供暖需求阻碍脱碳之路？世界能源清洁化的机遇与挑战

2018年3月13日，彭博新能源财经资深撰稿人Michael Liebreich撰文，深度探讨了未来全球能源清洁化发展的趋势。他认为，到2040年，全球1/3的电力将由风电和太阳能发电提供，1/3的交通工具将使用电力驱动，同时，世界经济的发展将从每个单位能源中获取总量达1/3的GDP。但在世界向清洁化发展迈进的进程中，仍存在诸多的困难与挑战，需要世界各国在政策支持、技术发展等方面作出更多有益探索。以下为Michael Liebreich所撰文章节选。

我在稍早前的文章中曾谈到过清洁能源和交通运输领域在过去15年中的巨变。曾经，可再生能源被认为是“可以被替换”的能源类型，而今，其被认为是“新型正统能源”类型，并将逐渐占据能源系统的主要地位。到2040年，全球1/3的电力将由风电和太阳能发电提供，1/3的交通工具将使用电力驱动，同时，世界经济将从每个单位能源中获取总量达1/3的GDP。

事实上，我们也正在以超乎想象的速度步入这样“三足鼎立”的世界。且这样的速度似乎是不可阻挡的——风电、太阳能发电及电池成本的下降速度超过任何一家主流预测机构的想象，同样特朗普政府力求复活煤电的计划似乎也难以如愿所偿。

但负面消息是，即便我们正在以极快的速度向2040年“三足鼎立”的能源构架迈进，但这样的成效仍难以达到巴黎协定所设定的目标。目前，电力仅满足20%左右的世界终端能源需求。即便是增加乘用车和轻型卡车的燃料供给，电力也仅仅只能解决1/3的终端能源消费需求。

最值得引起注意的是，到目前为止，在工业、航空等交通运输领域，还没有任何关于如何协调经济与深度脱碳并行发展的正式概念被广泛推行。

热负荷

当我在3月初坐下来写这篇文章的时候，有“东方的野兽”之称的一股冷空气从西伯利亚席卷至英国，覆盖着整个大不列颠半岛的积雪使气温远低于冰点。当然这种情况并不经常发生，也许每十年发生1次或2次，但对于任何一个思考能源未来发展的人来说，这无疑是一个真正的挑战——英国经济发展中任何深度脱碳的解决方案都是关于如何应对这头来自东方的“野兽”。

即使是在正常年份，英国冬季的热负荷(夏季的几个月份几乎为零)都将达到峰值——这是该国电力负荷的六倍，并且热负荷曲线几天内就能上下循环三次。

如果计划依赖于电气化实现零碳供暖，不仅需要考虑更换国内所有锅炉和商业暖通空调系统、电暖器和热泵，所需的巨大成本，同时，还要考虑到发电能力、电网基础设施和电力储存方面所需的投资。在2016年政策交易所估算该笔费用将高达3000亿英镑(按当前汇率计算为4200亿美元)。

在阳光明媚的天气，太阳能加电池的组合基本能够满足相当大比例的用电和供热需求(或更有可能是制冷)——太阳能发电或许只需要几天的存储量，并且根据电池成本的下降曲线，即便是电池化学在短期内还未有突破性进展，这样的组合都更具经济性和环境效益。

尽管享受着非常低成本的页岩气，阳光明媚的美国各个州正在上演着太阳能发电与电池组合和天然气发电之间的竞争——尽管目前太阳能发电投资设有税收抵免，但补贴的缺失仍是光伏发电发展的一个制约因素。

然而，在北纬40度左右的地方，太阳能发电可能在夏天生产极具经济性的电力，而其产量却在冬季急剧下降。以位于伦敦某住宅区屋顶光伏为例，其冬季的电力生产能力仅为夏季的1/13。

尽管太阳能发电有诸多的优势，但其却并不能完全承担英国全境的供暖需求。当然，特高压直流输电技术使得从南欧或非洲等地远距离输送电力到英国得以实现，但特高压直流线路的成本，以及伴生的可能存在的风险等都需要审慎考虑。

那么改用风电?其输出功率在冬季明显提升，符合供暖需求曲线，但风电的间歇期有可能会持续几天甚至几周，并通常出现在低温天气。因此风电配储能的经济性和技术要求显然与光伏配储能不可相提并论。

尽管彭博新能源财经预测，全球的电池安装量都在迅速增长，但到2030年，所有与电网相连的电池总容量仅可满足全球7.5分钟的电力需求;即便将每辆电动汽车和轻型卡车的电池容量都算在内，也仅可以满足几个小时的电力供应——不是几天，不是几周，更不是几个月。然而，这仅仅是与用电负荷作比较，而英国的热负荷是电负荷的6倍。

当然，将不同的可再生能源有机结合将对深度脱碳提供很大帮助。从理论上讲，可以建立一个充分利用任何可调度的可再生能源的系统，主要以生物质发电和水电来为风能和太阳能的间歇作补充，这其中也包含有电储能，以此来满足英国在所有天气条件下的能源需求。

但与此同时，发电成本也会随着可再生能源渗透率的增加而以惊人的速度上升，甚至可以增长60%。即使是美国这样享有多样化可再生能源的国家，目前也正在探寻如何更好地利用和统筹多种可再生能源发电的路径。

近期美国一位100%推崇可再生能源发电的学者指出，由21位专家学者提出的，将美国现有的水电资源利用率提升15倍，作为低风速和低光照时期的备用电力，其不菲的成本将大大降低此项举措的经济性和可行性。

但这是否意味着，供暖需求将使我们背离脱碳之路?也是否意味着我们离“三足鼎立”的“理想国”越来越远?并不全然，即便我们将所有的希望都寄托于可再生能源，这里仍存在很多的可能性促使我们实现深度脱碳。

建筑能效

首先，我们都需要开始认真考虑建筑物的能效。这里所指的能效主要包括绝缘性，气密性，以及良好周到的建筑物设计。提高能效并不需要给建筑增加太多的建设成本，甚至在有些情况下，不需要任何的额外成本支出。

十年前，我从来没有听说过被动式(PassivHaus)房屋建筑标准，然而十年后，几乎所有的新建建筑都在通用这个标准。实际上，使建筑物生产更多的能源，来抵消其所消耗的能源，以公共事业收入平衡其支出的能源消耗成本是完全可行的。这只需要应用我们所熟知的技术和技巧。

虽然老房翻新困难重重，但重要的是，任何时候一个建筑物进行深度改造，都是力求将其能效提高到最高水平。一旦所有的新建筑物和深度改造都恰好完成，那么近20年内的供暖挑战将被削弱近半——更多的供热负荷将能够以电能替代的方式来满足，主要包括使用空气源和地源热泵。这已经在挪威和日本等国的低温地区普遍施行。

同时还有其他新技术——很多创新型新技术研发公司正在致力于热电池、相变材料的使用、盐的利用，以及智慧热力学等技术的研发，甚至是混凝土保温水箱。Drake’s 太阳能社区已经实现了冬季95%的供暖需求由夏季采集的太阳能进行供给。

也因此，使用固体、气体甚至是液体能源满足世界绝大部分供热需求，具有重要意义。因为这些物质比电力更容易大规模地储存，以应对季节性和弹性需求。电力总是需要借助工业技术达到一定周期内的实时平衡，但关键问题是如何使它们成为真正的零碳排放。

地处温带气候的国家和地区，如英国、北欧、新英格兰、加拿大、前苏联和北亚，很大一部分供暖负荷是通过沼气或生物质来满足，而实践证明，最有效的方式是热电联产。

虽然在现有的社区很难增设区域供暖，但是该项技术在瑞典已经普及。自1960年以来，每十年就有10%的新增瑞典家庭使用区域供暖，到目前为止，已有超过半数的家庭接通区域供暖。

因此我有这样的想法——既然我们不得不增加本地电网的容量来为所有的电动汽车充电，那么，结合新的基于生物质的热电联产，配以大容量的电池储能满足本地的供热需求，以提供电网服务和提高能源密集型行业的恢复能力为目标，同时减少对配电网的投资需求，是否会成为未来的发展趋势呢?

氢能利用

当没有充足的沼气供应，化石能源仍是运行热电联产的不二选择，它的效率可高达85%，但不是“零”碳。

若想达到化石能源零碳排放，则需要使用碳捕获和储存(CCS)技术。但需要明确的是，在没有碳价格的制约下其是不可行的。在不考虑资金成本的前提下，微型热电联产具有强大的吸引力，即使是在有碳价格的制度存在下，对于如何捕捉来自分布式排放源的排放仍然存在一定困难。这就引出了氢能的使用——在不造成任何污染物排放的前提下提供所需能量。

根据彭博新能源财经的预测，电池电动汽车可以在有充足电力供应的条件下，满足用户对于出行的任何需求，并且在未来五六年没有补贴的情况下，其对于用户而言，在市场上仍然具有与大多数内燃机交通工具相比极佳的成本竞争优势。

那么又为什么要浪费一半的电力来进行电解氢，压缩并储存，用以氢燃料汽车的用能呢?如果只关心充电的时长，那么对于习惯于长途驾驶，并利用夜间充电的美国人来说，这基本上不算是个问题。因为大多数人都不想每隔几天去一趟氢站，以此来避免在长途跋涉期间可能会出现的为时仅20分钟一次的充电过程。

因此，通常行驶里程超过300英里的商用车辆，基本均采用电来驱动。在船舶、跨大陆列车、长途卡车以及叉车等交通工具类型，氢能才能显现出其所具有的价值和意义。