清华大学教授 中国工程院院士
在北京市规划院建院30周年学术报告会上,清华大学教授、中国工程院院士江亿作了题为《发展热电气协同的城市能源系统》的学术报告。报告阐述了在转型发展的新形势下对能源革命的思考。
【能源革命的路径选择】
城市规划不只是土地和空间规划,能源规划、环境规划也是非常重要的组成部分。十八大以来,中央多次讲能源供给侧和消费侧的革命,革命就得彻底改变目前的能源供给和消费模式,会影响到方方面面。
首先介绍一下背景形势。巴黎会议结束不久,中国政府批准了关于气候变化的巴黎协定,并在G20会上正式提交了批准书,其中提到要通过人类的努力使得未来气候变化导致的大气温度升高不超过2度,并把它作为全人类的奋斗目标。为实现这一目标,到2050年,全世界总的二氧化碳排放总量不能超过150亿吨(中国目前一年二氧化碳排放总量已经达到105-106亿吨)。按照这个约束,2050年中国碳排放的额度只能是30-35亿吨,也就是说33年零3个月过后,碳排放量要下降2/3。以中国目前的做法去实现这个目标,是不可能的,这是一个很大的挑战。纵观发达国家的规划,其内容实际上就是要实现从目前的油气结构向未来以低碳或者可再生能源为主的新的能源结构的转变。中国到现在的燃煤比重仍达到65%以上,仍然处于煤炭时代,还没进入油气时代。
图1 世界主要国家煤炭占总能耗的比例
对于中国,能源结构到底该如何发展,是从现在的煤炭时代向油气时代过渡,还是一步直接向低碳能源转型,跨入新时代?这是差异巨大的重大决策,几万亿能源投资的走向也会完全不同。前者是沿袭老路,先花十到十五年实现油气时代,再花15-20年转向低碳时代,基础设施建设重复投资,是有问题的。后者则是直接跨入低碳时代!中国的清洁煤燃烧技术是世界领先的,目前最好的技术手段都在中国,如果把最先进的烧煤技术扔掉,再跟国外学习气和油,学完又废弃掉再搞可再生能源,这显然是有问题的。因此,应该直接从现在的煤炭能源阶段逐步进入可再生低碳时期。现有的规划结果表明,我国未来实现低碳结构是有条件的,技术也是成熟的。
【中国的低碳能源结构】
根据分析可以这样规划我国2050年的能源结构:
电力:全年8.5万亿到9万亿度,其中,可以由核能供应1万亿度(目前核电1500亿度),水电1.5万亿(目前水电约1万亿),风电1万亿(目前2000亿),光电1万亿(目前1000亿)。这样,非碳电力可以达到4.5万亿,再由燃煤、燃气产生4万到4.5万亿度电,由此造成的碳排放量为22亿吨。
直接的非电燃料:全年17亿吨标煤。其中,生物质可提供8.5亿吨标煤,燃煤燃气燃油提供8.5亿吨标煤。燃煤燃气燃油可产生15亿吨二氧化碳,但生物质能源中如果有1800亿立方米制成生物质燃气,在制备过程中可以分理处二氧化碳,并对其处理,形成1亿吨的负排放,于是直接燃料燃烧形成的碳排放为14亿吨,与前面发电碳排放合起来为每年36亿吨,略高于届时的碳配额。但是如果在通过进一步绿造林等碳汇活动,应该找回这一亿吨排放,从而实现中国的低碳承诺,实现向低碳能源结构的转型。
由此,要实现上述低碳规划,需要:
充分开发利用农村、西部戈壁、沙漠等各类空间资源,大力开发生物质能、风能、光能
当风能、光能成为电源的主要构成时,其随机性和不可控性导致电力供需间出现严重失调。因此必须解决电力峰谷调节问题
上述规划中不包括北方城镇冬季供暖基础能源,需要依靠燃煤燃气热电联产和钢铁有色建材石化等工业生产过程的余热作为供暖的基础能源。这就需要彻底改变目前北方城镇供暖的能源结构。
【北方城镇供暖和电力调峰的协同解决方案】
一是未来北方城市要使用纯凝电站和各类工业的余热作为热源进行集中供热。二是要利用多种蓄能手段依靠热电联产为电力调峰。另外,需要通过多热源共网、跨区域长输热量实现区域供需平衡。同时,使用天然气进行末端调峰,充分发挥清洁能源的作用。
图2 我国工业余热资源量分布
明确热源。纯凝火力发电厂还有1.3亿吨标准煤的热量可用,热电联产除了原有供出的热量还要排放0.6亿吨标准煤的热量,五大耗能工业(钢铁厂、有色厂、建材产业、石化产业,炼油厂)还在排放1.2亿吨标准煤的热量。这三项加起来每年冬天的余热达3亿吨标准煤,而采暖需求只有2亿吨。也就是说,把70%的余热用好,就可以把北方县以上的基础供热负荷都解决了。在严寒期(如一月份),使用少量天然气解决尖峰热负荷,整个北方地区冬季使用120亿立方米天然气就够了,这仅相当于目前北京市冬季的用气量。此外,余热的利用可以把原本随热量一起排放到大气的水保留下来,使用工业余热采暖所减少的瞬时耗水量与南水北调中线瞬时供水量处于同一个数量级,在解决热源问题的同时,也在很大程度上解决了北方缺水的问题。
热电厂要承担电力调峰。以三河给通州供热的电厂为例,不能再单纯的以热定电运行,而是要通过设置在电厂的巨型蓄热装置,在电力需求较大时发挥机组最大发电能力,靠蓄热装置供热,在电力需求较小时,只输出相当于最大容量50%左右的电力,其它全高效地转换为热能蓄存起来,用这种革命性的创新技术就可以使热电厂又能满足供热要求,又能为电力大幅度调峰,可以避免高效电厂低效运行。所以采用“热电联产电厂+蓄能罐+电动热泵”的方式,可以实现高效的能源转换和电力调峰,并可根据电力负荷变化,在锅炉主蒸汽量不变的条件下,实现对输出电力的连续调节。京津唐电网目前用电峰谷差为13GW为峰值负荷的25%,如果60%的热电厂改为电力调峰型热电联产电厂,可实现调峰能力17GW,完全可以满足电力调峰需求,并未今后进一步接受风电提供足够的空间。
图3 电力调峰策略图示
解决区域供需平衡问题。实施区域大联网,把多少个热源连到一起,并统一进行协调。就像电网和气网一样,最初是一对一的,后来是跨省、跨国、甚至跨洲的。这里进行一个对比,长距离输送热量,与天然气锅炉产热相比,300公里以内都是经济的,与燃煤锅炉产热相比,100公里以内也都是经济的。那么对于京津冀来说,只要建立一个150公里半径的热网,区域热量供需平衡问题就能解决,而且热网越大供需协调越容易。还有一个非常重要的因素:过去(上世纪50年代)钢煤比价非常大,一吨钢的价钱相当于几十吨煤,而现在钢煤比价要小得多了,一吨钢的价钱只相当于几吨煤,于是通过使用钢铁节省能源的办法由不经济转变为非常经济,这就为未来供热大联网创造了条件。
图4 多热源联网运行示意图
【电网调峰的其它解决途径】
农村的“煤改电”采暖。使用空气源热泵为乡村供暖,同时承担对电力的主动调峰。通过近几年的实验结果发现,空气源热泵能够很好地满足供热需求(零下18度的条件下都能正常运行),该技术投资成本不高、用电量也不大,一度电平均能产生3度热量,北京农村居住建筑一个冬季一平米大约需要20kWh到30kWh的电力。
如果把京津冀地区农村都换上空气源热泵,则可以实现对京津唐电网的主动调峰。在每台空气源热泵里安装一个价格不到一百元的小控制器,通过手机通讯到村,电力载波到户的方式,由冀北电力调度中心(原华北电管局)控制,实现批量空气源热泵强开、强关和自主三种状态的控制。由调度中心根据电力负荷变化,风电的变化,向设备发出命令,就使得这些装置按照电力调峰需要运行。比如,京津唐地区周边农户六百万户把现有燃煤小锅炉取消,装上这个装置,则其总装机容量为1200万千瓦。通过调度中心发出指令,使一部分强开,一部分自主。当电力供应充足时,使更多的空气源热泵强开,当电力供应不足时,又马上可以强关一部分,另一部分自主。这样每时每刻每分钟都根据电网变化调整全部农户的空气源热泵的运行状态,实现电力的主动调峰。这样操作,虽然强行控制一部分农户供热装置(空气源热泵)的启停,但并不影响房间温度。图5-图7是采用这种主动调峰手段后,11月份、1月份、2月份房间温度的变化曲线,基本保持在20度正负两度区间。这样,既能实现电力调峰,又能保证室温的舒适性。电网的运行条件会有显著的改善。京津冀周边原本用于调峰的188台机组就变成可以非常稳定地运行了,效率明显提高,煤耗从350克标煤/千瓦时下降到320克标煤/千瓦时,单这一项每年就能节省936万吨标准煤。这个方法比抽水蓄能、压缩空气蓄能,都现实得多,投资连1/10都不到,但是蓄能效果要好得多。
图5 空气源热泵主动调峰时11月份室温曲线
图6 空气源热泵主动调峰时1月份室温曲线
图7 空气源热泵主动调峰时2月份室温曲线
第二是使用“直流建筑”为电网主动调峰。建筑本身是导致峰谷差的主要原因,对建筑能源系统进行改进,不光不产生峰谷差,反过来可以为电网调峰服务。目前绝大多数建筑用电可以用直流供应,包括照明、电脑、电视、空调、冰箱、炊事等,如果建筑内部的电网是直流的,可以接受建筑本体光伏发电的电能,那么每个家庭或者每个办公室都配一个适当容量的蓄电池,就可以用蓄电池和光伏发电构建楼宇或户式的直流微网,这样,不仅使建筑用电效率提高7-10%,而且可以直接实现电力主动调峰,有多少风电、光电,都能照章全收,避免浪费。
所以,未来的能源系统应该遵循“城乡统筹,热电气协同,工业与民用互补,大区域相互协调”四项基本原则,并在探索中逐条实现,20年就可以有整体的改观,中国在能源和环境方面就能实现可持续发展了。