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中国工程院院士舒印彪:再电气化是实现碳中和的必然选择

信息来源:中电联电力发展研究院 发布时间:2023-05-15 浏览量:620

再电气化是实现碳中和的必然选择


电气化推动了人类文明的进步,成为衡量现代社会发展水平的一个重要标志。党的二十大报告提出,积极稳妥推进碳达峰碳中和,深入推进能源革命,积极参与应对气候变化全球治理。应对全球气候变化,实现社会各领域的绿色可持续发展,再电气化是必然选择。


一、再电气化将引领能源变革、产业变革和社会变革


电力是可以方便使用的二次清洁能源,电力的广泛应用使人类摆脱了时间和空间维度对能源生产、利用的限制,电气化被称为“20世纪最伟大的工程成就”。


电气化为社会提供了安全便捷的用能方式。电是唯一可以与其他能源直接进行大规模转换的能源,因其安全、清洁、高效、便捷的特点得到广泛应用。电力已经成为经济社会发展的重要物质基础和人们须臾不可离开的生产生活资料。第二次工业革命以后,人类进入了“电气时代”,电力在不断拓展自身应用领域和使用方式的同时,也在加快推动社会进步。特别是上世纪50年代以来,计算机、自动化、信息通信、网络等重大技术创新主要建立在电气化的基础之上,支撑经济社会发展的技术体系、产业体系和工业体系都与电密不可分。


再电气化是应对气候变化的战略选择。100多年来,化石能源的大量使用导致气候变化、资源短缺和环境污染,这三大问题使人类的可持续发展面临着严峻挑战。目前,全球二氧化碳排放总量达到363亿吨,其中91%来自化石能源。在全球能源体系中,化石能源仍高达78%,电能的消费比重达到20%。全球发电总装机85亿千瓦,发电量为25万亿千瓦时,其中化石能源装机和发电量占比都接近60%。面对这样的现状,应对气候变化的根本出路在于减少化石能源消耗,实施再电气化是重要途径。再电气化是指在能源生产侧实施清洁替代,以低碳能源代替高碳能源;在能源消费侧实施电能替代,推动清洁电力的大范围使用,以电为中心、电力系统为平台,建设高度电气化社会。再电气化顺应全球绿色低碳转型的发展趋势,是对能源变革形势下电力发展规律的认识,是传统电气化的跃升与发展。


再电气化推动建立以清洁能源为主体的能源体系。新一轮能源革命正在加速演进,风电、光伏等新能源将大规模替代化石能源,清洁能源将成为能源供应的主体,而90%以上的清洁能源都需要转化为电力使用。预计2060年,随着风、光、水、核等多种能源的综合开发利用,全球一次能源消费总量达到260亿吨标煤,非化石能源消费的占比要达到70%,电能消费的占比达到60%,全球电气化水平将以前所未有的速度实现快速提升。


再电气化助力技术产业优化升级。目前,全球工业、建筑、交通等领域电气化率分别是26%、32%和1%,再电气化将推动工业生产结构优化升级、工艺流程再造和产业链供应链重构,形成以清洁电力生产消费为基础的新型技术和产业体系。随着各领域电能替代的广度和深度不断拓展,通信基站、数据中心、数字经济和绿氢制造等新产业新业态的用能需求快速增长,传统的工业、建筑、交通等领域用能形势也将发生深刻的变化。预计到2060年,全球电力需求增速将达到能源消费增速的3倍以上,工业、建筑、交通等领域的电气化率将分别提升至50%、70%和45%以上。


再电气化让生活更加美好。再电气化推动用能方式的清洁化、低碳化、高效化。根据国际能源署统计,全球约55%的二氧化碳排放与生活方式的选择有关。未来,提供动力、热力的能源将以清洁电力为主,新的生产生活方式主要建立在用电基础上。再电气化将改变人们的用能习惯,电动汽车、智能家居、全电厨房、热泵供暖、绿色交通等用能方式为生活提供更多便利,助力全社会形成经济高效、低碳环保的生活方式。



二、我国再电气化发展目标和路径


2022年11月,国际电工委员会(IEC)召开第86届大会,以“引领IEC迈向未来”为主题,提出了建设数字化和全电社会的发展倡议,旨在推动联合国可持续发展目标的实现,助力全球绿色低碳转型。国际能源署(IEA)也曾提出要将低碳能源、提升能效、电气化作为应对气候变化的关键路径,世界各国纷纷将电气化作为应对气候变化的主要措施。我国实现“双碳”目标要以清洁化、电气化、数字化、标准化为方向,加快推进能源绿色低碳转型。到2060年,我国能源发展将实现“70、80、90”的目标。也就是,电能消费比重达到70%,非化石能源消费比重超过80%,清洁能源发电量占比超过90%。能源生产侧的清洁化与能源消费侧的电气化是再电气化的核心内容和重要路径,如同一个硬币的两面,在推动消费侧电气化的同时,在供应侧必须要打造绿色低碳、以清洁能源为主体的能源体系。


能源生产侧打造深度低碳电力系统。电力行业的碳排放主要来自于生产电力、热力的化石燃料。2022年,我国原煤消耗42.8亿吨,其中55%用于发电,还有40%以上直接进入终端能源消费环节,这无疑会极大影响我国的碳排放量。减碳的根本途径是实现清洁替代,主要着力点是清洁能源稳步替代煤炭发电。到2060年,清洁能源发电量占比提高到90%以上,电煤消耗降到3亿吨左右,产生的二氧化碳排放通过碳汇和CCUS(Carbon Capture,Utilization and Storage,碳捕获、利用与封存)等技术予以中和。


能源消费侧提升全社会电气化水平。能源消费侧碳排放主要集中在工业、建筑、交通等领域。提高电气化率可以降低能源消费侧碳排放。当前,我国工业、建筑、交通等领域电气化率分别为26.2%、44.9%和3.9%,合计排放二氧化碳70亿吨,占二氧化碳总排放量的60%。终端用能减碳的重要措施是电能替代,要大力提升工业、建筑、交通等领域的电气化水平,实现电能对化石能源的深度替代。到2060年,我国工业、建筑电气化率将达到80%以上,交通电气化率超过50%,其中公路、铁路电气化率分别达到70%和95%。



三、再电气化重点领域与关键技术


实施再电气化是我国能源电力发展的重要方向,要聚焦再电气化重点领域,加快推进关键技术创新突破。


01

电力供应清洁化


加快发展新能源。在西部、北部地区,加快在沙漠、戈壁、荒漠等地区的大型风光基地开发,提升新能源主动支撑能力和大规模外送效率。在东中部地区,因地制宜发展分散式风电、分布式光伏。在东南沿海地区,推进海上风电规模化、集约化开发。预计到2060年,我国风电、太阳能发电装机达到50亿千瓦,发电量占比超过60%。在技术开发方面,加快突破风机整体优化设计,叶片回收循环利用等技术;低成本高效率光伏发电、光伏组件回收再利用等技术;海上风电要突破平台的轻量化、柔性直流组网等技术;发展海洋能、地热能等发电技术。


统筹开发水电和核电。预计2060年,我国常规水电装机达到5.4亿千瓦,抽水蓄能4亿千瓦。加强西南水电统筹规划,实现流域“水风光”互补开发。积极推进抽水蓄能电站建设,因地制宜发展中小型抽水蓄能电站,发展梯级水能循环利用等技术。到2060年,我国核电装机将超过4亿千瓦,发电量占比达到18%。加快国产化第三代压水堆技术推广,发展高温气冷堆等第四代核电技术,推进核能在供汽、供热、工业制氢等领域的综合利用。


加快煤电清洁高效技术进步。提高煤电机组效率,提升灵活调节能力,实现从电量提供主体向兜底保供、调节服务转变。2030年前,煤电发电量和装机要达峰,发电量峰值约5.5万亿千瓦时。2060年,保留4亿千瓦左右装机容量的煤电,发电量1万亿千瓦时左右,发挥应急备用、调峰调频等作用。


突破捕碳固碳技术。CCUS是实现大规模人工碳移除的主要技术手段,目前我国投运及在建的CCUS示范项目约40个,年捕集能力约为300万吨,主要分布在石油、煤化工、电力等行业,但建设成本和捕集能耗偏高,尚不具备大规模商业化应用的条件。要加快突破碳捕集方法、材料、工艺、流程、利用等方面的技术瓶颈,推进大规模二氧化碳驱油、封存和化工应用。BECCS(Bio-Energy with Carbon Capture and Storage,生物质能-碳捕获与封存)技术将生物质与碳捕获与封存技术结合,实现负碳排放。全球生物质资源丰富,BECCS技术发展潜力巨大。预计到2060年,我国生物质发电装机规模有望达到2亿千瓦,其中BECCS占比力争达到1/3。


发展氢能和新型储能。预计到2060年,我国氢能消费比重达到10%~15%,其中80%以上是绿氢。加强绿氢制备关键技术研发,提高电-氢-电转换效率,发展高性能低成本氢燃料电池、氢燃汽轮机等技术。加快突破电化学储能热稳定性、系统集成、梯次利用、纳米材料等关键技术研发。发展蓄热、蓄冷、氢储等低成本、长时间尺度的储能技术,保障电力连续可靠供应。


02

工业电气化


目前,我国工业领域的二氧化碳排放量为53亿吨,占全国排放总量的46%,其中钢铁、建材、化工三大行业合计占工业排放二氧化碳总量的83%。要加快推进氢基燃料等低碳技术和生产工艺创新,打造新型工业技术体系。


钢铁行业。据中钢协发布的数据显示,2022年我国粗钢产量超过10亿吨,每吨粗钢的碳排放量达到了1.8吨,钢铁行业碳排放总量超过18亿吨。要大力发展氢还原冶金、直接电解炼钢等技术,充分利用钢回收资源,发展电炉短流程炼钢,推动钢铁工业的深度减碳。


建材行业。碳排放量约15亿吨,其中水泥、玻璃、陶瓷等生产过程的排放量占60%以上,要通过电能替代和绿氢等低碳能源的应用,加快建材行业的转型步伐。


化工行业。碳排放量为11亿吨,主要集中在化石能源燃烧、煤制甲醇、合成氨以及石油生产烯烃等环节。要通过电解、电加热等工艺,发展电制氢、氨、甲醇等技术,实现低碳转型。


03

建筑电气化


目前,我国建筑领域碳排放6亿吨,占全国总量的5%。以电代煤、以电代气是建筑领域主要的减碳方式。以北京市为例,使用天然气的家庭大约是750万户,按每户平均消费200立方米,每年产生的碳排放为300万吨。可利用电厨炊、电加热等进行清洁替代,加速减碳进程。发展光电建筑产业、建筑附加型光伏、建筑光伏一体化等技术,通过分布式能源为建筑提供清洁电力。挖掘暖通空调、分布式能源、建筑蓄电等系统灵活资源,提升柔性用电水平。


04

交通电气化


目前,交通领域碳排放为11亿吨,占全国碳排放总量的9%。我国石油对外依存度超过70%,交通领域占了我国接近60%的石油消耗量。以燃油小汽车为例,我国有2.5亿辆燃油小汽车,按百公里油耗8升计算,一年行驶7公里,每年消耗燃油超过1亿吨,产生碳排放3.3亿吨。


电动汽车替代将大幅减少石油消费量,实现节能减排、降低我国石油对外依存度。加强充换电基础设施和智慧车联网平台建设,实现电动汽车有序充放电。积极发展电气化铁路、城市轨道交通、港口岸电、电动船舶等技术。突破氢燃料电池技术瓶颈,探索合成烃燃料、全电飞机等前沿技术,加快打造绿色交通体系。


05

农业及其他行业电气化


在生产、加工领域通过电气化技术提供电力、热力,提升智能控制水平,构建智慧生产体系。重点在农业耕作、灌溉、通风、供暖等生产过程及食品加工环节,拓展电气化应用,实现农林牧副渔绿色转型。对于采掘业等其他行业,聚焦开采、传输和加热环节,推动电集热、高温蒸汽热泵等技术进一步成熟应用。



结语

再电气化是能源电力发展的必然趋势,建立在化石能源基础上的经济结构、技术体系、产业体系正在发生深刻变革。发挥科技引领作用,强化前沿技术、颠覆性技术创新,大力推进再电气化进程,为人人享有更充足的清洁能源供应和更宜居的生活环境,推动人类文明进步作出更大贡献。