能源“冷兵器時代”超乎想象

時家林

能源是人類文明的基礎支撐之一。過去一個多世紀，以煤、油等化石能源為主的能源，使用方式是以燃燒、高溫高壓的方式為主，這可以稱為“火藥時代”?！盎鹚帟r代”雖然成就了人類今天的輝煌，但也帶來了嚴重的環境問題。而近代以風、光為主的新能源的出現，改變了過去的用能方式。新能源時代正在加速到來，速度將超出多數人的想象。

人類已經歷了三次工業革命。前三次工業革命，人類從掌握薪火到發掘煤炭、再到開采石油，一直是通過燃燒的方式駕馭化石能源，這種能量轉換是一個“高溫高壓”的過程，釋放能量的同時也帶來了污染。今天“第四次工業革命”已經在全球展開，這是一場以新能源、人工智能技術為代表的全新革命。風能吹動葉片做功產生電能，光伏則通過半導體硅片將光能直接轉化成電能，這些過程都是在常溫常壓下完成的，沒有碳排放、溫升和環境污染。

新能源替代化石能源，其實質就是能源利用從“火藥時代”進入“冷兵器時代”，這是一場能源利用的綠色革命。

新能源替代化石能源已到臨界點

目前中國能源還處于“火藥時代”，2018年一次能源消費是34.4億噸標準煤（相當于11.45萬億千瓦時電量），非化石能源在一次能源消費占比僅為14.3%，其中以風光為主的新能源占比僅為4.2%，但風光等新能源的發展態勢大大出乎我們的預料。

（一）過去十年“冷兵器”飛速發展

——規模增長快。截至2018年底，中國發電裝機容量約19億千瓦，其中風電及光伏裝機規模突破3.5億千瓦，占比達到18%，發電量占比約8%。2010年底，新能源裝機僅有3000萬千瓦，發電量占比還不足1%。2018年全國新增裝機1.24億千瓦，其中新能源就達到6500萬千瓦，超過50%，已經成為名副其實的主力能源。

——成本下降快。2010年，風光發電平均度電成本在1元時以上。到今天，在國家政策支持及技術持續進步的共同作用下，新能源成本實現了加速下降，其中，在風光資源豐富的內蒙古、青海等西北區域，風光發電平均度電成本已經降到0.3元以下，已經低于或接近煤電成本價格；而在墨西哥、巴西、沙特等風光資源豐富的國家，這個價格已經降到0.2元。

（二）新能源示范項目昭示良好前景

中國內蒙古、青海等風光資源豐富的地區，規?；_發已經具備平價條件。去年底，由國家電投負責的全球最大單體風電工程——內蒙古烏蘭察布600萬千瓦平價上網示范項目獲得核準。該工程不需要國家補貼、與煤電同價上網，直接送至京津冀地區消納。預計年發電量約200億千瓦時，可替代煤炭消耗650萬噸，進一步改善京津冀環境質量。

青海海南州千萬千瓦水風光互補清潔能源項目，將青海省優質的水電、光電、風電打捆綜合調節，通過特高壓送至河南省消納，僅需要國家新能源補貼0.03元-0.04元/千瓦時，較河南省新能源補貼標準大大降低（河南光伏補貼在0.3元/千瓦時左右）。

（三）新舊能源交替進程會大大加速

2018年全球電力裝機規模預計達到70億千瓦，其中風、光發電裝機12.7億千瓦。2018年新增發電裝機2億千瓦，其中風、光裝機1.7億千瓦，占比達到80%以上，已成為全球主力增量能源。

2015年底，英國關閉了最后一個深井煤礦，2025年英國將關閉所有燃煤電站。2017年美國加州清潔能源占總發電量比例已達到33%，到2040年關閉所有燃煤電站。德國計劃2038年關閉所有的燃煤電站。中國政府宣布，非化石能源占一次能源消費比例在2030年、2050年分別達到30%和50%。

從全球發展趨勢上看，新能源發電成本接近或低于煤電成本，已進入新能源替代化石能源的臨界點?！袄浔鲿r代”替代“火藥時代”的能源變革進程會大大加快，就如數字成像技術對膠片的替代，實現各國提出的可再生能源替代化石能源的目標還會大大提前。

“冷兵器時代”來臨

隨著人類文明的演進和技術進步，每次工業革命都較上一次的周期大大縮短，這次“冷兵器時代”替代“火藥時代”的能源革命同樣也是這樣。

雖然新能源替代化石能源已到臨界點，但尚需解決新能源自身的一些弱點，比如中國新能源富集區域主要集中在西北部，且隨著光照、風力強度大小的變化，不能像火電一樣可隨負荷大小調節等等。只有解決了這些問題，才能真正實現新舊能源的替代。

隨著第四次工業革命而來的新能源技術和新材料技術的不斷進步，特別是電動汽車的普及，為電能規模儲存找到了一條新路徑，帶來的是電力系統顛覆性變革。一個“冷兵器時代”正日漸清晰，展現在我們面前。

（一）實施清潔能源的“空間轉移”

新能源取代化石能源，首先要有足夠的風光資源且價格要有競爭性。中國青海、西藏、內蒙古等西北部地區有著豐富的風光資源，但遠離東部經濟發達區域。以青海柴達木盆地為例，土地面積25.9萬平方公里，如果全部進行光伏開發，理論上光伏發電裝機可達到100億千瓦以上，年發電量在20萬億千瓦時以上，可遠遠滿足全國的能源需求（2018年全國一次能源消費是34.4億噸標煤，折算成電量為11.45億千瓦時）。該地區光伏資源豐富，年發電利用小時在2000小時以上，2023年前后度電開發成本預計可以降到0.2元，通過特高壓送到東部地區（輸電費用預計在0.1元/千瓦時），比東部地區煤電價格還要低（山東、江蘇、浙江等東部省份的煤電價格都在0.4元/千瓦時左右）。

相比西部，東部發展新能源的土地不足且風光資源較差，不具備經濟性。前文談及的內蒙古烏蘭察布、青海海南州新能源示范項目也充分論證了新能源“空間轉移”的可行性。

通過規?；?、集約化在西北部開發新能源大基地，利用特高壓送到負荷集中區域，不僅可以加速對化石能源的替代，而且對改善中國東西、南北經濟社會發展的不平衡，具有重大的戰略意義。

（二）實施新能源的“時間轉移”

電力系統一直以來都是發、供、用同時完成，電力是不可儲存的?；鹆Πl電系統可隨負荷大小自動調節，但是新能源是間歇性、不可調節的。當新能源在電力系統處于輔助地位時，由火電承擔主力電源并對系統進行調節是可行的。如果新能源替代化石能源，擔當電力系統的主力電源時，就必須解決好隨負荷調節的問題，這是制約新能源發展的最大瓶頸。隨著一種新的儲能方式的日臻成熟，這個問題將得到徹底解決，就是電動汽車的普及應用。

中國目前的電力最大負荷約10億千瓦左右，如果選擇在電力供應側部署儲能系統，不僅規模龐大、系統復雜，而且投資需要萬億級以上，成本高昂不經濟。但是在消費側，隨著電動汽車的普及，電動汽車本身可成為規?？捎^且經濟高效的儲能資源，具有巨大儲能應用潛力。目前，全國汽車保有量在2億輛左右，如果全部更換成電動汽車或氫動力汽車，按照單車儲能容量80千瓦時，放電功率5千瓦，可為電力系統提供瞬時功率10億千瓦，理論上可以作為電力系統儲能調節裝機，可滿足新能源為主的電力系統調峰需求。電動車的分布與經濟發展存在正相關性，且每臺車單日有效行使時間有限（平均約2小時），大量時間在閑置狀態，完全可以把電動汽車這種分散式社會資源充分利用于電力系統，大大提高社會資源的利用效率。

當前，電動汽車僅是從電網獲取電力，也就是充電模式，但是隨著電池容量的加大，技術的發展，成本的降低，電動汽車將具備向電網售電的條件，超越交通工具的單一功能，成為流動的儲能電站。下一步要做的：一是電動汽車的全面普及，實現所有的停車位100%充電樁覆蓋；二是依托大數據、云計算、智能網聯等技術創新與應用，實現電動汽車充放電的自動化模式，并與電力系統一起構建智慧能源系統；三是創新商業模式，通過差異化充放電價等措施，讓利于電動車主，這樣在不額外增加社會成本的情況下，與大規?？稍偕茉葱纬晒┬鑵f同，實現能源的“時間轉移”，加速中國能源結構轉型。

氫能：新能源的生力軍

氫能利用的核心是燃料電池技術的成熟。日本豐田Mirai氫能汽車功率密度已經做到3千瓦/升，加滿5公斤氫氣，可以行駛500公里以上，運行經濟性已經接近傳統汽油車。氫能汽車具有續航能力強、加注燃料（氫氣）時間短、完全“零排放”等優點，更適用于公交車、重型卡車、長途車等。

以新能源為主構建電氣化社會，實現動力、供冷、供暖的全面替代，最難替代的就是交通動力。燃料電池的出現，徹底打通了新能源替代化石能源的最后一個環節。

氫能可由新能源發電并電解水的方式完成，綠色環保、簡單易行并具有經濟性。氫能有巨大需求量。以北京為例，如果投入1萬輛氫能公交車運營，一年用氫量約5萬噸，用電量是30億千瓦時（2018年北京全年用電量是1200億千瓦時）。氫能巨大需求量及特點，可以作為新能源為主的電力系統的調節器。當系統中風光充沛時，可將電能轉化成氫能并儲存起來，滿足交通動力等用能需要；當風光不足時，也可將氫能轉化成電能（與上述電動車原理類似），補充電力系統的電能不足，助力新能源的“時間轉移”。西部豐富的風光資源也可以用來就地制氫，通過管道送至東部地區，助力新能源的“空間轉移”。

隨著新能源、特高壓、儲能及氫能技術的發展，中國風光資源將實現更大范圍、更高效的配置，可充分利用不同地區能源的資源差、時區差、季節差及價格差，打造一個全面電氣化的能源系統；可以將荒漠、戈壁、高原等無人區開發為新的、零污染的“電氣田、氫氣田”，以替代傳統的“煤田、油田和氣田”，開啟人類大規模清潔用能的新紀元。

“冷兵器”將創造奇跡

“冷兵器時代”大大提高電力系統效率。傳統電力系統是發、輸、用同時完成，發電規模按照最大負荷來配置，輸電線路從安全角度考慮，需要考慮備用線路和容量，整個電力系統效率很低。廣泛應用儲能技術后，電力供需只需滿足能量平衡，功率平衡則由儲能調節，可以減少電源和電網一半以上的投資，使電力系統大大簡化，效率大幅提高。

“冷兵器時代”是全面電氣化時代。不僅在供給側是一場非化石能源全面替代化石能源的革命，對于消費側，也是一場能源革命。電能和氫能以“人工智能電動汽車、高鐵機車等的大量應用，以及熱泵空調廣泛應用對能源利用效率的大幅提高”為標志，實現在消費側領域對化石能源的全面替代。

“冷兵器時代”超乎你的想象。進入“冷兵器時代”，零邊際成本的新能源大規模使用將帶動用電成本下降，電能的替代優勢逐步凸顯，前兩次能源革命（以煤、油為標志），替代能源的價格都是上升的，而新一輪的能源革命帶來的是能源價格的持續降低。一是替代速度超乎想象，預計2030年中國將實現增量100%清潔替代，消費側電氣化水平超過30%，電能超越煤炭成為終端消費主體能源；2050年實現大部分存量清潔替代，非化石能源在能源需求總量和電力需求總量中的貢獻率分別超過90%和100%。二是替代的效果超乎想象，以電代煤、以電（氫）代油首當其沖，預計到2030年煤改電每年可減少2.5億噸煤的直接燃燒，熱泵將是未來以電代煤的主要方式；到2030年以電（氫）代油僅在交通領域每年可減少4000萬噸交通石油消耗，中長期來看，電（氫）動汽車將是未來以電（氫）代油的主要途徑。三是拓展人類的生存空間，不久的將來，人類利用充足、清潔、成本低廉的“冷兵器”，可以大規模實施海水淡化，變戈壁荒漠為良田，使“原來不可能的事變為可能”，為人類創造更好的未來。

對世界而言，“冷兵器”將構建起全球“綠色、低碳”的新的能源發展格局，并普及至整個社會，重塑全球工業體系，變革人類生活方式。對中國而言，“冷兵器時代”是中國產業結構調整和升級的絕佳機會，中國完全有能力率先實現“冷兵器”對“火藥”的全面替代，率先實現新舊動能的轉換，贏得“第四次工業革命”的主導權，走出一條具有中國特色的新能源發展道路，為構建“人類命運共同體”注入中國動力。

（作者曾擔任多家能源央企高管；編輯：馬克）