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能源轉型的前沿創新

2019-01-07 11:05:46 2018年能源思考11月刊

成立于1982年的美國落基山研究院(Rocky Mountain Institute,以下簡稱落基山研究院) 是一家以市場為導向的能源領域專業獨立智庫,旨在設計經濟可行的市場化解決方案,加速全球范圍內能效提高和可再生能源對化石燃料的規?;娲?/p>

盧安武(Amory Lovins)博士是落基山研究院的聯合創始人、主席和首席科學家,也是北京國際能源專家俱樂部成員。他曾于2012年10月19日在俱樂部作了題為"重新發明火-能源使用的偉大變革"的報告,為中國能源革命提供了很多新思路。

2018年10月30日,借盧安武博士再次來京訪問之際,北京國際能源專家俱樂部在京舉辦《能源轉型的前沿創新》晚餐會,聽取盧安武博士6年來的新思考、新見解?,F將他的主要觀點總結如下:

1. 能效提升是座通往能源革命彼岸的富礦

在盧安武博士看來,能源創新在用能側的意義更為重要。以泵送系統為例,終端節約一個單位能耗可以在燃料端節約10個單位。自1975至2017年的42年中,美國的可再生能源供應增長了兩倍,但通過提高能效節約的能源卻是這些可再生能源增量的30倍。

能效節約的儲備極其豐富,且新的節能與能效提升手段的成本不斷下降。與油氣、銅等資源礦產中"保有儲量往往數倍于經濟可采儲量"的概念一樣,節能與能效提升領域由于可以進行組合,其技術、設計與方法的儲備也常常是官方統計的多倍。與礦產資源保有儲量不同的是,礦產資源的開發成本越往后越高,而通過多種組件與技術在精準度、時間、組合與順序上的結合,能效節約的成本會越來越低。

2. "一體化全方位節能設計" 能夠創造巨大的能效奇跡

盧安武博士將這種全方位整合所有適用理念和技術的設計系統稱為"Integrative Design"(一體化全方位節能設計)。這種設計理念在建筑、交通、工業和電力四個領域都有很大的應用前景。

在建筑領域,盧安武博士1983年建造的位于在海拔2200米的落基山中的居所完美闡釋了"一體化全方位節能設計"奧秘。盧安武居所可在零下44攝氏度的情況下不安裝任何供熱系統,僅依靠完美的設計來滿足使用者對舒適度的需求:墻體超級隔熱、通風系統回收熱量、高密封窗戶鎖住熱量、具有蓄熱功能的地面維持室內恒溫;屋頂光伏提供房屋電源,位于建筑物中心的開放式溫室提供了良好的采光。

"一體化全方位節能設計"的經濟價值非常可觀。以盧安武居所為例,由于降低了99%的熱能與水需求以及90%的用電需求,盧安武在10個月內就收回了由于一體化設計而增加的建筑成本。舒適性與良好的經濟性推動這一創新設計理念更廣泛地應用到歐洲180萬棟"被動房屋"中。

紐約帝國大廈改造中采用了"一體化全方位節能設計"后,節約了38%的能源,三年收回投資。"一體化全方位節能設計"在美國丹佛市一個建筑翻新項目中的應用幫助這座建筑煥發新生,不僅節約了70%的能源,更令這座已存在半世紀之久的建筑比當時美國最新的辦公樓單位面積能耗更低。從更大范圍看,當今德國建筑的單位能耗僅為美國建筑的五分之二。全世界角度看,2015年采用的建筑節能方案都是已存在超過十年的技術或手段。因此,建筑物節能改進并非應用創新技術,而是通過設計,選擇最適當的已有技術或技術組合,而這正是節能與能效提升的儲備寶藏,也是實現能源轉型革命的捷徑。

"一體化全方位節能設計"在工業領域大有可為。在典型的泵送系統中,從煤炭在電廠中燃燒到終端用電這一鏈條上損失了無數能量,最終使用的能量只有十分之一。因此,在建筑物和工業的泵送系統中,終端用電節約一個單位能量可以在煤炭輸入上節約10個單位。

由于能源浪費常常發生在各種電機、電泵等終端耗能設備上,"一體化全方位節能設計"能取得極佳的效果。上海的一家工廠應用了"一體化設計"概念后,其熱鏈傳輸管道的布局由長、窄、彎的管道變得短、粗、直。這項花費不高的管道設備改造使得該工廠節約了86%的能量。

"一體化全方位節能設計"在汽車行業中的應用幫助汽車大幅度節能。

在電動汽車的效率與經濟性方面,由于汽車移動中三分之二的能量會被其自重消耗,減輕汽車自重成為關鍵一步。盧安武博士和落基山研究院一直致力于超輕汽車的"一體化全方位節能設計",幫助豐田、福特等汽車廠商用超輕、超堅固的碳纖維復合材料取代鋼鐵,制造出更安全、輕便和更符合空氣動力學的汽車。當前世界上1500個汽車型號中,已有100個型號在使用碳纖維復合材料。同時,落基山研究院也幫助沃爾瑪卡車運輸車隊利用"一體化全方位節能設計"打造更智能的物流體系,并在十年內降低了一半的燃料消耗。碳纖維復合材料被應用到升降機、波音飛機和美國宇航局的航天器上,打造更高效的飛行器。

節能技術和設計在電力領域同樣不斷加速。與十年前相比,LED的效率提高了30倍,亮度提高了20倍,且價格只有原來的十分之一,而LED的應用具有幫助世界節約八分之一的電力消耗的潛力。

3. 可再生能源的發展前景廣闊

盧安武博士指出,"一體化全方位節能設計"帶來用能側能源革命,可再生能源則是供應側重新發現的"火"。

人類社會始終處于對能源枯竭的擔憂中。1845年,鯨魚油需求達到頂峰時,人們非常擔心鯨魚滅絕帶來的能源消逝。此時出現了煤油的替代,石油的發現和使用帶來的是接下來50年內鯨魚油需求的消失,而非鯨魚的絕滅。當人類擔憂化石能源枯竭時,人們發現了更加高效的可再生能源。

全球可再生能源規模龐大,增長迅速。2016年,可再生的增長速度比核能還要快。對于能源轉型的進展而言,最引人注目的是全球現代可再生能源裝機容量用15年時間達到10億千瓦級別,國際可再生能源署認為實現下一個10億千瓦可再生能源的新增裝機僅需4年。

首先,可再生能源電力成本不斷降低。美國批發電價目前普遍超過了風能和太陽能的長期平價成本。在盧安武的家鄉科羅拉多,2017年12月,不含儲能的風能和光伏報價分別為18美元/兆瓦時和30美元/兆瓦時,包括儲能的報價則分別為21美元/兆瓦時和36美元/兆瓦時(分別為度電0.21美元和0.36美元)。發電成本下降促進可再生電力需求增長,進一步擴大裝機規模,推動光伏等上游設備成本下降,行業進入良性循環。這一良性發展使得可再生能源電力的成本在沒有補貼的情況下也能急速下降,電價變得可與傳統化石燃料供電方式競爭。世界的一些地區已經實現了可再生能源的平價上網,如果含儲能的可再生能源平準化度電成本(LCOE)降到30美元/兆瓦時以下,可再生能源則將基本實現全球性的平價上網。

其次,現代可再生能源擴張速度更快。傳統電廠需要花費多年時間審批和建設,而現在,每年投資一定光伏組件生產線,便可以馬上生產出與傳統電廠相當的電力。2013年,中國新增光伏發電量比美國前59年累計增加的發電量還多。中國在2017年6月新增的光伏裝機超過了美國2017年一整年的新增量。從可再生能源的發展速度看,中國成為該領域當之無愧的領軍國家。

第三,電網將很難再"一網獨大"。人類無法離開化石能源的另一個主要原因是可再生能源的間歇性,需要通過電網提供可靠穩定的電力供應。但目前有許多方式,如有效利用需求側管理、增加分布式儲能、整合可調度的可再生能源、提高可再生能源發電的預報和預測等,這些都能夠促進可再生能源電力的智能化和靈活性,最終達到重塑電網的目的。新能源發電被賦以更多靈活性后,消費者便擁有了更大的市場選擇機會:此前消費者通過光伏發電,未及時使用而免費輸送給電網的電量約占總發電量的50%;智能化控制之后,消費者可以自行消費掉80%以上的發電量,而不是白白浪費或者免費送給電網,因此促進了分布式電網的發展。

與此同時,電動汽車市場的壯大和電池組件價格的逐年下降,也將有助于打破電網"一網獨大"的局面。全球的充電電動車已經達到400萬輛,并繼續以每年50%的速度增長,其中中國貢獻突出。中國2017年一年的電動汽車銷量就超過2016年全世界的總銷量。印度、德國也確立了2030年前在新出售汽車中100%普及電動汽車的宏大目標。此外,電動車電池組的技術日益先進,使得電池組成本已經下降到200美元/每千瓦時以下,增加了人們利用電動汽車作為需求側調峰的手段,進一步弱化了燃氣電廠的價值,對其造成巨大沖擊。

4. 中國成為能源革命的領導者

2011年,盧安武博士和落基山研究所的六十多位同仁一起出版了《重塑能源:新世紀的能源商業解決方案》,并于2015年出版了該書的中文版。該書聚焦于美國如何在2050年傳統能源枯竭之前,在交通、建筑、工業和電力四個領域重塑能源消費與生產模式,實現向新能源時代的全面轉型。通過200%的能效提高和四倍于2010年的可再生能源裝機規模,美國到2050年可以實現158%的經濟增長,而可以不再使用煤炭、石油與核能,僅依靠少于2010年三分之一的天然氣消費。同時,美國可以節約5萬億美元(2010價)的能源服務成本,并降低85%的碳排放。到2050年,由于美國80%的電量將由可再生能源提供(其中50%為分布式能源),能源的高自給率也進一步增強其國家能源安全。更重要的是,這一能源重塑過程將主要通過節能與可再生能源項目的經濟性而由企業自發完成。

受美國能源重塑成果的鼓舞,國家發改委能源研究所聯合美國勞倫斯伯克利國家實驗室、落基山研究所和能源基金會(中國)三家國際機構的50多名行業專家,經過通力協作,于2016年的杭州G20峰會上發布了《重塑能源:中國--面向2050年能源消費和生產革命路線圖研究》報告,這一歷時3年的創作成果已于2017年出版成書。

該報告的研究結果表明,中國完全有可能以技術可行、經濟合理、社會可接受的方式,通過重塑能源生產和消費體系,在2050年實現經濟總量增長587%,化石能源消費降低62%(其中83%來自電力部門),煤炭消費降低80%,碳排放減少42%,單位化石能源創造的GDP提高12倍,合計降低21萬億元人民幣(2010年價)的能源成本。

盧安武博士認中國的起點與美國不同,中國經驗表明中國能夠以非凡的速度推廣創新技術。過去十年內,強補貼和政府支持幫助中國可再生能源裝機增加了223GW;今年年底,中國計劃建設多條特高壓連接三北可再生能源至負荷中心。未來,中國有望通過電力市場化改革提高電力系統效率。落基山研究院的仿真調度已幫助吉林省的棄電率從31%降到17%,如能將這種市場機制擴大至全國,將幫助中國將棄風率降低至5.5%,棄光率降低至2.8%,為中國電力部門每年節約100億美元。

與會者感謝盧安武博士的精彩分享。俱樂部總裁陳新華博士對盧安武博士的發言進行了總結。他指出,與6年前的演講相比,盧安武博士帶來了幾個新的進展:

" 一是美國正在沿著他2011年"重新發明火"所描述的路徑前行,并在能源安全與碳排放方面取得了很大成就;

" 二是在美國能源重塑的基礎上,落基山研究院團隊也做了中國和印度的路徑設計,給出了非常樂觀的能源革命前景;

" 三是鑒于可再生能源、儲能技術、材料技術以及數字化技術的最新進展,中國與世界的能源革命擁有了更好更多可以選擇的技術。

" 四是能源創新理念的更新。傳統的能源創新大都集中在供應側,對終端用能側重視不夠,而終端節能能夠在資源端產生巨大的倍增效應。盧安武博士基于終端用能側的"一體化全方位節能設計"理念給全球能源轉型和中國能源革命提供了新思路。

俱樂部名譽理事會副主席周大地等近30位嘉賓就能源轉型相關的各種技術問題與盧安武博士開展了討論。




責任編輯: 江曉蓓