江億
導讀：面對巨大的挑戰，中國必須大幅度調整能源系統結構，這既是積極應對氣候變化、推動低碳轉型、承擔大國責任的義務，也是中國自身的戰略需求。
《巴黎協定》提出，要通過全人類的努力實現未來因氣候變化導致的大氣升溫不超過2攝氏度，這一目標預示著，到2050年，全世界二氧化碳排放總量不能超過150億噸，中國的額度不會高于30~35億噸。然而，2015年中國碳排放量已達105億噸，如果持續當前的生活生產方式與能源利用模式，33年后幾乎不可能將碳排放削減三分之二。
面對巨大的挑戰，中國必須大幅度調整能源系統結構，這既是積極應對氣候變化、推動低碳轉型、承擔大國責任的義務，也是中國自身的戰略需求。
面向2050年的能源系統
縱觀發達國家的能源轉型過程，在上世紀50年代之前，美國以及歐洲國家均以煤炭作為主要能源，從50年代初到70年代中期，這些國家掀起了一場以油氣替代煤炭的能源革命，逐漸過渡到油氣時代。到本世紀初，能源轉型再次在歐美國家興起，可再生能源嶄露頭角，讓其碳排放A量進一步降低。數據顯示，英國2016的碳排放量較1990年減少了約36%，已經降至自1894年以來除20世紀20年代煤炭開采糾紛期間的最低水平。
這些國際經驗激勵了不少國人，他們希望中國能夠走入相同的能源轉型通道。2016年，煤炭在中國一次能源消費結構中占比61.3%，中國仍處于煤炭時代，很多人呼吁中國首先應該進入油氣時代，尤其是提高天然氣消費比重，以盡快降低碳排放，然后再向以可再生能源為主的能源結構轉變。
然而，如果以中國實際情況為基礎進行分析，這種轉型路徑成本是極高的。從資源稟賦來說，中國富煤貧油少氣，加大油氣消費比例，需要進一步提高油氣對外依存度，能源安全問題如芒在背。從技術條件來說，中國的燃煤發電技術全球領先，發電標準煤耗是世界上最低的，而各種燃氣應用技術則比發達國家落后很多，燃氣設備幾乎全部依賴進口，放棄自身的優勢技術，去追求劣勢技術，并不一定明智。
從能源轉型進度分析，時間上也不允許中國走從油氣時代過渡的老路。石油、天然氣是化石能源，即使中國將全部燃煤都換為天然氣，考慮到經濟發展和用能增長，每年的碳排放量也很難低于70億噸。如果先花10~15年時間進入油氣時代，再花15~20年轉向低碳時代，投入巨資打造的油氣基礎設施還未真正發揮作用，便要分期廢棄掉，是不科學、不經濟、不聰明的選擇。
考慮到能源革命的緊迫性，以及具體國情與資源分布特點，中國的能源轉型可能應該一步到位地擁抱可再生能源，以可再生能源發電為基礎規劃未來的能源系統。
按照30~35億噸的年碳排放標準，可以這樣規劃中國2050年的能源結構。第一部分為電力，電氣化水平達到50%以上，年發電量8.5萬億~9萬億千萬時，其中核電1萬億、水電1.5萬億、風電和太陽能(5.490, 0.01, 0.18%)發電均為1萬億，這樣非碳電力達到4.5萬億千瓦時，再由燃煤、燃氣產生4萬億~4.5萬億千瓦時，由此造成的碳排放量大約為22億噸。第二部分，非電燃料全年消費17億噸標準煤，其中生物質提供8.5億噸，燃煤燃氣燃油提供8.5億噸，綜合起來形成的碳排放大致在14億噸左右。與前面發電碳排放加總為每年36億噸，略高于屆時的碳配額，如果再通過進一步造林等碳匯活動，應該能夠找回這1億噸排放量，從而實現中國的低碳承諾。
其實，由煤炭時代直接向以電為主的低碳時代過渡的能源轉型方案，與中國能源需求未來發展方向是相契合的。本世紀以來，中國能源消費快速增長，主要拉動因素是持續大規模的基礎設施建設，而這種大規模基建可能再持續十余年便將告一段落，只要不“大拆大建”，未來將不會像現在這樣需要巨量鋼鐵、有色金屬、水泥等依靠燃煤生產的建筑材料。到那時，能源需求盡管還會很高，用能結構已然不同，對煤炭需求大幅減少，對電力需求快速增加，恰好可以與低碳能源結構改造相適應。
城市供熱系統藍圖
以可再生能源電力為中心，構建面向未來的能源系統，需要對能源需求端進行比較大的改造。中國的可再生能源地域分布與傳統化石能源類似，絕大多數資源分布在“三北”地區，而能源需求中心在東部沿海地區，尤其是東部的城市，西電東輸、北電南送的能源輸送格局成為必然，這就要求東部城市必須滿足大規模接入區外電力的條件。
這并非一件容易做到的事情。目前，中國已經遭遇了比較嚴重的棄風、棄光、棄水問題，其中，約7成左右的棄風出現在供暖期，在供暖期棄風電量中，低谷時段棄風又占供暖期總棄風的80%。原因在于，現在的熱電廠在供暖季調峰能力不足。熱電廠除了發電，還要承擔北方城市的供暖任務，且均采用“以熱定電”的模式運行，這導致其在供暖季的發電量很難調控，難以為風電、太陽能發電騰出接納空間。
隨著中國城鎮化發展，城市供熱需求還將增加。為了在不影響居民用熱的情況下，增加城市能源系統對可再生能源電力的接納能力，就要改變熱電廠以熱定電的運行模式。一個可行的辦法是，采用“熱電廠+蓄能罐+電動熱泵”的方式，實現高效的能源轉換和電力調峰。具體做法為，給熱電廠加裝巨型蓄熱裝置和調峰裝置，在電力需求較大時發揮機組最大發電能力，靠蓄熱裝置供熱，在電力需求較小時，只輸出相當于最大容量40%左右的電力，其他全高效地轉換為熱能，除滿足當時的供給要求外還蓄存到蓄能罐中。這樣，可以根據電力負荷變化，在鍋爐主蒸汽量僅在80%~100%范圍內調節的條件下，實現對輸出電力的連續調節，在避免高效電廠低效運行前提下解決區外電力的供需矛盾。
充分利用純凝電廠和各類工業余熱作為熱源，進行城市集中供熱，也可以在很大程度緩解因供暖造成的電力消納不足問題。目前，在冬季，全國純凝火力發電廠有大約6億千瓦熱量可用，，五大耗能工業（鋼鐵、有色、建材、石化、煉油）排放的余熱為2億千瓦，如果取熱電廠余熱的70%和工業余熱的50%作為城鎮供熱的基礎熱源，則二者合計為5.2億千瓦，可為130億平方米建筑提供40瓦/平方米的熱量，只需再補充一部分用于調峰的末端燃氣鍋爐，就可以滿足目前北方城鎮集中供熱系統的熱源需求。
未來的城市供熱系統，應該是一張跨區域聯接的大熱網，把不同的低品位工業余熱熱源聯接在一起，與分散在城市中的成千上萬個熱力站連接，通過大管網互通互聯，輸送到城市，根據電力需求變化調節熱電廠出力，根據工廠生產需要互通有無，滿足城市居民的熱需求。這樣的場景模式不但解決了當前的難題，還可以大幅度地提高城市能源利用效率。
（作者系中國工程院院士、清華大學建筑節能研究中心主任，本文根據作者專訪整理）
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