江億：我國城鄉能源系統低碳轉型路徑

能源轉型是從根本上解決能源安全、空氣污染和氣候變化三大問題的唯一方案。當下我國能源結構正加快從以化石能源為主向以非化石零碳能源（風電、光電、水電、核電和生物質能）為主轉變，面臨著零碳新型電力系統建設、零碳熱量供給系統構建、流程工業以低碳為目標的流程再造、以電氣化為主要目標的交通系統革命以及農村新型能源系統建設等五大主要任務。其中，面向碳中和的新型電力系統建設、熱量供給系統建設和農村新型能源系統建設是推動實現零碳能源系統的重要支撐部分。

 

一

 

零碳新型電力系統建設

 

未來風光（占比83%）為主要電源結構，其隨季節和晝夜波動的特征使電力供給量的不穩定性增強。因此，我國零碳電力系統面臨兩大問題：

 

01季節供需差

 

保留部分火電用于補充冬季用電缺口，且在其他季節電力短缺時也能作為供電保障。該部分火電主要燃料為煤炭、天然氣和生物質燃料，排放的CO2大部分可通過CCUS技術回收利用。

 

02日內逐時供需差

 

儲能（水電和抽水蓄能、空氣壓縮儲能、化學儲能、物理儲能）方式進行電力調蓄，可解決40%的調蓄任務，但成本高、資源短缺；采用“建筑+充電樁+電動車”模式（表1）的終端柔性用電方式具備更強的調蓄能力（60%）。再通過“光儲直柔”技術將上述終端柔性用電資源接入電網，同時采用動態碳排放責任因子激勵終端調節，從而保證系統穩定運行。

 

未來，新型電力系統將面臨從集中電源向集中與分布相結合的電源轉變；源隨荷變轉為荷與源協調，甚至荷隨源變；電網的調控保障將從完全依靠電源側的調節轉變為電源和終端共同承擔；集中和分布的儲能設施將成為保障電網穩定運行的重要支撐四大革命性變化。在此驅動下，需根據不同的系統結構和調控模式制定新的政策機制。

 

二

 

零碳熱量供給系統建設

 

未來熱泵和余熱是零碳熱力供給系統主要構成，滿足北方城鎮采暖、農村、工業用熱、生活熱水和南方采暖的熱量需求。熱泵主要從自然資源和民用、工業余熱等低溫熱源取熱提供熱量。其中分散熱泵通過提取空氣、地表水、土壤等自然界低溫熱量進行低密度熱量供應；集中供熱系統利用流程工業、核電、火電廠等余熱滿足高密度用熱需求（北方城鎮采暖、工業用熱）。

 

熱量供需方面仍存在時間不同步、地理位置不一致、熱量參數不一致等問題，建設熱量共享系統是主要的解決方案。通過跨區域熱網、跨季節儲熱和熱量變換，有望最終實現熱量供需相匹配。

 

三

 

農村新型能源系統建設

 

農村新能源系統建設是新型電力系統建設的開路先鋒，是零碳燃料的提供者，也是能源革命的始發地。建設以屋頂光伏為基礎的農村新型能源系統，推動農村全面電氣化和能源結構轉型，既有利于鄉村振興，也對完成電力系統革命和實現低碳發展至關重要。

 

在太陽能資源豐富的地區，充分開發利用各類屋頂資源，建成以屋頂光伏為核心，家用智能充電樁、直流用電末端及蓄電池為組成的家庭單元（圖1），并由眾多家庭單元和零散空地太陽能光伏等組成村級直流微網，滿足農村生活、生產、交通等全部用能。剩余電力可用于公用和送電上網，轉變成可調控的優質資源，實現光伏電力的有效消納。該系統已開始在山西芮城莊上村實行。建設成本方面，每戶折合投資6-8萬元（不包括電池），戶內用電免費，10-12年實現全部初投資的分期還本付息；村內直流微網工程投資約為300萬（100戶），除公共用電和上網送電外，電費結余收入可維持運行維護費

 

農村新型能源系統采用自發自用余電上網模式，通過光伏發電與儲能系統相結合（蓄電池），實現農村全面電氣化，可解決全國85%農村用能，并按照調度每年上網送電1萬億kWh以上，同時極大降低了煤炭、柴油、生物質燃料的使用量，有效改善農村空氣質量。

 

此外，農村豐富的生物質資源亦有零碳屬性。將生物質資源（秸稈、枝條、糞便等）加工成燃料，商品化進入能源市場，是其最佳的處理方式。相較于電力，生物質燃料更易于儲存、運輸，成為零碳能源系統的組成部分。

 

在滿足能源供給和經濟增長的需求下完成能源革命，將是一個有待深入探索的重大任務。能源革命應先立后破，通過建設新型電力系統、供熱系統和農村能源系統，構建城鄉新型能源系統；持續開展基礎研究和技術研發；調整能源相關政策和機制；加快產業結構調整；完善基礎設施建設，以最終實現能源轉型。