「重磅」能源轉型要注意多能互補


能源發展要關注不同級別、特點的能源區域劃分,完善它們之間的智能聯網。

在能源發展戰略的討論中,人們往往能看到一種有趣的現象:從事某一種能源的專業人員往往都強調自己所屬專業的重要性,要求強化對其的支持。這是可以理解的。因為他作為專家有強烈地發展本專業願望,也最了解其行業的真實的發展情況(特別是其困難)。但他對其他專業和經濟發展的全局,往往缺乏足夠的認識。這就需要深入地互相交流和在實踐中發展已有的認識,在共同的探索中找到由化石能源為主體轉向非化石能源為主體的轉型道路。總體方向是肯定的:因地制宜、因時制宜的多能源互補,避免某種能源的缺陷而發揮其長處,以其總體的優勢去促進經濟的持續發展。

換言之,能源轉型不是要簡單的以非化石能源代替化石能源,更不是「風光獨秀」單調的「一統天下」,而是要謀求適合發展中的不同情況,多種能源靈活互補、共同保障能源安全和經濟發展的活躍局面。

石油在能源轉型中的地位

石油生產過程中的碳排放容易引起人們的人關注。首先是油田、運輸管線和煉廠無效排放和刺漏。這不僅影響環境,更是安全的大敵,因而是比較容易解決的問題。在整個產業鏈的運營過程中儘量減少以煤和石油為燃料動力,更多地使用天然氣和綠電也會明顯地減少其碳排放。

石油工業碳排放主要產生在油品的使用上。分散使用油品的交通運輸、中小型企業和商業民用建築不但消費量大而且其排放的碳和污染物難以被捕集存儲。對其碳減排的重要方式是以非碳產品替代。首先是以電力,特別是以非化石能源為動力的電力(綠電)替代油品。這是各國目前以及近期所大力推行的油品替代方式。歐盟為推行「綠色新政」提出對新車銷售平均排放量未能達標的企業徵收巨額罰款,使2020年歐洲電動汽車銷售量暴增三倍。第二是以氫氣為動力替代油品,目前呼聲亦甚高。油品的兩種替代方式在很大程度上都要使用電池。於是種類、效率多樣的電池紛紛出現。目前的難點是電池本身的成本過高和能量轉換的效率不夠高,特別是在使用安全上也往往出現問題。第三是以天然氣代替油品在運輸業,特別液化天然氣是重卡和航船上使用已相當普遍。在配套設施具備的情況下,這種方式可降低運輸成本和提高其環保效應。

油品的逐漸被替代直接影響到煉油業的發展方向。在不遠的未來原油將不再主要轉化為各種各樣的運輸燃油油品。這將使我國燃油油品在2025年左右達到3.56億噸的需求峰值。與之相應,石油工業下游需加大對落後煉廠的淘汰、改造。

目前全球煉油能力和石油化工生產能力過剩日益增加。近20年,全球煉能利用率從90%左右降到80%左右,而在2020年的疫情影響下大幅下降到72%,創歷史最低紀錄。中國作為煉油化工第二大國,煉能利用率相對較高,且為2020年唯一煉能有所增加的國家,其利用率也僅為78%。今後原油需求和價格將逐漸降低。

相當部分油品被替代並不意味著石油需求的相應降低。從全球範圍來說,石油消費的總量和其在能源中的比例在達峰以後會出現降勢,這一點並沒有爭議。但以IEA為代表的某些機構的極端性意見卻很難令人接受。 IEA在2021年5月發表了被稱為「歷史上最重要和最具挑戰性的」報告——《2050年凈零排放:全球能源系統路線圖》,提出需要立即停止化石能源、尤其是油氣項目新的投資。它認為2050年煤炭需求將下降90%、僅佔總能源的1%,天然氣的需求下降55%,石油需求下降75%。大部分專家不同意其中許多過激的意見,並認為這特別不符合中國的實際情況。在仍處於化石能源時代煤炭時期的中國,石油的需求在相當時間內仍有上升的趨勢。部分油品可被替代因而減低需求並不意味著石油消費馬上會相應降低。根據2021年3月國家能源局發布的《關於2021年風電光伏發電開發建設有關事項的通知》,2030年碳達峰時非化石能源佔比僅約為25%。清華大學項目組對與此相應的能源構成預測為煤炭、石油、天然氣依次佔45%、17%、13%。在能源消費總量仍然有所提升的情況下所需油氣的數量仍然是相當大的。包括曾興球在內的不少對中國油氣實際情況有深刻了解的專家指出了:中國石油企業需要轉型升級,但不應像BP那樣退出油氣產業,至少在近20年內不要說放棄、退出油氣,就是減產都不行。

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不同能源的互補和兜底作用

在目前看到的各種對2050年能源的預測中,共同點是以非化石能源為主體多種能源共存。以我國2021年發改委能源研究所和清華大學課題組提出預測為例,在能源構成中非化石能源佔77.4%,其中風能佔38.5%、光伏佔21.5%(二者共佔60%),非化石能源中煤炭、石油、天然氣,分別佔5.4%、7.2%、9.8%。風能和光伏在能源中佔有主力地位。其優點為整個產業鏈幾乎為零排放,除設備外不需要什麼原料;其缺點為發電量不穩定,且峰谷值難以人為控制。這就必須以其他的能源隨時填補其發電量的谷值。

當幾種負面作用疊加時,當發生嚴重的自然災害或國家安全受到威脅時,其發電量的谷值可增大若干倍、持續的時間可能較長,如何承擔能源安全供應的兜底作用就是一個相當嚴重的問題。

核電本身的性質,決定其很難承擔很頻繁的調峰任務。我國的核電站目前皆在沿海邊緣地帶,對許多地區來說是「遠水難解近渴」。龐大的水電群分佈在我國西南部黃河長江黃河上游,也有類似的困難。我國石油天然氣處於大量進口的狀態,滿足需求的壓力長期存在,油氣的儲存也是長期處於「欠帳」狀態而尚未完善的任務。在進口受到威脅時,其本身的供應安全形勢就很嚴峻。在較長的歷史階段中達到國家排放要求的「清潔煤電」仍會存在,其分佈也較普遍。在配備了碳捕集和碳儲存的條件下,由其就近承擔供電調峰填谷任務的主要部分就是一個相對合理的選擇。

「眾人拾柴火焰高!」當出現重大供應缺口時,地區內和鄰近地區的其他能源應盡力而為地參與這一任務。這似乎是完成能源安全兜底任務的一個途徑。

能源區劃分和規模化、分佈式的能源供應

基於發展的不平衡性,經濟和能源發展的歷史客觀地形成了其分區性,在高級次的分區中可疊加著若干低級次的小區劃分。基於對生產效率和利潤的追求,專業性企業的規模化和集約化是發展的必然趨勢之一。但這種趨勢總要受到多種因素的限制。其與產業鏈的上下游企業間、供應與需求間的一定程度的分離總是存在的。兩種趨勢的具體結合,取得了某種揚長避短的優勢。於是,現代經濟出現了不同規模、不同特點的經濟區多層次疊加,產業鏈各具特色各部分多中心發展的模式,出現了富有經濟活力和特色的經濟園區。後者往往成為經濟發展迅速的生長點。

這種不同級次、規模相疊加的能源區劃分,在目前往往與行政區有較多的聯繫。但最根本的分區因素,是經濟聯繫的緊密程度。從宏觀角度上,中國、歐盟等都可看作一個巨型能源區。進一步劃分,我國的西北區和西藏高原、若干省區、超大型一線城市、多數省(自治區),甚至經濟地理上密切聯繫的更小區域等,都可以看作一個較低層次的能源區。而最小級別的能源區,是多種類型的經濟園區、大型居民—商業區等。它們之間彼此在縱向、橫向上,可以有一定的疊加。從理想的模式出發,每個能源區內都有多種能源可以互補互調、不同用戶間的錯峰,儘量使區內供需的峰谷差縮小、某種能源出故障或需檢修可用別的能源暫時補替。同時,它需要與周圍的能源區建立聯繫,特別是在需要時能取得有更高級、更大規模能源支撐的能源區支援。這使得能源供應的安全性、經濟性的要求,不斷提高。

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能源區的源網荷儲一體化

以能源區內供需統一的視角,去發展經營能源經濟促進了源網荷儲一體化。供、需不再是分離,甚至對立的雙方可以在充分的互相協商、互相磨合中發展。從供應方到用戶之間的距離也可以優化到最小,從而削減長距離運輸和在能源轉換中損耗的比例。

眾所周知,從供應方到用戶絕大部分能源需要藉助電網、管線等專用通道。這不僅需要大規模基本建設的投資和日常的經營維護,而且在長距離的運輸和一次甚至多次的能源轉換中能源效率的損失相當大。這就影響到能源的降本增效。成本上能否降低到經濟上可替代化石能源的程度,是製約非化石能源發展也就是能源轉型的最主要因素。而規模較小的能源區靈活的運營調度,恰恰能避免這一點。如依託虹橋綜合交通樞紐建成的上海虹橋商務核心區節能示範工程,在佔地面積4. 7平方公里內實現了550萬平方米的公共建築熱、冷、電三聯供,一次能源利用效率高達81.2%。目前,該區節能率可達20%以上、二氧化碳減排率近45%。這個項目獲得了2014年度中國分佈式能源優秀項目獎。雄安新區能源建設,也是一例。雄安新區依託大區域網提供的電力和天然氣,特別是發揮了本地區地熱、光伏、風能等分佈式能源的作用,建成了有特色的低碳新城。

分佈式能源小區和與其相配合的源網荷儲一體化,使其可成為「碳中和」的領跑者。它的建設經驗啟發人們應該從能源產業鏈的各個方面尋求儲能解決方案。按照新行業技術標準規定,風電光伏發電站為滿足其分鐘至小時級最大波動幅度的要求,應按裝機容量的15%~20%配置儲能,抽水蓄能電站應滿足服務對像日內至週內的調節要求。需求側也應該響應調峰要求。為此,需要使電化學儲能的電池行業快速發展。無論是化學電池還是氫燃料電池,都需要在安全、高效、方便等方面走向成熟。

電動汽車是耗電大戶,私人汽車可利用分散的充電樁在夜間充電,也可在專業充電場快速更換已蓄滿電的電池,後者則主要在谷值期充電。被稱為「電池銀行」的這些中大型充/換電站可進行全面的服務,如進行電池的梯次利用、拆解回收。為此,中石化宣布要在2025年建成5000座充/換電站。據對已有站點的面積測算,當前具備充/換電站建設條件的有1400座。看來,在需求側建設儲能設施的工作開始走向規模化。令人擔憂的是,各種電池失火的事件不斷發生。號稱澳大利亞最大的「維多利亞大電池組」項目,在投產測試時失火燒了三天。看來,需求側蓄電的安全仍是個待補足的短板。

實現上述能源安全、節約利用的條件,是實施多級的智能化能源聯網。這在科技發展的今天,已經不是困難的事情。它關鍵在於加強「全國一盤棋」的頂層設計,打破區域部門的分割。在這方面中央做了很多示範,如長江三角洲和珠江三角洲經濟區的發展,長江流域、黃河流域的環境保護和經濟發展等工作。我們可以從不同類型、不同級別的能源經濟區試點工作做起,逐步發展完善。全國性能源網際網路的形成,不但能幫助各區域實現能源供需平衡,而且可以使能源發展更好地為經濟發展服務,更好地實現國內、國外雙循環。

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