周大地:零碳能源的转型前景
2020年12月31日

绿色低碳发展智库伙伴

编者按:2020年10月30日,绿色低碳发展智库伙伴(GDTP)2020年度研讨会在上海顺利召开。来自上海、北京、重庆、天津、四川、广东、湖北、浙江、山东、辽宁、海南、内蒙古等地的近150余名嘉宾参会。与会专家围绕着“聚焦十四五规划,展望碳中和未来”的主题,解读五中全会精神,研讨“十四五”规划中的碳目标设定、全国各区域深度减排的可能路径以及促进绿色发展的市场和政策手段。全天的研讨会吸引了近万人在线观看。本期发的是中国能源研究会常务副理事长,国家十四五规划专家委员会委员,国家十四五能源规划专家委员会副主任,国家气候变化专家委员会委员,GDTP高级顾问周大地的主题演讲。

今天我演讲的内容是关于零碳能源的转型前景,之所以要讲这个题目,是因为国内对零碳能源要做什么,在什么样的时间范围去做的认识并不清楚,甚至还有人认为到2050年煤电都不能大幅度减少。所以今天我来重点分析按照习主席提的2060碳中的目标去努力,能源领域需要做哪些事儿。

零碳能源转型的大背景

2019年全球能源消费结构中化石能源仍然占84%左右,中国约为84.6%,略高于全球的平均水平。世界在往后的30年或更长一点的时间内,将化石能源比例超过84%的能源系统转换成基本上是非化石能源,即零碳排放的能源系统,是个巨大的挑战。中国也不例外。
  
中国的难处是预计的经济增长速度,发达国家现在平均的经济增速是1%-2%,最高到3%多一些。而中国更高的经济增长速度(5%以上)还要维持一段时间。所以传统的计算方法认为我国的能源消费要随着经济增长还有一个增长期。大多数发达国家能源消费已经达到较高的水平了,能源消费总量开始下降。
  
但是,中国也有优势。我们以煤为主的能源效率低于以油气为主的能源效率。相对于西方国家以油气为主的能源结构,中国在低碳转型过程中从能源效率方面可以得到好处。在转型低碳发展后,获得能效改善的好处也更多。如果达到最后的低碳情景,能源消费效率和能源转换效率都将比现在高许多。西方国家目前人均能源消费比中国高。从传统的高能源消费模式转换为低碳、高效、合理的消费模式,难度不比中国小。
  
《巴黎协定》为全球能源加快低碳转型确定了共同目标,要把本世纪末全球平均温升控制在明显低于2℃,力争控制在1.5℃以内。2℃温控上限目标为2050年全球碳排放下降70%左右,2060-2070年实现零碳化,1.5℃温控目标要求2050年全球实现零碳化。我们确定的2060前实现碳中和的目标实际上是介于巴黎协定控制温升2度和1.5度之间,并尽可能向1.5度路径靠拢。目前全球基本上所有的发达国家、实现了工业化的国家,以及其他类型国家共110多个,都表态要大幅度强化低碳进程——欧盟以立法的形式明确到2050年实现碳中和,日本新首相一上任就做2050年碳中和的承诺。
   
对气候变化按目前的趋势发展下去会造成什么样的恶劣影响,我们是认识不足的。气候变化的重大负面影响已经开始显现,中国的温升明显高于全球其他国家和地区,水资源也处于偏紧的状态,因此中国是受气候变化影响很显著的国家。积极应对气候变化,控制温室气体排放是我们中国必须要做的事,不是别人强迫我们做的事。
 

低碳技术进步可以支撑加快低碳转型

低碳转型加快反过来也会促进低碳技术发展加快。在非化石能源供应技术方面,技术进步迅速,转换效率不断提高,成本明显下降。风电光伏发电开始具有经济竞争力,一批低成本可再生能源项目在世界各地进入大规模发展。欧洲一些国家可再生能源发电超过50%,一些国家将在2030-2040年实现电力系统零碳化。
 
消费方低碳技术加快发展。超低能耗建筑、零碳建筑都已经进入实用阶段,极大地降低建筑用能需求,改变了传统的采暖方式。在用能技术方面,电动汽车即将进入市场竞争阶段,10年内可望市场翻转,全面取代燃油汽车。可再生能源制氢和燃料电池将在重载车和锂电池开展市场竞争,并进一步向水运空运发展。在工业过程的碳排放上,包括冶金化工、有机材料,也都开始进行低碳化技术示范。随着低碳发展规模扩大,技术进步很可能继续加速。
 

对两个目标的内涵要深刻理解

根据习主席提出的具体目标,在全球技术进步的位置上来看,我们要在2030年之前、2060年之前的“前”上多做文章。尤其是2030年前的“前”是越提前越好,如果能实现提前碳达峰,2060年前实现碳中和就有更大的余地。
  
我们不能只关注习总书记在联合国大会上宣布两大重要目标的时间点,还要认真地学习习主席对于绿色发展和中国与全人类共同面对挑战的方面所做的重要的论断,他说:“人类需要一场自我革命,加快形成绿色发展方式,形成绿色发展方式和生活方式,建设生态文明和美丽地球”。
  
此外,这句话我认为也非常重要:“应对气候变化《巴黎协定》代表着全球绿色低碳转型的大方向,是保护地球家园需要采取的最低限度行动。”《巴黎协定》提出的目标是我们最低限度行动,即要确保明显低于2℃,力争1.5℃。换言之,若再往后退则不符合习主席提出来重要的判断,因此,各国必须迈出决定性的步伐。
 
2019年全球能源消费结构中化石能源仍然占84%左右,中国约为84.6%,略高于全球的平均水平。世界在往后的30年或更长一点的时间内,将化石能源比例超过84%的能源系统转换成基本上是非化石能源,即零碳排放的能源系统,是个巨大的挑战。中国也不例外。
 
中国的难处是预计的经济增长速度,发达国家现在平均的经济增速是1%-2%,最高到3%多一些。而中国更高的经济增长速度(5%以上)还要维持一段时间。所以传统的计算方法认为我国的能源消费要随着经济增长还有一个增长期。大多数发达国家能源消费已经达到较高的水平了,能源消费总量开始下降。
  
但是,中国也有优势。我们以煤为主的能源效率低于以油气为主的能源效率。相对于西方国家以油气为主的能源结构,中国在低碳转型过程中从能源效率方面可以得到好处。在转型低碳发展后,获得能效改善的好处也更多。如果达到最后的低碳情景,能源消费效率和能源转换效率都将比现在高许多。西方国家目前人均能源消费比中国高。从传统的高能源消费模式转换为低碳、高效、合理的消费模式,难度不比中国小。
 
《巴黎协定》为全球能源加快低碳转型确定了共同目标,要把本世纪末全球平均温升控制在明显低于2℃,力争控制在1.5℃以内。2℃温控上限目标为2050年全球碳排放下降70%左右,2060-2070年实现零碳化,1.5℃温控目标要求2050年全球实现零碳化。我们确定的2060前实现碳中和的目标实际上是介于巴黎协定控制温升2度和1.5度之间,并尽可能向1.5度路径靠拢。目前全球基本上所有的发达国家、实现了工业化的国家,以及其他类型国家共110多个,都表态要大幅度强化低碳进程——欧盟以立法的形式明确到2050年实现碳中和,日本新首相一上任就做2050年碳中和的承诺。
  
对气候变化按目前的趋势发展下去会造成什么样的恶劣影响,我们是认识不足的。气候变化的重大负面影响已经开始显现,中国的温升明显高于全球其他国家和地区,水资源也处于偏紧的状态,因此中国是受气候变化影响很显著的国家。积极应对气候变化,控制温室气体排放是我们中国必须要做的事,不是别人强迫我们做的事。
 
低碳技术进步可以支撑加快低碳转型
  
低碳转型加快反过来也会促进低碳技术发展加快。在非化石能源供应技术方面,技术进步迅速,转换效率不断提高,成本明显下降。风电光伏发电开始具有经济竞争力,一批低成本可再生能源项目在世界各地进入大规模发展。欧洲一些国家可再生能源发电超过50%,一些国家将在2030-2040年实现电力系统零碳化。
 
消费方低碳技术加快发展。超低能耗建筑、零碳建筑都已经进入实用阶段,极大地降低建筑用能需求,改变了传统的采暖方式。在用能技术方面,电动汽车即将进入市场竞争阶段,10年内可望市场翻转,全面取代燃油汽车。可再生能源制氢和燃料电池将在重载车和锂电池开展市场竞争,并进一步向水运空运发展。在工业过程的碳排放上,包括冶金化工、有机材料,也都开始进行低碳化技术示范。随着低碳发展规模扩大,技术进步很可能继续加速。
 

对两个目标的内涵要深刻理解

根据习主席提出的具体目标,在全球技术进步的位置上来看,我们要在2030年之前、2060年之前的“前”上多做文章。尤其是2030年前的“前”是越提前越好,如果能实现提前碳达峰,2060年前实现碳中和就有更大的余地。
 
我们不能只关注习总书记在联合国大会上宣布两大重要目标的时间点,还要认真地学习习主席对于绿色发展和中国与全人类共同面对挑战的方面所做的重要的论断,他说:“人类需要一场自我革命,加快形成绿色发展方式,形成绿色发展方式和生活方式,建设生态文明和美丽地球”。
 
此外,这句话我认为也非常重要:“应对气候变化《巴黎协定》代表着全球绿色低碳转型的大方向,是保护地球家园需要采取的最低限度行动。”《巴黎协定》提出的目标是我们最低限度行动,即要确保明显低于2℃,力争1.5℃。换言之,若再往后退则不符合习主席提出来重要的判断,因此,各国必须迈出决定性的步伐。
  

实现中国零碳能源系统的九点建议

第一,煤炭、石油、天然气按顺序先后退出。主要因为其能源使用效率,三者依次排序,越往前能源使用效率低,污染最重,碳排放量最高。我个人认为核电将成为中国重要的低碳能源,如果完全依靠可再生能源打天下,以后电力系统稳定运行困难会更多,同时成本也可能很高。
 
水电系统要充分开发,中国可能还有近2亿千瓦水电,包括雅鲁藏布江水电有待开发,技术上所谓高难的也是可以攻克的。风电从2亿千瓦到20亿千瓦以上,太阳能发电至少要20亿千瓦,甚至30亿千瓦。生物质能源要充分利用,各种储能技术都有巨大发展空间。可再生能源电解和核能高温制氢,以及燃料电池都有特定的实用空间,但是能占多少,和电池系统有多大的交互,有待研究。
 
第二,能源电力布局和结构面临重大的调整。中国电力总装机超过21亿千瓦,美国12亿千瓦,其他的国家都不到3亿千瓦;火电装机曾经达到一年增加近90Gw,现在仍在继续扩张;我国利用几十年时间建设了一大批煤炭、煤电,以及油气水电基地。在以煤为主的化石能源结构上,我国建立形成能源开采、转换、输运的大型化、集中化、资源开采和消费中心分离,电力系统也向特高压,跨区域统一电网方向不断升级。
未来的高比例可再生能源零碳能源系统,究竟会形成哪些新的能源网架和布局体系,能源输运和运行系统需要进行哪些重大调整变化,还需要做认真研究和开拓实践。
 
第三,未来能源消费需求预测需要重新思考。中国应该认真考虑经济社会发展和能源消费增量脱钩,低碳转型第一要务是全面提高能源经济效益,降低单位GDP能源消耗。技术进步可以长期持续提高各能源消费领域的节能潜力,可以明显减少终端能源需求。虽然过去中国节能工作做得不错,但工业上的先进节能技术的普及率仍然很低,平均不到30%。一次能源中电力比例提高,本身就具有十分明显节能效果。
 
还有一个如何计算能源消费量的方法问题,以往在主要是煤发电的条件下,各种一次电力都按煤炭的煤耗折合成一次能源。但随着可再生能源在一次能源中比例大幅度增加,再换算成煤耗量就不科学了。可再生能源发电中不存在类似煤电转换过程中的开采、运输等经济活动和相应的能源消耗,因此我建议要尽快改变用火电能耗折算非化石能源特别是可再生能源的一次能源当量计算方法。
 
第四,要认真实践节能优先战略。要充分体现节能优先,能源消费革命要有新进展。提高能效曾经主要是解决能源短缺的手段,现在是高质量发展的重要内容,是创新发展的推动力,是体现能源整体经济效益的关键。中国2019年能源消费占全球总量的24.3%,电力消费是全球总量的27.8%,GDP只有全球总量的14.34%。在能源消费量上,中国是美国1.5倍,是德国的10.5倍,是日本的7.6倍,是英国的18.7倍;在发电量上,中国是美国的1.7倍,是德国的12倍,是日本的7.3倍,是英国23倍;中国2019年单位GDP能耗是美国的2.2倍,是德国的2.8倍,是日本2.7倍,是英国3.68倍;单位GDP电耗是美国2.53倍,是德国的3.22倍,是日本的2.59倍,英国4.55倍。我们提高能效的空间还很大。
 
另外,能源低碳化和环境污染治理高度融合具有非常重要的意义。大气污染治理刚取得初步改善,距离较高质量要求还相差甚远。在我国长远的绿色发展中,要持续解决大气污染问题,低碳化也是非常重要的因素和前提。终端污染治理的潜力已经不大,更多的需要从源头消除污染来源。2035年全国达到PM2.5小于35微克的目标,已经要求明显减少煤炭消费总量了。世界卫生组织推荐的小于15微克的标准,在现有的能源结构下根本不可能达到,何况空气清洁标准还在继续提高。必须解决民用散煤,包括小锅炉、工业窑炉,包括冶金建材化工用煤,以及煤化工等源头消除污染问题,大幅度减少煤炭消费量不可避免。同时石油消费总量必须大幅度减少。只有完成能源低碳转型,实现碳中和,才可能实现15微克以下的大气质量目标。
  
第五,能源生产布局和结构需要调整。这种调整是很困难的,特别是中西部煤炭产能集中地区,能源基地的转型是非常困难的,例如内蒙、新疆等与化石能源经济挂钩几乎一半或以上的地区,它们要转型的话首先面临的就是传统产业GDP下降。我个人认为国家要建立能源低碳转型基金,这个基金可以用来补贴和鼓励化石能源产业和地区的低碳化转型,减少阻力,防止出现低碳转型贫困化社会问题。如果不从全国层面考虑能源低碳转型,那么中西部和东部地区的差距会进一步拉大。
 
能源布局要从传统依靠化石能源,集中布局大型化石能源基地,集中能源转化基地、大型发电中心、集中化电网等单方面解决能源和电力供给的模式,逐步转向以非化石能源增量为中心,充分利用需求方响应和参与能源平衡调节的能源系统模式转化。以煤炭生产和煤电为基础,在中西部搞煤电基地外送的原有布局需要尽快调整。中西部煤炭产能集中地区,要充分考虑煤炭消费总量持续下降的影响,应该考虑集约使用优质煤炭资源,加大优质资源集中开发强度,而不要继续铺摊子扩大新产能。西部外送电力将转向以风光储为主要增长内容,并逐步替代煤电外送。
 
第六,中东部地区要大幅度提高能源自给比率。中东部下一步的能源发展首先解决的是本地的可再生能源用到极致。根据很多分析可知,中东部可开发的太阳能、风能,以及生物质能源远远超过化石能源。非化石能源的开发利用技术已经具备大规模经济开发能力,经济性还在继续提高。各地都要首先充分利用本地本区域非化石能源资源,提高能源自给比例。
 
第七,要严格限制化石能源的增量。“十四五”期间的电力增量尽可能全部运用非化石能源发电,化石能源上冲得越高,以后下降的压力越大。因此能源石油消费量也要尽快达峰,要严格控制石油进口,限制加工能力盲目扩大。“十四五”期间要限量达峰;防止一面大量进口石油,一面同时国内加工能力过剩,大量出口成品油和初级石化产品。我国现在石油出口6400多万吨,钢铁出口是六七千万吨,还在扩张;天然气消费增量要和替代煤炭挂钩,民用采暖要鼓励电力和热泵结合方案,限制天然气低效替代;天然气也要2030年前达峰,防止出现新的基础设施锁定效果。
 
第八,建立高度电气化能源系统。目前终端能源电气化水平只有25%左右,今后将大幅度提高。除了少数必须使用液体气体燃料的场合或工业工艺过程,其他用能将基本用电。当前的锅炉、窑炉将系统转变,化石燃料直接燃烧过程基本消失;目前石油化工产品,冶金还原过程,都要开发低碳化新工艺新过程;信息化、自动化、数字化、数据互联将成为能源系统低碳化和重要内容和巨大市场。
 
第九,用技术进步推动能源低碳转型。能源消费方低碳化将系统改变当前的主流能源消费模式,包括许多系统性基础设施的改变,如:超低能耗建筑,将基本消除现有采暖方式,以被动式保温为基础,结合分布式可再生能源,先进热泵,将使建筑物用能降低85%以上。目前国家已经公布超低能耗建筑标准。在交通系统低碳方案上,核心应是交通工具大范围电动化,纯电动车和氢燃料电池车将有所竞争,航空工具如何实现低碳化,还有待进一步开发技术方案(燃料电池,生物燃料,零碳合成燃料等等)。在地面交通系统的自动化方面,例如无人驾驶、汽车公用服务系统、大数据控制自动公路运输系统等等,将彻底改变目前以燃油汽车和个人驾驶为基础的交通系统。实际上消费部门大量的技术部门对能源供应稳定系统的技术进步,空间巨大,也有很多是需要我们做工作的。低碳转型将成为新技术创新和发展新动力。

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