圖5 面向碳中和的能源變革
從能源供給側(cè)看未來能源變革
1 電力零碳化
目前全球高達(dá) 41% 的碳排放來自于電力行業(yè)，我國更是高達(dá) 51% 碳排放來自于發(fā)電和熱力，電力脫碳與零碳化是實現(xiàn)碳中和目標(biāo)的關(guān)鍵。
1.要實現(xiàn)電力脫碳與零碳化，首先要大力發(fā)展可再生能源發(fā)電。
近 10 年來，我國可再生能源實現(xiàn)跨越式發(fā)展，可再生能源開發(fā)利用規(guī)模穩(wěn)居世界第一。2020 年我國可再生能源發(fā)電量占比全社會用電量 29.5%，總發(fā)電量達(dá)到 2.2 萬億千瓦時；截至當(dāng)年年底，我國可再生能源發(fā)電裝機(jī)占比總裝機(jī) 42.4%，總規(guī)模已達(dá)到 9.3 億千瓦（圖 6）。
圖6 截至2020 年底我國分類型發(fā)電裝機(jī)容量
數(shù)據(jù)來源：國家能源局
可再生能源發(fā)電成本也在不斷下降，全球光伏發(fā)電成本在過去 10 年（2010―2020 年）下降了 85% 左右。2021 年 6 月國家電力投資集團(tuán)公司在四川甘孜州正斗一期 20 萬千瓦光伏項目上報出 0.1476 元/千瓦時低價，創(chuàng)下中國光伏電站項目最低價紀(jì)錄。據(jù)預(yù)測，我國風(fēng)電和光伏裝機(jī)到 2030 年可達(dá) 16 億―18 億千瓦，2050 年將超過 50 億千瓦。
2.要實現(xiàn)電力脫碳與零碳化，核心是構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)。
高比例新能源和海量負(fù)荷的雙重隨機(jī)性與波動性，給電網(wǎng)功率平衡和安全運行帶來了很大挑戰(zhàn)，亟須變革“源隨荷動”的傳統(tǒng)電力供給模式，提高電力系統(tǒng)靈活性。要重點突破區(qū)域電力系統(tǒng)“源網(wǎng)荷儲”的深度互動與調(diào)控方法，提升電力電子化電力系統(tǒng)韌性、進(jìn)行基于大數(shù)據(jù)電力供給和需求的預(yù)測與管理、建立電力分散自治互信交易機(jī)制。
要深化電力體制改革，創(chuàng)新電力市場機(jī)制和商業(yè)模式。依賴遍布全國的分布式光伏發(fā)電和風(fēng)電，將每一個建筑物轉(zhuǎn)化為微型發(fā)電廠，大力發(fā)展虛擬電廠、智能微電網(wǎng)和儲能技術(shù)，部署更多的新能源裝機(jī)容量，發(fā)出與消納更多的新能源電量，使常規(guī)火力發(fā)電從現(xiàn)在的基荷電力轉(zhuǎn)變?yōu)檎{(diào)峰電力，實現(xiàn)電力脫碳與零碳化。
構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)是一項重大變革，德國的經(jīng)驗值得借鑒。德國先后宣布 2022 年棄核和 2038 年棄煤，2050 年構(gòu)建全部 100% 采用可再生能源的用能體系。德國在推進(jìn)可再生能源發(fā)展中立法先行，建立起遍布全國的分布式光伏發(fā)電、風(fēng)電、生物質(zhì)發(fā)電及儲能機(jī)組；通過基于大數(shù)據(jù)的電力供給側(cè)和需求側(cè)的預(yù)測與管理，以及基于互聯(lián)網(wǎng)的電力交易和服務(wù)平臺，有效促進(jìn)可再生能源消納，提高電網(wǎng)的供需平衡。在德國，高比例的可再生能源已使常規(guī)火電從基荷電力轉(zhuǎn)變?yōu)檎{(diào)峰電力，成功實現(xiàn)了能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型。
3.要實現(xiàn)電力脫碳與零碳化，化石能源發(fā)電可通過 CCUS 實現(xiàn)凈零碳排放。
CCUS 是目前實現(xiàn)大規(guī)模化石能源零碳排放利用的關(guān)鍵技術(shù)，結(jié)合 CCUS 的火電將平衡可再生能源發(fā)電的波動性，提供保障性電力和電網(wǎng)靈活性。“新能源發(fā)電+儲能”與“火電+CCUS”將是不可或缺的技術(shù)組合，它們間的深度協(xié)同將成為未來清潔零碳、安全高效能源體系的關(guān)鍵。
根據(jù)國際能源署（IEA）研究結(jié)果，可持續(xù)發(fā)展情景下，2045 年前全球?qū)⑻蕴蟹翘疾东@與封存（CCS）煤電機(jī)組，將有 1 000 太瓦時的電力由煤電結(jié)合 CCS 技術(shù)生產(chǎn)。因此，要加大 CCUS 技術(shù)研發(fā)投入，降低成本及能耗：研發(fā)新型吸收劑、吸附劑和膜分離材料，針對碳捕集、分離、運輸、利用、封存及監(jiān)測等各個環(huán)節(jié)開展核心技術(shù)攻關(guān)；要盡快建立 CCUS 標(biāo)準(zhǔn)體系及管理制度、CCUS 碳排放交易體系、財稅激勵政策、碳金融生態(tài)，推動火電機(jī)組百萬噸級 CO2 捕集與利用技術(shù)應(yīng)用示范，實現(xiàn) CCUS 市場化、商業(yè)化應(yīng)用。
2 燃料零碳化
燃料零碳化是以太陽能、風(fēng)能等可再生能源為主要能量制取可再生燃料，包括氫、氨和合成燃料等。基于零碳電力的可再生燃料制取（圖 7），將創(chuàng)建一種全新的“源-儲-荷”離線可再生能源利用形式，有望使交通和工業(yè)燃料獨立于化石能源，實現(xiàn)燃料凈零碳排放。可再生燃料是一項極具潛力的變革性技術(shù)，可為國家能源戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型與碳中和目標(biāo)實現(xiàn)提供全新的解決方案。
圖7 基于零碳電力的可再生燃料制取
可再生合成燃料是利用可再生能源通過電催化、光催化、熱催化等轉(zhuǎn)化還原 CO2，以合成碳?xì)淙剂匣虼济讶剂希哂心芰棵芏雀摺⑤斶\和加注方便、可利用目前加油站等基礎(chǔ)設(shè)施、社會應(yīng)用成本低等優(yōu)點。諾貝爾化學(xué)獎得主喬治?安德魯 ? 歐拉（George Andrew Olah）等于 2006 年在著作《跨越油氣時代：甲醇經(jīng)濟(jì)》中提出了利用可再生能源將工業(yè)排放及自然界的 CO2 轉(zhuǎn)化為碳中性醇醚燃料的觀點。
2018 年施春風(fēng)、張濤、李靜海、白春禮 4 位院士聯(lián)合在 Joule 發(fā)文提出，如果人類想要獲取、儲存及供給太陽能，關(guān)鍵就在于如何將其轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定、可儲存、高能量的化學(xué)燃料，“液態(tài)陽光”將可能成就未來世界。近年來，通過可再生能源來轉(zhuǎn)化 CO2 制備合成燃料技術(shù)引起了世界主要發(fā)達(dá)國家和地區(qū)的高度關(guān)注。冰島碳循環(huán)國際公司（Carbon Recycling International）在冰島建成了世界上第一座基于 CO2 循環(huán)利用的商業(yè)化甲醇工廠，通過地?zé)岚l(fā)電，電解水制氫氣（H2），進(jìn)一步與 CO2 合成可再生甲醇；2014 年該公司甲醇產(chǎn)能達(dá)到 4 000 噸。
2020 年 10 月中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所李燦院士團(tuán)隊千噸級“液態(tài)陽光”燃料合成示范項目在蘭州成功運行。歐盟啟動 Energy-X 項目，以 CO2 為介質(zhì)來探究碳基能源的循環(huán)利用；美國能源部成立“液態(tài)陽光聯(lián)盟”（Liquid Sunlight Alliance，LiSA），聚焦 CO2 光/電還原液體燃料；上海交通大學(xué)成立了可再生合成燃料研究中心，目標(biāo)是研發(fā)基于零碳電力的可再生合成燃料系統(tǒng)。牛津大學(xué) Hepburn 等 在 Nature 上發(fā)文預(yù)測到 2050 年全球?qū)⒂?42 億噸 CO2 被轉(zhuǎn)化為合成燃料。
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本文標(biāo)題：碳中和面臨的三大挑戰(zhàn)與能源變革
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