近期，拉閘限電、煤炭緊俏、保供、天然氣價格飆升、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知度。不禁要問，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，也都會提前通知，現(xiàn)在竟然開始限電了。
9月以來，包括東三省在內(nèi)的15個省份陸續(xù)出現(xiàn)拉閘限電。最直接的原因：動力煤價格飆升，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”表象是煤炭價格上漲，電煤庫存緊張，深層次是在“雙碳”目標下，我國對低廉、清潔穩(wěn)定能源支撐經(jīng)濟發(fā)展的需求和新能源技術(shù)發(fā)展滯后暴露出的復雜利益矛盾。
據(jù)國家統(tǒng)計局：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4.4%;進口煤炭19769萬噸，同比下降10.3%。另外，8月份，發(fā)電7383億千瓦時，同比增長0.2%，增速比上月回落9.4個百分點，兩年平均增長3.5%，日均發(fā)電238.2億千瓦時。從以上數(shù)據(jù)可以看出，煤炭供給一升一降，浮動不是太大;而9月是過了夏季用電高峰，進入用電平緩期，正常應(yīng)該是動力煤價格向下調(diào)整。恰恰相反，煤炭價格卻一路高歌猛進，達到了歷史新高，并且還在不斷刷新最高記錄。這時，各種消息漫天飛，陰謀論瘋傳，大國博弈，毛衣戰(zhàn)，大宗商品定價權(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。無論上述消息的真?zhèn)魏蛯﹀e，最根本的一條“谷賤傷農(nóng)，米貴傷民”，確實影響實體經(jīng)濟正常運行，進而影響民生。
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、風沙、海平面上升，不用精密的儀器，單從感官就能體會到城市和鄉(xiāng)野的空氣差別。在這場人類存續(xù)發(fā)展和環(huán)境保護及人類命運共同體構(gòu)建過程中，各國表現(xiàn)的多元化高度統(tǒng)一，減碳、低碳、無碳過程中的高度默契。在各國都爭相去完成“雙碳”目標，同時也是從傳統(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)問題的時期。據(jù)《人民日報》2021年9月5日電，我國非化石能源裝機10.3億千瓦，占全國總裝機的45.5%，風電裝機2.7億千瓦，太陽能裝機2.7億千瓦。但是“拉閘限電”的問題，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，能源秩序并沒有發(fā)生實質(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，實現(xiàn)碳中和的“雙碳”目標成為既定方案，確立的國策，不容改變。這場能源風波中，雖然能通過“保供”的方式化解，也只能是短期行為，能源秩序處在一個相對的脆弱期。長遠來看，傳統(tǒng)能源向新能源的過度需要真正的動力源和驅(qū)動力，而政府需要更強有力的“抓手”推動這次變革。當然誰先獲得這個“抓手”，誰就獲得先人一步幾十年的發(fā)展機會。
二、重塑能源秩序需要動力源
習近平總書記站在國家發(fā)展和安全戰(zhàn)略的高度提出了“四個革命、一個合作”能源安全新戰(zhàn)略，并將能源技術(shù)革命列入重要的一項內(nèi)容。今年7月15日，國家發(fā)改委、國家能源局印發(fā)的《關(guān)于加快推動新型儲能發(fā)展的指導意見》(下稱《指導意見》)更是以技術(shù)革新為內(nèi)生動力，創(chuàng)新引領(lǐng)，在不斷完善政策的頂層設(shè)計，探尋能源變革的動力源。
現(xiàn)在大數(shù)據(jù)、智能化、云計算等發(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。筆者通過多年從事新能源技術(shù)研究和原創(chuàng)技術(shù)開發(fā)，結(jié)合筆者團隊涉及的風能、儲能、低溫原動機三塊領(lǐng)域，通過新能源賦存、風能、儲能、原動機四個部分談一下現(xiàn)有新能源技術(shù)的短板和發(fā)力點，希望能給更多的科技工作者啟發(fā)和機構(gòu)合作。
1.新能源賦存
太陽能、風能在可再生能源中被公認為最清潔、環(huán)保的能源，并且資源豐富。據(jù)國家氣象局統(tǒng)計，我國屬太陽能資源豐富的國家之一，全國總面積2/3以上地區(qū)年日照時數(shù)大于2000小時，年輻射量在5000MJ/m2以上。據(jù)統(tǒng)計資料分析，中國陸地面積每年接收的太陽輻射總量為3.3×103～8.4×103MJ/m2，相當于2.4×104億噸標準煤的儲量。我國離地10米高的風能資源總儲量約32.26億千瓦。
圖1 我國太陽能資源分布
圖2 我國風能分布
從以上數(shù)據(jù)可以看出，太陽能和風能總規(guī)模和總量都非常巨大。根據(jù)我們在當?shù)亟ㄔO(shè)的監(jiān)測數(shù)據(jù)站統(tǒng)計，一個全日照周期，夏至前后能高達13kW·h/m2，冬至前后也有5kW·h/m2。這些能源如果充分利用，基本能解決當前的能源問題。雖然太陽能、風能分布廣泛，規(guī)模和總量都非常可觀，但是資源稟賦不高，具有明顯的隨機性、不穩(wěn)定、間歇性，同時還有能流密度低、品位低的特點。所以對太陽能、風能的開發(fā)和利用不能簡單的使用傳統(tǒng)模式、傳統(tǒng)技術(shù)，而是要開發(fā)匹配的底層技術(shù)、創(chuàng)新技術(shù)。
圖3 監(jiān)測站和太陽輻射數(shù)據(jù)
2.風能
風能和太陽能是衍生關(guān)系，太陽輻射到地面的能量2%轉(zhuǎn)化成風能，風資源分布極不平均。根據(jù)歷年氣象數(shù)據(jù)，我國風資源總量85%的是二級、三級風風圈，國土面積68%的屬于低風速區(qū)。這部分風資源面域廣、總量大、風頻高，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機總是在“曬太陽”的原因。
圖4 風力發(fā)電工況圖
圖5 風機原理
筆者早在2016年在中國電力網(wǎng)發(fā)表過《垂直軸風電技術(shù)革新能否改寫能源版圖?》中就探討過，風力發(fā)電技術(shù)的弊端和方向?，F(xiàn)有的主流風機是水平軸風機，葉片裸露在外，也可以稱為“開放式”風機。這類“開放式”風機，從風力發(fā)電工況圖可以看出：風小了風機不運行，即使運行出力也很小，對高頻次、低密度的風資源利用很有限。另外，從風機原理圖可以看出，“開放式”風機主要是利用風的動能轉(zhuǎn)化成葉片的機械能，開放式的結(jié)構(gòu)降低了轉(zhuǎn)化效能。
針對上述情況，筆者所在團隊開發(fā)了自主知識產(chǎn)權(quán)高效利用低風速資源的風力技術(shù)，不需要尋找風向，葉片不再裸露在外，安全性更高的非開放式結(jié)構(gòu)的風機。其中非可視風力技術(shù)獲得2017年山東省科學技術(shù)廳的資助，其姊妹單軸雙式風力技術(shù)獲得2018年山東省科學技術(shù)廳的資助。下圖是正在安裝測試的非可視風力技術(shù)的原型樣機。
圖6 非可視風力技術(shù)控制系統(tǒng)和實驗樣機
3.儲能
太陽能、風能因為資源稟賦不高，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)，所以在太陽能、風能開發(fā)使用過程中使儲能一開始就自帶光環(huán)。將可再生能源高效的存儲并充分的利用是儲能的目的，同時也是技術(shù)突破的方向。上文《指導意見》中明確的提出了高安全、低成本、高可靠性、長壽命等方面的儲能技術(shù)，探索開展儲熱技術(shù)的研究和示范。下面是通過網(wǎng)絡(luò)收集整理的一些儲能系統(tǒng)信息，僅作為對比參考。
圖7 儲能系統(tǒng)信息對比1
圖8 儲能系統(tǒng)信息對比2
每種儲能自誕生就有相應(yīng)的技術(shù)優(yōu)勢和特點及應(yīng)用場景，這里僅介紹儲熱的優(yōu)勢。儲熱相對其他儲能方式具有原理簡單、材料來源豐富、價格低廉、循環(huán)壽命長等優(yōu)勢。而儲熱中的相變儲熱方式能提供恒定溫度便于穩(wěn)定的能源輸出，單位儲能密度大的優(yōu)點。對相變儲熱的研究逐漸深入，去年在《2020年超臨界CO2循環(huán)光熱發(fā)電前言技術(shù)論壇》中來自清華大學的胥蕊娜教授談到的蜂窩式相變潛熱儲能，到今年的《太陽能熱利用科學技術(shù)研究生論壇》中多孔介質(zhì)、膨脹石墨等等研究內(nèi)容，相變儲熱系統(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、可見光、紅外光，波長在300-3000納米，約占太陽總輻射能量的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)對散射光有苛刻要求，應(yīng)用場景更加廣泛。據(jù)清華大學宮鵬研究組統(tǒng)計，2017年中國城市建成區(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)，當前我國城市與農(nóng)村建成區(qū)總面積已占國土面積1/48，在胡煥庸線以東的人口密集區(qū)要遠高于這個比例。這些區(qū)域除了綠植需要外，有充足的空間開發(fā)太陽能和風能。針對這種情況，筆者所在團隊開發(fā)了疊加儲能技術(shù)。疊加儲能技術(shù)根據(jù)太陽東升西落，不同時段照射在建筑物不同位置的特點，將平板式吸熱器安裝在建筑物的不同位置，模塊化吸熱儲能，同時將風能轉(zhuǎn)化成熱能進行存儲。在需要能源的時候進行釋放，完成能源儲發(fā)一體化。該技術(shù)獲得2019年山東省科學技術(shù)廳的資助。
圖9 科技廳競技現(xiàn)場
4.原動機
光熱能夠利用更寬泛的光資源，儲熱能夠更經(jīng)濟安全，使光熱發(fā)電具有很多優(yōu)勢。但是聚光型光熱發(fā)電系統(tǒng)采用傳統(tǒng)火電運行模式，尤其是使用火電的蒸汽輪機作為原動機。
圖10 火電運行原理
而火電是不斷提高溫度來提高發(fā)電效率，從亞臨界、超臨界、超超臨界，溫度高達700度?；痣娡ㄟ^燃燒化石能源，能流密度高，比較容易通過提高溫度來獲得高效率。但是太陽光能流密度低，通過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)需要龐大鏡場的原因。
圖11 聚光型光熱電站
造成這種問題的根本原因在于：1、蒸汽輪機的低溫狀態(tài)下的效率不高，即低溫效率問題;2、蒸汽輪機制造困難、結(jié)構(gòu)復雜、運營成本高只適合規(guī)模化，小型化后能源轉(zhuǎn)化效率低，限制了應(yīng)用場景。針對這種問題，去年在《2020年超臨界CO2循環(huán)光熱發(fā)電前言技術(shù)論壇》中筆者就提出過質(zhì)疑。下面是筆者和浙江中控太陽能金建祥董事長的交流內(nèi)容，后面很多與會專家也都談到原動機需要重大技術(shù)突破的問題。這種論壇形式的會議非常高效也更能深入的探討技術(shù)，整個過程也非常融洽，尤其是通過線上的形式能夠打破空間的距離。
圖12 論壇中的提問內(nèi)容
當時提出透平機自身的瓶頸問題并非一時興起，而是基于對現(xiàn)有原動機的深入研究和開發(fā)出來的一套新的原動機技術(shù)，也就是“二次元發(fā)動機”。二次元發(fā)動機自2009年萌芽開始，歷經(jīng)十余年，經(jīng)歷了三次名字變更，二次元發(fā)動機的命名最能體現(xiàn)該技術(shù)特征。既然稱為“二次元發(fā)動機”，肯定會有一次元發(fā)動機。和我們生活比較接近的汽油機、柴油機，或者用另外一種稱呼奧托循環(huán)、狄塞爾循環(huán)，這類原動機都是將高溫高壓或者高壓氣相工質(zhì)的壓力勢能轉(zhuǎn)化成活塞的機械能。如果將高溫高壓(高壓)氣相工質(zhì)定義為一個變量，而對這類原動機不停的研究、升級的目的就是在提高效率，就像在求解只有一個未知數(shù)的一元方程。而高溫高壓(高壓)氣相工質(zhì)做工的過程只有膨脹一項，也就是只有一次性。所以這類發(fā)動機定義為“一次元發(fā)動機”。燃氣輪機、汽輪機通過高壓氣體透平，也就是膨脹過程中對葉片做工，同樣屬于“一次元發(fā)動機”。一次元發(fā)動機普遍誕生都超過了一百多年，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)動機不同于一次元發(fā)動機，動力工質(zhì)也不在只有一種，能源轉(zhuǎn)換過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)動機結(jié)構(gòu)更加簡單，非常容易小型化，適應(yīng)更低的溫度，屬于低溫發(fā)動機，能夠更好的開發(fā)資源稟賦不高的太陽能和風能。
三、能源新秩序：能源B2C
上面談到了筆者團隊在風能、儲能、低溫原動機的研究內(nèi)容和原創(chuàng)技術(shù)，相信很多科研工作者也有自己見解和方向。無論如何，歡迎更多的科研工作者和機構(gòu)加入到這場能源變革中來或者加入到我們的團隊中，因為人類文明的每次進步，都是以科技為先導，形成一點的創(chuàng)新突破，以點帶面，推動整個社會文明的全面進步。
當能源技術(shù)革命能夠更高效的利用太陽能、風能，不再受制于“火電”調(diào)峰及高昂的環(huán)境成本和電費之苦時，環(huán)境會變的更加美好，人類文明新的進步很快就會來。以下是筆者預測的能源秩序：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)和電費的存在。更通俗一點，以后家里用電，買個發(fā)電設(shè)備就像買個普通家電一樣簡單。交電費的時代真的可能會成為歷史。
圖13 能源B2C結(jié)構(gòu)
低廉、清潔、環(huán)保的能源會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，歡迎國內(nèi)外的投資機構(gòu)、企業(yè)、智囊團、科研院所、高校、人才來這座上承孔子、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，夯實能源基礎(chǔ)，理順能源秩序，為中華實現(xiàn)彎道超車，直道加速，領(lǐng)跑世界貢獻一份力量。
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