江億：我國城鄉(xiāng)能源系統(tǒng)低碳轉(zhuǎn)型路徑

能源轉(zhuǎn)型是從根本上解決能源安全、空氣污染和氣候變化三大問題的唯一方案。當(dāng)下我國能源結(jié)構(gòu)正加快從以化石能源為主向以非化石零碳能源（風(fēng)電、光電、水電、核電和生物質(zhì)能）為主轉(zhuǎn)變，面臨著零碳新型電力系統(tǒng)建設(shè)、零碳熱量供給系統(tǒng)構(gòu)建、流程工業(yè)以低碳為目標(biāo)的流程再造、以電氣化為主要目標(biāo)的交通系統(tǒng)革命以及農(nóng)村新型能源系統(tǒng)建設(shè)等五大主要任務(wù)。其中，面向碳中和的新型電力系統(tǒng)建設(shè)、熱量供給系統(tǒng)建設(shè)和農(nóng)村新型能源系統(tǒng)建設(shè)是推動(dòng)實(shí)現(xiàn)零碳能源系統(tǒng)的重要支撐部分。

 

一

 

零碳新型電力系統(tǒng)建設(shè)

 

未來風(fēng)光（占比83%）為主要電源結(jié)構(gòu)，其隨季節(jié)和晝夜波動(dòng)的特征使電力供給量的不穩(wěn)定性增強(qiáng)。因此，我國零碳電力系統(tǒng)面臨兩大問題：

 

01季節(jié)供需差

 

保留部分火電用于補(bǔ)充冬季用電缺口，且在其他季節(jié)電力短缺時(shí)也能作為供電保障。該部分火電主要燃料為煤炭、天然氣和生物質(zhì)燃料，排放的CO2大部分可通過CCUS技術(shù)回收利用。

 

02日內(nèi)逐時(shí)供需差

 

儲(chǔ)能（水電和抽水蓄能、空氣壓縮儲(chǔ)能、化學(xué)儲(chǔ)能、物理儲(chǔ)能）方式進(jìn)行電力調(diào)蓄，可解決40%的調(diào)蓄任務(wù)，但成本高、資源短缺；采用“建筑+充電樁+電動(dòng)車”模式（表1）的終端柔性用電方式具備更強(qiáng)的調(diào)蓄能力（60%）。再通過“光儲(chǔ)直柔”技術(shù)將上述終端柔性用電資源接入電網(wǎng)，同時(shí)采用動(dòng)態(tài)碳排放責(zé)任因子激勵(lì)終端調(diào)節(jié)，從而保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

 

未來，新型電力系統(tǒng)將面臨從集中電源向集中與分布相結(jié)合的電源轉(zhuǎn)變；源隨荷變轉(zhuǎn)為荷與源協(xié)調(diào)，甚至荷隨源變；電網(wǎng)的調(diào)控保障將從完全依靠電源側(cè)的調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娫春徒K端共同承擔(dān)；集中和分布的儲(chǔ)能設(shè)施將成為保障電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的重要支撐四大革命性變化。在此驅(qū)動(dòng)下，需根據(jù)不同的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和調(diào)控模式制定新的政策機(jī)制。

 

二

 

零碳熱量供給系統(tǒng)建設(shè)

 

未來熱泵和余熱是零碳熱力供給系統(tǒng)主要構(gòu)成，滿足北方城鎮(zhèn)采暖、農(nóng)村、工業(yè)用熱、生活熱水和南方采暖的熱量需求。熱泵主要從自然資源和民用、工業(yè)余熱等低溫?zé)嵩慈崽峁崃?。其中分散熱泵通過提取空氣、地表水、土壤等自然界低溫?zé)崃窟M(jìn)行低密度熱量供應(yīng)；集中供熱系統(tǒng)利用流程工業(yè)、核電、火電廠等余熱滿足高密度用熱需求（北方城鎮(zhèn)采暖、工業(yè)用熱）。

 

熱量供需方面仍存在時(shí)間不同步、地理位置不一致、熱量參數(shù)不一致等問題，建設(shè)熱量共享系統(tǒng)是主要的解決方案。通過跨區(qū)域熱網(wǎng)、跨季節(jié)儲(chǔ)熱和熱量變換，有望最終實(shí)現(xiàn)熱量供需相匹配。

 

三

 

農(nóng)村新型能源系統(tǒng)建設(shè)

 

農(nóng)村新能源系統(tǒng)建設(shè)是新型電力系統(tǒng)建設(shè)的開路先鋒，是零碳燃料的提供者，也是能源革命的始發(fā)地。建設(shè)以屋頂光伏為基礎(chǔ)的農(nóng)村新型能源系統(tǒng)，推動(dòng)農(nóng)村全面電氣化和能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型，既有利于鄉(xiāng)村振興，也對完成電力系統(tǒng)革命和實(shí)現(xiàn)低碳發(fā)展至關(guān)重要。

 

在太陽能資源豐富的地區(qū)，充分開發(fā)利用各類屋頂資源，建成以屋頂光伏為核心，家用智能充電樁、直流用電末端及蓄電池為組成的家庭單元（圖1），并由眾多家庭單元和零散空地太陽能光伏等組成村級直流微網(wǎng)，滿足農(nóng)村生活、生產(chǎn)、交通等全部用能。剩余電力可用于公用和送電上網(wǎng)，轉(zhuǎn)變成可調(diào)控的優(yōu)質(zhì)資源，實(shí)現(xiàn)光伏電力的有效消納。該系統(tǒng)已開始在山西芮城莊上村實(shí)行。建設(shè)成本方面，每戶折合投資6-8萬元（不包括電池），戶內(nèi)用電免費(fèi)，10-12年實(shí)現(xiàn)全部初投資的分期還本付息；村內(nèi)直流微網(wǎng)工程投資約為300萬（100戶），除公共用電和上網(wǎng)送電外，電費(fèi)結(jié)余收入可維持運(yùn)行維護(hù)費(fèi)

 

農(nóng)村新型能源系統(tǒng)采用自發(fā)自用余電上網(wǎng)模式，通過光伏發(fā)電與儲(chǔ)能系統(tǒng)相結(jié)合（蓄電池），實(shí)現(xiàn)農(nóng)村全面電氣化，可解決全國85%農(nóng)村用能，并按照調(diào)度每年上網(wǎng)送電1萬億kWh以上，同時(shí)極大降低了煤炭、柴油、生物質(zhì)燃料的使用量，有效改善農(nóng)村空氣質(zhì)量。

 

此外，農(nóng)村豐富的生物質(zhì)資源亦有零碳屬性。將生物質(zhì)資源（秸稈、枝條、糞便等）加工成燃料，商品化進(jìn)入能源市場，是其最佳的處理方式。相較于電力，生物質(zhì)燃料更易于儲(chǔ)存、運(yùn)輸，成為零碳能源系統(tǒng)的組成部分。

 

在滿足能源供給和經(jīng)濟(jì)增長的需求下完成能源革命，將是一個(gè)有待深入探索的重大任務(wù)。能源革命應(yīng)先立后破，通過建設(shè)新型電力系統(tǒng)、供熱系統(tǒng)和農(nóng)村能源系統(tǒng)，構(gòu)建城鄉(xiāng)新型能源系統(tǒng)；持續(xù)開展基礎(chǔ)研究和技術(shù)研發(fā)；調(diào)整能源相關(guān)政策和機(jī)制；加快產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整；完善基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，以最終實(shí)現(xiàn)能源轉(zhuǎn)型。