在近日爆發(fā)的俄烏沖突中,作為能源大國(guó)的俄羅斯遭到西方國(guó)家嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)制裁,這導(dǎo)致全球原材料尤其是能源的價(jià)格飆升。不止在俄烏沖突時(shí)期,能源問(wèn)題向來(lái)與人類(lèi)活動(dòng)和經(jīng)濟(jì)緊密相隨,而且經(jīng)常出現(xiàn)短缺,能源發(fā)展深深地塑造著未來(lái)國(guó)際格局和氣候變化。
3月19日,2022牛津中國(guó)論壇正式開(kāi)幕。今年以“跨界無(wú)界”為主題,涵蓋6個(gè)分論壇:跨學(xué)科、海外華人華僑、老齡化、鄉(xiāng)村與城市、能源與國(guó)際關(guān)系、科幻與科技。
在"能源與國(guó)際關(guān)系"分論壇上,邀請(qǐng)了科技、政策、經(jīng)濟(jì)、商業(yè)等多領(lǐng)域?qū)<?,共同探討了能源危機(jī)與氣候變化是如何正在塑造起一種全新的世界格局。澳大利亞國(guó)家工程院外籍院士、南方科技大學(xué)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)學(xué)院院長(zhǎng)劉科做了精彩發(fā)言,他認(rèn)為,可再生能源的價(jià)格越來(lái)越便宜,現(xiàn)在關(guān)鍵是解決可再生能源的不穩(wěn)定性問(wèn)題,而開(kāi)發(fā)便宜的大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)是能源綠色轉(zhuǎn)型和實(shí)現(xiàn)碳中和的關(guān)鍵?!董h(huán)球零碳》對(duì)劉科院士觀點(diǎn)進(jìn)行了整理,并獲得牛津中國(guó)論壇舉辦方授權(quán)刊登,供業(yè)界交流參考。
在目前這種情況下,太陽(yáng)能和風(fēng)能的價(jià)格會(huì)越來(lái)越便宜,但問(wèn)題是你首先要有太陽(yáng)能和風(fēng)能。中國(guó)各地的太陽(yáng)能每年發(fā)電小時(shí)數(shù)不等,但全國(guó)各地平均起來(lái)大約在1500~1700小時(shí)左右;風(fēng)能每年發(fā)電的時(shí)間大約是2000小時(shí)左右。但一年是8760小時(shí),用電是需要24小時(shí)連續(xù)的。太陽(yáng)的有效照射時(shí)間一般少于20%,所以核心問(wèn)題是另外沒(méi)太陽(yáng)的那80%的時(shí)間怎么辦?這兩種能源之所以不能大幅提升,是因?yàn)樗鼈兙哂胁▌?dòng)性,需要儲(chǔ)能技術(shù)配合。
對(duì)電網(wǎng)來(lái)說(shuō),波動(dòng)性的能量輸入是一種沖擊,傳統(tǒng)電網(wǎng)只能容納約15%左右的非穩(wěn)定電源。所以問(wèn)題是,無(wú)論風(fēng)能和太陽(yáng)能發(fā)電有多便宜,它們還是會(huì)不穩(wěn)定。例如去年夏天,歐洲出現(xiàn)了風(fēng)力不足的情況,這就是為什么天然氣價(jià)格會(huì)飆升的原因。所以我認(rèn)為關(guān)鍵的議題是,一方面人們非常樂(lè)觀地看到可再生能源的價(jià)格越來(lái)越便宜,但更重要的另一方面是更多的人忘記了這些可再生能源的不穩(wěn)定性。在當(dāng)今世界上,穩(wěn)定的能源只有煤炭、核能和天然氣水電(占比不多)。所以對(duì)于歐洲的人們,在核能和煤炭之間你得選一個(gè)。你不可能兩個(gè)都不喜歡,如果你不喜歡火電那么請(qǐng)選擇核能,如果你不喜歡核能請(qǐng)選擇煤炭。如果你兩個(gè)都不喜歡,那么就請(qǐng)享受現(xiàn)在狂飆的天然氣價(jià)格,而現(xiàn)在歐洲的高價(jià)天然氣我認(rèn)為是不可持續(xù)的,另外這個(gè)世界上目前也沒(méi)有那么多天然氣去取代所有的火電廠及核電廠。
我認(rèn)為人們應(yīng)該有現(xiàn)實(shí)些的認(rèn)識(shí),現(xiàn)在的關(guān)鍵并不是使太陽(yáng)能越來(lái)越便宜,現(xiàn)在的關(guān)鍵是解決如果沒(méi)有光照或者光照不足時(shí)的能源供給?,F(xiàn)在的關(guān)鍵并不是使風(fēng)能越來(lái)越便宜,現(xiàn)在的關(guān)鍵是解決如果沒(méi)有風(fēng)能或者風(fēng)能不足時(shí)的能源供給。
現(xiàn)在的儲(chǔ)能仍然非常昂貴,在目前的中國(guó)深圳,居民用電峰時(shí)、平時(shí)、谷時(shí)比價(jià)為1.7:1:0.38,峰時(shí)是谷時(shí)的接近5倍價(jià)格,人們之所以不能用便宜的價(jià)格在谷時(shí)電價(jià)時(shí)去儲(chǔ)能,在峰電時(shí)出售,其原因是儲(chǔ)電的成本依然太高。
前面講了,太陽(yáng)能發(fā)電的成本已大降,但由于儲(chǔ)能成本約為發(fā)電成本的好幾倍,這樣沒(méi)太陽(yáng)時(shí)電力供應(yīng)目前依然要靠核電或化石能源。很多人樂(lè)觀地說(shuō),我們已經(jīng)準(zhǔn)備好碳中和邁向綠色,但是事實(shí)上并不是,除非你愿意在風(fēng)能和太陽(yáng)能不足時(shí)支付數(shù)倍的能源成本,現(xiàn)行的能源系統(tǒng)在這種情況下并不奏效。所以我們需要更加現(xiàn)實(shí)審視,而非過(guò)分樂(lè)觀地討論綠色復(fù)蘇。
發(fā)展太陽(yáng)能和風(fēng)能,它們?cè)谀茉聪M(fèi)中占有越來(lái)越多的份額,但是它們也具有不穩(wěn)定和非連貫的特性。當(dāng)我們使用風(fēng)能發(fā)電時(shí),建設(shè)好風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)后,最好在風(fēng)電場(chǎng)邊上有天然氣調(diào)峰電廠;在風(fēng)力強(qiáng)勁時(shí)我們把燃?xì)廨啓C(jī)調(diào)小,當(dāng)風(fēng)力不足時(shí)我們把燃?xì)廨啓C(jī)調(diào)大;但中國(guó)沒(méi)有那么多天然氣,大型火電廠不能隨意地開(kāi)開(kāi)關(guān)關(guān), 因此有些時(shí)候,我們不得不棄光棄風(fēng)。
當(dāng)人們討論可再生能源時(shí),幾乎指的都是風(fēng)能和太陽(yáng)能,現(xiàn)在的關(guān)鍵是怎樣獲得越來(lái)越廉價(jià)的儲(chǔ)能,目前已經(jīng)能夠獲得足夠便宜的太陽(yáng)能。問(wèn)題是,當(dāng)沒(méi)有陽(yáng)光時(shí),你是怎么儲(chǔ)存能源的,夜晚的時(shí)候怎么使用通過(guò)太陽(yáng)能獲取的能源。特斯拉創(chuàng)始人埃隆馬斯克說(shuō):“我可以通過(guò)電動(dòng)汽車(chē)的電池儲(chǔ)存所有的能源。”這是一種妄想。即使假設(shè)現(xiàn)在所有的車(chē)都是電動(dòng)汽車(chē),你也只能通過(guò)電池儲(chǔ)存16%的電網(wǎng)電力。人們已經(jīng)研究了百年的電池,今天的電池容量對(duì)于筆記本電腦、電動(dòng)車(chē)等確實(shí)已經(jīng)夠用,但當(dāng)我們提到巨量的電網(wǎng)電力能源存儲(chǔ)時(shí),電池還是捉襟見(jiàn)肘。
目前使用最廣泛的仍是抽水蓄能,抽水蓄能是幾百年前的技術(shù),而研究了百年的電池儲(chǔ)能在現(xiàn)在卻無(wú)法與百年前的抽水蓄能技術(shù)相競(jìng)爭(zhēng),這就意味著儲(chǔ)能技術(shù)進(jìn)步不容易。人們總是幻想存在一種能夠存儲(chǔ)大量能源的魔法,但事實(shí)上并沒(méi)有。事實(shí)上自鉛酸電池發(fā)明至今的百年來(lái),人類(lèi)花費(fèi)了數(shù)千億美元研發(fā)經(jīng)費(fèi)研究?jī)?chǔ)能。從鉛酸電池的90千瓦時(shí)/立方米增加到今天特斯拉的300~500 千瓦時(shí)/立方米,電池的能量密度并沒(méi)有得到革命性的根本改變。汽油的能量密度則是8600千瓦時(shí)/立方米。迄今為止大規(guī)模(如GW級(jí))的儲(chǔ)電技術(shù),最便宜的還是100多年前就被發(fā)明的抽水蓄能技術(shù)。如果你有一個(gè)大型水壩,你可以使用抽水蓄能來(lái)儲(chǔ)能大量能源;如果你有合適的巖洞,壓縮空氣儲(chǔ)能,也可以作為低成本的大型儲(chǔ)能方案。但是使用電池儲(chǔ)能確實(shí)太貴,在中國(guó)曾使用過(guò)廢舊的電動(dòng)車(chē)電池進(jìn)行儲(chǔ)能,在發(fā)生過(guò)數(shù)次事故后,這個(gè)項(xiàng)目就停止了,因?yàn)樵谑褂门f電池時(shí)確實(shí)存在安全風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)電池越來(lái)越舊時(shí),可靠性就越來(lái)越低了。
在人們通向綠色世界的過(guò)程中,仍然存在很多技術(shù)上的挑戰(zhàn)。所以我們需要更加現(xiàn)實(shí)審視,如果你不喜歡核能,那你至少要保留一定的煤電,如果你在此時(shí)仍因?yàn)槎趸寂欧欧艞壝海?又不允許發(fā)展核電,那天然氣價(jià)格就會(huì)飛漲,因?yàn)檫@個(gè)世界的天然氣不夠。尤其是在中國(guó),我們的天然氣資源并不豐富,但是我們有大量的煤,中國(guó)要實(shí)現(xiàn)碳中和,要么保留煤炭的使用,要么大力發(fā)展核能,要么就去發(fā)展大規(guī)模的儲(chǔ)能技術(shù)解決沒(méi)風(fēng)沒(méi)太陽(yáng)時(shí)的電力供應(yīng)問(wèn)題。
現(xiàn)在我在研究的課題就是把谷電及棄電轉(zhuǎn)換為綠色甲醇,使用綠色燃料去存儲(chǔ)風(fēng)能和太陽(yáng)能。在夜晚時(shí),你就可以使用綠色甲醇熱電聯(lián)供,也可以使用綠色甲醇驅(qū)動(dòng)汽車(chē)或者發(fā)電,未來(lái)的應(yīng)用仍需時(shí)間,我們?nèi)孕枰托娜グl(fā)展相關(guān)技術(shù)并走向商業(yè)化。利用可再生能源制甲醇,然后做分布式的發(fā)電??梢允褂眉状?xì)淠芊植际侥茉刺娲恍┦褂貌裼蜋C(jī)的場(chǎng)景,和光伏、風(fēng)能等不穩(wěn)定可再生能源多能互補(bǔ)。
分布式發(fā)電,可以做到熱電聯(lián)供,這樣系統(tǒng)總體效率比激增發(fā)電高很多。因?yàn)楸M管電可以遠(yuǎn)距離輸送,但熱不可能從遠(yuǎn)距離輸運(yùn)。把風(fēng)能和太陽(yáng)能以液體的形式儲(chǔ)存下來(lái),液體通過(guò)管路遠(yuǎn)距離輸送損失很少。再用甲醇分布式熱電聯(lián)供,比現(xiàn)有的西部煤發(fā)電輸送到東部供電供熱模式,其能源效率要高很多,進(jìn)而大大降低碳排放。對(duì)于中國(guó)來(lái)說(shuō),2060年實(shí)現(xiàn)碳中和是一個(gè)相對(duì)理性的目標(biāo),不要操之過(guò)急,未來(lái)四十年還有很大的想象空間,但是需要面對(duì)現(xiàn)實(shí)。碳中和是一場(chǎng)系統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)革命,涉及一系列能源結(jié)構(gòu)調(diào)整、技術(shù)進(jìn)步、發(fā)展方式轉(zhuǎn)變的問(wèn)題,這就需要我們理性審視綠色復(fù)蘇,而開(kāi)發(fā)便宜的大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)是能源綠色轉(zhuǎn)型和實(shí)現(xiàn)碳中和的關(guān)鍵。
原標(biāo)題:劉科院士:開(kāi)發(fā)便宜的大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)是實(shí)現(xiàn)碳中和的關(guān)鍵