近期，拉閘限電、煤炭緊俏、保供、天然氣價格飆升、美德俄關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)定能源支撐經濟發(fā)展的需求和新能源技術發(fā)展滯后暴露出的復雜利益矛盾。
據國家統(tǒng)計局：2021年8月份能源生產情況。1—8月份，生產原煤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，正常應該是動力煤價格向下調整。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，大宗產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，米貴傷民”，確實影響實體經濟正常運行，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變的關鍵期，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《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，并將能源技術革命列入重要的一項內容。今年7月15日，國家發(fā)改委、國家能源局印發(fā)的《關于加快推動新型儲能發(fā)展的指導意見》(下稱《指導意見》)更是以技術革新為內生動力，創(chuàng)新引領，在不斷完善政策的頂層設計，探尋能源變革的動力源。
現(xiàn)在大數(shù)據、智能化、云計算等發(fā)展迅速，在能源行業(yè)應用也非常廣泛，軟件技術提高很快，但是底層技術或者稱基礎科學等核心硬件技術上發(fā)展滯后，能源技術革命性的不多。筆者通過多年從事新能源技術研究和原創(chuàng)技術開發(fā)，結合筆者團隊涉及的風能、儲能、低溫原動機三塊領域，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)據可以看出，太陽能和風能總規(guī)模和總量都非常巨大。根據我們在當?shù)亟ㄔO的監(jiān)測數(shù)據站統(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?？捎^，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，而是要開發(fā)匹配的底層技術、創(chuàng)新技術。
圖3 監(jiān)測站和太陽輻射數(shù)據
2.風能
風能和太陽能是衍生關系，太陽輻射到地面的能量2%轉化成風能，風資源分布極不平均。根據歷年氣象數(shù)據，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?？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年在中國電力網發(fā)表過《垂直軸風電技術革新能否改寫能源版圖?》中就探討過，風力發(fā)電技術的弊端和方向。現(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化成葉片的機械能，開放式的結構降低了轉化效能。
針對上述情況，筆者所在團隊開發(fā)了自主知識產權高效利用低風速資源的風力技術，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構的風機。其中非可視風力技術獲得2017年山東省科學技術廳的資助，其姊妹單軸雙式風力技術獲得2018年山東省科學技術廳的資助。下圖是正在安裝測試的非可視風力技術的原型樣機。
圖6 非可視風力技術控制系統(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，探索開展儲熱技術的研究和示范。下面是通過網絡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的技術優(yōu)勢和特點及應用場景，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研究生論壇》中多孔介質、膨脹石墨等等研究內容，相變儲熱系統(tǒng)的內部結構、骨架材料及抗腐蝕性能等相關技術在不斷提高。
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，應用場景更加廣泛。據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，城市與農村建成區(qū)總面積209950平方公里。按照這一數(shù)據，當前我國城市與農村建成區(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。疊加儲能技術根據太陽東升西落，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。該技術獲得2019年山東省科學技術廳的資助。
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、結構復雜、運營成本高只適合規(guī)?；⌒突竽茉崔D化效率低，限制了應用場景。針對這種問題，去年在《2020年超臨界CO2循環(huán)光熱發(fā)電前言技術論壇》中筆者就提出過質疑。下面是筆者和浙江中控太陽能金建祥董事長的交流內容，后面很多與會專家也都談到原動機需要重大技術突破的問題。這種論壇形式的會議非常高效也更能深入的探討技術，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，也就是“二次元發(fā)動機”。二次元發(fā)動機自2009年萌芽開始，歷經十余年，經歷了三次名字變更，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的壓力勢能轉化成活塞的機械能。如果將高溫高壓(高壓)氣相工質定義為一個變量，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，動力工質也不在只有一種，能源轉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。最為關鍵的是二次元發(fā)動機結構更加簡單，非常容易小型化，適應更低的溫度，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容和原創(chuàng)技術，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。
當能源技術革命能夠更高效的利用太陽能、風能，不再受制于“火電”調峰及高昂的環(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、局部電網、分布式能源、智能微網不同的地方就是不再有網和電費的存在。更通俗一點，以后家里用電，買個發(fā)電設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結構
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，歡迎國內外的投資機構、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，理順能源秩序，為中華實現(xiàn)彎道超車，直道加速，領跑世界貢獻一份力量。
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