能源“冷兵器時代”超乎想象

時家林

能源是人類文明的基礎(chǔ)支撐之一。過去一個多世紀(jì)，以煤、油等化石能源為主的能源，使用方式是以燃燒、高溫高壓的方式為主，這可以稱為“火藥時代”?！盎鹚帟r代”雖然成就了人類今天的輝煌，但也帶來了嚴(yán)重的環(huán)境問題。而近代以風(fēng)、光為主的新能源的出現(xiàn)，改變了過去的用能方式。新能源時代正在加速到來，速度將超出多數(shù)人的想象。

人類已經(jīng)歷了三次工業(yè)革命。前三次工業(yè)革命，人類從掌握薪火到發(fā)掘煤炭、再到開采石油，一直是通過燃燒的方式駕馭化石能源，這種能量轉(zhuǎn)換是一個“高溫高壓”的過程，釋放能量的同時也帶來了污染。今天“第四次工業(yè)革命”已經(jīng)在全球展開，這是一場以新能源、人工智能技術(shù)為代表的全新革命。風(fēng)能吹動葉片做功產(chǎn)生電能，光伏則通過半導(dǎo)體硅片將光能直接轉(zhuǎn)化成電能，這些過程都是在常溫常壓下完成的，沒有碳排放、溫升和環(huán)境污染。

新能源替代化石能源，其實質(zhì)就是能源利用從“火藥時代”進(jìn)入“冷兵器時代”，這是一場能源利用的綠色革命。

新能源替代化石能源已到臨界點

目前中國能源還處于“火藥時代”，2018年一次能源消費是34.4億噸標(biāo)準(zhǔn)煤（相當(dāng)于11.45萬億千瓦時電量），非化石能源在一次能源消費占比僅為14.3%，其中以風(fēng)光為主的新能源占比僅為4.2%，但風(fēng)光等新能源的發(fā)展態(tài)勢大大出乎我們的預(yù)料。

（一）過去十年“冷兵器”飛速發(fā)展

——規(guī)模增長快。截至2018年底，中國發(fā)電裝機(jī)容量約19億千瓦，其中風(fēng)電及光伏裝機(jī)規(guī)模突破3.5億千瓦，占比達(dá)到18%，發(fā)電量占比約8%。2010年底，新能源裝機(jī)僅有3000萬千瓦，發(fā)電量占比還不足1%。2018年全國新增裝機(jī)1.24億千瓦，其中新能源就達(dá)到6500萬千瓦，超過50%，已經(jīng)成為名副其實的主力能源。

——成本下降快。2010年，風(fēng)光發(fā)電平均度電成本在1元時以上。到今天，在國家政策支持及技術(shù)持續(xù)進(jìn)步的共同作用下，新能源成本實現(xiàn)了加速下降，其中，在風(fēng)光資源豐富的內(nèi)蒙古、青海等西北區(qū)域，風(fēng)光發(fā)電平均度電成本已經(jīng)降到0.3元以下，已經(jīng)低于或接近煤電成本價格；而在墨西哥、巴西、沙特等風(fēng)光資源豐富的國家，這個價格已經(jīng)降到0.2元。

（二）新能源示范項目昭示良好前景

中國內(nèi)蒙古、青海等風(fēng)光資源豐富的地區(qū)，規(guī)?；_發(fā)已經(jīng)具備平價條件。去年底，由國家電投負(fù)責(zé)的全球最大單體風(fēng)電工程——內(nèi)蒙古烏蘭察布600萬千瓦平價上網(wǎng)示范項目獲得核準(zhǔn)。該工程不需要國家補(bǔ)貼、與煤電同價上網(wǎng)，直接送至京津冀地區(qū)消納。預(yù)計年發(fā)電量約200億千瓦時，可替代煤炭消耗650萬噸，進(jìn)一步改善京津冀環(huán)境質(zhì)量。

青海海南州千萬千瓦水風(fēng)光互補(bǔ)清潔能源項目，將青海省優(yōu)質(zhì)的水電、光電、風(fēng)電打捆綜合調(diào)節(jié)，通過特高壓送至河南省消納，僅需要國家新能源補(bǔ)貼0.03元-0.04元/千瓦時，較河南省新能源補(bǔ)貼標(biāo)準(zhǔn)大大降低（河南光伏補(bǔ)貼在0.3元/千瓦時左右）。

（三）新舊能源交替進(jìn)程會大大加速

2018年全球電力裝機(jī)規(guī)模預(yù)計達(dá)到70億千瓦，其中風(fēng)、光發(fā)電裝機(jī)12.7億千瓦。2018年新增發(fā)電裝機(jī)2億千瓦，其中風(fēng)、光裝機(jī)1.7億千瓦，占比達(dá)到80%以上，已成為全球主力增量能源。

2015年底，英國關(guān)閉了最后一個深井煤礦，2025年英國將關(guān)閉所有燃煤電站。2017年美國加州清潔能源占總發(fā)電量比例已達(dá)到33%，到2040年關(guān)閉所有燃煤電站。德國計劃2038年關(guān)閉所有的燃煤電站。中國政府宣布，非化石能源占一次能源消費比例在2030年、2050年分別達(dá)到30%和50%。

從全球發(fā)展趨勢上看，新能源發(fā)電成本接近或低于煤電成本，已進(jìn)入新能源替代化石能源的臨界點?！袄浔鲿r代”替代“火藥時代”的能源變革進(jìn)程會大大加快，就如數(shù)字成像技術(shù)對膠片的替代，實現(xiàn)各國提出的可再生能源替代化石能源的目標(biāo)還會大大提前。

“冷兵器時代”來臨

隨著人類文明的演進(jìn)和技術(shù)進(jìn)步，每次工業(yè)革命都較上一次的周期大大縮短，這次“冷兵器時代”替代“火藥時代”的能源革命同樣也是這樣。

雖然新能源替代化石能源已到臨界點，但尚需解決新能源自身的一些弱點，比如中國新能源富集區(qū)域主要集中在西北部，且隨著光照、風(fēng)力強(qiáng)度大小的變化，不能像火電一樣可隨負(fù)荷大小調(diào)節(jié)等等。只有解決了這些問題，才能真正實現(xiàn)新舊能源的替代。

隨著第四次工業(yè)革命而來的新能源技術(shù)和新材料技術(shù)的不斷進(jìn)步，特別是電動汽車的普及，為電能規(guī)模儲存找到了一條新路徑，帶來的是電力系統(tǒng)顛覆性變革。一個“冷兵器時代”正日漸清晰，展現(xiàn)在我們面前。

（一）實施清潔能源的“空間轉(zhuǎn)移”

新能源取代化石能源，首先要有足夠的風(fēng)光資源且價格要有競爭性。中國青海、西藏、內(nèi)蒙古等西北部地區(qū)有著豐富的風(fēng)光資源，但遠(yuǎn)離東部經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)區(qū)域。以青海柴達(dá)木盆地為例，土地面積25.9萬平方公里，如果全部進(jìn)行光伏開發(fā)，理論上光伏發(fā)電裝機(jī)可達(dá)到100億千瓦以上，年發(fā)電量在20萬億千瓦時以上，可遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足全國的能源需求（2018年全國一次能源消費是34.4億噸標(biāo)煤，折算成電量為11.45億千瓦時）。該地區(qū)光伏資源豐富，年發(fā)電利用小時在2000小時以上，2023年前后度電開發(fā)成本預(yù)計可以降到0.2元，通過特高壓送到東部地區(qū)（輸電費用預(yù)計在0.1元/千瓦時），比東部地區(qū)煤電價格還要低（山東、江蘇、浙江等東部省份的煤電價格都在0.4元/千瓦時左右）。

相比西部，東部發(fā)展新能源的土地不足且風(fēng)光資源較差，不具備經(jīng)濟(jì)性。前文談及的內(nèi)蒙古烏蘭察布、青海海南州新能源示范項目也充分論證了新能源“空間轉(zhuǎn)移”的可行性。

通過規(guī)模化、集約化在西北部開發(fā)新能源大基地，利用特高壓送到負(fù)荷集中區(qū)域，不僅可以加速對化石能源的替代，而且對改善中國東西、南北經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的不平衡，具有重大的戰(zhàn)略意義。

（二）實施新能源的“時間轉(zhuǎn)移”

電力系統(tǒng)一直以來都是發(fā)、供、用同時完成，電力是不可儲存的?；鹆Πl(fā)電系統(tǒng)可隨負(fù)荷大小自動調(diào)節(jié)，但是新能源是間歇性、不可調(diào)節(jié)的。當(dāng)新能源在電力系統(tǒng)處于輔助地位時，由火電承擔(dān)主力電源并對系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)是可行的。如果新能源替代化石能源，擔(dān)當(dāng)電力系統(tǒng)的主力電源時，就必須解決好隨負(fù)荷調(diào)節(jié)的問題，這是制約新能源發(fā)展的最大瓶頸。隨著一種新的儲能方式的日臻成熟，這個問題將得到徹底解決，就是電動汽車的普及應(yīng)用。

中國目前的電力最大負(fù)荷約10億千瓦左右，如果選擇在電力供應(yīng)側(cè)部署儲能系統(tǒng)，不僅規(guī)模龐大、系統(tǒng)復(fù)雜，而且投資需要萬億級以上，成本高昂不經(jīng)濟(jì)。但是在消費側(cè)，隨著電動汽車的普及，電動汽車本身可成為規(guī)?？捎^且經(jīng)濟(jì)高效的儲能資源，具有巨大儲能應(yīng)用潛力。目前，全國汽車保有量在2億輛左右，如果全部更換成電動汽車或氫動力汽車，按照單車儲能容量80千瓦時，放電功率5千瓦，可為電力系統(tǒng)提供瞬時功率10億千瓦，理論上可以作為電力系統(tǒng)儲能調(diào)節(jié)裝機(jī)，可滿足新能源為主的電力系統(tǒng)調(diào)峰需求。電動車的分布與經(jīng)濟(jì)發(fā)展存在正相關(guān)性，且每臺車單日有效行使時間有限（平均約2小時），大量時間在閑置狀態(tài)，完全可以把電動汽車這種分散式社會資源充分利用于電力系統(tǒng)，大大提高社會資源的利用效率。

當(dāng)前，電動汽車僅是從電網(wǎng)獲取電力，也就是充電模式，但是隨著電池容量的加大，技術(shù)的發(fā)展，成本的降低，電動汽車將具備向電網(wǎng)售電的條件，超越交通工具的單一功能，成為流動的儲能電站。下一步要做的：一是電動汽車的全面普及，實現(xiàn)所有的停車位100%充電樁覆蓋；二是依托大數(shù)據(jù)、云計算、智能網(wǎng)聯(lián)等技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用，實現(xiàn)電動汽車充放電的自動化模式，并與電力系統(tǒng)一起構(gòu)建智慧能源系統(tǒng)；三是創(chuàng)新商業(yè)模式，通過差異化充放電價等措施，讓利于電動車主，這樣在不額外增加社會成本的情況下，與大規(guī)?？稍偕茉葱纬晒┬鑵f(xié)同，實現(xiàn)能源的“時間轉(zhuǎn)移”，加速中國能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型。

氫能：新能源的生力軍

氫能利用的核心是燃料電池技術(shù)的成熟。日本豐田Mirai氫能汽車功率密度已經(jīng)做到3千瓦/升，加滿5公斤氫氣，可以行駛500公里以上，運行經(jīng)濟(jì)性已經(jīng)接近傳統(tǒng)汽油車。氫能汽車具有續(xù)航能力強(qiáng)、加注燃料（氫氣）時間短、完全“零排放”等優(yōu)點，更適用于公交車、重型卡車、長途車等。

以新能源為主構(gòu)建電氣化社會，實現(xiàn)動力、供冷、供暖的全面替代，最難替代的就是交通動力。燃料電池的出現(xiàn)，徹底打通了新能源替代化石能源的最后一個環(huán)節(jié)。

氫能可由新能源發(fā)電并電解水的方式完成，綠色環(huán)保、簡單易行并具有經(jīng)濟(jì)性。氫能有巨大需求量。以北京為例，如果投入1萬輛氫能公交車運營，一年用氫量約5萬噸，用電量是30億千瓦時（2018年北京全年用電量是1200億千瓦時）。氫能巨大需求量及特點，可以作為新能源為主的電力系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器。當(dāng)系統(tǒng)中風(fēng)光充沛時，可將電能轉(zhuǎn)化成氫能并儲存起來，滿足交通動力等用能需要；當(dāng)風(fēng)光不足時，也可將氫能轉(zhuǎn)化成電能（與上述電動車原理類似），補(bǔ)充電力系統(tǒng)的電能不足，助力新能源的“時間轉(zhuǎn)移”。西部豐富的風(fēng)光資源也可以用來就地制氫，通過管道送至東部地區(qū)，助力新能源的“空間轉(zhuǎn)移”。

隨著新能源、特高壓、儲能及氫能技術(shù)的發(fā)展，中國風(fēng)光資源將實現(xiàn)更大范圍、更高效的配置，可充分利用不同地區(qū)能源的資源差、時區(qū)差、季節(jié)差及價格差，打造一個全面電氣化的能源系統(tǒng)；可以將荒漠、戈壁、高原等無人區(qū)開發(fā)為新的、零污染的“電氣田、氫氣田”，以替代傳統(tǒng)的“煤田、油田和氣田”，開啟人類大規(guī)模清潔用能的新紀(jì)元。

“冷兵器”將創(chuàng)造奇跡

“冷兵器時代”大大提高電力系統(tǒng)效率。傳統(tǒng)電力系統(tǒng)是發(fā)、輸、用同時完成，發(fā)電規(guī)模按照最大負(fù)荷來配置，輸電線路從安全角度考慮，需要考慮備用線路和容量，整個電力系統(tǒng)效率很低。廣泛應(yīng)用儲能技術(shù)后，電力供需只需滿足能量平衡，功率平衡則由儲能調(diào)節(jié)，可以減少電源和電網(wǎng)一半以上的投資，使電力系統(tǒng)大大簡化，效率大幅提高。

“冷兵器時代”是全面電氣化時代。不僅在供給側(cè)是一場非化石能源全面替代化石能源的革命，對于消費側(cè)，也是一場能源革命。電能和氫能以“人工智能電動汽車、高鐵機(jī)車等的大量應(yīng)用，以及熱泵空調(diào)廣泛應(yīng)用對能源利用效率的大幅提高”為標(biāo)志，實現(xiàn)在消費側(cè)領(lǐng)域?qū)茉吹娜嫣娲?/p>

“冷兵器時代”超乎你的想象。進(jìn)入“冷兵器時代”，零邊際成本的新能源大規(guī)模使用將帶動用電成本下降，電能的替代優(yōu)勢逐步凸顯，前兩次能源革命（以煤、油為標(biāo)志），替代能源的價格都是上升的，而新一輪的能源革命帶來的是能源價格的持續(xù)降低。一是替代速度超乎想象，預(yù)計2030年中國將實現(xiàn)增量100%清潔替代，消費側(cè)電氣化水平超過30%，電能超越煤炭成為終端消費主體能源；2050年實現(xiàn)大部分存量清潔替代，非化石能源在能源需求總量和電力需求總量中的貢獻(xiàn)率分別超過90%和100%。二是替代的效果超乎想象，以電代煤、以電（氫）代油首當(dāng)其沖，預(yù)計到2030年煤改電每年可減少2.5億噸煤的直接燃燒，熱泵將是未來以電代煤的主要方式；到2030年以電（氫）代油僅在交通領(lǐng)域每年可減少4000萬噸交通石油消耗，中長期來看，電（氫）動汽車將是未來以電（氫）代油的主要途徑。三是拓展人類的生存空間，不久的將來，人類利用充足、清潔、成本低廉的“冷兵器”，可以大規(guī)模實施海水淡化，變戈壁荒漠為良田，使“原來不可能的事變?yōu)榭赡堋?，為人類?chuàng)造更好的未來。

對世界而言，“冷兵器”將構(gòu)建起全球“綠色、低碳”的新的能源發(fā)展格局，并普及至整個社會，重塑全球工業(yè)體系，變革人類生活方式。對中國而言，“冷兵器時代”是中國產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和升級的絕佳機(jī)會，中國完全有能力率先實現(xiàn)“冷兵器”對“火藥”的全面替代，率先實現(xiàn)新舊動能的轉(zhuǎn)換，贏得“第四次工業(yè)革命”的主導(dǎo)權(quán)，走出一條具有中國特色的新能源發(fā)展道路，為構(gòu)建“人類命運共同體”注入中國動力。

（作者曾擔(dān)任多家能源央企高管；編輯：馬克）