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如何突破当前可再生能源发展瓶颈?

2020年6月9日

在过去的几十年里,我国一直将煤炭视作能源结构中最为重要的一部分,以期通过丰富的煤炭资源,弥补我国缺油少气的能源禀赋。数据显示,我国一次能源消费构成中,煤炭所占比约70%左右,高居全球首位,而发达国家这一比例平均只有21%左右。煤炭的大规模使用,造成了大量二氧化碳、氮氧化物等有害气体的排放,让中国成为了全球碳排放量最高的国家,环境问题日益严重。

然而,大规模的煤炭使用,并不能改善大量进口石油和天然气的现状。2019年,我国石油和天然气对外依存度继续增长,分别达到70.8%和43%。石油和天然气作为国家重要的战备储存能源,过高的对外依存度是一个危险的信号。特别是在今年,疫情仍在全球肆虐,国际贸易局势复杂多变、扑朔迷离,给我国现有的能源供应格局带来更多挑战。

在能源供应安全和环境问题的双重压力下,我国能源结构亟待迎来一场深刻的变革。而这场创新变革中,最活跃的领域毫无疑问将来自于可再生能源。美国、欧洲、日本等国家和地区都已通过出台政策法规,将能源技术作为新一轮科技和产业革命的突破口。

我国作为能源消费大国,加快可再生能源发展已箭在弦上。

01 储能技术是可再生能源发展的基础

早在2017年,国家就开始推动能源结构向可再生能源转型,当时国家发改委、国家能源局印发的《能源生产和消费革命战略(2016-2030)》要求,到2030年,非化石能源发电量占全部发电量的比重力争达到50%。但据国家能源局的数据显示,2019年全国可再生能源发电量2.04万亿千瓦时,占全部发电量的27.9%,仅比2018年提高了1.2%,增速较为缓慢。

可再生能源发电具有明显间歇性,特别是光伏和风电等,受气候季节影响明显,造成其波动性远超传统化石能源发电,对电网调峰填补的要求非常高,并网消纳问题长期存在。

近两年,国家出台了一系列扶持政策,使得并网消纳问题正在得到逐步改善。西藏、云南、青海和四川等可再生能源丰富的西部地区,可再生能源电力占全社会用电比重已经超过80%。但是,由于西部地区整体用电量相与东部地区有明显差距,所以即便未来占比能够达到100%,随着可再生能源发电量进一步攀升,全部依靠本地消纳也并不现实。

解决问题的关键,就在于储能。通过集中式氢储能与分布式电池储能相结合,可以灵活调峰填补,弥补可再生能源间歇性、波动性、区域经济差异性等弊端,推动可再生能发电大规模接入。

此外,之所以要强调储能的重要性,还有一个重要的原因在于,可再生能源发电“平价”上网近在咫尺,未来还会进一步降低,储能成本将会占更高的比例。因此,储能技术的发展将成为可再生能源发展的重要推动力。

02 氢储能与可再生能源有天然结合点

目前来看,小规模、短周期储存其实锂离子动力电池等已经非常优秀。但是,中国西北部的集中式大规模光伏和风电等可再生能源发展的瓶颈,在于长周期大规模储能系统。国际可再生能源署2019年发布的《氢:可再生能源的前景》报告中指出,随着太阳能和风能的存储需求显著增长,由可再生能源产生的大量氢气与储氢技术相结合,可以为电力系统提供长期的季节性灵活性。而且可再生能源电量比例在电力系统中的占比越高,季节性、长周期、大规模存储的重要性就越凸显。

从技术角度看,电解水制氢技术将是连接可再生能源和氢储能的重要纽带。根据中国氢能源及燃料电池产业创新战略联盟预测,到2050年之后,70%的氢气将来自于可再生能源,可以说电解水制氢将成为主流。日本在电解水制氢方面已处于领先位置,2020年3月7日,位于日本福岛县浪江町的福岛氢能研究场已正式开始运行,这是世界最大的利用可再生能源的电解水制氢基地。目前,我国中船集团718所等企业都在电解水制氢领域有了一定的技术积累。

从经济角度看,储氢的成本相对更低,按目前1kg氢相当于34度电来算,氢能储能装置储存1千瓦时能量约需100元。而电池储能,因为对使用寿命有要求,一般要达到9000次循环寿命,因此储存1千瓦时能量大约需要1000元以上。国际可再生能源署也认为,当前可再生能源电力制氢可能是经济的,但仍需进一步降低成本。

有人质疑氢电转换的效率问题。但实际上,如果可再生能源电价成本足够低,即便因为效率问题导致成本增加,也会比电化学储能的成本低不少。近期北欧的一项研究结论也支持这一观点,他们认为尽管氢储能的循环效率相对较低,但在未来高可再生能源比例的情景中,氢对电力的存储仍将是有益的,能有助于避免削减能源,增加可再生能能源整体部署。此外,研究表明氢储能这一方式在经济上也具备可行性。

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2050年储氢情况预测

此外,氢能还具备更好的商品属性。当前,日本作为全球主要的氢燃料进口国,从澳大利亚等国家大批量进口氢燃料,证明了氢是可以作为商品进行交易。而我国可再生能源非常丰富,如果能过抓住这一全新机遇,通过低成本制氢,再出口给氢燃料消费大国,将能够为我国经济发展释放更多的动能。

从环保角度看,氢能作为可再生能源技术体系重要的组成部分,能够做到全生命周期零碳排放,未来发展集中式大规模可再生能源一定离不开氢能。反过来讲,如果氢能产业的发展不结合可再生能源,而是与传统化石燃料相结合,也是毫无意义的。环保低碳减排是氢能可持续性发展的基础之一,任何经济活动都不能动摇这一根基。

中国科学院院士欧阳明高曾表示,氢能是支撑集中式可再生能源大规模发展和充分利用的重要途径。未来,氢能将在促进大规模可再生能源的整合与发电、跨部门和地区的能源分发、新增能源系统的弹性缓冲、交通能源脱碳化、工业能源脱碳化、建筑热量和能源脱碳化和提供清洁工业原料等7个方面发挥重要作用。

目前,制定国家氢能发展战略规划已经写入《关于2019年国民经济和社会发展计划执行情况与2020年国民经济和社会发展计划草案的报告》,想必我国氢能产业路线图的发布指日可待。未来,还要探索更广泛的氢能应用场景,释放更多新动能,让氢能产业蜕变成跨行业、跨领域、承载着更多任务的巨大蓝海。

来源(氢能与可再生能源) 作者(李靖)

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