我國“二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值,努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和”的目標設(shè)定,對能源業(yè)提出了零碳要求,即在能源生產(chǎn)、使用過程中不增加二氧化碳的排放,光能、風能等可再生能源將走上電力主場。近日,在由科學技術(shù)部、中國工程院、清華大學聯(lián)合主辦,以“碳達峰碳中和關(guān)鍵技術(shù)問題和工程路徑”為主題的長城工程科技會議2021年第一次主題大會上,中國工程院院士、清華大學建筑學院教授 江億指出,推動零碳能源發(fā)展,我國城鄉(xiāng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)將發(fā)揮重要作用,成為實現(xiàn)碳中和目標的重要技術(shù)載體。
低碳革命將拉動相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施投資
“實現(xiàn)零碳能源,需要我們?nèi)骐姎饣M可能減少對化石燃料的依賴。”江億認為,這一選擇將推動我國的電力系統(tǒng)從集中變?yōu)榉植际?,形成新的電力網(wǎng),同時,在用電終端上,將發(fā)展靈活用電的柔性負載,實現(xiàn)風電、光電的有效消納。在燃料上,也將大力發(fā)展商品化生物質(zhì)能源。以上這些能源方面的低碳革命將拉動相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施投資和新的相關(guān)零碳產(chǎn)業(yè)。
以光能為例,我國可在廣大農(nóng)村地區(qū)推廣以屋頂光伏為核心的新型農(nóng)村能源系統(tǒng)。在山西省芮城縣的試點顯示,每戶農(nóng)民家庭的屋頂上都可架設(shè)一定數(shù)量的光伏設(shè)備,每戶發(fā)電可達每年2.2萬千瓦時,內(nèi)部采用直流配電,優(yōu)先自發(fā)自用。所產(chǎn)生的電能除滿足做飯、采暖、生活熱水等生活用能外,還可以供交通工具充電、農(nóng)機具農(nóng)產(chǎn)品加工,此外,還能外送1萬千瓦時剩余電能。每戶投資僅為10~12萬元,具有很好的推廣前景。江億介紹,利用衛(wèi)星高分圖片,已識別出我國農(nóng)村區(qū)域建筑屋頂區(qū)域面積達273億平方米,保守估計可安裝光伏20億千瓦,年發(fā)電量可達2.95萬億千瓦時,可占未來我國電力總量的23%,“由此可見我國農(nóng)村建筑屋頂?shù)墓夥_發(fā)潛力”。
在城鎮(zhèn)建設(shè)上,“光儲直柔”的配電方式也將有效消納風電和光電。經(jīng)過測算,我國城鎮(zhèn)建筑屋頂光伏可開發(fā)量為8.3億千瓦,年發(fā)電量可達1.23萬億千瓦時。這些電力可滿足城鎮(zhèn)建筑自身用電的30%~40%。同時,城鎮(zhèn)建筑加上臨近的停車場,“一位一樁”的智能充電樁與電動汽車連接,建筑內(nèi)部配電也將改為直流系統(tǒng),由此形成“需求側(cè)響應(yīng)”的用電模式,可成為電力的柔性負載。“在城鎮(zhèn)百公里范圍內(nèi)有風電光電基地,這些光儲直柔建筑就可以僅靠零碳電力運行。”江億說。以上推動零碳能源的城鎮(zhèn)基礎(chǔ)設(shè)施也將有較大的建設(shè)潛力。
同時,在城鄉(xiāng)發(fā)展商品化生物質(zhì)能源也將大有可為。我國可開發(fā)利用的生物質(zhì)能源共有8億噸標準煤當量,但還遠遠未得到開發(fā)利用。具體包括麥秸、玉米秸、稻草等農(nóng)業(yè)秸稈,果木、落葉等林業(yè)枝條,牲畜糞便和農(nóng)副產(chǎn)品加工垃圾、餐廚垃圾等。對這些生物質(zhì)材料的商品化能源加工方式,包括壓縮顆粒供清潔燃燒、提高燃燒效率、可替代木炭,壓縮成塊供工業(yè)鍋爐和發(fā)電,建設(shè)大型沼氣池再分離出二氧化碳后,得到純度95%以上的甲烷。此外,在北方沿海地區(qū),基于核電余熱的水熱聯(lián)產(chǎn)聯(lián)供,可進行海水淡化生產(chǎn)95攝氏度的熱淡水,采用單管輸送熱淡水,實現(xiàn)“水熱同送”。在終端經(jīng)過“水熱分離”,可同時供應(yīng)常溫淡水和供暖熱量。
全面的零碳改造更可助力建設(shè)制造強國
利用以上技術(shù)手段,對于我國的“雙碳”目標,江億提出了這樣的設(shè)想:2035年之前,我國實現(xiàn)以零碳電力為目標的電力系統(tǒng)革命性改造,完成風電和光電的發(fā)展和消納。配合電力系統(tǒng)改造,加速發(fā)展電動汽車、智能充電樁、建筑“光儲直柔”。同時,發(fā)展農(nóng)村新型能源系統(tǒng)和生物質(zhì)商品能。完成對北方城市建筑供熱零碳熱源的改造。此外,大力發(fā)展相關(guān)的“朝陽產(chǎn)業(yè)”制造業(yè),停止新建燃煤電廠、煉油等高碳項目,同時抓緊研究各個制造業(yè)未來零碳轉(zhuǎn)型的具體技術(shù)路線和工藝。到2035年之后,再把低碳轉(zhuǎn)型的重點放到制造業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和工藝改造上,實現(xiàn)零碳的制造業(yè)生產(chǎn)。
江億指出,零碳能源建設(shè)將拉動農(nóng)村以光伏屋頂為基礎(chǔ)的新型能源系統(tǒng)建設(shè)、生物質(zhì)能源全產(chǎn)業(yè)鏈建設(shè)、城市建筑“光儲直柔”配電的建設(shè)和改造、全覆蓋的智能充電樁網(wǎng)絡(luò)建設(shè)、跨區(qū)域熱網(wǎng)的建設(shè)改造和大型跨季節(jié)蓄熱裝置的建設(shè)。“這些建設(shè)雖初期成本高,但主要為勞動力成本和國內(nèi)成熟的制造業(yè)產(chǎn)品,后期運行維護成本低,可提供優(yōu)質(zhì)能源,由此實現(xiàn)能源安全,具有很高的建設(shè)潛力。”
此外,零碳能源系統(tǒng)建設(shè)需要大量新興產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)品,包括電池、電動汽車、充電樁、光伏產(chǎn)業(yè)、低壓直流配電產(chǎn)品、大功率芯片和直流建筑電力產(chǎn)品等,江億認為,我國這些新興產(chǎn)業(yè)技術(shù)多數(shù)處在世界“領(lǐng)跑”或“并跑”水平,將得到有效拉動,成為未來制造業(yè)產(chǎn)業(yè)和工程的主要出口市場。
江億指出,到2035年,零碳電力系統(tǒng)基本建成,制造業(yè)零碳化的相關(guān)研究和路徑設(shè)計也基本完成。屆時目前的大多數(shù)制造業(yè)產(chǎn)能也已經(jīng)收回成本,該更新?lián)Q代,這就為全面的制造業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和零碳化改造提供了良好的內(nèi)部和外部條件。零碳電力系統(tǒng)可為制造業(yè)提供充足的低成本電力,全面的零碳改造更可以助力我國制造業(yè)真正由制造大國上升為制造強國。