近期，拉閘限電、煤炭緊俏、保供、天然氣價(jià)格飆升、美德俄關(guān)系微妙的消息甚囂塵上，不斷刷新著我們的世界觀和認(rèn)知度。不禁要問(wèn)，能源這是怎么了?我們用了三十多年的穩(wěn)定電力，即使斷電，也都會(huì)提前通知，現(xiàn)在竟然開(kāi)始限電了。
9月以來(lái)，包括東三省在內(nèi)的15個(gè)省份陸續(xù)出現(xiàn)拉閘限電。最直接的原因：動(dòng)力煤價(jià)格飆升，電廠存煤緊張?，F(xiàn)在雖然采取了一些積極的舉措，問(wèn)題也向著好的方向發(fā)展，但是我們不得不重新審視一下當(dāng)前的能源供給系統(tǒng)和建立在能源供給系統(tǒng)之上的能源秩序。
一、能源系統(tǒng)正處在脆弱期
“拉閘限電”表象是煤炭?jī)r(jià)格上漲，電煤庫(kù)存緊張，深層次是在“雙碳”目標(biāo)下，我國(guó)對(duì)低廉、清潔穩(wěn)定能源支撐經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求和新能源技術(shù)發(fā)展滯后暴露出的復(fù)雜利益矛盾。
據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局：2021年8月份能源生產(chǎn)情況。1—8月份，生產(chǎn)原煤26.0億噸，同比增長(zhǎng)4.4%;進(jìn)口煤炭19769萬(wàn)噸，同比下降10.3%。另外，8月份，發(fā)電7383億千瓦時(shí)，同比增長(zhǎng)0.2%，增速比上月回落9.4個(gè)百分點(diǎn)，兩年平均增長(zhǎng)3.5%，日均發(fā)電238.2億千瓦時(shí)。從以上數(shù)據(jù)可以看出，煤炭供給一升一降，浮動(dòng)不是太大;而9月是過(guò)了夏季用電高峰，進(jìn)入用電平緩期，正常應(yīng)該是動(dòng)力煤價(jià)格向下調(diào)整。恰恰相反，煤炭?jī)r(jià)格卻一路高歌猛進(jìn)，達(dá)到了歷史新高，并且還在不斷刷新最高記錄。這時(shí)，各種消息漫天飛，陰謀論瘋傳，大國(guó)博弈，毛衣戰(zhàn)，大宗商品定價(jià)權(quán)，大宗產(chǎn)品暴漲的直接原因不是什么供需，而是資本扎堆操作。無(wú)論上述消息的真?zhèn)魏蛯?duì)錯(cuò)，最根本的一條“谷賤傷農(nóng)，米貴傷民”，確實(shí)影響實(shí)體經(jīng)濟(jì)正常運(yùn)行，進(jìn)而影響民生。
另外一方面，環(huán)境不斷惡化，地球在不停的變暖，早期的酸雨、毒霧，到現(xiàn)在的霧霾、風(fēng)沙、海平面上升，不用精密的儀器，單從感官就能體會(huì)到城市和鄉(xiāng)野的空氣差別。在這場(chǎng)人類存續(xù)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)及人類命運(yùn)共同體構(gòu)建過(guò)程中，各國(guó)表現(xiàn)的多元化高度統(tǒng)一，減碳、低碳、無(wú)碳過(guò)程中的高度默契。在各國(guó)都爭(zhēng)相去完成“雙碳”目標(biāo)，同時(shí)也是從傳統(tǒng)能源向可再生能源轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵期，舊秩序向新秩序更迭也是最脆弱，最容易出現(xiàn)問(wèn)題的時(shí)期。據(jù)《人民日?qǐng)?bào)》2021年9月5日電，我國(guó)非化石能源裝機(jī)10.3億千瓦，占全國(guó)總裝機(jī)的45.5%，風(fēng)電裝機(jī)2.7億千瓦，太陽(yáng)能裝機(jī)2.7億千瓦。但是“拉閘限電”的問(wèn)題，客觀上也反映出發(fā)展了那么多年的新能源并未獲得實(shí)效，然而一直宣稱做配角、做好調(diào)峰的火電，竟然還是主角，還處在能源系統(tǒng)的C位，能源秩序并沒(méi)有發(fā)生實(shí)質(zhì)性改變。
全球氣溫，尤其是近一百年呈現(xiàn)加速狀態(tài)，海平面上升明顯，所以降低碳排放，實(shí)現(xiàn)碳中和的“雙碳”目標(biāo)成為既定方案，確立的國(guó)策，不容改變。這場(chǎng)能源風(fēng)波中，雖然能通過(guò)“保供”的方式化解，也只能是短期行為，能源秩序處在一個(gè)相對(duì)的脆弱期。長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，傳統(tǒng)能源向新能源的過(guò)度需要真正的動(dòng)力源和驅(qū)動(dòng)力，而政府需要更強(qiáng)有力的“抓手”推動(dòng)這次變革。當(dāng)然誰(shuí)先獲得這個(gè)“抓手”，誰(shuí)就獲得先人一步幾十年的發(fā)展機(jī)會(huì)。
二、重塑能源秩序需要?jiǎng)恿υ?/strong>
習(xí)近平總書記站在國(guó)家發(fā)展和安全戰(zhàn)略的高度提出了“四個(gè)革命、一個(gè)合作”能源安全新戰(zhàn)略，并將能源技術(shù)革命列入重要的一項(xiàng)內(nèi)容。今年7月15日，國(guó)家發(fā)改委、國(guó)家能源局印發(fā)的《關(guān)于加快推動(dòng)新型儲(chǔ)能發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)》(下稱《指導(dǎo)意見(jiàn)》)更是以技術(shù)革新為內(nèi)生動(dòng)力，創(chuàng)新引領(lǐng)，在不斷完善政策的頂層設(shè)計(jì)，探尋能源變革的動(dòng)力源。
現(xiàn)在大數(shù)據(jù)、智能化、云計(jì)算等發(fā)展迅速，在能源行業(yè)應(yīng)用也非常廣泛，軟件技術(shù)提高很快，但是底層技術(shù)或者稱基礎(chǔ)科學(xué)等核心硬件技術(shù)上發(fā)展滯后，能源技術(shù)革命性的不多。筆者通過(guò)多年從事新能源技術(shù)研究和原創(chuàng)技術(shù)開(kāi)發(fā)，結(jié)合筆者團(tuán)隊(duì)涉及的風(fēng)能、儲(chǔ)能、低溫原動(dòng)機(jī)三塊領(lǐng)域，通過(guò)新能源賦存、風(fēng)能、儲(chǔ)能、原動(dòng)機(jī)四個(gè)部分談一下現(xiàn)有新能源技術(shù)的短板和發(fā)力點(diǎn)，希望能給更多的科技工作者啟發(fā)和機(jī)構(gòu)合作。
1.新能源賦存
太陽(yáng)能、風(fēng)能在可再生能源中被公認(rèn)為最清潔、環(huán)保的能源，并且資源豐富。據(jù)國(guó)家氣象局統(tǒng)計(jì)，我國(guó)屬太陽(yáng)能資源豐富的國(guó)家之一，全國(guó)總面積2/3以上地區(qū)年日照時(shí)數(shù)大于2000小時(shí)，年輻射量在5000MJ/m2以上。據(jù)統(tǒng)計(jì)資料分析，中國(guó)陸地面積每年接收的太陽(yáng)輻射總量為3.3×103～8.4×103MJ/m2，相當(dāng)于2.4×104億噸標(biāo)準(zhǔn)煤的儲(chǔ)量。我國(guó)離地10米高的風(fēng)能資源總儲(chǔ)量約32.26億千瓦。
圖1 我國(guó)太陽(yáng)能資源分布
圖2 我國(guó)風(fēng)能分布
從以上數(shù)據(jù)可以看出，太陽(yáng)能和風(fēng)能總規(guī)模和總量都非常巨大。根據(jù)我們?cè)诋?dāng)?shù)亟ㄔO(shè)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)站統(tǒng)計(jì)，一個(gè)全日照周期，夏至前后能高達(dá)13kW·h/m2，冬至前后也有5kW·h/m2。這些能源如果充分利用，基本能解決當(dāng)前的能源問(wèn)題。雖然太陽(yáng)能、風(fēng)能分布廣泛，規(guī)模和總量都非?？捎^，但是資源稟賦不高，具有明顯的隨機(jī)性、不穩(wěn)定、間歇性，同時(shí)還有能流密度低、品位低的特點(diǎn)。所以對(duì)太陽(yáng)能、風(fēng)能的開(kāi)發(fā)和利用不能簡(jiǎn)單的使用傳統(tǒng)模式、傳統(tǒng)技術(shù)，而是要開(kāi)發(fā)匹配的底層技術(shù)、創(chuàng)新技術(shù)。
圖3 監(jiān)測(cè)站和太陽(yáng)輻射數(shù)據(jù)
2.風(fēng)能
風(fēng)能和太陽(yáng)能是衍生關(guān)系，太陽(yáng)輻射到地面的能量2%轉(zhuǎn)化成風(fēng)能，風(fēng)資源分布極不平均。根據(jù)歷年氣象數(shù)據(jù)，我國(guó)風(fēng)資源總量85%的是二級(jí)、三級(jí)風(fēng)風(fēng)圈，國(guó)土面積68%的屬于低風(fēng)速區(qū)。這部分風(fēng)資源面域廣、總量大、風(fēng)頻高，品位低、能流密度小，以現(xiàn)有的技術(shù)模式不容易利用，但是這部分資源距離人口密集區(qū)最近，能源很容易消納。這也就是我們經(jīng)?？吹缴缴系娘L(fēng)機(jī)總是在“曬太陽(yáng)”的原因。
圖4 風(fēng)力發(fā)電工況圖
圖5 風(fēng)機(jī)原理
筆者早在2016年在中國(guó)電力網(wǎng)發(fā)表過(guò)《垂直軸風(fēng)電技術(shù)革新能否改寫能源版圖?》中就探討過(guò)，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的弊端和方向。現(xiàn)有的主流風(fēng)機(jī)是水平軸風(fēng)機(jī)，葉片裸露在外，也可以稱為“開(kāi)放式”風(fēng)機(jī)。這類“開(kāi)放式”風(fēng)機(jī)，從風(fēng)力發(fā)電工況圖可以看出：風(fēng)小了風(fēng)機(jī)不運(yùn)行，即使運(yùn)行出力也很小，對(duì)高頻次、低密度的風(fēng)資源利用很有限。另外，從風(fēng)機(jī)原理圖可以看出，“開(kāi)放式”風(fēng)機(jī)主要是利用風(fēng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化成葉片的機(jī)械能，開(kāi)放式的結(jié)構(gòu)降低了轉(zhuǎn)化效能。
針對(duì)上述情況，筆者所在團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)高效利用低風(fēng)速資源的風(fēng)力技術(shù)，不需要尋找風(fēng)向，葉片不再裸露在外，安全性更高的非開(kāi)放式結(jié)構(gòu)的風(fēng)機(jī)。其中非可視風(fēng)力技術(shù)獲得2017年山東省科學(xué)技術(shù)廳的資助，其姊妹單軸雙式風(fēng)力技術(shù)獲得2018年山東省科學(xué)技術(shù)廳的資助。下圖是正在安裝測(cè)試的非可視風(fēng)力技術(shù)的原型樣機(jī)。
圖6 非可視風(fēng)力技術(shù)控制系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)樣機(jī)
3.儲(chǔ)能
太陽(yáng)能、風(fēng)能因?yàn)橘Y源稟賦不高，不能提供穩(wěn)定的能源。在“雙碳”背景下，能源保障成為新的挑戰(zhàn)，所以在太陽(yáng)能、風(fēng)能開(kāi)發(fā)使用過(guò)程中使儲(chǔ)能一開(kāi)始就自帶光環(huán)。將可再生能源高效的存儲(chǔ)并充分的利用是儲(chǔ)能的目的，同時(shí)也是技術(shù)突破的方向。上文《指導(dǎo)意見(jiàn)》中明確的提出了高安全、低成本、高可靠性、長(zhǎng)壽命等方面的儲(chǔ)能技術(shù)，探索開(kāi)展儲(chǔ)熱技術(shù)的研究和示范。下面是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)收集整理的一些儲(chǔ)能系統(tǒng)信息，僅作為對(duì)比參考。
圖7 儲(chǔ)能系統(tǒng)信息對(duì)比1
圖8 儲(chǔ)能系統(tǒng)信息對(duì)比2
每種儲(chǔ)能自誕生就有相應(yīng)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)及應(yīng)用場(chǎng)景，這里僅介紹儲(chǔ)熱的優(yōu)勢(shì)。儲(chǔ)熱相對(duì)其他儲(chǔ)能方式具有原理簡(jiǎn)單、材料來(lái)源豐富、價(jià)格低廉、循環(huán)壽命長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)。而儲(chǔ)熱中的相變儲(chǔ)熱方式能提供恒定溫度便于穩(wěn)定的能源輸出，單位儲(chǔ)能密度大的優(yōu)點(diǎn)。對(duì)相變儲(chǔ)熱的研究逐漸深入，去年在《2020年超臨界CO2循環(huán)光熱發(fā)電前言技術(shù)論壇》中來(lái)自清華大學(xué)的胥蕊娜教授談到的蜂窩式相變潛熱儲(chǔ)能，到今年的《太陽(yáng)能熱利用科學(xué)技術(shù)研究生論壇》中多孔介質(zhì)、膨脹石墨等等研究?jī)?nèi)容，相變儲(chǔ)熱系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、骨架材料及抗腐蝕性能等相關(guān)技術(shù)在不斷提高。
另外，光熱系統(tǒng)能夠更好的利用紫外光、可見(jiàn)光、紅外光，波長(zhǎng)在300-3000納米，約占太陽(yáng)總輻射能量的96%。而平板式集熱器能夠更好的吸收直射光和散射光，相比聚光型光熱系統(tǒng)對(duì)散射光有苛刻要求，應(yīng)用場(chǎng)景更加廣泛。據(jù)清華大學(xué)宮鵬研究組統(tǒng)計(jì)，2017年中國(guó)城市建成區(qū)面積為146102平方公里，城市與農(nóng)村建成區(qū)總面積209950平方公里。按照這一數(shù)據(jù)，當(dāng)前我國(guó)城市與農(nóng)村建成區(qū)總面積已占國(guó)土面積1/48，在胡煥庸線以東的人口密集區(qū)要遠(yuǎn)高于這個(gè)比例。這些區(qū)域除了綠植需要外，有充足的空間開(kāi)發(fā)太陽(yáng)能和風(fēng)能。針對(duì)這種情況，筆者所在團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了疊加儲(chǔ)能技術(shù)。疊加儲(chǔ)能技術(shù)根據(jù)太陽(yáng)東升西落，不同時(shí)段照射在建筑物不同位置的特點(diǎn)，將平板式吸熱器安裝在建筑物的不同位置，模塊化吸熱儲(chǔ)能，同時(shí)將風(fēng)能轉(zhuǎn)化成熱能進(jìn)行存儲(chǔ)。在需要能源的時(shí)候進(jìn)行釋放，完成能源儲(chǔ)發(fā)一體化。該技術(shù)獲得2019年山東省科學(xué)技術(shù)廳的資助。
圖9 科技廳競(jìng)技現(xiàn)場(chǎng)
4.原動(dòng)機(jī)
光熱能夠利用更寬泛的光資源，儲(chǔ)熱能夠更經(jīng)濟(jì)安全，使光熱發(fā)電具有很多優(yōu)勢(shì)。但是聚光型光熱發(fā)電系統(tǒng)采用傳統(tǒng)火電運(yùn)行模式，尤其是使用火電的蒸汽輪機(jī)作為原動(dòng)機(jī)。
圖10 火電運(yùn)行原理
而火電是不斷提高溫度來(lái)提高發(fā)電效率，從亞臨界、超臨界、超超臨界，溫度高達(dá)700度?；痣娡ㄟ^(guò)燃燒化石能源，能流密度高，比較容易通過(guò)提高溫度來(lái)獲得高效率。但是太陽(yáng)光能流密度低，通過(guò)提高溫度的模式提高效率比較困難，只能不斷提高聚光比，增加反射鏡的數(shù)量來(lái)提高溫度。這也就是為什么現(xiàn)在的光熱發(fā)電系統(tǒng)需要龐大鏡場(chǎng)的原因。
圖11 聚光型光熱電站
造成這種問(wèn)題的根本原因在于：1、蒸汽輪機(jī)的低溫狀態(tài)下的效率不高，即低溫效率問(wèn)題;2、蒸汽輪機(jī)制造困難、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、運(yùn)營(yíng)成本高只適合規(guī)?；?，小型化后能源轉(zhuǎn)化效率低，限制了應(yīng)用場(chǎng)景。針對(duì)這種問(wèn)題，去年在《2020年超臨界CO2循環(huán)光熱發(fā)電前言技術(shù)論壇》中筆者就提出過(guò)質(zhì)疑。下面是筆者和浙江中控太陽(yáng)能金建祥董事長(zhǎng)的交流內(nèi)容，后面很多與會(huì)專家也都談到原動(dòng)機(jī)需要重大技術(shù)突破的問(wèn)題。這種論壇形式的會(huì)議非常高效也更能深入的探討技術(shù)，整個(gè)過(guò)程也非常融洽，尤其是通過(guò)線上的形式能夠打破空間的距離。
圖12 論壇中的提問(wèn)內(nèi)容
當(dāng)時(shí)提出透平機(jī)自身的瓶頸問(wèn)題并非一時(shí)興起，而是基于對(duì)現(xiàn)有原動(dòng)機(jī)的深入研究和開(kāi)發(fā)出來(lái)的一套新的原動(dòng)機(jī)技術(shù)，也就是“二次元發(fā)動(dòng)機(jī)”。二次元發(fā)動(dòng)機(jī)自2009年萌芽開(kāi)始，歷經(jīng)十余年，經(jīng)歷了三次名字變更，二次元發(fā)動(dòng)機(jī)的命名最能體現(xiàn)該技術(shù)特征。既然稱為“二次元發(fā)動(dòng)機(jī)”，肯定會(huì)有一次元發(fā)動(dòng)機(jī)。和我們生活比較接近的汽油機(jī)、柴油機(jī)，或者用另外一種稱呼奧托循環(huán)、狄塞爾循環(huán)，這類原動(dòng)機(jī)都是將高溫高壓或者高壓氣相工質(zhì)的壓力勢(shì)能轉(zhuǎn)化成活塞的機(jī)械能。如果將高溫高壓(高壓)氣相工質(zhì)定義為一個(gè)變量，而對(duì)這類原動(dòng)機(jī)不停的研究、升級(jí)的目的就是在提高效率，就像在求解只有一個(gè)未知數(shù)的一元方程。而高溫高壓(高壓)氣相工質(zhì)做工的過(guò)程只有膨脹一項(xiàng)，也就是只有一次性。所以這類發(fā)動(dòng)機(jī)定義為“一次元發(fā)動(dòng)機(jī)”。燃?xì)廨啓C(jī)、汽輪機(jī)通過(guò)高壓氣體透平，也就是膨脹過(guò)程中對(duì)葉片做工，同樣屬于“一次元發(fā)動(dòng)機(jī)”。一次元發(fā)動(dòng)機(jī)普遍誕生都超過(guò)了一百多年，也經(jīng)歷了一百多年的研究，效率提升空間非常有限。
二次元發(fā)動(dòng)機(jī)不同于一次元發(fā)動(dòng)機(jī)，動(dòng)力工質(zhì)也不在只有一種，能源轉(zhuǎn)換過(guò)程也不是單純的一種形式，而是多種能源形式相互迭代。最為關(guān)鍵的是二次元發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單，非常容易小型化，適應(yīng)更低的溫度，屬于低溫發(fā)動(dòng)機(jī)，能夠更好的開(kāi)發(fā)資源稟賦不高的太陽(yáng)能和風(fēng)能。
三、能源新秩序：能源B2C
上面談到了筆者團(tuán)隊(duì)在風(fēng)能、儲(chǔ)能、低溫原動(dòng)機(jī)的研究?jī)?nèi)容和原創(chuàng)技術(shù)，相信很多科研工作者也有自己見(jiàn)解和方向。無(wú)論如何，歡迎更多的科研工作者和機(jī)構(gòu)加入到這場(chǎng)能源變革中來(lái)或者加入到我們的團(tuán)隊(duì)中，因?yàn)槿祟愇拿鞯拿看芜M(jìn)步，都是以科技為先導(dǎo)，形成一點(diǎn)的創(chuàng)新突破，以點(diǎn)帶面，推動(dòng)整個(gè)社會(huì)文明的全面進(jìn)步。
當(dāng)能源技術(shù)革命能夠更高效的利用太陽(yáng)能、風(fēng)能，不再受制于“火電”調(diào)峰及高昂的環(huán)境成本和電費(fèi)之苦時(shí)，環(huán)境會(huì)變的更加美好，人類文明新的進(jìn)步很快就會(huì)來(lái)。以下是筆者預(yù)測(cè)的能源秩序：能源B2C。能源B2C中的B2C取自電商，即Business-to-Consumer，這里區(qū)別是能源端直接對(duì)客戶端，客戶端既是發(fā)電端同是消納端。與以往的大電網(wǎng)、局部電網(wǎng)、分布式能源、智能微網(wǎng)不同的地方就是不再有網(wǎng)和電費(fèi)的存在。更通俗一點(diǎn)，以后家里用電，買個(gè)發(fā)電設(shè)備就像買個(gè)普通家電一樣簡(jiǎn)單。交電費(fèi)的時(shí)代真的可能會(huì)成為歷史。
圖13 能源B2C結(jié)構(gòu)
低廉、清潔、環(huán)保的能源會(huì)像新鮮血液輸送到下游的加工制造業(yè)和民生行業(yè)，帶來(lái)新一輪的繁榮。最后還是要為我生活的這片土地和這座城市做一下宣傳，歡迎國(guó)內(nèi)外的投資機(jī)構(gòu)、企業(yè)、智囊團(tuán)、科研院所、高校、人才來(lái)這座上承孔子、孟子，下有雄厚傳統(tǒng)能源工業(yè)基礎(chǔ)的東方圣地投資、合作、擇業(yè)、定居。在這百年未有之大變局，夯實(shí)能源基礎(chǔ)，理順能源秩序，為中華實(shí)現(xiàn)彎道超車，直道加速，領(lǐng)跑世界貢獻(xiàn)一份力量。
評(píng)論