中国计划减少煤炭使用,推动绿色发展 | “自然聚焦-中国清洁能源”增刊
中国正努力减少对化石燃料的依赖,而储能技术创新正是这项任务的一大支柱。
doi:10.1038/d41586-020-02464-5 | 原文链接


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中国广东省河源市附近的风电场。 来源:Haitong Yu/GETTY

在全球能源排行榜上,有一个国家脱颖而出。作为世界上最大的能源消费国,中国去年的能源需求量接近33亿吨油当量。2011年以来,中国燃烧的煤炭总量超过其他所有国家的总和。中国对这种化石燃料的依赖也在加大:中国排放的温室气体约占到全世界的四分之一,是占比最高的国家。

不过,这些数字只代表整体情况的一部分:中国同样也是全球最大的风能生产国——产能是第二名美国的两倍多。中国还贡献了全世界太阳能发电量的约三分之一,去年建设的太阳能系统数量领先其他任何国家。

过去几十年来,中国的人口和经济快速增长,超大制造业崛起,大批人口迁移到灯火通明、集中供暖的城市,这些都让中国变成了一个能源需求大国。意识到这种需求以及长期依赖化石燃料所存在的危害后,中国政府为解决国内能源需求制定了多项计划。电池技术、太阳能光伏以及能源管理这些领域的科技发展成为了这些计划的核心内容。

降低净能源需求并未列在计划中,即使中国的能源结构正在发生转变。根据能源公司BP的数据,中国在2018年占到了全球能源消费的24%。BP估计到2040年,中国仍将位居首位,预计占全球能源消费的22%。

中国在可再生能源领域的投入是巨大的,2015年的投入占到了国内生产总值(GDP)的0.9%——排在智利和南非之后的第三位,智利和南非分别都投入了GDP的1.4%。不过,中国2019年的能源消费依然只有23%来自“清洁”能源(包括天然气),而将近58%的能源全部来自煤炭。(剩下一部分能源主要来自石油与核能。)


 ——— 对抗污染 ———


通过烧煤和其他不可再生能源来填补国内的能源需求已经产生了一个显而易见的问题——北京等大型城市常常被雾霾笼罩。2013年,中国部分地区的空气污染如此严重,以至于媒体称其为“空气末日”,市民必须忍受的颗粒物水平是世界卫生组织认为的安全值的30倍。尽管付出了巨大努力,目前仍有48座中国城市位居全球100座污染最严重的城市之列。


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一名员工在中国南京某工地的风力发电机上工作。 来源:Ji Haixin/VCG VIA GETTY

这种程度的污染迫使国家不得不采取进一步行动。2016年12月,中国政府出台了可再生能源发展规划,作为2016年初提出的“十三五”规划(2016-2020年的整体社会经济发展计划)的补充。规划承诺到2030年,将可再生能源和非化石能源的消费占比提升至20%。李克强总理的这项庄严承诺将对因为依赖煤炭所造成的空气污染和水污染击以一记重拳。

固态锂电池研究员李泓说:“发展廉价的太阳能和风能,用来替代化石能源已经成为中国治理空气污染的核心能源策略。”李泓来自中国科学院物理研究所下属的清洁能源重点实验室,他参与编写了发展新能源技术的国家计划。他还指出,可再生能源的发电量取决于能获得多少太阳能或风能,因此不像燃煤电厂的发电量那样稳定。

李泓认为在电网中并入太阳能和风能比并入煤电更难。可再生能源的“可靠性略差,如果没有先进的控制系统,可能会导致电网不稳定”。

举例来说,在中国西北部日照足、风力大的新疆和甘肃省,两地2017年的可再生能源发电量有30%以上未得到使用。这是因为这些能源无法被输送到有需要的地方去——几千公里以外的东部特大型城市,比如人口密集的上海和北京(见“减少能源浪费”)。

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来源:美国能源部/中国国家能源局


面对这种两难处境,中国政府在高压线上投入了几十亿美元,将阳光充足、多风地区发的电在广袤的中国大地上输送,包括一条造价226亿元人民币(约合32亿美元)、起于中国西部青海省的全长1600公里的高压线。该线路已于5月完工,途经甘肃,最后抵达中部的河南省。

另一种确保可再生能源发电能在需要时被使用的方法是提高储能技术。这可以通过蓄电池、抽水蓄能水电和储热等技术加以实现,香港清洁能源咨询公司Energy Iceberg创始人Yuki Yu表示。

“电池能够储存多余电力,之后再释放出来。中国的官员和科学家已经开始意识到这对稳定电网具有重要意义。”大连化学物理研究所储能技术研究部部长李先锋说。

2017年,中国发布了首个关于储能的国家政策文件,强调要开发出能够储存更多电能、更廉价、更安全的电池,进一步提高对所产电能的储存能力(见“中国大力发展电池储能技术”)。涉及技术包括电动汽车使用的锂离子电池,以及与风能和太阳能发电相结合的大型固定蓄电池系统。

政策制定者在计划中明确指出,全国科学工作者和工程师需要研发出性能更高的储能技术,来实现这些目标(见“绿色科研发展”)。

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      来源:电池升压:中关村储能产业技术联盟;绿色科研:INCITES数据库,Web of Science


——— 储电行动 ———


中国东北辽宁省大连市约有700万人口,也是李先锋研究项目的试验点。他说,大连冬季气温可降至零下20°C,市民调高供暖会引起供电需求猛增,让城市电网承压。

为了满足这一需求,大连化学物理研究所组建的融科储能公司计划今年在大连投运一个 规模400兆瓦时(MWh)的储能电站。该电站只是第一阶段,整体计划是到2023年建成规模达800兆瓦时的电站,并使用钒液流电池——一种能在大储罐中储存电解液的可充电装置。最终容量应能满足辽宁省用电总需求的0.5%左右,而大连是辽宁省第二大城市。

李先锋认为该计划能为大连提供不间断电能,同时还能储存并调节整个辽宁省电网的能源供应——辽宁省有16.2%的电力来自可再生能源。各省使用可再生能源的比例差异较大,比如中国南部江苏省的使用量为2.7%,但在阳光充足、人口稀少的内蒙古达到了30.1%。在辽宁省的周边省份,吉林省有8%的电力来自非化石燃料,河北省的比例是9.1%。

在并入电网等大规模应用上,李先锋正在大连测试的这种钒液流电池比标准锂离子电池更具优势:由于钒电解液被储存在一个罐中,它的规模化比分散的锂离子电池更便宜。此外,钒电池更不易燃,使用寿命也是锂离子电池的十倍左右。

李先锋表示,在最近几年里,他的钒液流电池研究得到的资助出现了骤增,越来越多的企业有意与他的团队合作。他说,大连化学物理研究所目前正与约30家研究所衍生的公司合作。

他说:“企业如今对开发这项技术很感兴趣,因为他们知道政府对此也很关注,因此投资信心很足。”

Yu说当地政府现在很支持企业建造电池储能设施。“就在政策制定者到处寻找刺激当地经济增长的新渠道时,电池制造业看起来前景广阔,因此政府也积极鼓励这类投资。”

——— 驱动改变 ———


2016-2020年的五年规划还强调科研人员要继续攻关电池技术,让电动汽车充一次电的续航力更久。中国最畅销的电动汽车是特斯拉的Model 3,续航里程约400公里(大部分现代电动汽车的续航里程在160公里到600公里之间)。

“研发电动汽车也是治理污染的另一个重要策略,尤其是当电力来自清洁能源时。为此,我们需要开发电动汽车的电池技术。”李泓说,他注意到国内的储能、电动汽车和其他技术的研究经费在2012年出现了增势。不过,他也指出,中国在储能基础研究方面仍处于跟跑阶段,而欧美顶尖实验室在基础化学和材料科学方面都处于领跑阶段。尽管如此,他认为中国更关注如何利用现有知识,在先进电池系统领域实现创新。而从大学院校到产业团队的全国科研规模,有利于国内科学家更全面地理解如何才能开发出现实世界需要的材料和装置。

——— 未来规划 ———


中国的部分电价在发达国家中处于最便宜的一档。电价由当地政府制定,再交由国家发改委能源局批准——国家发改委专门负责宏观经济政策。把电价控制在较低水平可以刺激经济增长。

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                                                                  来源:Polaris Power Network / shoudian.bjx.com.cn


虽然有这方面的刺激作用,但中国已经逐步停止对清洁能源的补贴:比如,中国决定今年之后停止对陆上风电的补贴。中国的领导层希望在不久的将来,可再生能源对化石燃料具有经济上的竞争力。而答案就在于开发出更强大的储能基础设施。

李泓是中国能源研究会储能专委会的顾问。专委会正在与工程师和政策制定者合作制定一项将于明年启动的五年研发计划。除了其他目标,计划还将鼓励科学家为电网开发出本质上更安全、更经济、使用寿命更长的储能技术。

南京航空航天大学能源与动力学院的太阳能研究员刘向雷表示,他所在领域的科研人员可以获得经费,为提升中国的清洁能源产量出力。刘向雷说:“政府决定转向更清洁能源的宏伟目标,意味着会有大量经费投入。”

例如,刘向雷去年获得了国内主要资助机构国家自然科学基金委员会130万元的研究经费,用来提升太阳能热发电站所用材料的储热能力,太阳能热发电站利用太阳的热能发电,而不是像光伏板那样利用太阳的光能。中国6所学术机构的40名科学家参与了这项为期5年的项目。刘向雷最近还开始与南京金合能源材料公司合作,开发一种储能密度大、热导率高的材料。

南京金合能源材料公司研发中心主任金翼表示,由于政府计划减少对可再生能源公司的补贴,管理绿色电厂的企业热衷于购买或投资能增加产量、减少生产成本的技术。

金翼说:“我们的技术可以提高可再生能源的稳定性,因此能提升电站效率,削减成本。”

整体而言,李泓相信政府投资和科学进展会带来回报。“只要我们运用正确的政策和技术加以支持,”他说,“我们就能逐步减少对煤炭的依赖。”


Sarah O’Meara是伦敦的一名自由撰稿人。

Kevin Schoenmakers对本文的研究亦有贡献。


原文以China’s plan to cut coal and boost green growth为标题发布在2020年8月27日出版的《自然》增刊“自然聚焦 – 中国清洁能源”上。

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Nature | doi:10.1038/d41586-020-02464-5

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