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                元宇宙 碳中和 区块链 快讯 正文
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                北极星大气网新闻:气候变化是当今世界面临的主要挑战之一。自从第一次工业革命年以来,煤、石油、天然气等化石能源的发现和利用,极大地提高了劳动生产率,促进了人类社会的伟大繁荣和发展。与此同时,它也产生了严重的环境问题和气候变化问题。

                在过去200年中,化石能源燃烧产生的二氧化碳(CO2)累积量已达到2.2万亿吨,全球大气中的CO2浓度持续上升。特别是在过去的半个世纪里,CO2浓度呈现出快速增长的趋势(图1)。大气中CO2的体积分数在2021年4月×419达到10。?全球平均地表温度上升了1.1℃。


                图1第一次工业革命以来全球大气中CO2体积分数的变化

                资料来源:斯克里普斯海洋学研究所

                联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)于2018年发布《全球升温 1.5℃ 特别报告》,报告指出,已经观测到全球气温上升,气温上升对人类的影响远高于早期预测。气温上升2℃对世界的影响将是无法忍受的。人类必须把气温上升控制在1.5℃。以CO2为主的温室气体排放导致的全球变暖已成为一个全球性的非传统安全问题,严重威胁着人类的生存和可持续发展。

                碳达峰和碳中和的承诺不仅凸显了中国作为世界大国的责任,也凸显了推动中国能源结构、产业结构和经济结构转型升级的自我发展需要。中国实现高质量发展,建设人与自然和谐共处的社会主义现代化强国,具有重大的战略意义。

                1.中国的实现碳达峰、碳中和目标面临的挑战

                改革开放40年来,中国经济发展迅速。2019年,中国的国内生产总值国内生产总值)总额超过14万亿美元,居世界第二位;但是人均国内生产总值刚刚突破10000美元,世界排名第67位(图2)。中国作为世界上最大的发展中国家,发展不平衡、发展不足的问题依然突出,面临着发展经济、改善民生等一系列艰巨任务。中国的能源需求仍在增加,其碳排放仍在上升,尚未达到峰值。如何在经济社会发展的同时改变能源结构、产业结构和经济结构这是碳达峰和碳中和实现的第一个挑战。


                图22019年全球GDP(a)和人均国内生产总值(b)前20个国家

                资料来源:世界银行

                从能源消费总量看,2020年中国能源消费总量将居世界首位,占全球总量的1/4以上,二氧化碳排放量占全球总量的1/3。从能源消费结构来看(图3),中国仍以化石能源消费为主,2020年占84%以上;中国一半以上的能源消费仍然来自煤炭,这远远高于煤炭在全球能源消费结构中的比例。从中国发电类型来看,2020年中国总发电量的68%来自火力发电。根据中国不同行业的碳排放数据(图4),发电和供热(占51%)和工业(占28%)是中国最大的两个碳排放行业。根据《碳达峰时代》的报道,主要欧盟国家在20世纪90年代之前就已经实现了碳达峰,美国也在2007年实现了碳达峰。欧盟主要国家提议到2050年实现这一目标碳中和,从碳达峰到碳中和,用了60多年的时间;由于起步较晚,中国要实现碳达峰(2030年)到碳中和(2060年)的目标,需要的欧盟主要国家不到一半。这意味着中国需要在较短时间内将84%的化石能源转化为净零碳排放能源体系。时间紧,任务重,这是第二大挑战。


                图32020年全球能源消费结构(a)、中国能源消费结构(b)和电力结构(c)

                数据来源:英国石油公司,中国电力委员会


                图41990-2018年中国不同行业碳排放量

                资料来源:国际能源机构

                来自气候变化和气候变化温室气体从社会控制层面看,中国在人民意愿、企业认同、技术储备、市场机制、法律法规等方面落后于发达国家《京都议定书》生效后,世界主要国家和地区都建立了区域性碳交易体系,以实现碳交易的可持续发展碳减排承诺的目标;2005至2015,17年间,已建成了覆盖四大洲的碳交易体系,中国将于2021年7月成为最大的国家。碳排放交易刚刚正式启动。中国的碳交易体系急需迎头赶上,这是第三个挑战。

                为了应对上述挑战,中国必须加快碳达峰和碳中和面临的系统经济和社会改革,开展能源革命,在能源供应、能源消费、能源技术和能源体系方面实现新的突破和跨越。

                2碳中和视野下的能源转型

                碳中和是一场绿色革命,它将构建一个新的零碳产业体系——没有颠覆性和革命性的技术突破,碳中和就无法实现。未来能源改革将呈现“五个现代化”:从能源供给方面看,是电力零碳化、燃料零碳化;从能源需求方面看,能源利用是高效的、再电气化的和智能化的(图5)。最后,中国将建立以新能源为主体、化石能源+二氧化碳捕获、利用和储存(CCUs)、核能为保障的未来清洁、零碳、安全、高效的能源体系。


                图5碳中和的能源改革

                从能源供应方面看未来的能源改革

                1.电源零碳化

                目前,全球高达41%的碳排放来自电力行业,中国高达51%的碳排放来自发电和供热。电力脱碳和零碳化是实现碳中和目标的关键。

                1、实现电力脱碳零碳化,首先要大力发展可再生能源发电。

                10年来,我国可再生能源实现了跨越式发展,可再生能源开发利用规模稳居世界首位。2020年,中国可再生能源发电将占全社会总用电量的29.5%,总发电量将达到2.2万亿千瓦时;截至当年年底,中国可再生能源发电装机容量占总装机容量的42.4%,总规模达到9.3亿千瓦(图6)。


                图62020年底中国不同类型发电装机容量

                资料来源:国家能源局

                可再生能源发电的成本也在下降。在过去10年(2010-2020年),全球光伏发电成本下降了约85%。2021年6月国家电力投资公司四川省甘孜州正斗一期20万千瓦光伏项目的报价为0.1476元/千瓦时,创下了中国光伏电站项目最低价格的纪录。预计到2030年,中国风电和光伏装机容量将达到16-18亿千瓦,到2050年将超过50亿千瓦。

                2.实现电力脱碳零碳化,核心是建设以新能源为主体的新电力系统。

                新能源比例高、负荷大的双重随机性和波动性给电网的电力平衡和安全运行带来了巨大挑战。迫切需要改变传统的“源随负荷”供电模式,提高电力系统的灵活性。重点突破区域电力系统“马哈腾负荷存储”的深度互动和调控方式,提高电力电子电力系统的弹性,基于大数据对电力供需进行预测和管理,建立分散的,自主互信的权力交易机制。

                加深电力体制改革,创新电力市场机制和商业模式。依托遍布全国的分布式光伏发电和风力发电,将每栋建筑都变成一座微型电站,大力发展虚拟电站和智能电站微电网以及储能技术,部署更多的新能源装机容量,产生和吸收更多的新能源电力,从而将常规火力发电从目前的基本负荷电力转变为调峰电力,实现电力脱碳和零碳化。

                建设以新能源为主体的新电力系统是一项重大变革,德国的经验值得借鉴。德国已宣布在2022年放弃核电,在2038年放弃煤炭,并在2050年建立100%可再生能源的能源消费体系。德国在促进可再生能源发展的立法方面处于领先地位,在全国各地建立了分布式光伏发电、风力发电、生物质发电和储能装置;通过基于大数据的电力供需侧预测和管理,以及基于互联网的电力交易和服务平台,可以有效促进可再生能源消费,改善电网供需平衡。在德国,高比例的可再生能源将常规火电从基本负荷电力转变为调峰电力,成功实现了能源结构的转变。

                3.为了实现电力的脱碳和零碳化,化石能源发电可以通过CCUs实现净零碳排放。

                CCUs是实现化石能源大规模零碳排放利用的关键技术。与CCUs的火力发电相结合,它将平衡可再生能源发电的波动性,并提供有保障的电力和电网灵活性。“新能源发电+储能”和“火电+CCUs”将是不可或缺的技术组合,它们之间的深度协调将成为未来清洁、零碳、安全高效能源体系的关键。

                根据国际能源机构(IEA)研究结果表明,在可持续发展情景下,到2045年,燃煤发电机组的所有非碳捕获和储存(CCS)将在全球范围内逐步淘汰,燃煤发电结合CCS技术将产生1000TWH的电力。因此,有必要加大对CCUs技术研发的投入,降低成本和能耗:开发新型吸附剂、吸附剂和膜分离材料,开展碳捕获、分离、运输、利用、密封和监测等核心技术研究;尽快建立CCUs标准体系和管理体系、CCUs碳排放交易体系、财税激励政策和碳金融生态,推动火电机组百万吨级CO2捕集利用技术应用示范,实现CCUs的市场化和商业化应用。

                2燃料的零碳化

                燃料零碳化是以太阳能、风能等可再生能源为主要能源,生产氢、氨、合成燃料等可再生燃料。基于零碳电力的可再生燃料生产(图7)将创造一种新的“资源储存负荷”离线可再生能源利用有望使交通和工业燃料独立于化石能源,实现燃料净零碳排放。可再生能源是一项极具潜力的革命性技术,可以为国家能源战略转型和碳中和目标的实现提供新的解决方案。


                图7基于零碳动力的可再生燃料生产

                可再生合成燃料利用可再生能源通过电催化、光催化和热催化转化和减少二氧化碳碳氢化合物燃料或醇醚燃料具有能量密度高、运输和加注方便、现有加油站等基础设施可用、社会应用成本低等优点。诺贝尔化学奖赢家乔治、安德鲁、欧拉(George·Andrew·奥拉)相当于书中的2006年《跨越油气时代:甲醇经济》提出了利用可再生能源将工业排放物和天然CO2转化为碳中性醇醚燃料的观点。

                2018年,施春风张涛李静海、四位白春礼院士在《焦耳》中共同提出,人类要获得、储存和供应太阳能,关键在于如何将其转化为稳定、可储存、高能的化学燃料。”液态阳光”实现未来世界是可能的。近年来,利用可再生能源将二氧化碳转化为合成燃料的技术引起了世界主要发达国家和地区的高度重视。冰岛碳回收国际冰岛世界上第一座基于二氧化碳循环的商业甲醇厂已经建成地热发电电解水产生氢气(H2),进一步与CO2合成可再生甲醇;2014年,公司甲醇生产能力达到4000吨。

                2020年10月中国科学院大连化学物理研究所李灿院士团队在兰州成功运营千吨级“液体阳光”燃料合成示范项目。欧盟启动了energy-x项目,探索以二氧化碳为介质的碳基能源循环利用;美国能源部成立了液体阳光联盟(LISA),专注于CO2光/电还原液体燃料;上海交通大学可再生合成燃料研究中心已经成立,其目标是开发基于零碳动力的可再生合成燃料系统。牛津大学的赫本和其他人发表了一份关于自然的文件,预测到2050年,全球将有42亿吨二氧化碳转化为合成燃料。

                为了真正通过阳光、水和二氧化碳获得可再生合成燃料,迫切需要开展可再生合成燃料的基础理论和关键技术研究。基于燃料与电厂之间的相互作用和调节机制,设计了用于CO2减排和转化产品的可再生合成燃料;在分子水平上建立催化剂的构效关系,实现高效CO2还原催化剂系统的设计和功能定制;然后构建节能型CO2还原合成燃料系统,实现CO2向液体燃料分子的高选择性转化和可再生燃料的合成。

                从能源需求方面看未来能源变化

                在能源需求方面,我们应该加快实现高效、再电气化和智能化能源利用。

                1.高效率

                能源效率、节能减排是碳达峰和碳中和最基础、最重要的工作。2012年以来的中国单位GDP能耗累计下降24.4%,明显高于全球平均减速率;但值得注意的是,2019年,中国单位GDP能耗仍比全球平均水平高50%,约为英国和日本的三倍,节能减排潜力巨大。加强节能、节水、节材、减碳等先进技术的研发和推广,在电力、工业、交通、建筑等重点领域全面推进节能减碳工作;加快对电力、钢铁、石化、有色金属、建材等高耗能、高碳排放行业以及交通运输车辆设备、公共建筑等企业实施节能减排技术改造,从而降低单位GDP能耗和碳排放强度。

                2再通电

                再电气化是指在传统电气化的基础上,实现零碳电力的高电气化;未来,碳中和社会的能量必须集中在零碳能源上。2018年,全球电气化水平,即电能占终端能耗的比例仅为19%,中国为25.5%。预计到2050年,全球电气化水平将超过50%。在加快零碳电力供应的基础上,加快工业、建筑、交通等领域的再电气化,这是一种进步能源效率、是实现能源利用脱碳和零碳的重要途径。

                3.智能化

                智能化是指通过互联网、物联网、人工智能、大数据、云技术等信息和控制技术,实现人、能源设备和系统、能源服务的互联互通,实现供电、电网、负荷、储能的深度协调,实现能量流和信息流的高层次集成。

                通过网络建设各种分布式电源和大负荷,实现各单元智能化,实现能源生产、交易和利用的高效化,是提高能源利用效率,最大限度地提高当地可再生能源消耗的重要手段,以及共享能源基础设施。区块链科技使数据或信息具有“全过程跟踪”、“可追溯”、“公开透明”和“集体维护”的特点,将改变能源系统的生产和交易模式,实现点对点新能源生产、交易和基础设施共享。例如,在未来,人们可以很容易地将屋顶上多余的光伏发电卖给陌生人,这些陌生人需要通过手机应用程序(APPs)为附近的电动汽车充电。这种点对点交易系统使能源系统中的每个节点成为独立的消费者。

                三、能源发展总趋势

                碳中和能源发展的大趋势是通过能源改革,大力推进能源供应侧电力、燃料的脱碳和零碳化,以及能源需求侧能源利用的高效化、再电气化和智能化。化石能源,特别是煤炭,将转变为可负担的能源,通过CCUs实现化石能源净零碳排放,稳步发展核电;在此基础上,构建以新能源为主体、“化石能源+CCUs”、核能为保障的未来清洁、零碳、安全高效的能源体系。

                1.在能源生产形式上,将从现有电力系统自上而下的树形结构(发电-输电-配电-用电)转变为大量分布式能源自治单元相互互联的扁平结构。这种能源互联实现了可再生能源的分级接入和消费,构建了以新能源为主体的新型电力系统。

                2.在能源生产和消费主体方面,将由能源生产者和消费者的独立性转变为能源生产者和销售者的一体化。随着分布式能源系统、智能微电网和局域网技术的日益成熟以及电动汽车的普及,电网中的分散供电和有功负荷将继续增长。每栋建筑都将改造成一座微型发电厂。原始需求侧的用户将扮演消费者和生产者的双重角色,成为独立的能源消费者。

                3、在能源结构上,化石能源将逐步由主要能源向保障性能源转变,其在一次能源消费中的比重将大大降低。可再生能源的比例将继续显著增加,从补充能源到主要能源。在能源利用从高碳到低碳,最后到零碳能源的时代,这一变化将是革命性和颠覆性的。

                3结论

                1碳中和愿景下的能源改革包括供应侧电力和燃料的零碳化,以及需求侧能源利用的高效、再电气化和智能化。

                电力脱碳和零碳化是实现碳中和目标的关键和首要任务。碳中和的社会能源必须聚焦于零碳电力。努力提高非碳基电力的发展速度和供给能力,构建以新能源为主体的新型电力体系。

                2

                面对碳中和,化石能源,特别是煤炭,将转变为中国负担得起的能源。

                CCUs是实现化石能源大规模零碳排放利用的关键技术。与CCUs的火力发电相结合,将促进电力系统的净零排放,平衡可再生能源发电的波动性,并提供有保障的电力和电网灵活性。“新能源发电+储能”和“火电+CCUs”将是不可或缺的技术组合,将构成未来以新能源为主体,“化石能源+CCUs”和核能为保障的清洁、零碳、安全、高效的能源体系。

                3

                碳达峰是量变,碳中和是质变。只有通过碳达峰的量变不能达到碳中和的质变。

                没有能源变革、经济社会系统变革和绿色革命,碳中和就无法实现。碳中和未来能源的核心是以一系列颠覆性、革命性的能源技术为战略支撑而形成的新能源体系。

                4

                实现“双碳”目标,特别是碳中和与经济社会发展的关系不是对抗关系,不是“在轨道上超车”,而是“改变轨道”,它重新定义了人类社会的资源利用模式、挑战和机遇。

                碳中和将引领新的零碳产业体系建设,人类将从以自然禀赋为基础的能源开发利用向以技术创新为基础的新能源开发利用迈进。谁在零碳技术创新方面领先,谁就是“新轨道”的“领导者”,谁就有可能领导下一轮工业革命。

                5

                碳中和面临的能源改革不仅是一个能源问题和环境问题,更是一个全局性、系统性的问题;这不是一夜之间就能实现的,但按顺序,先站立,然后休息。

                能源改革的路径需要基于技术、市场、政策和法规的科学设计和决策。

                免责声明:以上内容转载自北极星电力新闻网,不代表本平台的立场。

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