會(huì)議現(xiàn)場(chǎng)發(fā)言嘉賓的速記整理而成，未經(jīng)本人審核。)
