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科学网—清洁能源的世界

来源:原创 编辑:admin 时间:2016-09-12 09:48
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多管漩涡混合仪,多管漩涡混合器 以往对于可再生能源与传统能源的比较,主要关注是发电成本,而忽略了电网成本和电网大规模接入的技术可行性。如果没有储能技术,由于风能和太阳能都具有的波动性和间歇性,电网难以大规模消纳可再生能源,而“储能+可再生能源”建立独立微电网(分布式),可以摆脱并网对可再生能源的约束,还可以解决中国城市分布式能源发展的物理和产权约束;由清洁能源提供电力的电动汽车将在消费侧进行大规模能源替代。这一清洁能源系统中,储能技术是核心,鉴于储能对于未来人类能源发展的重要性,中国不能落后于其他国家,政府应把对储能技术发展的重视程度提高到至少与可再生能源相等同的地位。

 

可再生能源发展

 

 

中国政府的目标将2020年非化石能源占一次能源消费比重提高至15%,为满足这一目标,政府近年内还将从政策上大力支持可再生能源发展。太阳能最具发展潜力,经过政府与太阳能相关行业十余年的努力,2014年光伏发电累计装机达到28GW,仅次于德国的38GW,居世界第二位;并网发电250亿千瓦时,相当于三峡的1/4的电量。

 

 

可再生能源的固有缺陷,使得大规模接入电网将会影响到电网的稳定性和安全性,因此大规模接入将大幅度提高电网成本。可以说,制约可再生能源大规模发展的主要因素已经不是发电成本,而是电网对其的接纳能力和电网成本,而储能技术是破解这个难题的关键。

 

 

中国太阳能发展还是面临许多困难。首先是收益问题,据测算,2014年中国西部集中式光伏收益率与德国同期光伏发电收益相当,而东部分布式收益则不到一半,这与目前太阳能发展“集中热、分布冷”的实际情况相印证。西部集中式光伏日照小时数高,规模成本更低,虽然并网和送出成本高,但是并网成本基本上由电网承担。中东部分布式光伏发展动力不足,需要更高的上网电价,或是更高的终端电价来刺激分布式光伏。另外,国外居民屋顶是分布式主要的安装形式,中国城市分布式光伏面临安装的物理限制和产权问题,而中国农村则缺乏分布式发展所需的投资。

 

 

储能是可再生能源发展大规模发展的关键

 

 

曾几何时,储能技术还只是科学家们的讨论,美国的特斯拉(Tesla Motors)一下子把储能技术和大众拉近了。特斯拉于今年4月份推出了几款商业化的锂电池,涵盖了从家用级一直到电网级的不同产品,对应的存储规模从7千瓦时一直到10千千瓦时以上。虽然特斯拉电池从技术上似乎没有太多创新,但其最大的特点在于电池平衡系统和成本上的优势。以特斯拉电池的成本为例,在6%的贴现率下,当充放电的价差在1元千瓦时以上时,电池投资就可以收回成本。中国许多地区峰谷电价差都已经大于1元千瓦时,这些地方的储能投资已经能够带来收益,虽然还不是很好的回报。电池储能已经具备经济上的吸引力。

 

 

锂矿的稀缺性可能制约锂电池发展。根据特斯拉的数据,全球每年生产的锂电池仅够50万部电动汽车,锂资源储备满足电动汽车已经很困难,更不要说用来支持大规模分布式和微网储能。因此,未来锂资源的地位,有可能相当于今天的石油。目前锂资源相对丰富的国家,如智利、玻利维亚、中国和澳大利亚等,则将有可能掌握全球能源的命脉。如何保护锂资源也是政府应该政策上提前布局的重要方面。

 

 

电池生产和使用过程中会涉及到环保和回收。对于环保问题,锂电池可能带来的危害的主要是其正极材料中含有钴、镍等重金属,及电解液中含有的氟。但这些物质都是封装在电池里,正常使用不会带来环境影响,即使发生破损泄露也只是电解液流出,不会造成重金属污染,而且目前有成熟工艺能够使用无毒的磷酸铁锂电极。对于电池回收,锂电池外壳是金属或塑料,电极含有锂、重金属和石墨,电池内部还有铜、铝等材料,这些都具有较高的回收价值。最近有报道Jay Whitacre的团队为了证明他们开发的盐水电池安全环保,创始人Whitacre甚至吃了一块电池的电极。

 

 

摆脱可再生能源发展约束:微电网

 

 

真正摆脱可再生能源的电网约束和分布式能源物理约束是微电网。“储能+可再生能源”建立的独立微电网本身是一个完整的自我控制系统,可以与电网分离运行。由于其能够彻底摆脱对于传统能源和大电网的依赖,可以实现灵活按微小区域划分的电力自足系统。

 

 

“储能+可再生能源”的独立微电网代表能源行业发展和人类能源供需的未来。一方面,应对气候的低碳发展将迫使人类发展清洁的可再生能源。另一方面,由于保证供电可靠性和供电质量要求解决可再生能源的稳定性问题;以及由于解决目前可再生能源严重的市场消纳困难和远距离输电成本,需要尽可能在靠近负荷中心设立电源,微电网可以减少分布式能源的种种缺陷和约束(如物理空间和产权),更具有经济性。

 

 

由于概念简单,“储能+可再生能源”的独立微电网的可行性主要是成本约束,就是储能成本和可再生能源的成本。一般说,只有储能成本加可再生能源成本小于传统能源成本加输配电成本时,这种模式才具备基本的经济驱动力,还需要多年的技术进步。由于对能源行业带来的可能冲击巨大,传统的能源企业务必要小心。

 

 

举一个简单例子。根据厦门地区的光照数据、光伏发电15%的效率、2014年厦门人均生活用电,和厦门大学本部光伏发电可利用面积,采用光伏发电每年可发电量约为5000万千瓦时;如果师生4万人和人均年用电量1250千瓦时,光伏发电+储能技术+微电网可以满足教学与生活用电需求。

 

 

可再生能源消费侧大规模替代:电动汽车

 

 

从2005到2014年的十年间,中国汽车消量年均增长16.9%。国际上一般的经验是:从汽车开始进入家庭到普及大致需要20年的时间。从人均GDP进入1000美元开始;当人均GDP达到3000美元的时候,汽车消费开始成为一种时尚;当人均GDP达到4000和5000美元之间,每千户居民汽车拥有量可以超过200辆,进入汽车大众消费时代。中国2014年人均GDP接近7600美元,但是每千人拥有汽车约为113辆,汽车增长的依然潜力巨大。从存量和增量角度说,在消费侧,可再生能源替代潜力最大的是电动汽车。

 

 

为什么需要替代?中国石油对外存已经超过60%,由于国内石油产量已基本达峰值,石油需求增量主要依赖进口,需要通过石油替代保障能源安全。另一方面,中国的城市汽车尾气排放正成为城市最重要的污染源之一,电动车的发展对改善城市环境有重要作用,有益于雾霾治理;电动汽车还是低碳转型的重要一环,与传统燃料汽车相比,电动汽车提供了通过能源结构改变(减少煤炭,增加清洁能源)减少碳排放的可能性。

 

 

粗略计算,按电动汽车综合效率85%,2014年汽油柴油消耗换算起来需要电力1.35万亿千瓦时。如果由光伏供电,根据国土部2008年的数据,全国土地中居民点及独立工矿用地面积为26.9万平方公里,其中只需要利用2.6%就可以满足电动汽车的电力需求。

 

 

电动汽车发展的问题很多,发展相对缓慢。除了充电设施和其他支持政策问题,储能技术(电池)是主要发展障碍。电动汽车和储能技术将是石油强有力的替代品,长期而言,油价的最大威胁可能来自于电动汽车和储能技术。储能技术将使风电太阳能对传统化石燃料的大规模替代成为可能,因此,电动汽车、储能技术和风电太阳能的结合,可以形成对石油的清洁有效替代,而且同时满足保障能源安全、雾霾治理和低碳发展等多重目标。虽然电动汽车和储能技术的发展目前还没有对石油替代产生实质性影响,但近年来电动汽车和储能技术进步迅速,作为石油替代的威胁越来越明显,长期而言电动汽车发展的石油替代是中国减少石油对外依存的最重要方面。

 

 

国际储能技术发展现状和国内政策支持

 

 

“可再生能源+储能+微电网“离实现大规模应用,可能还有一定的距离,但并非遥不可及。目前中国已投入运行的储能装机容量大约为23.6GW,排在世界的第二位,当中绝大部分都是抽水储能,但是电池储能的装机容量仅相当于美国的1/6。中国也是一个电池生产大国,锂电池产能占全球的27%。但是,与国外的先进水平还存在差距,就是通常说的整体”大而不强”。电池的上游原材料及下游的系统集成和应用方面,处于相对较低的水平;高附加值的隔膜主要从美国和日本进口;由于电池性能与日本和韩国仍有差距,导致了高端市场的占有率持续萎缩。国内储能发展的技术路径似乎不清晰和缺乏整体规划,今年1-7月仅动力锂电池项目就吸引了超过400亿元的投资,而另一方面,电池行业的亏损面在扩大。

 

 

对储能的发展需要有清晰的战略规划和政策措施。政府多个部门已经启动了储能“十三五”规划课题研究,也出台了相关的支持政策。但是,基于目前储能技术发展现状,政府可能需要加大力度,包括考虑对储能投资(包括储能研究)给予直接补贴或税收抵免,以及由政策性银行提供优惠利率的贷款。

 

 

政府还需要营造一个支持储能发展的市场环境。目前市场机制存在不足,比如储能的价值没有得到合理的补偿,虽然一些地区实行峰谷电价,但峰谷时间段的划分及相应电价的制定还缺乏经济合理性。因此,政府可以结合目前的电力市场化改革,采用更加灵活的电价机制,用市场化的手段促进储能发展,如扩大峰谷电价实施的范围和优化电价,设定储能电价,允许储能作为电源接入电网等,以及对储能的电网调频给予合适补偿,等等。

 

 

在微观层面政府也可以大有作为。对于储能产业链中具有规模经济效应的链条,集中资源做大做强几家优势国有公司。逐步提高可再生能源的接入标准,要求企业必需配置一定的储能容量等方式,来满足供应的稳定性;还可以通过促进微电网的发展来间接促进储能技术发展。此外,在储能技术的研发与应用上,支持企业和高校联手,重视系统集成等薄弱环节的支持力度。鼓励更多的储能投资将有益于推动储能技术突破,降低储能成本。

 

 

 

 


 

由于风能和太阳能都具有的波动性和间歇性,电网难以大规模消纳可再生能源,而"储能+可再生能源“建立独立微电网(分布式)可以摆脱并网对可再生能源的约束,还可以解决中国城市分布式能源发展的物理和产权约束;由清洁能源提供电力的电动汽车将在消费侧进行大规模能源替代'这一清洁能源系统中,储能技术是核心,鉴于储能对未来人类能源发展的重要性,中国政府应把对储能技术发展的重视程度提高到至少与可再生能源同等的地位'本书提出清洁能源的人类远景,并对国内外现阶段发展的相关问题进行综合比较和细致梳理。

 

本书供能源和环境经济学学者(工作在能源环境领域第一线的工作者以及社会各界对能源环境问题和政策感兴趣的广大读者分析解读。

 

 

 

 





  • 本文标题:科学网—清洁能源的世界
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