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能源的未來式:破界與重構
來源:三聯生活周刊 日期:2020-05-26 字號:[ ]
  可控核聚變、深度利用太陽能、海底化石能源的利用仍在探索初期,距離我們的生活仍遙遠。而能源革命卻在不斷迅速推進,在不同的場景中、不同的應用中,悄無聲息地朝向未來生長著、進化著。
  能源革命的到來,新能源對舊能源的替代,除了延緩全球變暖、減少污染物的排放,我們還能從中獲得什么?未來是否存在一種終極能源使人類發展徹底擺脫能源的束縛?

六環外的革命:換電重卡

  北京有4到5萬輛重型卡車,住在五環以內的人們很少注意到它們的存在。但北京全市2000多萬人口,一年所需的蔬菜、肉、蛋、奶和水產品,絕大部分都是這些重卡從外地運送進京。此外,北京要修地鐵、鋪路、建橋、蓋樓,一年需要超過1.5億方砂石料和混凝土。為了減少對市區的影響,人們把混凝土攪拌站建在六環一帶,這樣一來,1萬輛砂石料車、1萬輛混凝土車和1.5萬輛渣土車承擔了全市所有工程建設的運輸任務。
  有專家測算過,這些鮮少被關注的“大塊頭”對北京市空氣污染物(氮氧化物與顆粒物)排放的“貢獻率”超過一半——因為重卡排量大,所用的柴油品質低,且幾乎全天候運行,一輛重卡的排放量相當于300輛家用轎車。不只北京,這是所有人口密集、快速發展的大城市的通病。
  環境壓力倒逼下,重卡電動化應運而生。人們寄希望于將燃油箱換成電池,以減少重卡的尾氣排放。融和租賃公司曾在北京密云的礦山里投放了15臺充電版重卡,困難接踵而至:一輛砂石料車一天跑500多公里,在現有電池技術下,充電重卡滿載續航里程卻只有150公里——這意味著司機一天要充四五次電,一次至少耗費一個小時。中國的重卡司機多為個體經營,光時間成本,他們就耗不起。
  充電版行不通,融和租賃公司轉變思路,2019年,他們做出了全球首款換電式純電動重型牽引車(以下簡稱“換電重卡”)。換電重卡就是由過去給電池充電干脆變成更換電池。這家公司很快將換電重卡又拉到了密云的礦山里,還建設了換電站,司機把車開進站點,三分鐘便可更換好電池,甚至比加油還快。
  牽頭換電重卡項目的融和租賃公司,是國家電投集團旗下的一家金融公司,聚焦能源行業,管理著800多億元的資產規模,其中清潔能源占比逾70%。他們雖然沒有造車經驗,但正是在他們的撮合下,全球首款換電重卡成功下線。
  盡管充電時長的問題解決了,但換電重卡(含電池組)整車成本約為燃油車的兩到三倍,令不少企業和個體司機望而卻步。融和租賃公司總經理蔡寧說,高出的成本主要在于電池組。于是,融和租賃公司將車載電池組拆分出來,通過租賃的方式提供給用戶,從而大大降低了用戶的初始投資成本。目前已在運營中的200多輛換電重卡基本都是采用電池租賃的形式。蔡寧對此還有另一層考量,他告訴我,從重卡上淘汰下來的電池組其實還有更多用途,比如可以裝到挖掘機、裝載機上繼續使用,也可以拿去做梯次利用,為風力、光伏發電作儲能電池。
  對于換電重卡的商業前景,蔡寧信心滿滿。如果計劃順利,今年將有200輛換電重卡穿梭在密云的礦山之間,按照每輛車每天400公里行駛里程計算,每年可減少約2.8萬噸二氧化碳排放與2500噸污染物排放,經濟性方面,用電較之燃油可節省超過4000萬元。換電重卡的引進給礦區乃至北京城市建設都提供了一種新的方案。蔡寧還希望通過換電重卡重塑中國物流行業——如果重卡的運營成本大大降低,廣受詬病的卡車超載超速問題或許就能在另一個層面得到解決。
  一直以來,交通運輸是國民經濟中的高耗能、高排放行業。數據顯示,2014年中國交通能源消費總量(不包括遠洋和國際通運)是4.93億噸標煤,約占全國能耗總量的11.6%。其中二氧化碳排放量約10.7億噸,占全國排放總量的11.5%。從2010到2014年,我國交通能源消費總量由3.55億噸標煤上升到4.93億噸,平均每年增長8.5%。2016年12月印發實施的《能源發展“十三五”規劃》明確提出要著力推進相關領域石油消費減量替代,重點提高汽車燃油經濟性標準,大力推廣新能源汽車,大力推進港口、機場等交通運輸“以電代油”“以氣代油”。
  交通動力的電動化無疑將推動整個國家能源消費結構的低碳化和清潔化。蔡寧說:“全國有約1000萬輛重卡,如果全部換成電動的,可以新增售電量約為目前全國售電量的60%,去年全國售電量為66萬億度,換言之,可新增39.6萬億度售電。”不過,僅僅將燃油換成電動還不夠,能源的生產與使用如何更加清潔、高效,對能源行業仍是一個艱巨的挑戰。

老電力的“新手藝”

  蔡寧眼盯著密云礦山上的卡車,毛小磊則一頭扎進了北京北五環外的一個高科技產業園。毛小磊曾在河南一家火電廠工作15年,他如今的身份是中電智慧綜合能源有限公司(以下簡稱“中電智慧”)副總工程師,這家由國家電投集團旗下中國電力在北京創立的公司,開發的第一個項目就是位于海淀的北科產業園綜合智慧能源項目。
  從火電到綜合智慧能源,從發電側到用電側,從生產端走向消費端,毛小磊的轉型其實也是中國能源行業轉型路徑的一個縮影。2016年2月24日,國家發改委、能源局、工信部聯合發文,推動集中式與分布式儲能協同發展,“鼓勵建設以智能終端和能源靈活交易為主要特征的智能家居、智能樓宇、智能小區和智能工廠,支撐智慧城市建設”。從那以后,智慧能源開始從概念階段落地發芽。
  北科產業園是北京市最早一批高科技產業園,建于2004年,占地70畝,建筑面積6.3萬平方米,進駐的企業涵蓋生物制藥、計算機、芯片研發等,園區一年用電量1500萬度,其中北京市計算中心一家就占據了半壁江山。園區企業的快速發展導致用電量不斷增長,2004年設計建設的供電網絡已捉襟見肘,處于超負荷運行狀態,擴容迫在眉睫。園區管理方測算過,如果從電網鋪設新的線路進來,約耗資2000萬元。新生的中電智慧被推薦給了北科產業園,雙方一拍即合。2018年,毛小磊團隊開始對園區的能源網絡進行改造。
  改造一個老園區并非易事,他們要摸清所有的管道線路,測算園區的用能狀況,為了不干擾企業的正常工作,有時只能在夜間或節假日施工。改造悄無聲息地進行著,除了門口的光伏車棚和屋頂的光伏板及風機外,園區的上班族通常注意不到改變的發生。但作為一個老電力人,毛小磊看到的東西截然不同。他說,以前供電局把電送到街道和園區的配電室就放手不管了,“最后一公里”的能源管理相對粗放,而園區物業人員缺乏能源管理的知識和工具。當毛小磊這類“老電力”進入綜合智慧能源領域,在火電廠練就的本領重新找到用武之地。
  不過,園區用能的改造可不單單是電,冷、熱、電必須三聯供以提高能源的利用效率,同時,天然氣、光伏、風能都被整合進同一個網絡,實現了多能互補,綜合利用。他們在已有的天然氣管道基礎上,新建內燃發電機組,填補了園區用電缺口,內燃機產生的余熱則進入溴化鋰機組,輔助園區的供冷供熱;新增的磷酸鐵鋰、鈉鹽電儲能系統發揮削峰填谷作用,解決園區高峰時段供電容量不足的問題。中電智慧還與清華大學、華為、國家電投集團綜合智慧能源科技公司(國核電力院)等多方合作,研發了一套專門的多能流能量管理系統(IEMS),供電、供暖、供冷各個子系統的數據都被收集起來,系統自動監控分析,實時控制能源網絡的運行參數。運行一年,據測算,北科產業園不僅解決了用能緊張問題,還節約用能成本30%。在管理方面,“以前無論冬夏,地下室的機房里都要有人值班,現在一個人坐在主控室就可以掌控整個園區的用能情況”。
  在節能減排的大背景下,各個地方都在努力控制能源消費總量和消費強度,毛小磊認為,小到一棟樓宇,大到一個科技園區、商業綜合體,乃至一個城市新區,能源的專業管理服務都將有很大的應用空間。
  在上海,王國弟做著和毛小磊同樣的事。在前灘能源中心,我們見到了一身工裝的王國弟,他是國家電投集團上海電力綠色能源公司的總經理。前灘在黃浦江以東,占地面積2.83平方公里,規劃建筑面積約350萬平方米。2012年,上海市提出再造一個陸家嘴,前灘區域開發正式啟動,它未來將被打造成一個集總部商務、文化傳媒、體育休閑等功能為一體的城市副中心。
  《2016世界城市狀況報告》指出,目前排名前600位的主要城市中居住著五分之一的世界人口,對全球國內生產總值的貢獻高達60%。根據聯合國人口基金會預測,到2030年,大約66%(或50億)的人口將在城市生活,全球人口超過1000萬的超級都市將會從2016年的28座增加至2030年的41座。這無疑將給城市交通、食物供給、給排水和垃圾處理等一系列基礎設施帶來巨大的壓力,其中至為關鍵的能源供給問題更將面臨考驗。
  王國弟談起前灘項目開發的緣起。前灘想要復制上海陸家嘴金融區,經過近二三十年的開發,陸家嘴如今已成為上海最繁華的區域,摩天大樓聳立,商業廣場人流不息。但當年參與開發陸家嘴的一位領導總結陸家嘴經驗時談到,陸家嘴開發仍留有一大遺憾,就是沒有建設集中的能源中心。正是為了彌補這一遺憾,2012年前灘開發之初,能源中心項目便列入規劃。最終,上海電力股份有限公司拿下了開發權,并于次年與上海前灘國際商務區投資(集團)有限公司共同出資,成立了上海前灘新能源發展有限公司,王國弟也是在這時被派到了前灘。
  前灘能源中心從外面看起來只是一棟普通的大樓,緊挨著市政主干道,分為地上五層、地下兩層,采用了以天然氣為基礎能源的冷熱電聯供的分布式能源系統,內燃機、燃氣輪機、蓄能水槽、空氣源熱泵等各司其職,樓里還“藏”著全亞洲最大的蓄冷熱水儲能罐,足足有三層樓高,最多可以蓄水2.5萬立方米,內燃輪機發電產生的余熱被收集到這個罐子里。
  和傳統的電網買電賣電的用能模式相比,綜合智慧能源到底能帶來什么改變?
  天然氣發電能源利用率過去在40%左右,而無論是在北科產業園還是前灘能源中心,以天然氣為基礎實現冷熱電聯供的分布式利用,綜合利用率達到了70%?80%。對于一個城市區域來講,前灘的例子足夠有說服力——前灘能源中心只占了6146平方米的土地,卻為200萬平方米的建筑提供著冷熱電。王國弟介紹說,前灘能源中心從2017年1月正式運行以來,與傳統供能方式比,節能近30%,減排溫室氣體40%以上。“如果按照傳統方式,每個樓的地下要建冷熱源系統,屋頂要布置冷卻塔,屋外要有煙囪、管井,能源中心集中供能后,用戶無需自建,既節約了建設成本,也節省了寶貴的空間和土地資源,而且噪聲、廢氣的污染也被消除了。”

打破能源邊界

  除了推動新能源融入現有能源體系之外,促進能源消費結構轉型,以互聯網技術為特征的綜合智慧能源也可以給傳統能源帶來新的利用方式,拓展能源的應用邊界。在山東海陽市的沿海新區,今年冬季,遠處高高聳立的大煙囪沒有像往年那樣冒起白煙,路上拉煤車也無影無蹤。十幾公里外,建在海邊的海陽核電廠過去是附近居民眼中神秘而遙遠的存在,如今通過一根供暖管道,他們與它產生了直接的聯系。
  2019年11月,海陽核電廠投運了全國首個核能商業供熱項目,一期工程覆蓋了核電廠周邊70萬平方米的居民和商業區。當地豐源熱力公司的燃煤鍋爐今年正式停用,偌大的廠房內空無一人,工人們都坐進了辦公室,在那里有一塊巨大的屏幕,上面顯示著轄區內所有換熱站的實時數據,并且可以遠程控制。熱源從十幾公里外的核電廠內輸送過來,經過一級級換熱站再送到居民家中。
  豐源熱力公司的負責人向我介紹,往年供暖季,一個燃煤鍋爐每天如果開足馬力,一天需要4車燃煤,這些燃煤都是用重卡從山西的煤礦運過來的。相形之下,核電廠一年只需要30到50噸燃料,而且已投運的供熱抽汽量僅相當于總體蒸汽量的5‰。山東核電有限公司黨委書記、董事長吳放介紹,“從數據測算上看,每年可節約2.32萬噸標煤,減排222噸煙塵、382噸二氧化硫、362噸氮氧化物以及6萬噸二氧化碳,相當于減少約5臺10噸的燃煤鍋爐”。
  對核電廠來說,安全問題永遠放在第一位,核能供熱項目更是如此。吳放解釋說,在核能供熱的整個過程中,其實是發生了蒸汽加熱水和水加熱水兩個大步驟,核電站與供熱用戶之間設置了多道回路進行隔離,每個回路之間只有熱量的傳遞,沒有水的交換,沒有任何放射性,用戶暖氣管道中的熱水也只在小區內封閉循環,與核電廠層層隔離,十分安全。對核電廠自身而言,“讓適合發電的能量用來發電,適合供熱的能量用來供熱,取得一個更好的平衡,既提高了機組循環熱效率,又減少了排到大海和環境的熱量,實現了環保和經濟效益的雙贏”。核能供熱作為持續穩定的大體量清潔熱源,供熱穩定、可靠性強以及零碳排放,也沒有二氧化硫、氮氧化物、煙塵這些污染物排放,供熱價格上可與燃煤電廠持平,是解決目前北方地區清潔取暖問題比較有效的手段。
  吳放希望核能供熱最終可以在整個環渤海區域推廣。來自國核電力規劃設計研究院的項目設計總工程師林令智介紹,根據核能供熱覆蓋整個膠東半島來估算,一年可以減少1543萬噸標煤消耗,能夠大大緩解當地供暖季的空氣污染問題。
  除了供暖,北方地區面臨的另一大問題是水資源緊缺,后者甚至更加棘手——“供熱停一年恐怕能撐下去,水停三天整個城市就運轉不下去了。”淡水危機也許有一天終將到來。通過海水淡化可以解決人們的用水問題,但是這個過程需要耗費大量能源。換個角度看,如果有足夠廉價和清潔的能源,人類的“水危機”是可以輕松化解的,能源可以和水資源打通。
  目前,蒸餾法海水淡化已在業界廣泛應用。而早在上世紀70年代,將核動力工廠與海水淡化工藝相結合已被證實可行,而且核能大規模用于海水淡化能夠大大降低造水成本,對環境影響小。吳放說,核能用于海水淡化的技術路線已趨成熟,包括海陽在內的許多核電廠廠內用水都是海水淡化而來,海水淡化項目已經列入海陽核電廠戰略規劃。
  除了供熱和供水,核能綜合利用以及多種新能源綜合互補的“新概念”的實施,有利于推進網絡型基礎設施建設,比如重構大型的熱力管網、水網,有助于當地城市的環保節能與一體化發展。
  除了解決水的問題,能源還能解決吃飯問題。三年前,融和租賃公司從國外引進植物工廠項目,他們選擇的主要作物是西紅柿,“因為國外西紅柿的種植經驗、數據采集和分析已經非常成熟,可以直接拿過來用”。該項目的負責人顏文淏介紹說,光照管理是植物工廠高效生產和成本降低的關鍵因素之一。為了給西紅柿的生長提供最好的光照條件,他們在大棚內架設補光燈,在陰雨天氣開燈補光,彌補自然光照的不足。“一個補光燈功率通常1000瓦,5?6平方米配一盞燈。”這樣一來,植物生長需要的光照變成了用電量,也意味著電能間接轉化為植物能,成為人們餐桌上的營養。
  植物工廠打破了傳統農業生產的模式,在一定程度上也打破了地理環境的限制。大棚里的作物一年可以擁有近10個月的生長時間,不斷播種、不斷采摘,節約了土地資源。在甘肅這樣的西北干旱地區,也有植物工廠落地,顏文淏告訴我,當地雖然缺水,但光照好,在智慧化管理技術的幫助下可以有效發揮后者的優勢,提高水的利用效率。
  能源的利用幾乎滲透到植物工廠的各個環節——大棚頂上鋪的光伏玻璃,光照富余時可以用來發電;附近發電廠在發電過程中產生的余熱則可通過地下管道輸送到大棚里,以保持棚內溫度——光照、濕度、溫度等各個參數都通過智能系統實現了高精度調控,使其符合作物生長的最佳環境。顏文淏介紹,植物工廠的生長架垂直高度可達20米,產量也非常驚人,是傳統種植的五六倍。

氫能:能源革命遠未停止

  從鉆木取火,到柴薪時代,再到煤炭、石油為代表的化石能源時代,每一次能源革命都是人類文明的一次飛躍,但隨著化石能源的枯竭,一場全球性的能源危機正在到來,加之化石能源消耗導致的氣候變化正在反噬人類文明。
  過去數十年來,世界各國的科學家都在孜孜以求地尋找一種一勞永逸地解決人類能源問題的方法。比如有人測算過,中國陸地太陽能資源總量相當于目前全國電力總需求量的500倍,而美國則有一份研究表明,現有風能遠遠超過全世界能源的需求量。
  但似乎沒有哪種能源是完美無缺的,無論是傳統的化石能源,還是水、風、光等新型能源。環境影響、高昂的開發成本、不穩定性??都對看似取之不盡、用之不竭的新能源的開發形成了制約。那么,存在更穩定、更可靠的新型能源嗎?
  氫,在近20年來受到越來越多的關注,它的產生與消耗形成的副產品只有純水,而水本身又包含氫,可以循環往復,從這個角度來講,氫能的確前景廣闊。
  國家電投集團氫能科技公司的首席技術官柴茂榮,是從日本回歸的領軍人才。在氫能領域,日本處于世界領先位置,化石能源全部依賴進口的日本在上世紀80年代就瞄準了氫能,提出了氫能發展戰略,幾十年來不斷推進。日本的加氫站數量也名列世界首位,2014年豐田公司推出了著名的氫能汽車Mirai,在全世界賣出1萬多臺,是目前銷量最好的氫能汽車之一。
  如果說氫能是21世紀的能源解決方案,那氫燃料電池技術可能就是車用能源的最優解。氫燃料電池實際上是一個發電裝置,可以直接將氫氣和氧氣中的化學能轉換成電能。氫燃料電池使氫能汽車既克服了純電動車續航不足、充電時間長的缺點,相比傳統燃油車又有節能減排的優點。柴茂榮介紹道,目前國內氫燃料電池的體積和成本是日本的6?10倍,還有很長的路要走。
  在催化劑方面,柴茂榮團隊做出的新型催化劑已經追上了日本。2019年7月,他們自主研發的百千瓦級電堆下線,由此實現了催化劑、膜電極、擴散層、雙極板、電堆等關鍵技術的自主化。今年1月2日,首臺搭載由國家電投集團自主研發燃料電池電堆的氫能客車在寧波正式下線,車輛由中國中車集團生產,車長12米,續航里程達到了600公里。國家電投集團氫能科技公司董事長李連榮透露,到2022年北京冬奧會,從北京到張家口的班車線上行駛的大巴車將有相當一部分由氫能提供動力。
  2015年,美國加州首次提出要在2030年禁止傳統燃油車上市銷售計劃。隨后,歐洲國家紛紛宣布在未來限產甚至停止銷售燃油汽車的計劃,包括沃爾沃、大眾、豐田在內的國際汽車巨頭也陸續公布了發展新能源汽車的路線圖和時間表。早在2017年,我國工信部就釋放了“研究制定燃油車退出時間表”的信號。據研究,我國有望在2050年前實現傳統燃油車的全面退出。
  電動車創業熱后,氫能汽車又掀起一波高潮。盡管目前氫的生產和儲存成本依然較高,加氫站數量有限也制約著氫能汽車的大規模發展,但在李連榮看來,氫能的方向毋庸置疑。“現有的電和化石能源在終端基本是分開的,搞電的跟搞石油、煤炭、天然氣的很少能夠合作。但氫出現后,它既可以做終端能源,也可以作為大規模儲能的介質,將對化石能源、新能源進行整合,重構整個能源體系。”李連榮說,這將會對整個能源行業產生巨大影響。“能源革命大潮已經來了,能源企業都會走進這場革命,不管你愿意不愿意,剩下的問題是,你是提著刀進去,還是伸著脖子進去。”對于普通人來說,“淘寶店”式的分布式能源已并不遙遠,也許很快你就會發現:自家光伏賣電不僅能抵上全家電費,還能賺錢。能源革命方興未艾,它激起的漣漪將無限遠且不間斷。而一旦未來技術發生重大突破,能源使用方式可能更加高效便捷,突破現有的想象力。
  在2019年8月中國企業聯合會組織的一次活動上,國家電投集團黨組書記、董事長錢智民談道:“隨著氫能和儲能技術全面突破,在大規??稍偕茉床⒕W、分布式能源儲備,以及實現低碳交通甚至零碳交通、低碳工業、低碳建筑方面將發揮重要作用。新能源發展的態勢,其勢已成,其時已至。”


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