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人类面临环境危机 能源转型迫在眉睫

   日期:2020-02-26     来源:国际能源网 作者:岳来群    浏览:1112    评论:0    
澳洲一场森林大火烧了几个月,数以亿计的动物在此次火灾中丧生。自然界对于人类的报复从未停止。2019年,气候学家识别出了全球变暖的多个“地球临界”指标(tipping points),包括两极、格陵兰及高山冰川(盖)快速消融、亚马逊等热带雨林锐减、亚库特等地永冻层加速解冻等,目前已逼近多个临界指标。如果任其发展下去,很多国家和地区将被海水吞没。

进入21世纪以来,能源尤其是化石能源消费增长强劲,由此产生的后果是大气碳循环失衡、海水酸化、气候变暖、生态告急、局部低纬度区沿海风暴潮强度加大,频次增多等。这一系列后果的主要推手是人类温室气体排放增速蹿升;不仅如此,生态问题还导致某些生物物种的灭绝或濒临灭绝;环境恶化包括了固、液等垃圾的不当抛排,且固废中含相当多的塑料垃圾,也与化石能源有关。

因此,能源转型是控制温室气体排放的关键之一,也是环保能否取得成效的关键。

未来,绿色低碳、可持续发展成为人类文明持续繁荣的科学、理性选择。应共同致力于构建绿色低碳、高效智能、多样共享的可持续能源供给体系,形成油、气、可再生能源、核能、煤炭为主的新的能源消费格局 。

抑制环境恶化需全球共同努力

地史上,最近的全球暖期为上新世(Pliocene,距今5.3-2.6百万年)。地史上冰期、间冰期交互发生的古气候周期因近代工业革命的巨大影响而剧变,年均高气温的间冰期大为延长。据俄罗斯南极冰心以及格陵兰气候研究显示,42万年以来的二氧化碳、甲烷浓度变化的主要趋势(周期性)与冰期、间冰期循环类似,但变化加快;目前的二氧化碳、甲烷等高浓度值(量)在以往的42万年中从未出现过,量值呈线性增加。

从生态问题的极端风险案例分析,如亚库特等地的永冻层解冻或将导致万千年前被冰封的未知病毒逸出并危及现代人类健康生活。环境问题从来不是世界一两个国家努力付出就可以解决的问题,温室气体排放的抑制、海平面上升增速的逆转需要各国的通力协作、共同应对。理想状态下,在对抗气候变暖议题上,已不再是一两个国家主导,而是由多国带头,籍由互助、协作达成目标;但在具体行动上,却依然是“蹒跚而行”甚或寸步难行。

在新能源和可再生能源开发环节,中国政府推出强有力的政策使得能源转型加速运行。习近平主席曾多次重申中国致力于实现所承诺的减排目标的决心。我国高层显然意识到了温室气体排放可能带来的跨越国界的灾难。近年来,中国的产业结构调整、能源转型的努力已经走在世界的前列。

2014年6月13日习近平总书记提出“四个革命、一个合作”的能源新战略,我国能源结构等产生了深刻的变化。2016年12月,《可再生能源发展“十三五”规划》发布;2017年4月,《能源生产和消费革命战略(2016-2030)》印发,籍六大战略以推进能源转型。

2019年的G20峰会上,中法两国领导人共同宣布更新国家自主贡献以体现各自“最高的减排力度”。在能源开发等领域,有两个层面的能源转型已经快速推进:在化石能源中,以天然气、石油等替代煤炭;在大能源中,以新能源和可再生能源替代化石能源。

我国太阳能、风能、地热能、波浪能等资源丰富,是未来可以信赖的能源。如能快速开发,可以满足我国社会生产、生活等部分需求。经过多年的发展,我国太阳能光伏发电、风力发电技术已趋于成熟,成本快速下降。在可预见的将来,光电和风电的技术成熟性和经济性都将达到与常规能源相当的水平,将能加快能源转型向纵深发展。

在近年来的争执中,国际社会开始深入探讨可再生能源的发展路径。尽管世界各国根据自我实际对未来能源转型前景做出的判断和规划不完全相同,但总趋势一致。当太阳能、风能等发电技术和可靠性、稳定性得以充分实现,当其发电成本不断下降最终达到甚至低于常规能源发电(水电、煤电等)时,可再生能源应当上升为主力能源之一,至少在某些地区可以实现。

联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)的《可再生能源与减缓气候变化特别报告》(SRREN)的最高情景乐观认为,到2050年可再生能源将可满足77%的能源需求。欧洲转型政策的先进性、实用性居世界前列,不管是经济政策还是产业政策,都受制于碳减排政策的框架。

2011年12月的欧盟《2050年能源路线图》(EU Energy Roadmap 2050)就提出到2050年可再生能源将占到全部能源消费的55%以上。2019年欧洲海上风电新增装机3627MW,同比增19.6,海上风电机组均单机装机容量约7.8MW。2019年丹麦风能发电量为16.0Twh(160亿千瓦时),占总电量的47%。德国2000年可再生能源在电力消费中的比例为6.2%,2018年增长到约41%,2019年可再生能源发电量占总发电量46% (Fraunhofer研究所),首次超过化石能源发电,德国《能源方案》提出到2050年可再生能源占能源消费总量的60%和电力消费的80%。英国能源与气候变化部在《2050年能源气候发展路径分析》中探讨了远期可再生能源满足约60%能源需求的前景。日本在2011年福岛核电事故后确定2020年可再生能源将满足本国20%电力需求的目标,并深入探讨了2030年日本进一步提高可再生能源比例的转型方案。

2018年美国能源部支持完成的《可再生能源电力未来研究》认为,可再生能源可满足2050年80%的电力需求。数据显示,虽然特朗普政府不支持2015年2月的《巴黎协定》(The Paris Agreement),但美国的能源转型仍世界领先。

2019年7月的美国国家海洋及大气局辖下的环境信息中心的《2018年度气候状况》(US State of the Climate 2018)报告显示,2018年全年的温室气体排放量创新高,导致全球气候暖化的温室气体破坏力比1990年增强了43%。报告称,“自从进入21世纪,每年的温度都高过1981至2010年期间均值。2018年,全球排放入大气层内的温室气体,包括二氧化碳、甲烷和氮氧化物等持续上升,创下新高纪录”。报告又指出,2018年是有纪录以来第4热的一年,仅次于2015年、2016年和2017年。其中,2016年是自从19世纪中期开始有纪录以来最热的一年。

2018年,全球海洋水位连续第7年上升至纪录性高位;冰川则是连续第30年以令人关注的速度消融。美国温室气体排放量在2007年达到了峰值65亿吨,2008年金融危机期间一度降至59亿吨,2014年又回返至63亿吨。由于以往煤炭大规模开采,美国怀俄明州大片土地已不可耕种,所幸近年来美国页岩革命(shale revolutions)连续取得巨大突破,气电逐渐取代煤电。美国博地能源(Peabody Energy)、爱国者煤炭(Patriot Coal)、阿尔法资源(Alpha Natural Resources)目前均为破产或基本破产状态,美国2018年产原煤7.29亿吨(2008年为11.34亿吨),2019年煤炭消费处于30年来最低水平。美国多个州、市和商业街区设立了雄心勃勃的气候与可再生能源政策,预计未来美国温室气体排放量将呈下降态势。

国际社会已经达成推动能源转型的共识,但行动滞后。由于目前全球环境问题严峻,倒逼人类的能源、经济发展模式转变。2019年,联合国气候大会(COP25)于12月2-14日在西班牙马德里分两区举行,会议讨论了于2020年后提高各自的减排目标,并为努力适应气候变迁的发展中国家提供资金支持。为了环境,人类必须走一条谦卑而又可持续的发展之路;为了完成化石能源转型预定目标,新能源和可再生能源必须加快发展,能源必须替代升级;各国必须协作。

1.9亿人居住地将沉落海底

控制全球升温速度已经迫在眉睫,即使能按照《巴黎协定》提出的,本世纪内要把全球平均气温相较工业化前水平升高值控制在2℃之内,并为能控制在1.5℃内而努力。人类的生存环境也将面临极大的挑战。意味着即使将升温控制在2℃以内也不能有效避免气候变暖带来的最坏影响。如同中国,美、欧等高层显然也意识到了温室气体、环境恶化加速等所带来的严峻性。2019年,英国《自然通讯》杂志曾发表的一项气候研究结果认为,海平面上升、海岸洪水对全球岸线的威胁约是先前估计的三倍。美国国家气象局气候预测中心(CPC)2019年的研究结果显示,即使在低碳排场景(即温室气体排放在2020年之前达到顶峰,实际不可能)下,仍有约1.9亿人居住的滨海区将位于2100年的预计海平面之下。人类所面临的减排任务十分艰巨。

环境问题是能源转型的最重要推手,全球气候极端化,极地、格陵兰及高山冰川消融加速,海平面急剧上升等环境问题需要全球应对。人类对地球的“改造”日益加速。在加拿大阿沙巴斯克(Ashabasca)等地,油砂开采已经毁坏了大片林地。在北美,有山火、飓风等;在北欧,多次发生森林大火;在北美阿拉斯加,2019年哥伦比亚冰川已经消融了有记录以来的60%。在俄罗斯的北极圈内,北极冰的快速消融虽可为少数国家开辟北极航道(The Arctic Route),但却严重危及生态文明。在澳洲,有失控的野火。在帕劳、瑙鲁等,有灾难性的海进(transgression)。在我国山西朔州,煤炭的大规模持续露天开采已毁掉了永定河源头的泉眼等。工业革命以来人类对生物圈的破坏,超过以往几十万年之和。人类想逆转此类破坏已经难得从容了。在大自然面前,要低下高昂的头颅,要快速行动。

中国是目前世界上最大的煤炭消费国,是广被关注的碳排放“大户”(本段文字中光电、风电数据仅供参考)。国务院于2016年10月27日印发并实施了《"十三五"控制温室气体排放工作方案》,实施层面目标较明确。旨促进碳排放的降低,成效显著。2005年我国煤炭消费在一次能源中占比重约72.4%,此后大约14年的时段内煤炭在能源消费中占比年均降约1%。2018年中国碳排放强度较2005年下降45.8%。2018年我国能源消费总量约46.4亿吨标准煤,其中煤炭产量、消费量分别为36.8亿吨和37.7亿吨,煤炭消费占比59.1%。2018年,光伏发电约1775亿千瓦时,同比增50%;风电约3253亿千瓦时,同比增16.6。2019年中国总能源消费47.9亿吨标煤,原煤产量、消费量分别为37.5亿吨和39.4亿吨,煤炭消费占总能源消费比约58.2%。2019年全国规模以上总发电量71422.1亿千瓦时,同比增3.5%。2019年煤炭发电51654.3亿千瓦时,同比增1.9%,占总发电量72%。2019年光伏发电2243亿千瓦时,同比增26.4%,占总发电量3.0%;风力发电量3577.4亿千瓦时,同比增,占总发电量5%。2019年前三季度弃风电量128亿千瓦时,均弃风率约4.2%。能源转型仍任重道远。

根据国家发展改革委、国家能源局等16部门联合印发《关于推进供给侧结构性改革 防范化解煤电产能过剩风险的意见》(以下简称《意见》)。《意见》提出,到2020年,全国煤电装机规模控制在11亿千瓦以内。但这个数字约等于所有其他国家煤电装机量之和。从数据看,这个11亿千瓦的装机依然偏高。我国自2017年12月19日,正式启动全国碳排放交易体系,此乃实现2030年二氧化碳排放达峰承诺的重要措施,也是全球实现温室气体达峰的重要组成部分。火电导致的碳排放超标依然是一个问题,如果风电、光伏、水电、核电可以替代部分火电,对于我国乃至世界的碳减排都将发挥重要的作用。

清洁能源高速发展给全球碳减排带来希望

技术进步是光电和风电发展的根本保证。光电、风电已经成为全球重要的清洁电力来源。用低碳的可再生能源替代高碳能源是可行的,能源转型已经成为世界各国应对全球气候变化的一项重要战略举措。世界范围内可再生能源发电量持续增长。2010-2017年全球可再生能源发电量占总发电量的增长情况。截至2017年底,全球可再生能源发电量已经占到全部发电量的26.5%,其中水电占比基本保持不变,而可再生能源发电量(主要是风电和光电)已经从2010年的3.3%增长到了2017年的10.1%。

中国太阳能资源丰富。总体看,我国绝大多数地区均属于适宜太阳能利用的地区,且太阳辐射资源分布广泛,分布特点为西部高原大于中东部丘陵和平原、西部干燥区大于东部经济发达的湿润区。其中太阳能很丰富区(年辐射总量达到1400kWh/m2以上)约占国土面积的2/3。笼统看,我国陆表水平面太阳辐射的年功率约1.68×103TW,水平面平均辐照度约为175W/m2,高于全球平均水平;2018年,我国陆表水平面年均总辐照量约1486.5kWh/m2,固定式光伏发电年最佳斜面总辐照量约为1726.9 kWh/m2。在光电产业方面,我国光电相关产业的发展在世界上尤为突出,产业规模多年保持世界第一,已经形成了硅材料、硅片、电池、组件为核心的晶体硅太阳能电池产业化技术体系。创造了多晶硅太阳能电池效率的世界纪录。我国硅基等薄膜电池的研究和技术水平快速提升。

在风电方面,估算我国陆地70m高度层年平均风功率密度达到300W/m2以上的风能资源技术可开发量为2.6TW,70m高度层年平均风功率密度达到200W/m2以上的风能资源技术可开发量为3.6TW。广阔的海面风能蕴藏量也十分巨大,在离岸距离不超过50km的近海海域内,我国沿海水深不超过50m的海上风力发电实际可装机容量约为500GW以上。

科学技术的不断创新是新能源和可再生能源快速发展的先决条件。我国已经成为世界风电设备制造大国;已形成3.6MW以下装备设计制造技术体系,初步掌握了5MW、6MW整机集成技术;风电机组整机及零部件国产化率达到85%以上。

不仅如此。我国还实现了大规模风电高效、平稳的并网接入技术,解决了大规模风电并网的仿真模拟难题,开发了具有完全自主知识产权的风电功率预测系统。基本解决了低/高电压穿越技术难题,建成了全球首个100MW级国家风光储输示范工程和全球首个海岛风电多端柔直(VSC-HVDC)技术示范工程,实现了大规模风电高渗透率并网运行(上述昼夜交替、气候变化等引发的光电入网波动性与风电类似)。2018年,我国海上风力发电新增装机容量1.66GW,累计装机容量达到4.45GW。未来,双馈异步发电技术仍将是主流,直驱式、全功率变流技术在更大规模风电机组上应用的比例增大,有望成为未来主流技术;各种增速型全功率变流风电机组将得到应用;低风速地区风电设备研发将取得进展;风电场建设和运营的技术水平将日益提高。但风电机组单机容量应持续增大,大型风机柔性叶片技术及机组的核心控制技术亟待发展。

成本下降是新能源和可再生能源快速发展的根本。光伏发电和风力发电的电价成本除了设备投资以外,项目所处的局部资源条件和运行环境都是影响最终电价的重要因素。以往,可再生能源发电技术的电价成本远高于常规(煤、水等)发电成本而缺乏竞争力。

近10年来,在技术进步和规模化发展的推动下,全球光电和风电的成本快速下降,一些资源条件和运行环境好的项目,其单位电价成本已经达到或低于煤炭等常规能源,可实现平价上网。由于技术进步及供应链延长和壮大,欧洲海上风能的发电成本预计2020平均可降至0.05-0.10美元/千瓦时。在美国,135吉瓦(135百万千瓦)的煤电厂运营成本要高于0.04美元/千瓦时(包括煤炭成本、管理成本),新建的光电和风电场的发电成本平均则可低于0.04美元/千瓦时。2009-2019年,中国光电电池组件和发电系统的成本均下降了90%。显然,随着可再生能源成本的持续降低,能源转型不仅仅具有环境效益,更具一定的经济效益。

储能和需求侧管理也可有效改善新能源的入网波动性。近年来,储能(储电,储热,储冷如LNG岸上气化前等)技术的快速发展及成本持续下降,使其应用日益广泛。不仅可减少弃风弃光,还可平抑发电出力,提高电能输出质量。同时,通过针对性的需求侧管理,可以为新能源入网不稳定性找寻求更具创新性的解决方案。

如调整峰谷电价差;通过价格信号鼓励用户在谷段多用电、峰段多放电;联动式地有效利用蓄电、蓄热、蓄冷、蓄氢等多种能源形式、多种设备资源等。通过时、空多维度的调节,解决新能源出力与负荷同时率(load coincidence factor)差问题,进而降低新能源不稳定对能源供需的影响,促进新能源大规模利用。

电池发展大致包含成本、方便性、电池制造技术、充电时间、环境友好、能效和续航时间等,是能源转型的重要领域,其经济意义、环境意义尤为重要。首先,电动汽车的发展是交通业化石能源替代方向之一。全球汽车油料需求约占石油总需求60%以上,电动汽车发展可以有效地替代石油消费。而电池成本快速下降,可加快能源转型,可加快市场推广。

锂电池成本近几年持续下降,2015年全球锂电池的成本约为350美元/kWh(千瓦时),2018年动力电池售价则低于150美元/kWh。2017年以后我国电动汽车综合成本开始低于燃油车。据2018年上半年成本数据,我国电池制造、使用成本等加和仅为燃油车相应成本的50%。此外电池效率也大为提高,2019年我国某些较为先进的实验室及企业双结砷化镓(GaAs)能源效率接近32%,2020年美国可再生能源实验室(NREL)最新数据其双结砷化镓能源效率为32.9%。随着政府加强基础设施建设和其他政策支持,即使无政府补贴,电动汽车亦将加速对化石燃油车的替代。

大势难以逆转。在战略实施中,应注意新能源和可再生能源发电不可能达到温室气体零排放。据德国环境部资料,即使是风能发电,每千瓦时释放出约11克二氧化碳,光伏发电释放量则为68克,以新能源和可再生能源为电源的电动汽车的温室气体排放量中也包含了此数值。太阳能电池及其支架系统,风机的叶片、塔杆和传动装置等,包括生产、运输、安装、连接和维护等环节都会排放温室气体,均要分摊计算为发电、用电而发生的排放。在节能和提高能方面,我国单位GDP能耗仍亟待大幅度降低。据世界能源署2017年数据,欧盟的单位(万元)GDP二氧化碳排放量为0.18千克,日本更低,世界平均水平为0.42千克,而中国则为1.01千克,是世界平均水平的2.4倍。2019年中国单位GDP产值能耗约为0.571吨标准煤/万元,同比下降2.7%。数字表明节能减排、提高能效仍是能源转型中的当务之急。

能源转型要坚持推进

加速能源转型要抓住关键。经济上要开发出低成本的光电、风电、地热能、波浪能、生物质能,包括二次能源的氢能等;在环保意义上,要使得可开发的新能源和可再生能源发挥所释放出的温室气体总量明显小于等效的化石能源等;在市场终端,产业及社会大众的用能终端应充分使用电能,尤其是分布式用能。

太阳能和风能除了具有资源丰富、清洁、环境友好等优点外,也都具有能量密度较低以及具有一定的间歇性和波动性等缺点。不管从科技创新和技术发展,还是能源政策环境等方面而言,发展太阳能和风能发电都还面临许多难题。除光电技术、风电技术外,多能互补技术、储能技术、智能电网技术、大数据技术的发展也有助于克服光电、风电的上述间歇性和波动性。未来应努力建立不同气候下、能满足不同用能需求的可再生能源供给体系。

能源转型要在完善体制机制、克服技术障碍和协调好多方利益的保障下坚持推进。前述2ºC的气候变暖“天花板”或可左右未来能源领域的资本配置,缩小化石能源的投资。美国、德国等都已较好地利用了市场加政府的作用挤压了以煤炭业为重点的化石能源业利益范围。在我国,煤炭的产业调整、转产等还面临着复杂的群体性补贴、医疗、退休等一系列特殊的具体问题,社会影响较大,未来针对性政策的出台与落实甚为关键。有业内专家表示,中国的能源结构与供需关系,决定了中国必须大力推进煤炭清洁高效可持续开发利用,并以此作为能源转型发展的立足点和首要任务。实现了清洁高效利用的煤炭就是清洁能源。

能源转型不是快餐文化,可以一蹴而就。通常意义上说,每一次能源转型都需要数十年甚至上百年的长期持续发展,而不是短短几年就能实现的。据BP统计资料,石油、天然气、水电、核电和可再生能源从在能源结构占比上升变化都经历了较长时间。这些能源在整个能源结构中所占份额的提高基本上都是一个渐进的过程,如石油从1877年在能源结构中占比1%经历50多年才发展到占比16%。2008年可再生能源(水电不计算在内)在整个能源结构占比1%,2016年才到3.2%。预测要它经历30多年才可能达到10%。

我们要清醒地认识到能源转型是一个涉及范围广泛且十分复杂的过程,其所需的基础设施必须在新能源供应和新方式广泛应用之前就要得到满足,否则就难以实现能源转型。我们要充分认识到能源转型的难度,对能源转型要保持足够的定力和推进力,避免急躁,能源转型是一场持久战,需要全世界各国同心协力共同推进。(作者:自然资源部油气资源战略研究中心原研究员、教授级高级工程师岳来群) 
 

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