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安泰EMBA教授洞见 | 新能源时代,这3个改变不做就来不及了

分享嘉宾:尹海涛,上海交通大学安泰经济与管理学院副院长,交大安泰EMBA课程教授、交大安泰智慧能源行业社群班责任教授。

分享嘉宾:尹海涛,上海交通大学安泰经济与管理学院副院长,交大安泰EMBA课程教授、交大安泰智慧能源行业社群班责任教授。

第 6074 篇深度好文:5445字 | 14 分钟阅读

宏观经济

“双碳目标”是近年的热门话题,“能源革命”这四个字也越来越多地出现在互联网的信息上和人们的交谈上。

“碳达峰”“碳中和”意味着什么?会给我们每个人带来什么?能源革命与我们又有怎样的关系?今天,让我们深入了解一下,新能源会给我们的生活带来怎样翻天覆地的变化。

(本期音频由倒映有声AI语音合成技术支持)

自古以来,能源问题一直是人类社会发展的关键,从钻木取火开始,人类就不断利用技术革新,把自己可以掌控的能源迭代升级,从蒸汽到电气,从火电到新能源,每一次能源升级都是人类螺旋式发展史上的拐点。 在2020年的9月份,中国在联合国大会上提出雄心勃勃的计划,力争在2030年前二氧化碳的排放值达到峰值,努力争取在2060年前实现碳中和,3060双碳目标将对中国经济提出新的要求,对于社会公众的低碳生活方式转变也提出新的需求。 在这样的背景下,中国新能源的发展机遇在什么地方?而当能源产业遇上互联网时代,又会产生怎样的化学反应?

能源互联网这些新的概念指的是什么?对我们的社会、对我们的能源供给、对我们每一个人的生活有什么样的影响? 一、传统电力系统的三个特征

1.供需的瞬时平衡 电力产品与其他的产品有一个非常不同的特征:没有库存(Inventory),即现在需要多少电,就发出多少电,它是做到实时平衡的状态。 在传统电力系统中,最常见的是抽水蓄能,但是现在的量非常少,除了成本比较贵,它还受到地形的限制,需要有比较高的落差。目前为止,抽水蓄能只是扮演着调频调峰的角色,不能用来解决供需之间的差异。 因此在传统的电力系统中,电力的供给要做到供需瞬时的平衡。

2.集中式生产 在过去几十年里建起来的火电厂有两个特征。 规模越来越大。规模大的电厂效率自然比较高,经济成本比较低,对环境的污染也比较小。 地域性明显。大电厂大多是建设在能源资源禀赋比较好的地方,如中国西部和北部盛产煤炭的地方。这样带来了传统电力系统的第三个特征:长距离运输。

3.长距离运输

中国大部分的人群和生产活动都集中在东部和南部的沿海地区,意味着我们在西部和北部发的电,要通过特高压走很长的线路,长距离运输到真正需要电力的地方。 这三个特点要求我们必须保证供需可预测,最好是具有确定性。 在需求侧,我们可以根据历史的数据做一个大致预测,同时供给方也能做到有确定性、可预测性。这依赖于化石能源的投入,我要发多少电就烧多少煤。 传统的电力系统之所以能够做到集中式生产、长距离运输,以及供需的瞬时平衡,实际上是因为在两个方面做得比较好:一是供给可控;二是需求能够预测。

二、设立“双碳”目标的原因

2020年9月22日,习近平总书记在第75届联合国大会一般性辩论上提出了在2060年实现碳中和。 而欧盟实际上在1990年就实现了碳达峰,按照欧盟的规划要到2050年实现碳中和。 欧洲从碳达峰到碳中和要用60年的时间,而我们中国到现在还没有达到碳达峰,按照现在的规划,2030年我们会达到碳达峰,2060年碳中和,中间只有30年的时间。 我们要用西方国家一半的时间达成这样的目标,主要有两个原因。 1.原因一:全球变暖问题 全球变暖是由于碳排放的增加导致的,如果我们不采用行动,根据现在的气侯模拟模型,一旦格陵兰岛的冰川全部融化,海平面就会上升7米左右,使得沿海很多地区都会处在海平面以下。 我国最富饶、人口最稠密的地区是在东部和南部的沿海地区。这样的经济冲击是我们不能够承受的,也是在这个时间点上要大踏步向碳中和迈进的原因。 中国的碳排放现在已经占到全世界的30%左右,如果中国不雄心勃勃的拿出真的措施来进行碳减排,推动碳中和,很难带动全球一块完成这一壮举。

2.原因二:能源安全问题 我国石油的国际依存度已达到70%-80%,天然气的国际依存度是40%-50%。作为我们这样一个体量的大国,能源需求依赖于进口,有损国家安全,所以碳中和是非常好的抓手,推动我们国家实现能源的转型,从能源越来越依赖国际市场转为能源的独立自主。 在中国所有的碳排放中,电力部门产生的碳排放达到40%。 随着电气化的发展,越来越多的居民开上了电动汽车,整个电力的需求会不断上涨,而电力部门70%是依靠煤电,碳排放的压力越来越大。 因此,我们必须要做一件事情:构建以新能源为主体的新型电力系统。这也是习近平总书记2021年3月在中央财经委员会第九次会议提出的战略目标。 三、新型电力系统的三个特征

1.新能源为主体

现在电力结构中,70%的电由煤炭发出,10%来自于新能源,也就是我们所说的风能和太阳能。按照我们现在的规划要到2060年左右,这两个比例的数字会反转一下,即70%的电来自于新能源,10%由煤炭发出。 德国在2011年“福岛事件”之后,就宣布推出光电代替核电。光伏发电在德国全部发电量的比重从2012、2013和2014连续三年上升之后,就停留在一个水平线上。 光伏发电成本低、又环保,德国的技术也是在世界上数一数二,而且政府有坚强的意志拿出很多补贴去推动这件事情,那为什么会出现光伏发展止步不前的状态呢?

这是因为白天的时候,太阳光越来越强,光伏发的电就越来越多,火电厂就必须把工况降下来;到了晚上,太阳落山了,火电厂又需要把工况拉起来。 如果火电厂的工况下降到50%以下,因为不能充分燃烧的缘故,经济成本非常高,排放也会非常高。 新能源为主体,并不是说只是新能源的发电成本、度电成本降得足够低就能够实现,这需要系统变革。如果没有大规模储能的出现,把新能源作为主体,大规模纳入电网存在着非常大的挑战。 2.分布式能源 2021年11月10日,中美格拉斯哥会议上发表了《联合宣言》:鼓励整合太阳能、储能和其他更接近电力使用端的清洁能源解决方案的分布式能源的发电政策。 中国资源的分布是非常不平衡的,不仅仅是化石能源,光能和风能大部分也都分布在三北地区——华北、西北、东北。 电力需求主要在东部和南部的沿海地区,这存在空间上的不匹配,在西部建立起大规模的新能源发电,再依赖长距离运输的方式来运输到东部和南部,是存在挑战的。最好是发展分布式能源,也就是中美在格拉斯哥宣言中提出的蓝图。 我有一个学生专门做光伏改造,他给浦江镇的一个工厂做改造。工厂把屋顶全部开放,他负责工厂的电力供给,他能够用充分整合他在供应链上的资源,然后通过我们开发的一种系统优化的模型,降低整个分布式能源的成本。 如果这成为一个商业模式,徐汇校区可以作为一个社区实现分布式能源的系统(即微电网)。无论是工业园区或者是商业区,都是可以实现分布式能源的微电网,这样我们就实现了自发自用、寓电于民的状况。

3.多利益主体 杜祥琬院士在2020年的中国能源研究会年会上提出一个概念:产销者。 产销者不仅仅是电力的消费者,也是生产电力的供给者。 比如我家房顶上的光伏板除了满足自己的使用,还可以供给电力给别人,要是给我邻居的电动汽车充电,我作为利益主体自然有利益诉求,这就涉及到市场的解决方案了。 在传统的电力系统中,不存在产销者的概念,发电的只管发电,消费者只管消费,中间有电网,所以利益主体非常明晰。 如果未来实现了以新能源为主体、分布式能源为主体,必然就会有多利益主体利益协调的问题,这也是未来新型电力系统需要处理的非常重要的问题。 四、新能源的供需问题

在未来,如果新能源为主体,以分布式能源为特征,有更多的利益主体参与到一个新型电力系统,供需两方的预测会变得越来越困难。

光伏电站不像传统的火电厂,它是电力的供给方,但是预测非常难。 换句话说,它靠天吃饭,并不是每天太阳光都非常强烈,总有刮风下雨阴天的时候,有的时候10个小时有太阳,有的时候可能只有6个小时有太阳。 在传统的电力系统中多烧两车煤,电就出来了,但在这样的系统中,我们不能呼唤太阳出来解决电力需求和生产问题,供给方面预测会变得越来越难。

上图是今年我们国家推的一项措施,是能源局推的整县屋顶式、分布式光伏的试点工作。 全国有3000多个县,有近700多个县进行布点。所有参加试点的区域要保证党政机关的建筑屋顶50%的面积装上光伏;工商业的屋顶30%;农村20%;学校40%。 无论是党政机关、工商业、农村、学校,这都是电力的需求侧,如果在电力的需求侧同时也有很多的电力生产起来,这就使得电力的需求变得不稳定。 与此同时,电动汽车普及和反向充电(V2G)的发展,会加剧供需的不确定性。比如某个地下停车库里有一百辆电动汽车,每一辆电动汽车70度电,那就是7千度电,对于一个学校来讲能解决很大的供电问题。电动汽车不用从电网拿电,就使得电力需求减少。 未来以新能源为主体、分布式能源为主体,并且存在多个利益主体的新型电力系统下,我们供需双方的预测会变得越来越困难。五、能源互联的出现

1.什么是能源互联

在未来,我们各个能源供给方和能源需求方都是通过一个网络联接在一起。 比如我发现电动汽车没有电了,随便在App上找一找,这一家有电可以出售的话,它是8毛钱,另外一个6毛钱,那我去买这个电,把我的电动车充上电。 未来甚至会出现很多的虚拟电厂。我租用储能的设备,电便宜的时候,把电储存在大电池里去;电贵的时候,再把储能系统里的电释放出来卖出去。 因为储能设备的成本越降越低,我们很多地区都有峰谷电差,完全可以在晚上的时候充电,白天就放电,观察这些分布式能源发出来的电到底有多少,也可以管控这个地区负荷的变化。

未来能源的互联网就扮演着中介的角色,它没有电厂,但是它具有调控电力输配的能力。

实现发电、输电、配电和用电这四个环节的互联互通,能够做到顺势的优化。 2.能源互联时代的三个变革 ① 技术上的变革 第一,光伏技术的发展。 光伏的度电成本相对于十年前,已是远远低于煤电的成本。 在未来,光伏能源转化效率会进一步提高,而且形式更加多样,不仅仅是屋顶上装满光伏,甚至玻璃上都是贴满了薄膜可以用来发电。 所以利用阳光进行能源供给的能力会越来越高,使得利用分布式能源的方式实现寓电于民、自给自足成为可能。 第二,储能技术的发展。 储能看到商业化曙光的方式有两个。 a.电化学储能(大电池)

电化学储能有一个安全的问题,还有一个环保的问题,至今为止我们并没有很好解决电池回收的难题。

电动汽车的大发展有五六年的时间,而电化学储能才刚刚起步,所有电动汽车的动力电池和储能设备的储能电池都会退休,我们怎么去处理这些电池?

b.氢储能 通过光伏发电,电解水变成氢,之后储存起来。 氢储能现在的发展非常迅猛,但氢能储藏和运输中的安全问题也没有解决。

这两种主流的储能模式目前都有许多的挑战。 科学家正探索更多的储能方式,比如用氨进行储能,把电解水做成氢气,再用氢气和大气中的二氧化碳组合形成甲醇,利用甲醇做为一种储能的媒介,或者我们可以把它做成二甲醚等醚基的燃料。未来必须实现储能技术的大变革,要发展出既有经济性,同时又安全的储能方式。 ② 组织上的变革 在以前的电力系统里,发电厂卖给电网,电网通过地方的电力公司、电业局卖到千家万户。而未来的生产者和消费者之间的界限会变得越来越模糊。 如果是一个虚拟建厂的概念,它所做的工作只是提供一个平台,有很多电力供给者的接入,也有很多电力消费者接入。平台的作用是要使这些电力的供给和需求之间以最经济又最快的方式做出瞬时匹配。 正如网上打车一样,没有一个公司来调配它,当你输入信息之后,通过这个平台的智能算法,马上就能安排一个最近的司机来接你到目的地,但是电力系统比出租车系统更加复杂。 因为打车的人多了,等10分钟或者半小时都可能都等不到车。这种情况在电力系统上是不允许发生的,因为你不能想象,我随随便便就让你停电半小时。

③ 政策上的变革

很多多元化的利益主体会在能源互联的时代扮演着既是消费者、又是生产者的角色,虚拟电厂在调节供需方面也发挥着越来越大的作用,这在政策上要求电力交易变得更加市场化。 在传统电力系统中,供给和需求双方都是可预测的,所以签订中长期的协议是可能的。对于稍微出现的偏差,可以通过市场进行调节。

但是在新型电力系统中,电力价格的变化是市场化的,而且能够按照发电成本和对电力的可支付意愿做出瞬时的调整。这就要求我们在政策上,更彻底地实现电力交易的市场化。

在碳中和趋势的推动下,未来的能源时代会发生翻天覆地的变化。

(本文转载自公众号“笔记侠”)

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