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未来主要发电方式会是什么?

2021-2-22 11:30 热度: 27 责编:一朵梨花压海棠

未来主要发电方式会是什么?

作者 / 右手辰

回答这个问题的前提是要先确认一下「未来」有多「未来」,「主要」是多「主要」。如果将来真的有一天人类和霸天虎共存了,或是小行星撞击地球带来新的能源形式了,那恐怕到时连人类是不是还需要发电都是个疑问。不过,从目前的情况来看,照这个趋势下去,接下来发电形式的变化应该是:大型火电稳中有降,可再生能源发电强势提升

  1. 可再生能源怎么就要强势提升了?

其实,从电力革命发生到今天不过也就 200 年,这在人类的历史上可以说是相当短暂了。从欣喜地发现电能并充分利用,到开始反思其生产过程对地球环境的影响并在合理的范围内加以引导,人类社会一直都在相当积极快速地应对各种变化。

近年来,这种「应对」的具体表现就是绿色清洁的可再生能源的发电装机量呈现大幅攀升的趋势。具体可以看看下面的图表。

来源:国际能源署,Renewable Capacity Statistics, 2017

什么是可再生能源不用再过多解释了,风能、太阳能、水能、潮汐等等在自然界可以循环再生的能源都算可再生能源。苏轼在《前赤壁赋》里不是也写了嘛,「江上之清风」是「取之无禁,用之不竭。是造物者之无尽藏也」。

现在,许多可再生能源都能用来发电了。比如那些屋顶上闪闪发亮的太阳能板,那个就是受惠于「造物者之无尽藏」的一个例子。

虽然可再生能源发电受环境条件限制较大(例如风电、光伏和水力发电等都要有相应的自然资源),而且部分可再生能源的电力供应不够稳定且品质较低,但是这种发电形式胜在清洁没有碳排放。所谓「一美遮百丑」,站在「减少温室气体排放」这个全人类的长远目标上来看,零碳排放的可再生能源发电将随着技术进步、配套系统完善以及社会接受度的逐步提高而一点点占领发电市场的高地。或许有一天,它会取代现有的化石能源,成为未来的主要发电形式。然而,截止目前,由于历史、商业及技术等原因,传统化石能源在发电市场的应用仍然较为普遍,而可再生能源发电则依然处在发展前期阶段。

当然,就算我们只看现在,可再生能源也已经开始对现有能源体系产生颠覆性的影响

来看一组来自彭博新能源财经的数据。传统化石能源在一次能源消费中所占的比例不断降低,而非化石能源消费占比在 2010 年后增速提升。在全球范围内,仅从 2007 年到 2016 年的十年间,风电的装机量就增加了 20%,而光伏发电的装机量增长了 47%。预计到 2050 年,传统化石能源在能源消费中的占比将低于 30%,而对可再生能源的利用将超过 60%,彻底占据主导地位。

其实,电力市场版图的变化实质上只是全球能源转型的其中一个体现。发生这种变化的根本原因是全球范围内对减少温室气体排放的要求

众所周知,自工业革命以来,以化石能源为主的消费结构带来了巨大的环境问题。而可再生能源由于潜力大、前景好、储量优和污染少等传统化石能源无法相比的优势,正成为全球能源转型的核心。因此,加快推进可再生能源的利用及提高能源效率已然成为普遍共识。

然而,在应对由温室气体排放造成的全球生态环境与气候变化这个问题时,仅仅将目光锁定在电力行业是不够的。

其他的能源应用领域,如工业、楼宇和交通等,还有更大的且未被充分考虑到的减碳空间。来自国际能源署的一份统计数据显示,按照不同的终端消费领域划分,从 2007 年到 2015 年,电力领域对全球碳排放量的贡献率约为 40%,而交通、工业和楼宇领域对碳排放量的总贡献却超过 50%。然而,在这三个领域中,清洁可再生能源的利用率不到 10%。因此,如果要完成以清洁和绿色为特征的能源转型,人类就需要寻找一种能使可再生能源应用于各个领域的方式。

目前,行业内已经有了一些可以用于替代化石能源的前瞻性方案。例如,有一个概念叫「Sector Coupling」。它是指以某种方式将能源领域及其它碳排放领域联系起来,通过协同合作来达到各领域内低碳甚至零碳生产的目的。具体怎么实现呢?举个例子。西门子有一个概念叫「Power to X」,Power 就是电力,To 就是转换,X 我们都知道是未知数,这里指的是「一切有价值的东西」。

具体来说,就是可再生能源(无碳能源)产生的电能除了可以直接用于取代化石能源发电,更多的电能还能够转化成化学能固定下来,再应用到其他领域。比如说,风力发电产生的电能中多余的部分可以用来电解水产生氢气,这些氢气可以和二氧化碳结合形成甲烷和甲醇,在吸收二氧化碳的同时,为工厂提供清洁而且便于运输的液体燃料和化工原料。

刚刚说的这个可不是在「画大饼」。在这里用一个实际案例让大家更直观地感受 Power to X 的概念到底是怎么实现的。请看下图↓

图里展示的是 2015 年西门子与合作伙伴在德国美因茨的 Energiepark 项目,一个 Power to X 概念的很好的落地示范。整个园区中安装了三台用来电解水制氢的西门子质子交换膜电解器,并以氢作为桥梁同时辐射了工业、能源和交通三个领域,使绿色清洁电能在不同产业内实现协调利用

展开讲讲,大家可以对照上图看下能源转化的路径。首先,园区内风机产生的电一部分被直接送入电网,另一部分用于电解水制氢。得到的清洁的氢气一部分注入当地输气管网,和管道内的天然气混合供用户使用,一部分会被运送至周边化工企业,还有一部分则会供给当地加氢站供氢燃料电池公交车等车辆使用。这样就实现了从一个 Power 到许多个 X 的转变。

「Power to X」中的「X」代表了无限的可能。随着越来越多「可能性」的涌现,我相信创新技术会帮助各行业推进能源的低碳转型,并同时带来全社会对可再生能源更进一步的大量需求,从而推动可再生能源发电在未来能源领域的发展。

2. 现在的火力发电技术还会继续发展

虽然刚刚说了很多可再生能源的事情,但并不是说我们要抛弃传统的火力发电。就像我之前提过的,就目前来看,这不太可能,现在市场里也依然是火力发电占大头。

因此,虽然我们要畅想未来,但我们同时也必须把眼前的事情做得更好,让现在的火力发电技术更高效和清洁。

我们以燃气轮机为例来展开讲讲。

燃气轮机具体是怎么回事我在这里就不做赘述了,感兴趣的朋友可以看下这个回答:

西门子中国:当「制造业皇冠上的明珠」遇上东方之珠,我们放出这篇干货满满的科普文

让发电技术更清洁高效主要指的是要不断提高燃气轮机的效率。更高效的燃烧室和传动设计,更可靠的密封和冷却,以及更优化的系统集成等等,各种或精细或大刀阔斧的调整已经让燃气轮机的效率不断提升。

举个例子,在 20 几年前,燃气联合循环电厂的效率还只有 50% 出头,而马上要在广东增城投产的中国内地首台西门子 H 级燃机效率已经超过 62% 了。

10% 多不多?我在别的回答中也举过这个例子。比如一样的面粉一样的馅,我只能包出 50 个饺子,换我妈来包就能包出 60 多个一样大的饺子,包 500 个饺子就能多出 100 个,5 万个饺子就能多出 1 万个,原来够养活 1 亿人的粮食,转眼之间就可以养活 1.2 亿了,原来 10 亿人民用电消耗的资源,现在发的电可以满足 12 亿人了!你说多不多?

华电广州增城蒸汽联合循环项目 1 号 SGT5-8000H 重型燃气轮机已顺利吊装就位。

想想看,从过去到现在,这些技术飞跃的背后要有多少勤(tou2)奋(tu1)的工程师啊……感谢所有默默奉献的人!相信在未来,火力发电还会迎来更多技术突破。

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说了可再生能源发电,说了火力发电,最后来总结一下吧。其实能源领域从来就不是一个喜欢彰显自己存在感的领域,它总是悄悄地、满怀激动地就技术突破了。很多人可能除了发现电费稍微便宜了一点以外不会有什么别的感觉……但就是这样的一个领域,让你能吹空调,能玩手机,能做各种各样的事情。所以,虽然它一直都「深藏功与名」,但是美好的未来,一定有它的一份贡献在。

来源:知乎日报

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