卢强：我国实现碳中和目标的路径建议
发布日期：2021-03-16 来源：中国电力企业管理 作者：翁爽 浏览次数：414
人物介绍：卢强，自动控制和电力系统动态学专家，清华大学教授，中国科学院院士，1991年当选中国科学院学部委员；2003年当选IEEE Fellow；2006年当选瑞典皇家工程科学院外籍院士；2011年当选中国电机工程学会会士。
2060年碳中和已奏响中国能源发展最强音，围绕这一目标，一场有关经济、能源以及技术体系的伟大变革就此拉开大幕。碳中和已是既定目标，大规模发展清洁能源也是必然方向，但有关碳中和的实施路径，仍然有待进一步清晰和完善。长期从事储能与能效研究、我国最具权威的电力系统专家之一卢强院士认为，作为一个以煤炭为主体能源的发展中国家，提出“30·60双碳”目标，彰显了我国的壮志雄心与大国担当。实践碳中和，是一项关系全人类划时代的伟大事业。而迈向碳中和，关乎能源体系的深度转型和深刻变革。关于如何抵达这一伟大的革命性胜利，卢强建议，需大力开发西南水电与新能源，加快东部高耗能及部分高科技产业西移、加大西部开放力度，提升东部能源自给率。特别是要在全国发动新一轮风电、光伏和径流式小水电的有序超常速度的发展。为此就要大规模配套建设集散式、零排放、长寿命的绿色能源库，并继续扩大植树造林、扩大人工绿洲的生成面积。以上目标达成，其发挥的作用、产生的效益将是持久、深远，且不可估量的。
加快西南清洁水电开发
我国是以煤炭为主的用能大国，拥有世界上最大的以煤电为基础的电力系统。在碳中和目标指引下，以何种清洁能源替代减煤的缺口，是能源转型的核心问题。卢强认为，首先顶上的，应是水电。水电站兼顾灌溉、航运和发电，具有巨大的社会和经济效益，虽然前期投资成本较高，但建成之后发电成本极低，是一种既清洁又经济的绿色电源。我国西南地区拥有丰富的水利资源，雅鲁藏布江、怒江、金沙江、嘉陵江等都具有巨大的开发潜力。在过去的十多年里，怒江与雅鲁藏布江的开发受到了多方阻挠，以至于迟迟未能动工，如今，绿色发展只争朝夕，需要坚定决心，在我国主权范围内突破雅鲁藏布江和怒江开发的一切梗阻，在确保施工质量前提下，以“中国速度”攻克雅鲁藏布江和怒江的梯级开发。但水电开发周期很长，即便现在动工，距离投运也需要8~9年的时间。同时，雅鲁藏布江还是全世界海拔最高、落差最大的河流，开发难度毋庸赘述。“西南地区生态环境保护意义重大，水电开发条件复杂，对于国际河流的开发少不了要协调复杂的国际关系，无论是政治、金融因素还是技术因素都极具挑战性，因此，这更需要在中央坚强领导下，实施这一系列具有重大意义的民生和生态工程，让西南的江河早日造福民众。在‘十四五’期间西南待开发的一系列大型水电站中，每一座的容量都将超过长江三峡，然开发涉及的总移民数还不到三峡的1/3。这一系列水电工程投运后，将对中国碳中和的实现和能源安全保障起到巨大的支撑作用。”卢强说。
与水电开发并行的，更有风电与太阳能。目前我国对“风光装机稳居世界第一”引以为傲，但更应关注风光发电利用效率低的现状。资源条件丰富的西北地区囿于消纳难题，新能源并未得到充足的开发。卢强表示，我们需要的并非让世人“叹为观止”的巨大装机容量（千瓦），而是真实的电力（千瓦时）。但当下后夜来风大量被弃，以至于许多业内人士都认为“后夜风”被弃是理所当然的，对大量弃风、弃光几乎习以为常，巨大的资源浪费令人心痛。能源革命，首先要革的就是新能源浪费的命。新能源的开发规模在现有基础上还要再翻一番，才能既满足中国经济大发展，又实现碳中和目标。至于新能源波动性、间歇性、随机性特征所导致的“电能质量”问题，卢强认为，在解决绿色电的数量问题的同时可通过多种技术手段解决电能质量问题。
由于近期部分地区一时电力供需偏紧，核电被视为一种“稳定的清洁电源”再次获得业内的呼声与支持。卢强认为，核电并非全寿命周期的绿色电源。核电发展最大的问题，并不在于安全，而在于核电废料后处理的问题，核废料后处理既复杂又昂贵，如果能对核废料放射性进行99.5%以上安全收储，那么核电在全寿命周期内才可以称为绿色能源。前不久德国叫停了所有的核电站，倒逼其光伏和风力发电量首次超过了化石能源。
打造西部大开发新格局
在西部能源大力开发的基础上，需加快东部高耗能产业向西部转移。西部的资源优势转化为经济优势仍有巨大空间。长期以来，我国能源供应和需求逆向分布，过去，西电东送、西气东输、北煤南运等能源大容量转移是不得已之举，是特定历史时期的战略需求。西部地区有序承接产业转移，有利于促进区域梯度联动、平衡发展，推进产业结构调整，也有利于缓解东部的“双控”压力。
自1999年，中央做出实施西部大开发的重大战略决策至今已20余年，西部的发展有望成为中国经济版块中的一匹黑马。但卢强表示实践成果仍然远远不够，对于西部大开发，需中央加强政治经济方略的引导和统筹协调，增强产业转移的力度，扩大产业转移的范围。卢强认为，我国的西部大开发，其意义和价值不亚于美国当年的西进运动。美国西部在开发前，是一片现代文明几乎从未涉足的蛮荒之地。18世纪末，成千上万的美国移民越过密西西比河往西部开采矿藏、经营牧场、开垦荒地、建立城镇，经过几代人的努力，西部荒原变都市。西进运动使美国经济、资源、产业、人口的配置发生了巨大改变，综合国力得到了巨大提升。“西部大开发做好了，将是我国大国崛起篇章中最精彩的一页，”卢强表示，“因此，需要指引产业体系和产业链有序大体量转移，依附西部特色资源优势，对产业集群发展进行合理规划和引导。在产业转移的同时，配套以教育、医疗和生活设施的规建，为西部承接产业转移营造良好的‘硬环境’和‘软环境’”。再者，对国际投资实施更大开放政策，以“特区”试点，吸引外资进入并输出西部特产及其深加工产品。西南各省应考虑着力建造数个有高科技含量的大企业，如超大功率风洞、高质量甲板钢和坦克钢制造厂、磷酸锂电池制造厂、联系几省省会的磁悬浮列车、医用核磁共振机等。
8年前，卢强在全国政协大会上做发言时表示，西部地广人稀，资源丰富，面积占国土一半左右，但人口占比仅约30%；风光资源占比超过全国50%，而且多为一类资源区；西部高山冰雪融化和雨水渗入地下，千万年来，大量地下水资源蕴藏其中,形成水量丰富的地下水库，目前其利用率不到二成。地下水资源的过度开发固然不可取，但有资源却不加以有效合理利用，同样是一种浪费，西部完全具备大发展的条件。随着经济格局的重塑，能源格局、能源战略也将发生变化，过去远距离、大范围的能源转移利用模式将逐渐被就地利用所取代。“西部的经济发展了，电网结构会更趋于稳定平衡。”卢强说。
提升东部绿色能源自给率
东部作为我国经济最发达的地区，是能源消耗的主阵地，东部地区的能源需求仍将进一步增长。长久以来，东部能源践行着“电从远方来”的思路，自给绿色能源比例较低。在能源技术日益提升、经济格局不断变化的新形势下，大力发展本地风光新能源是东部地区发展的必然选择。东部地区提升绿色能源自给率，对于能源转型的全局至关重要。
卢强表示，东部人口密集、寸土寸金，因此东部新能源尤其需要集约利用。以德国为例，其风能、太阳能的资源分布、资源密度并未明显优于中国东部，德国平均每平方公里的土地上有156千瓦的风电装机、有120千瓦的光伏装机。然而，目前我国中东部14个省的平均值是这两个数据的11%，较之德国现有水平，还可有将近十倍的提高空间。中国东部地区可利用的屋顶和幕墙面积不比欧洲小，沿海风力资源也并不少于欧洲。
在欧洲，风电、光伏设施分布密集，节约型新能源开发的模式十分典型，节能降耗、绿色环保的理念深入人心，低碳发展具有良好的社会氛围。目前，中东部房屋建筑面积大约有10万平方公里，如果2050年总用电量的1/4由光伏产生，所需要的安装面积大约是中东部现有屋顶和幕墙面积的1/4左右。中东部目前已经开发的风和光仅占可开发资源量的1/10。卢强表示，建筑物的屋顶和三面幕墙是布局光伏重要的利用空间，未来我国新建筑不分大小，皆应采用BIPV（与光伏相结合的建筑）模式来建设。
目前，我国大型建筑，如机场、酒店、工厂，包括高等院校等建筑屋顶并未被有效利用，更不用说幕墙了。在东部地区，应尽快形成更多示范性科技成果，加强提升光伏幕墙、采光顶、围栏（双面发电）等能源转化率的研究。
近年来，国家政策大力支持BIPV发展，现有超过20个省市发布了BIPV相关政策，BIPV模式逐渐进入大规模应用阶段。新疆大学新建的图书馆，以及清华大学协助青海大学建造的图书馆就是非常成功的BIPV建筑,光伏发电自给自足，应成为广泛推广的绿色建筑样本。
卢强表示，东部已是负荷中心，发展本地清洁电源是当务之急；而西部作为能源富集地，大力发展本地负荷，方能打破区域发展不平衡、不协调的局面，从而推动区域经济高速高质发展。
发展多元技术的储能系统
在清洁电源大规模开发的基础上，还需要解决绿色能源利用率低下的问题。目前，我国无论是风电还是光伏，利用效率都低于欧洲，为了支撑新能源发电，一些超超临界燃煤机组不得不在后夜压低出力至额定值的40%运行，这不仅对机组损耗极大，且显著降低运行效率。原本1千瓦时/278克标煤的超超临界机组低谷时“压火”至1千瓦时/388克甚至1千瓦时/400克，既不经济，也不高效。
卢强认为，节约的能源是最有绿色价值的能源。大规模配置集中式或分布式储能设施，是提升风光和小水电利用效率的唯一途径，这样的绿色能源储存库要在全国“遍地开花”。其中无燃压缩空气储能便是促进能源高效利用的一项优选方案。无燃压缩空气储能系统将废弃电及低谷电通过压缩机把电能转换为空气分子内势能存入压力储气空间，待发电时通过释放高压气流喷射入涡轮机以带动发电机发电。大规模的压缩空气储能不仅可聚纳废弃的新能源，为大电网削峰填谷，而且对调相和增加旋转备用等皆具有重大意义。由国网和清华联合研建的世界首台无补燃500千伏压缩空气储能示范工程在安徽已成功运行4年之久。
目前，由清华大学、中盐金坛公司、中国华能集团和中科院理化所联合共建的“盐穴压缩空气储能发电系统国家示范项目”将于2021年7月投入运营。
卢强介绍，“盐穴压缩空气储能发电系统国家示范项目”落址于江苏省常州市金坛区，以地下盐穴为储气空间，项目采用具有自主知识产权的无燃压缩空气储能技术，第一期建设储能容量为60兆瓦。该系统的电-电效率可达到60%，算上热、冷的总效率达80%。该系统不仅发电，且具有热、冷和电磁能“四联供”的功能；零排放，长寿命（40年以上）且无回收污染之忧。该项目计划还将在金坛地区分期建设装机容量达到百万千瓦级的压缩空气储能电站群。
卢强表示，未来，我国应大力兴建零排放多能联供的压缩空气储能系统，风电以4:1，光电以6:1配置。但压缩空气储能要在全国大规模建设，需要足够的储气室，这一条件是否能够具备？卢强表示，用以储气的空间除盐穴外，还有大容积的废弃煤矿巷道可用，成本低廉。如大同市利用废弃煤矿巷道，亦将大规模兴建该储能电站，以支持传统能源大省的能源转型。
目前，我国储能商业化道路亟需市场环境和价格机制的支持。卢强认为，国家发改委、能源局应制定更合理的电价政策，使废弃电、低谷电和高峰电价各得其所，一套合理的价格机制足以引发市场需求和资本热情。
储能是影响未来能源格局的关键技术，多种储能技术需优化并进，结合不同的技术特点在相应的应用场景中各自发挥所长。卢强表示，电化学储能可移动，在交通系统中必不可缺，尤其是景区，应以电化学储能全面取代柴油机发电，还自然山水以清洁面貌。电化学储能应在以下四方面加大研发力度：一是需研究将磷酸铁锂转为磷酸锂电池以减轻其比重；二是在保持高效的同时降低对储存温度的苛刻要求；三是在快充条件下延长其寿命；四是完美解决其后处理问题。
卢强院士描述下的绿色能源体系，是对现有能源体系彻底的“改头换面”，这样的美好愿景要落地成形似乎还有较长的道路要走，但他认为，所谓革命，就是在批判旧世界的基础上，建立一个新世界，能源革命，亦要有如此勇气与魄力，才能将理想付诸现实。
本文刊载于《中国电力企业管理》2021年02期