特稿 - 三院士共论碳中和与未来能源
主题为“碳中和与未来能源”第三届未来能源大会于2021年7月8日在北京成功召开。“可以预见，未来可再生能源将从能源低碳转型的生力军成长为‘碳达峰、碳中和’的主力军。”
在“院士论坛”环节，中国工程院院士、国家气候变化专家委员会名誉主任杜祥琬认为，“双碳目标”事关中华民族永续发展和构建人类命运共同体，“双碳目标”也是迈向生态文明的大考，中国在这场文明大考中不能落后，历史也要求中国必须交出好成绩。中国科学院院士、中国电力科学院名誉院长周孝信详解了“双碳目标”下新一代电力系统发展前景及关键技术。中国科学院院士、清华大学车辆与运载学院教授欧阳明高则对“双碳目标”下新能源汽车与氢能发展做出诠释。
“‘双碳目标’是基于我国国情和对人类文明进程新的觉醒目标，事关中华民族永续发展和构建人类命运共同体，会带来新投资、新技术、新产业，也带来新能源、新发展方式，将深刻推动经济和社会进步，是实现经济、能源、环境、气候共赢的大事。”“碳中和是我国经济社会发展的新引擎，是要开创一条兼具成本效益、经济效益和社会效益的路径，是实现国家第二个百年目标同步的经济社会低碳转型、深刻进步的里程碑。”“未来能源是人类文明发展的基础，人类文明的进步需要能源革命提供动力。在迈向生态文明的过程中，那些能够跟上时代的能源将找到自己的位置。”杜祥琬说。
未来能源是未来人类文明形态的基础。当前，非化石能源的巨大进步正在推动人类由工业革命走向生态文明，这是又一轮深刻的能源革命。“人类走过农耕文明、工业文明……，正在迈向生态文明。”在杜祥琬看来，这个过程当中，能够跟上时代进步的某些能源会在未来社会找到自己的位置，因此未来的能源可能是多样化的。但是未来的生态文明时代能源必须具备高效、经济、环境和气候友好、可持续等几个特征。
基于对物理学的前瞻认知，杜祥琬提出了自己独到的观点——未来一次能源的主流可以概括为核聚变。他具体解释说，一类是太阳上的核聚变，即太阳能。广义的太阳能包括光伏、光热、风能、生物质能等。太阳能来自于核聚变，是清洁、低碳、零碳、可再生的。杜祥琬指出，“富煤、缺油、少气”六个字已经不能准确描述我国的能源资源禀赋，目前全国已经开发的可再生能源不到技术可开发资源量的1/10，丰富的（可再生）能源资源的基础是高比例发展可再生能源的前提。第二类是指地球上的受控核聚变，即人造太阳。目前是裂变核电站支撑核电，但是人类也正在突破人造太阳受控核聚变。
杜祥琬指出，走向未来能源的两个里程碑，即我国提出来的碳达峰、碳中和。他说，“碳达峰不是冲高峰，也不是攀高峰，碳达峰是碳中和的一个基础和条件。要通过碳强度的逐步降低来达到碳达峰，这是一个逐渐走低碳路径的过程。2030年单位国内生产总值的二氧化碳排放比2005年下降60%～65%，可见不是要用高碳来冲高峰，而是要在高质量发展过程中来实现碳达峰，碳达峰是为了下一步实现碳中和。”他认为，“双碳目标”是有机联系的，如果碳达峰的峰值低一点，那么下一步实现碳中和的代价或者付出就会少一点；如果碳达峰的峰值太高，那么实现碳中和要付出的代价就会更高，所以要把两个目标联系起来，将其看作是能源革命的两个里程碑，这样去推进积极而又稳妥。
杜祥琬表示，我国实现“双碳目标”具有很大挑战，产业偏重、能源偏煤、效率偏低，对高碳发展的路径依赖惯性比较大。然而，克服这些困难恰恰是在补我国的发展短板，如果能够克服这些短板，使我国的能源效率更高、环境更好，就能对国家绿色发展起到正面推动作用，实现新发展。
实现碳达峰要求在经济高质量增长的同时，进一步降低碳强度。杜祥琬指出，实现碳达峰的路径主要是产业结构调整、加快技术创新融合、加强顶层设计与管理。他强调，在当今化石能源为主的能源结构下，节能、提效是减排的主力。节能提效是中国能源战略之首，无论是实现碳达峰还是碳中和，绿色低碳的第一能源就是节能、提效，也是保障我国能源供需安全、环境安全、气候变化安全的要素。
杜祥琬说，“毫无疑问，我国在节能提效方面取得了长足进步。然而，若想再更进一步，我国也将付出更多代价。从达成目标的角度看，推动节能提效无疑是最佳方式。”他认为，我国降低碳排放强度，要调整产业结构，寻求技术进步，提升组织管理。数据显示，当前消费水平下，如果能够降低1%能耗，就意味着将减少0.5亿吨的标准煤，减少1亿多吨二氧化碳排放。“除此之外，我们可以通过优化能源结构，来推动碳排放强度降低。目前，为优化能源结构，中央在提出煤炭消费尽早达峰的同时，也提出了‘十四五’期间的能耗增长由化石能源提供转变为由非化石能源+天然气提供。”杜祥琬补充说。
杜祥琬认为，在实现“双碳目标”过程中要注意三方面问题。
第一，如何实现再生能源旧设备材料的循环利用。可再生能源设备需要多种新型材料、新矿物质。如陆上风电(kg/MW）含铜2900，镍403.5，锰780，铬470，钼99，锌5500。对于这些可再生能源设备使用寿命到期的材料，能否通过回收材料学的创新，实现循环利用，将是今后一段时间内研究的热点。
第二，如何延伸围绕碳中和形成的价值链。能源低碳转型的大势下，能源核心资产不再是煤矿和油气田，而是新能源技术的创新开发能力、对新能源关键矿物质的掌控能力以及新材料的创新能力。
第三，如何呼唤深度科技创新，寻求金融支持。深度科技创新是提质增效的动力源泉，金融支持则是技术由实验室走向应用的有力支撑。
周孝信认为，我国能源转型的战略目标就是“双碳目标”。实施路径就是习总书记讲的“两个构建”。一是构建清洁低碳安全高效的能源体系；二是构建以新能源为主体的新型电力系统。具体的方向性路径包括四方面，控制化石能源总量、着力提高利用效能、实施可再生能源替代行动、深化电力体制改革。
周孝信根据自己研究团队的研究成果讲述，“根据‘双碳目标’的基本要求，考虑经济社会对能源电力安全供应需求、能源电力技术进步等因素，设定了3项经济社会和能源发展主要指标及变化趋势。”一是一次能源消费总量（亿吨标准煤当量)。在2020年49.8亿吨标准煤当量的基础上，2030年达到峰值59亿吨标准煤当量。之后，缓慢下降，2050年降到50亿吨标准煤当量，2060年降到46亿吨标准煤当量。二是非化石能源占比。在2020年15.8%的基础上，在不同时段按前低后高给定增长率增长，2030年达到25%，2050年59%，2060年89%。通过非化石能源电力增长实现。三是全社会用电量。在2020年7.5万亿千瓦时的基础上，在不同时段按前低后高给定增长率增长，2030年达10.6万亿千瓦时，2050年13.6万亿千瓦时，2060年15万亿千瓦时。2060年比2020年翻一番，而二氧化碳排放大幅降低。
实现如上目标需要在发电装机结构、发电结构设定如下目标：
装机结构。在2020～2060年间，电源装机结构不断向清洁低碳方向转型发展。2020年全国发电装机总容量22亿千瓦，非化石发电装机占比44.7%，煤电装机49.1%，风光发电装机占比24.3%。2030年，非化石发电装机占比59.2%，煤电装机占比30.7%，风光发电装机占比43.1%。2035年非化石发电装机占比68.4%，煤电装机占比22%，风光发电装机占比53.6%。2050年非化石发电装机占比80.1%，煤电装机占比8.6%，风光发电装机占比64%。2060年，全国发电装机总容量68.3亿千瓦，其中非化石能源发电装机占比94.4%，煤电装机占比1.1%，风光发电装机占比79.7%。
发电结构。2020年全国发电量是7.6亿千瓦时，非化石发电装机占比33.9%，煤电装机占比60.8%，风光发电装机占比9.5%。2030年，非化石发电装机占比46.7%，煤电装机占比44.3%，风光发电装机占比21.8%。2035年，非化石发电装机占比56.4%，煤电装机占比34.0%，风光发电装机占比30.4%。2050年非化石发电装机占比73.8%，煤电装机占比13.1%，风光发电装机占比43.4%。2060年全国发电量达15.2万亿千瓦时，非化石发电装机占比92.7%，煤电装机占比1.4%，风光发电装机占比60.7%。
这一阶段，新能源发电量占比持续提高，支撑构建新型电力系统。
新一代能源电力系统的核心指标有哪些？周孝信表示，包括5个指标。一是非化石能源在一次能源消费中的比重，二是非化石能源发电量在总发电量中的比重，三是电能在终端能源消费比重，四是系统总体能源利用效率，五是能源电力系统二氧化碳排放总量。
根据研究，2020～2060年能源电力系统核心指标变化趋势是：非化石能源消费占比于2030年达到25%，2045年超过50%；非化石能源发电量占比持续提高，2045年超过70%，2060年约达到92.7%；电能在终端消费中比重大幅增长，2030年达到约34%，2050年达到约65%；能源系统总效率持续提升，2060年系统总效率超过50%（现在是33%左右）。
周孝信说，根基测算，“十四五”时期，GDP能耗降低15.5%，超过“十四五”规划指标13.5%。根据测算，2027年二氧化碳排放达到峰值，此后逐年快速下降，综合其他方法，2060年前可实现碳中和。
周孝信介绍，新一代电力系统的主要特征包括结构模式特征、主要技术特征。结构模式特征，一是可再生能源优先、因地制宜的多元能源结构；二是集中分布并举、协同可靠的电力生产和供应模式；三是供需互动、多能互补、节约高效的用能用电方式；四是面向全社会的平台性和综合能源电力服务。主要技术特征，一是高比例可再生能源电力系统；二是高比例电力电子装备电力系统；三是多能互补综合能源电力系统；四是信息物理融合智慧能源电力系统。
周孝信表示，新一代电力系统有8类影响全局的关键技术，即高效低成本电网支持新能源发电和非电利用技术、高可靠性低损耗新型电力电子元器件和系统技术、新型电力系统模式结构及其分析控制保护技术、安全高效低成本长寿性新型储能技术、清洁高效低成本氢能生产储运转化和应用技术、数字化、人工智能化和能源互联网技术、新型输电和超导综合输能技术、综合能源电力市场技术。其中，对于第六类技术，周孝信提出了综合能源生产单元（IEPU)和能源消费端消费单元（IECU）的概念，并指出，传统电力系统经典理论已经不适应新时代的要求，要创立新的电力系统理论。
“‘双碳目标’下，我国能源电力系统发展一种情景的初步计算分析表明，2030年风能+太阳能总装机16.1亿千瓦,符合12亿千瓦以上的目标要求；2035年风光新能源发电量比重超过50%，为构建星型电力系统、实现2060年前碳中和目标创造基础性条件。”周孝信说。
“情景计算关键指标显示，2021～2025年‘十四五’期间单位GDP能耗降低15.5%，单位GDP二氧化碳排放降低21.4%，下降幅度分别超过‘十四五’规划纲要设置的13.5%、18%指标要求；能源系统二氧化碳排放于2027年达峰，电力系统（煤电+气电）二氧化碳排放于2025年达峰。”周孝信强调，情景计算指出，2060年煤电+气电装机共约3.8亿千瓦，其中煤电装机。0.7亿千瓦，占全国总装机的1%；煤电+气电发电量共约1.1亿千瓦时，其中煤电0.22万千瓦时,占全国总发电量1.4%。
“探索在能源转型过程中融合既有煤电及二氧化碳捕集技术、可再生能源发电及电制氢制甲烷/甲醇技术，构建综合能源生产单元（IEPU)，使之成为能源电力系统中一种具有多种能源产品和灵活性调节功能的新成员期望能作为煤电低碳/无碳转型路径方案的一种选择，以支持高比例新能源电力系统安全可靠运行，助力构建‘零碳电力系统’。”周孝信认为，作为源端基地综合能源生产单元（IEPU)的探索，与终端消费分布式综合能源单元（IECU)一起，有可能成为未来综合能源电力系统的基本单元结构模式。
“每次能源革命都是先发明了新动力装置和交通工具，然后再带动对能源资源的开发利用。”欧阳明高认为，要实现碳中和目标，离不开新能源汽车和氢能的规模应用。只有实现新能源汽车大规模发展才能顺利实现新能源革命（第三次能源革命），只有实现新能源革命才能顺利实现中国碳中和目标。
“新能源车与新能源革命的共性载体是电和氢，电池和氢能两者互补性强，共同构成主流的动力类型和储能方式，中国实现零碳经济需要电气化和氢能的规模应用。”欧阳明高说，面向碳中和，中国氢气用量需从目前每年2500万吨增加到8100万吨以上。他认为，正在进行的第四次工业革命是以可再生能源为基础的绿色化和以数字网络为基础的智能化。新能源车既是出行的载体，又是智能终端，同时是新能源革命实现的重要途径。基于此，今后二三十年交通装备与能源化工相关产业将发生百年未有的大变局。
“第三次能源革命有五大支柱。一是向可再生能源转型，尤其是向光伏与风电转型；二是集中式转向分布式转型，如建筑将成为微型发电厂；三是氢、电池等技术存储间歇式能源；四是发展能源（电能）互联网技术；五是电动汽车成为融用能、储能为一体并回馈能源终端。”欧阳明高认为，中国风电光伏将大幅增长，2030年风电、光伏发电成为发电装机主体，成本将不断下降，2035年光伏发电成本将降至0.1元/千瓦时。中国光伏发电和风电技术与成本完全具备大规模推广条件，但储能是瓶颈，需要靠电池、氢能、电动汽车等来解决。
“十年来，动力电池比能量从100瓦时/公斤提升到300瓦时/公斤，成本从4元/瓦降到1元/瓦以内，成本大幅下降。”欧阳明高说，未来以锂离子为代表的动力电池是短周期分布式可再生能源储存的最佳选择，预计到2025年，电池储能将从现在的1亿千瓦增加到10亿千瓦，从而进入TW时代，磷酸锂铁电池成本将降到0.3～0.4元/千瓦时。下一步，电动汽车应在安全、便利、智能三方面下功夫。
安全方面。电动汽车安全性备受业界、消费者关注。电动汽车安全问题是指高比能量锂离子动力电池因热失控而造成的燃烧事故。避免事故发生，就要对热失控进行预警、管理。欧阳明高表示，清华大学自主研制大容量动力电池热失控测试系统，可以对电池热失控全过程测试分析，发现高比能量动力电池热失控反应时序和反应机理。在此基础上，研发了高比能量动力电池热失控系统抑制方法，保障在单体电池设计方面彻底解决问题；同时，在使用过程中进行安全监控，为此开发了云控预警平台，实现基于运行数据的故障电池检出、低误报和基于事故数据的溯源分析。一旦事故发生可以对整个电池包进行热管理，采取“隔热+降温”措施，达到最多是冒烟，但绝对不着火的管控结果。
便捷方面。便对于私家乘用车而言，平时在家或单位慢充、高速公路长途超快补电实现便捷最为重要。快充的前提是电量下降达50%以下，而超级补电不是充满而是应急补电。据悉，2020年中电联公布了大功率快充标准“超级快充”，2025年可全面提供超充服务。但快充容易出现安全问题，“为了解决快充安全问题我们开发了负极电位传感器，直接将这种传感器置入电池内，对电池负极定位检测（安全问题多由负极热失控引发）。”欧阳明高说，这种传感器具备全生命周期无析锂充电开发能力，支持30万公里车用的实际要求。
智能方面。“电动汽车充电的技术路线图为无序充电-有序充电-车家互动（V2H）-车网互动（V2G微网）-车网互动（V2G大网）。”欧阳明高介绍，回家插上电，不一定能立马充上电，而是通过后台APP达成协议，在电网负荷低时充电；车里的电池可以和家里的电器互动，家里的电器可以用电动汽车电池里的电；实现车网互动。目前，我国有15个省市建设了42个V2G项目、609个V2G终端，近4000台电动车参与过车网互动。车网互动可以实现削峰填谷、电网调频、虚拟惯量等功能。
欧阳明高认为，新能源汽车将是规模最大、成本最低、安全性最好的分布式长周期储能系统。之所以有这样的结论是因为“新能源汽车市场潜力巨大”。根据他的研究预测，“2025年新能源汽车占汽车总销量20%，2030年占比40%，保有量8000万辆；2035年占比50%，保有量16000万辆；2040年保有量将达3亿辆。以3亿辆计算，每辆车平均储能65千瓦时，则车载储能容量约200亿千瓦时，与中国现在每天消费总电量基本相当。他还认为，未来电动汽车可以成为赚钱的工具，新能源汽车可以低价充电，高价售电，尤其在风光电成为主力后，波峰、波谷之间的差距越来越大，这样电动汽车完全可以成为赚钱工具。
欧阳明高表示，氢能在新能源革命中的战略意义在于可再生能源转型中的大规模能量储存与多元化利用需求。氢能是众多传统产业包括化石、煤炭、核能、电力、钢铁等转型升级的理性选择，其技术延续性好，又不完全颠覆。除此之外，氢能产业链长、产值高、吸收就业人口多，应用覆盖面广，有“氢能社会”之称。
“氢能是集中式可再生能源大规模长周期储存的最佳途径。”欧阳明高说，之所以有这样的结论，一是氢能的利用充分性，大容量、长时间储能模式对可再生电力利用更充分；二是氢能规模储能的经济性，固定模式化储氢比电池储电的成本低一个数量级；三是氢能与电池放电互补性强，大容量长周期灵活能源用于燃料电池、燃气轮机；四是氢能制运储方式灵活。
当前氢能主要用于交通。“氢能交通是氢能利用的先导领域，其使命是带动氢能的全面发展。河北张家口正在做的氢能利用示范表明，可再生能源发电成本低于0.15元/千瓦时时，其能源利用全链条技术经济性将凸显。”欧阳明高介绍，张家口有350辆氢燃料大客车，最近在做北京冬奥会氢燃料车示范。张家口和北京将运行2000辆氢燃料电池汽车，二十多座加氢站正在加紧施工，北京冬奥会主场区都将是氢燃料电池车。
“未来十年，氢能成本将下降80%以上，与过去十年锂离子电池成本下降过程相似。”欧阳明高说，自2015～2020年氢燃料电池技术实现大幅跨越，氢燃料汽车已经产业化，大部分技术难题已经克服，目前FCEV累计保有量接近1万辆，已有一百多座加氢站投入运营，近一百个在建。虽然氢能汽车与纯电动乘用汽车相比不占优势，但在大客车、冷藏车等方面有有明显优势。
“同风光电一样，氢储能技术、成本目前还不理想，但随着技术进步氢能运用领域会越来越广。” 欧阳明高说。他预测了绿氢（用风光电所制的氢）的成本前景，到2025年前，部分低成本风光电制氢达到化石能源制氢+CCS的成本；2035年前，低成本风光电制氢达到化石能源制氢+CCS的成本；2050年前，一般风光电制氢达到化石能源制氢+CCS的成本。初步结论，当可再生能源发电成本为0.12元/千瓦时、过网费为0.08元时，通过特高压千公里输电通道，在用户侧制氢加氢，可实现加氢枪口30～40元/千克，比柴油具有竞争力。
“面向‘双碳目标’和能源革命重大战略，新能源汽车与新能源革命将突飞猛进，产业格局将发生百年未有的大变局。”欧阳明高表示，新能源汽车与新能源革命的共性核心是储能，氢能与智能、新能源汽车的规模推广将有力破解新能源革命的瓶颈；锂离子电池实现蓄电池领域百年来的重大突破，其科技创新、产品性能、应用领域和产业规模正处于爆发性增长期；氢能是实现全球碳中和的战略性能源载体，但绿色氢能的技术经济性还不能完全满足市场需求，氢能燃料电池交通将是氢能应用的先导，催生氢能产业的起飞。