非洲大部分国家的理想能源是什么
太阳能和生物质能,非洲有种明星能源草叫象草,是理想的生物质能源。
非洲可再生能源现状
非洲的能源紧缺问题一直未得到解决。非洲人口占世界人口的15%,但用电量仅占3%,非洲农村居民中仅有10%可以用到电。在撒哈拉南部非洲国家,可再生能源的使用率很低。
水利
非洲可开发水利资源占全世界的10%(1100太瓦时),但是开发率却只有8%,约为93太瓦时,目前世界上前20大水坝中没有非洲水坝的身影。
太阳能
非洲太阳能资源丰富且可用度高。但在全世界15千兆瓦的太阳能光伏装机总容量中,非洲所占的比例微乎其微(15兆瓦)。南非有一些太阳能模组制造工厂,但它们的生产能力仅局限在几十兆瓦。
生物能
非洲各国对生物能依赖度很高,主要归因于他们非持续性的森林资源开发模式。生物能在某些国家占国家总能量的70-80%,甚至在一些农村地区能高达90%-100%。
大多数非洲国家制定了地区或国家性质的“生物能计划”,并且大部分项目在最近几年中已得到实现。主要投资方是外国投资者、国际非政府组织或非洲地方团体。投资模式可分为三大类型:
- 国际化模式:由私人企业领导,依靠国际化背景,大批生产和销售,主要用于出口。莫桑比亚是此类模式的典型。
- 小规模模式:家庭承担的农业生产,主要销售于当地市场。马里、布基纳法索、贝宁是典型代表。
- 合同模式:通过建立合同关系由小农业生产者承担的生产,成一定产业规模,产品主要内销或出口。马达加斯加为代表。
风能
风能在非洲发展范围有限,仅有部分地区大量使用:
- 南非:2008年建立了9兆瓦的风能发电站;
- 佛得角、肯尼亚:政府预计将在2012年前建立300兆瓦的风能发电站;
- 埃塞尔比亚:政府预计在2012年前建立120兆瓦的风能发电站。
主要的风力发电区域集中在沿海。
地热能
非洲地热能主要集中在东部地区,大约有1万兆瓦。肯尼亚和埃塞俄比亚是非洲仅有的利用地热发电的国家,大约占东非大约4%的发电总量。
气候变暖和可再生能源对非洲的影响
尽管非洲是释放温室气体最少的地区,却是全球气候变暖最大受害者,并且由于经济落后,相关防范措施缺乏,导致饮用水缺乏、干旱、农业产出减少等问题更显突出。
因此使用可再生能源对于非洲大陆来说也是其应对气候变暖的重要办法之一。
非洲可再生能源的未来
“非洲并不缺乏能源,只是能源没有被合理利用。”非洲史学家、政治家Cheikh Anta Diop于1985年在金沙萨讲过的话今天看来仍有现实意义。法国生态部长娜塔莉?科修斯柯?莫里塞如此评价,“非洲急需现代的、可靠的、清洁的能源,这是非洲发展的关键。”
非洲南部许多国家人民不能保证稳定用电,通过可再生能源的发展或许能帮助解决用电这个阻碍非洲国家发展的大难题。不少专家预测,假如电力问题得到解决,非洲的经济发展将增长两到三个百分点。
如今整个非洲大陆都在可再生能源上下了大赌注。南非在非洲国家中一马当先,预计在未来20年内在可再生能源上投资900亿美元,以求达到绿色可再生能源总量增长40%,国家总发电量翻番的目标。南非经济发展部长引用了邓小平的“摸着石头过河”来形容这项宏伟的计划。目前,南非已经开展了为12.8万居民安装太阳能热水器的项目,并计划建立5000兆瓦的太阳能农场。此外,风能、生物能都在南非政府考虑之列。
紧随其后的是北非国家,特别是摩洛哥。摩洛哥东部城市得士安(Tétouan)于10年前就建立了第一批风力发电场。后来在大西洋海岸陆续建立的另外两个风力发电场逐步完善了摩洛哥整个风力发电系统。摩洛哥还在东部城市乌季达(Oujda)建立了太阳能-天燃气发电站,并准备在瓦尔扎扎特(Ouarzazate)等五大城市建立五个太阳能发电站,总面积将达1万公顷,预计在2020年之前发电量达2000兆瓦,占目前摩洛哥全国发电总量的18%。阿尔及利亚也推出了可持续能源发展计划,目前已投资3亿欧元与德国Centrotherm共同建立太阳能面板工厂。
西非国家拥有丰富的水利、太阳能和风能资源,如果能得到有效的开发,将为该区域提供10%-20%的电力。
东非情况略好,但是卢旺达和肯尼亚两国电力供应也还远远不够。所以这两个国家急需求助于清洁能源来弥补火力发电的不足。目前,肯尼亚是世界上第五大风力发电国,此外,在内罗毕和姆米亚斯两个城市建有许多生物发电站,均使用如甘蔗渣等生物原料发电,一兆瓦电需消耗一吨甘蔗渣。
在塔桑尼亚和莫桑比克,众多风能和太阳能项目被提上日程。卢旺达的一个水利工程将为该国电力供应增加一倍,建筑工程和食品加工企业将是第一受益者。
但是,目前非洲面临的最主要的问题是许多工程都找不到融资渠道。能源经济专家Pierre Radanne说,“国际大企业并不为这些项目所动,鲜有投资者问津。”
煤炭、石油、天然气等。
不可再生资源一般指不可更新资源。不可更新资源即不可再生资源,指经人类开发利用后,在相当长的时期内不可能再生的自然资源。不可更新资源的形成、再生过程非常的缓慢,相对于人类历史而言,几乎不可再生。
在智利最南端的麦哲伦省,立足于当地丰富的风能资源,西门子能源携手多个合作伙伴共同打造了“Haru Oni”项目,创新了绿氢生产与应用的场景,即利用可再生能源生产气候中立的合成燃料,这不仅能为高碳排放的交通运输行业提供清洁燃料,也将为可再生能源丰富的地区提供清洁能源输出提供巨大商机。
西门子能源首席执行官克里斯蒂安·布鲁赫博士(Christian Bruch)表示,“可再生能源将不仅在有市场需求的地方生产。风能、太阳能等自然资源丰富的地区也将成为可再生能源的产地。因此,新的供应链将在世界各地兴起,支持可再生能源在地区间的运输。”
西门子能源股份公司新能源业务全球首席战略官兼新能源亚太区业务负责人赵作智博士在接受采访时表示,重要行业如交通运输、工业等的??深度脱碳离不开绿氢的使用。未来,氢能在储能和运输方面将扮演越来越重要的角色。
可再生能源的全球化分配
氢气作为能源载体,将在全球能源转型中与电力互为补充。电解水制氢被认为是未来制氢的发展方向,尤其是利用可再生能源电解水制氢。
目前传统的制氢模式,不管是“灰氢”还是“蓝氢”,它们的生产还是使用过程,都存在着高碳排的问题。当电解水制氢过程中使用的电力完全来自风能、太阳能、水能或地热发电等可再生能源时,其产生的氢气才能被称为“绿氢”。
数据显示,2020年,全球交通运输行业二氧化碳排放量高达排放量达到88亿吨,仅次于能源、工业成为第三大碳排放源头,尤其是公路运输占比较高。因此,在二氧化碳减排面临挑战的领域,比如交通运输、炼油和钢铁等行业,绿氢将助力其实现深度去碳化。
“Haru Oni”项目依托智利的风能优势,通过电解槽利用风电将水分解为氢气与氧气,然后利用从空气中捕获二氧化碳与绿氢结合,制取合成燃料。在这个过程中,西门子能源灵活高效的质子交换膜(PEM)电解技术,由于其具有的快速启停,在极短时间达到满载运行的优势,能够很好的解决风能的不稳定性问题。
未来,由绿氢制成的合成燃料,将有着广阔的新应用领域。与传统化石燃料相比,合成燃料的碳足迹显著降低,基于合成燃料的绿色产品,将成为运输、交通或供暖部门深度脱碳的有力选择。
据了解,“Haru Oni”试点项目是全球首个工业级综合性合成清洁燃料商业工厂。预计最早在2022年,工厂将完成第一阶段试点,年产约13万升合成清洁燃料。根据项目规划,,将在2024年和2026年分别实现5500万升和5.5亿升的年产量目标。
智利享有风力发电的优越气候条件,且电力成本低,具备面向全球市场生产、出口以及在本地应用绿氢的巨大潜力。“Haru Oni”项目产生的经济效益,不仅可以促进可再生能源丰富的地区经济增长,也能通过清洁能源传输机制,令工业国家受益于更加多元化的绿色能源供应和稳定的能源成本,实现双赢的局面。
2021年5月,西门子能源启动了中东和北非地区首个工业级太阳能驱动的绿色氢能生产设施,利用太阳能园区的日光太阳能,该项目能够在1.25MWe的峰值功率下,每小时生产大约20.5公斤的氢气。
该试点项目展示了从太阳能制绿氢到氢气的存储和再电气化。这套系统可以为可再生能源的生产提供缓冲,既可用于针对需求增加的快速响应,也支持长期存储。在该地区太阳能光伏发电和风力发电成本低廉的背景下,氢气有望成为未来能源组合中的关键燃料,并有可能为拥有丰富可再生能源资源的地区带来能源出口的机会。
根据国际氢能委员会预计,到2050年,氢能将承担全球18%的能源终端需求,创造超过2.5万亿美元的市场价值,燃料电池 汽车 将占据全球车辆的20%~25%,每年为交通运输行业贡献至少三分之一的碳减排。
西门子能源正在通过构建电能多元化转化系统(Power-to-X)的基础设施帮助客户实现其去碳化目标,并为全球范围内的跨行业去碳化做出贡献。西门子能源拥有面向可持续的、零碳排放的能源供应所有核心技术,从可再生能源、高效燃气电厂,到输配电和低碳的能源工业应用关键设备和解决方案,再到高效的电解水制氢解决方案。
在中国实施首个兆瓦级绿色制氢项目
氢能产业在整个能源行业的地位已逐渐提高。截至2021年初,全球已有30多个国家发布氢能产业发展路线图。日本和欧盟均已公布氢能战略,对2030年和2050年的绿氢产量和氢能源 汽车 的普及率提出具体目标。
去年,国务院办公厅及国家能源局等颁布了《新能源 汽车 产业发展规划(2021-2035年)》《关于建立健全清洁能源消纳长效机制的指导意见(征求意见稿)》等支持政策,鼓励推广绿氢、分布式能源、燃料电池等重点技术的研发和商业应用,氢能产业将迈入商业化和规模化发展的新阶段。
推广绿氢使用的一大难点在于如何降低成本。对此,赵作智博士以光伏发电成本下降举例对照,一是技术的创新突破,二是规模化应用的效应。“将需求端培养起来以后,能够有效拉动供给端,规模化效应就起来了。”他认为,绿氢的成本在于电解槽设备和用电成本,其中,可再生能源产生的绿电成本高低,以及设备的利用小时数,是最大的影响因素。
今年4月,BloombergNEF发布的氢能平价更新报告,建模预测了15~28个国家未来的绿氢降本路线,表示到2050年绿氢价格将低于天然气、灰氢和蓝氢,届时,绿氢成本将较现在降低85%,低于1美元/千克。报告同时表示,到2030年,从成本上来讲蓝氢项目的必要性将大大降低了。受益于光伏成本的大幅降低,未来绿氢降本有望提速。
在碳达峰、碳中和目标的推动下,广东、上海、浙江、江苏、山东等30个省份将氢能写入“十四五”发展规划,总产值规模将达近万亿元。此外,北京、河北、四川等省份还纷纷出台了氢能产业发展实施方案。
对于国内氢能市场的发展,赵作智博士表示,“中国是很好的一块土壤,我们有政策、有资本,也有??各行各业,一些领军企业也有意愿去尝试一些新技术,有资金、有人才、有市场,未来,随着技术的进步,绿氢的发展潜力十分巨大。”
据了解,西门子能源专注于三大领域的技术创新,一个是低碳或零碳的发电;第二是低碳环保的输电;第三是针对工业领域的去碳化,尤其是油气、化工、造纸等能源密集型行业。
赵作智博士透露,目前,西门子能源在国内布局,主要是通过和领军企业合作,发挥各自优势降低成本,推进技术应用。在实现双碳目标的背景下,业内遵循着需求拉动供给的规律,以技术解决方案节能降本,推动应用规模化的形成。
2019年9月,西门子与国家电力投资集团(“国家电投”)签署《绿色氢能发展和综合利用合作谅解备忘录》。双方计划进一步拓展绿色氢能项目的合作。
2020年8月,西门子能源与中国电力国际发展有限公司(下称“中国电力”)旗下的北京绿氢 科技 发展有限公司签署协议,为中国电力氢能创新产业园提供一套橇装式质子交换膜(PEM)纯水电解制氢系统“Silyzer 200”。这一项目所在的北京市延庆区是将于2022年举行的大型 体育 赛事的三大赛区之一。西门子能源的绿色制氢解决方案将帮助确保赛事期间和赛后的公共交通运营所需的氢能供应。
据介绍,这是西门子能源在中国实施的首个兆瓦级别绿色制氢项目,设备已经运达现场,在安装调试后将很快投入运营。作为该制氢-加氢一体化能源服务站的核心设备,西门子能源提供的PEM纯水电解制氢系统Silyzer 200能够以高能量密度和运行效率实现工业规模的高品质氢气生产。此外,该制氢系统具有快速响应能力,带压启动至稳定运行时间不超过1分钟,并可直接与可再生能源耦合。
展望未来发展,“绿氢方面,我认为中国会引领整个世界。现在领先的是中国和欧洲,这两个市场有他们自身得天独厚的地方,两边一起来、两家火车头一起拉动,这也符合一个整个中欧合作的一个大框架。”赵作智博士说。
能源转型对那些严重依赖石油和石油产品出口的国家提出了严重挑战,如果这些国家不能减少这种依赖,不能实现经济多元化,那后果会非常严重。这些国家的政治和社会会出现强烈动荡。
其实这个逻辑是很清楚的。中东有些国家很富,但主要都是靠卖石油。那能源转型真的发展下去,对石油需求没那么高了,这些国家的经济肯定会受到影响啊。这个不需要多解释。
但你要再往深里看,可能问题更严重。中东一般给我们的印象是乱、冲突、动荡,好像这个地方从来没有消停过。不过你仔细看会发现,以前中东虽然乱,但矛盾焦点主要还是在国家之间,像以色列和阿拉伯国家之间打来打去,然后伊朗和阿拉伯国家也明里暗里较量,背后控局的当然还是美国这些大国。所以整个局势虽然乱,但还是有数的。现在不一样了。现在的乱是自下而上的,主要从社会层面掀起来,不好控制了。2010年中东国家爆发阿拉伯之春以后,这种特点就非常明显。
那为什么会有这种变化呢?一个重要原因,就是这个地区经济发展相对停滞,劳动人口过剩。那你想,全球能源转型再深入下去,这种矛盾肯定更尖锐。
中东那些主要产油国非常依赖石油,像沙特阿拉伯(石油界的龙头)2017年国家财政收入的67%靠石油、天然气出口,北非的阿尔及利亚,国家财政的60%靠油气出口,科威特的这个比例是多少呢?达到90%!这么大的依赖,那能源转型继续发展的话冲击肯定很大。
按这个趋势,这些国家到2040年左右,国家收入累计减少25%~40%。这确实是有点恐怖。
但问题只是收入少了吗?当然不是,还有一个人口结构的因素。像中国、日本、欧洲这些国家都存在人口老化的问题,中东国家正好相反,年轻人太多了。
这里列了个数据:中东国家1990年以来人口增长很快,年增长2%,明显超过世界平均数。结果就是这些国家的年轻人口比例最多,而且现在60%的人口都是25岁以下。根据预计,光是2025年,中东国家新增加的待就业人口有多少呢?有2000万。一年就多出2000万年轻人要找工作。所以说,经济下滑,人口却在快速膨胀,这个问题就比较可怕了。
研究发现,中东这些产油国经济结构单一,全靠几个大的国有能源企业,中小企业非常一般,所以年轻劳动力找工作怎么办?靠公共部门来吸收。公共部门靠什么发工资?就是国家财政。所以实际上全靠国家财政在撑着。
那么国家财政的钱哪里来?主要靠石油天然气出口。所以最后兜底的就是石油天然气,特别是石油。那前面都给你介绍过了,能源转型已经是大趋势,石油的需求长期看肯定下滑,这兜底的还能确保兜底吗?那兜不住的话,接下来会发生什么呢?就不用我多说了。
在全球能源转型的大趋势下,中东地区出现更大动荡很可能在所难免。
所以若干年以后你回头看现在,很可能会说:我当时觉得中东已经够乱了,现在来看这还只是开始。
页岩气是指富含有机质、成熟的暗色泥页岩或高碳泥页岩中由于有机质吸附作用或岩石中存在着裂缝和基质孔隙,使之储集和保存了一定具商业价值的生物成因、热解成因及二者混合成因的天然气。
页岩中热成因气的形成有3个途径(如图):①干酪根分解成气体和沥青;②沥青分解成油和气体(步骤1和步骤2为初次裂解);③油分解成气体、高含碳量的焦炭或者沥青残余物(二次裂解)。最后一个步骤主要取决于系统中油的残余量和储层的吸附作用。德克萨斯州的Fort Worth盆地的Barnett页岩气就是通过来源于干酪根热降解和残余油的二次裂解,主要以残余油的二次裂解为主,正因为如此,使得Barnett页岩气具有较大资源潜力。
一般指页岩在成岩的生物化学阶段直接由细菌降解而成的气体,也有气藏经后期改造而成的生物气。如美国密歇根盆地的Antrim页岩气是干酪根成熟过程中所产生的热降解气和产甲烷菌新陈代谢活动中所产生的生物成因气,以后者为主。其原因可能是发育良好的裂缝系统不仅使天然气和携带大量细菌的原始地层水进入Antrim页岩内,而且来自上覆更新统冰川漂移物中含水层的大气降水也同时侵入,有利于细菌甲烷的形成。
全球页岩气资源十分丰富且分布普遍,据美国国家石油委员会(NPC)统计,截至2009年底,全球页岩气资源量约为456.2万亿立方米,占全球非常规气资源量近50%,与常规天然气相当,页岩气的资源潜力甚至还可能明显大于常规天然气。主要分布在北美、中亚和中国、中东和北非、太平洋国家、拉美、其他地区等。
垂直井是页岩气早期开采的主要手段。在钻小于1000米的浅井时,一般采用钻进速度较快的欠平衡旋冲法,可有效减小对地层的破坏;在钻进1000~2500米的深井时,则采用轻质钻井液液随随钻常规旋转钻井法,但是传统的垂直井开采技术,不经过压裂,一般无自然产能。
水平井能够扩大井筒与地层的接触面积,增加储层泄流面积、提高产量。在直井中水力压裂技术可以将井筒与储层的接触面积扩大数百倍,而水平井中,井筒与储层的接触面积会呈指数增长。目前美国页岩气开发中,水平井成本是直井的2~3倍,产量可以达到直井的15~20倍。水平井的关键问题是井身结构设计、钻井工艺、固井与完井,由于页岩地层裂缝发育、机械承受能力低,需要采用快速、高效、稳定、目标区域可准确控制的钻井工艺,最大化泄流面积和产量,同时保证生产的安全稳定。
水力压裂的原理是利用地面高压泵组,将超过地层吸液能力的大量压裂液泵入井内,在井底或封隔器封堵的井间产生高压,当压力超过井壁附近岩石的破裂压力时,就 会 产 生 裂 缝。随 着 压 裂 液 注 入 裂 缝 会逐渐延伸,进一步注入带有支撑剂的混砂液,在裂缝中填充支 撑 剂。停 泵 后,由 于 支 撑 剂 对 裂 缝 壁 面 有支撑作用,在地层中就形成了有一定长度、宽度的填砂裂缝。
中国页岩气资源潜力大,勘探开发还处于起步阶段,海相页岩是开发的有利对象,陆相页岩是重要的资源领域。美国的海相页岩开发经验不能直接应用于中国陆相页岩开发,需要加强基础研究和科技攻关。“十二五”规划明确了页岩气发展的重要地位,积极开发页岩气对保障中国能源安全,缓解天然气供给压力有重要意义。
参考文献:
[1]王祥, 刘玉华, 张敏. 页岩气形成条件及成藏影响因素研究[J]. 天然气地球科学, 2010, 21(2).
[2]张东晓, 杨婷云. 页岩气开发综述[J]. 石油学报, 2013, 34(4):792-801.
[3]张东晓, 杨婷云. 页岩气开发综述[J]. 石油学报, 2013, 34(4).
[4]Al-Mutawa M , Al-Matar B S , Abdulrahman Y M A M , et al. [Society of Petroleum Engineers SPE International Symposium and Exhibition on Formation Damage Control - Lafayette, Louisiana, USA (2008-02-13)] SPE International Symposium and Exhibition on Formation Damage Control - Application of a Highly Efficient Multistage Stimulation Technique for Horizontal Wells[J].
[5]Harding N , Smith S , Shelton J , et al. Modern Shale Gas Horizontal Drilling:Review of Best Practices for Exploration Phase Planning and Execution[J]. 中国石油勘探, 2009(03):49-58.
不可再生能源有:煤、石油、天然气、核能、油页岩。煤和石油都是古生物的遗体被掩压在地下深层中,经过漫长的演化而形成的,一旦被燃烧耗用后,不可能在数百年乃至数万年内再生。
可再生能源有:太阳能、水力、风力、生物质能、波浪能、潮汐能、海洋温差能。可再生资源也并不是“取之不尽,用之不竭的资源”,它是一个动态的概念。
扩展资料
价值意义
实践证明,可再生能源不仅能够提供清洁替代能源,更重要的是可以拉动装备制造等相关产业发展,是后国际金融危机时期加快经济发展方式转变和经济结构调整的有效途径。
开发利用可再生能源,对于保障能源安全、保护生态环境、实现可持续发展具有重要意义。要把发展可再生能源作为一项重大战略举措,切实抓紧抓好。
文/熊华文 符冠云,国家发改委能源研究所,环境保护
当前,世界各国都在加快推进氢能产业发展,初步形成了四种典型模式,即以德国为代表的“深度减碳重要工具”模式,以日本为代表的“新兴产业制高点”模式,以美国为代表的“中长期战略技术储备”模式和以澳大利亚为代表的“资源出口创汇新增长点”模式。我国在推动氢能产业高质量发展的过程中,应充分参考借鉴国际经验,进一步明确“初心”与“使命”、目标与路径,以推进能源革命为出发点,构建“大氢能”应用场景,统筹推进氢能产业技术与市场、供应与需求的协调发展。
氢能作为二次能源, 具有来源广泛、适应大范围储能、用途广泛、能量密度大等多种优势。随着氢能产业的兴起, 全球迎来“氢能 社会 ” 发展热潮,欧盟、日本、美国、澳大利亚、韩国等经济体和国家均出台相关政策,将发展氢能产业提升到国家(地区)战略高度,一批重大项目陆续启动,全球氢能产业市场格局进一步扩大。对我国而言,加快发展氢能产业,也有现实而迫切的意义。具体来看, 发展氢能产业是优化能源结构、推动能源转型、保障国家能源安全的战略选择,是促进节能减排、应对全球气候变化、实现绿色发展的重要途径,是超前布局先导产业、带动传统产业转型升级、培育经济发展新动能、推动经济高质量发展的关键举措。
2019年是我国氢能发展的创新之年,“理想照进现实”特点明显— 战略共识基本成形, 探索 的步伐正在加快, 先进理念、技术、模式层出不穷。超过30个地方政府发布了氢能产业发展规划/ 实施方案/ 行动计划,相关的“氢能产业园”“氢能小镇”“氢谷”项目涉及总投资额多达数千亿元,氢燃料电池 汽车 规划推广数量超过10万辆,加氢站建设规划超过500座。我国在加快发展氢能产业的过程中,需要广泛参考借鉴国际经验。我们认为,对于国际经验的研究不应只停留在政策、措施和行动的简单总结及归纳层面,而应该深入分析各国发展氢能背后的初衷、动机、利益格局等内容。在充分了解各国资源禀赋、产业基础、现实需要等各方面因素的基础上,找到发展的方向、目标、路径、模式与政策措施之间的逻辑关系。换言之,不止要看“做了什么”,更要研究“为什么做”“做了有什么好处”等深层次问题。
从不同国家发展氢能产业的出发点、侧重点、着力点等方面看, 全球各国实践大致可总结为四大类型,本文称之为四种典型模式,即把氢能作为深度脱碳的重要工具的德国模式(法国、英国、荷兰等国做法类似);把氢能作为新兴产业制高点的日本模式(韩国做法类似);把氢能作为中长期战略技术储备的美国模式( 加拿大做法类似) 以及把氢能作为资源出口创汇新增长点的澳大利亚模式( 新西兰、俄罗斯等国做法类似)。
德国模式:推动深度脱碳,促进能源转型
德国能源转型近年来暴露出越来越多的问题。首先,随着可再生能源装机容量和发电量的稳步提升,维护电力系统稳定性成为其头等挑战。2019年德国部分地区出现了电力供应中断事故,暴露出其储能和调度能力不足的短板。其次,为提升电力系统供应能力,德国增加了天然气发电,但由此需要从俄罗斯等国家进口更多天然气,导致能源对外依存度提升。最后, 能源转型使带来能源价格走高,能源转型面临越来越多的争议。与能源转型陷入困境一脉相承的问题是碳减排进展不如预期。德国政府已经提出了2030年比1990年减排55%的中期目标和2050年实现碳中和的长期目标,然而自2015年以来碳排放量不降反升,2018年在暖冬的帮助下才实现了“转跌”。传统减排路径边际效益递减,急需开辟新途径,挖掘更多减碳潜力。
发展氢能可助力大规模消纳可再生能源,并实现“难以减排领域”的深度脱碳。电解水制氢技术发展迅速,规模提高、响应能力增强、成本下降,使其有望成为大规模消纳可再生能源的重要手段。在区域电力冗余时,通过电解水制氢将多余电力转化为氢气并储存起来,从而减少“弃风能”“弃光能”“弃水能”等现象,降低可再生能源波动性对于电力系统的冲击。与此同时,氢能具有高能量密度(质量密度)、电化学活性和还原剂属性, 能够在各种应用领域扮演“万金油”角色,对“难以减排领域”的化石能源进行规模化替代,实现深度脱碳目标。
围绕深度脱碳和促进能源转型,德国创新提出了电力多元化转换(Power-to-X)理念,致力于 探索 氢能的综合应用。具体而言,在氢气生产端,利用可再生电力能源电解水制取低碳氢燃料,从而构建规模化绿色氢气供应体系。在氢气应用端,将绿色氢气用于天然气掺氢、分布式燃料电池发电或供热、氢能炼钢、化工、氢燃料电池 汽车 等多个领域。现阶段,德国政府与荷兰等国正在开展深度合作,重点推广天然气管道掺氢,构建氢气天然气混合燃气(HCNG) 供应网络。其中,依托西门子等公司在燃气轮机方面的技术优势, 已开展了若干天然气掺氢发电、供热等示范项目。截至2019年年底,德国已有在建和运行的“P to G”(可再生能源制氢 天然气管道掺氢)示范项目50个,总装机容量超过55MW。此外,蒂森克虏伯集团已开展氢能炼钢示范项目,预计到2022年进入大规模应用阶段。
日本模式:保障能源安全,巩固产业基础
日本能源安全形势严峻,急需优化能源进口格局和渠道。日本的能源结构高度倚重石油和天然气,二者占能源消费比重高达2/3,因为国内能源资源比较匮乏,95%以上的石油和天然气都需要进口。能源地缘政治局势日趋复杂,断供风险犹如“达摩克利斯之剑”,再加上国际能源市场价格的大起大落,都会给日本能源安全甚至经济安全带来冲击。2011年福岛核事故之后,日本核电发展遇到越来越多的阻力,如果实现本土“弃核”,意味着能源对外依赖程度还要提升。因此,日本迫切需要在当前能源消费格局中开辟新的“阵地”,寻找能源安全的缓冲区和减压阀,摆脱其对于石油和天然气的依赖。
发展氢能可提升能源安全水平、分化能源供应中断及价格波动风险。日本未来消费的氢能虽然仍需要从海外进口, 但主要来自澳大利亚、新西兰、东南亚等国家和地区, 与中东、北非等传统油气来源地区形成了空间分离,进而分化了地缘政治风险。同时,石油和天然气在价格上有较高的关联度,两者仍然属于“一个篮子里的鸡蛋”。而氢能来源广泛,价格与油气的关联度不高,增加氢能进口和消费,能够在一定程度上分化油气价格同向波动对本国经济的影响。此外,氢能还能够提升本国的能源安全水平。日本是地震、海啸、台风等自然灾害多发的地区,能源供应中断情况经常发生。氢燃料电池 汽车 、家用氢燃料电池热电联产组件等设备在充满氢气或其他燃料的情况下,可维持一个家庭1 2天的正常能源供应。氢能终端设备的普及,还可以为日本减灾工作作出贡献。
日本氢能基本战略聚焦于车用和家用领域的应用,是产业和技术发展的必然延伸。日本在技术、材料、设备等方面拥有非常明显的优势, 尤其是已基本打通氢燃料电池产业链。经过多年耕耘,日本已在氢能领域打造出一批“隐形冠军”,如东丽公司的碳纤维、川崎重工的液氢储运技术和装备等。据统计,日本在氢能和燃料电池领域拥有的优先权专利占全球的50%以上,并在多个关键技术方面处于绝对领先地位。专利技术既是日本的“保护网”,也是其他国家的“天花板”。推广氢燃料电池 汽车 和家用燃料电池设备,一方面,可将过往的投入在市场上变现、获取现金流,另一方面,还能及时获取信息反馈,完善技术和设备,由此形成了“技术促产业、产业促市场、市场促技术”的良性循环和正向反馈。
美国模式:储备战略技术,缓推实际应用
美国氢能发展经历“ 两起两落”,但将氢能视为重要战略技术储备的工作思路一直没有改变。早在20世纪70年代,美国政府就将氢能视为实现能源独立的重要技术路线,密集开展了若干行动和项目, 但热度随着石油危机影响的消退而降温。2000年前后氢能迎来了第二个发展浪潮。2002年美国能源部(DOE)发布了《国家氢能路线图》,构建了氢能中长期愿景,启动了一批大型科研和示范项目,但后因页岩气革命和金融危机的冲击,路线图被搁置,不过联邦政府对氢能相关的研发支持延续至今。
在过去的10年中,美国能源部每年为氢能和燃料电池提供的支持资金从约1亿美元到2.8亿美元不等,根据2019年年底参议院、众议院通过的财政拨款法案,2020年支持资金为1.5 亿美元。总体来看,在近50年的时间里,尽管有起伏,但联邦政府将氢能视为重要战略技术储备的工作思路一直没有改变,持续鼓励 科技 研发使得美国能够保持在全球氢能技术的第一梯队。
页岩气革命是美国氢能发展战略被搁置的最主要原因。凭借具有经济、清洁、低碳优势的页岩气,美国已逐步实现能源独立和转型,而页岩气和氢能在应用端存在较多重合,对氢能形成了巨大的挤出效应。加州燃料电池合作伙伴组织(CaFCP)的数据显示,美国的氢燃料电池 汽车 市场已陷入停滞状态,在2019年甚至出现了12%的下滑,发展势头已被日韩、中国赶超。
澳大利亚模式:拓宽出口渠道,推动氢气贸易
澳大利亚一直是全球最主要的资源出口国,同时资源出口也是其最重要的经济增长引擎。根据澳大利亚联邦矿产资源部发布的数据,2019年资源出口直接贡献了该国GDP增长的1/3 以上。但传统的“三大件”(煤炭、液化天然气、铁矿石)出口已现颓势。在煤炭方面,长期以来澳大利亚在全球煤炭贸易中占比超过1/3, 主要目标市场集中在东北亚地区,然而近几年中、日、韩相继开展减煤控煤行动,煤炭出口前景暗淡。在铁矿石方面,中国买走了60%以上的澳大利亚出口铁矿石,而中国钢铁产量进入峰值平台、电炉钢比重提升,这都将拉低其对铁矿石的需求;在液化天然气(LNG)方面,尽管市场需求增长潜力仍然可观,但由于国际油价暴跌,LNG出口创汇能力也被大幅削弱。据世界天然气网站分析, 未来五年内澳大利亚LNG出口收入将持续收缩。
出于经济可持续发展考虑,澳大利亚政府急需找准新兴市场需求,拓宽出口渠道。2019年11月,澳大利亚政府发布了《国家氢能战略》,确定了15大发展目标、57项联合行动,力争到2030年成为全球氢能产业的主要参与者。打造全球氢气供应基地是澳大利亚发展氢能的重要战略目标。澳大利亚正积极推动与日、韩等国的氢气贸易,签订氢气供应协议,同时与相关企业开展联合技术创新,完善氢能供应链,扩大供应能力、降低成本。
如澳大利亚政府与氢能供应链技术研究协会(HySTRA,由川崎、岩谷、电力开发有限公司和壳牌石油日本分公司组成)合作组成联合技术研究组,开展褐煤制氢、氢气长距离输送、液氢储运等一系列试点项目。2019年年底川崎重工首艘液氢运输船下水,补齐了澳大利亚和日本氢气供应链最后一块拼图。这种“贸易 技术创新”一体化模式调动了各参与方的积极性,澳方可实现本国氢气资源的规模化开发,川崎等企业能够获得成本更低的氢气,技术研发团队获得了宝贵的试验田。
值得一提的是, 澳大利亚提出的低碳氢能,既包括可再生能源电解水制氢,也包括化石能源(尤其是煤炭) 制氢( 碳捕捉) 与储运技术。虽然化石能源制氢备受争议,但正是在煤炭出口增长乏力背景下的现实选择。
对我国的启示:明确氢能“协同互补”定位,构建多元化应用场景
每个国家发展氢能产业都有其“初心”和“使命”。德国模式将氢能视为手段,即发展氢能是为了破解能源转型和深度脱碳过程中出现的诸多问题;日本模式将氢能视为目的, 即发展氢能是关乎国家能源安全和新兴产业竞争力的战略选择,是迎合技术在市场变现中的强烈诉求;美国模式将氢能视为备选,即氢能只是众多能源解决方案中的一种,氢能发展与否,取决于其技术进步、成本下降等因素;澳大利亚模式将氢能视为产品,即乘着全球刮起的“氢风”,积极扩展出口产品结构,获取更多收益。
从上述对全球氢能发展四种典型模式的分析中可以看到,各国发展氢能产业均有其出发点和立足点,均考虑了各自的资源禀赋、产业基础、现实需要等多方面因素,大多遵循了战略上积极、战术上稳健,坚守发展初衷、不盲从、不冒进的推进策略。当前,我国有关部门正在研究制定国家层面的氢能产业发展战略规划,首先应该明确的是我国发展氢能产业的“初心”与“使命”、目标与路径等问题。参考借鉴国际经验,结合我国实际国情,本文提出我国氢能产业战略定位及发展导向等方面的三点建议。
一是明确产业定位,发挥氢能在现代能源系统中的载体和媒介作用。 国家《能源统计报表制度》已将氢气纳入能源统计,明确了氢能的能源属性,氢能即将成为能源系统的新成员,其发展必须服从和服务于能源革命的总体要求。需要认清的是,我国拥有多个与氢能存在替代关系的能源解决方案,因此氢能并非我国的必选项,而是备选项和优选项。因此,应从我国能源系统的核心问题出发,找准切入点,选择融入能源系统的合适路径。应利用氢能的特点和优势,发挥其在可再生能源消纳、增强能源系统灵活性与智能性等方面的作用,更好地与既有的各种能源品种互动,最终促进能源革命战略的深入实施。
二是提升认识视角,逐步构建绿色低碳的多元化应用场景。 2018年以来出现的各地区扎堆造车情况,既源于对氢燃料电池 汽车 发展前景认知过于乐观,又源于对氢能认识的局限。事实上,我国的氢能技术储备不足、产业根基不牢固,地区间差异非常明显,绝大多数地区都不具备将技术装备推向市场变现的能力和条件。而在深入推进生态文明建设和积极应对气候变化的格局之下,我国已经提出2030年前碳达峰和2060年碳中和的目标愿景,“难以减排领域”的深度脱碳将成为未来我国需要面对的重大问题。因此,应统筹经济效益、节能减碳和产业发展等因素,利用氢能具有的“高效清洁的二次能源、灵活智慧的能源载体、绿色低碳的工业原料”三重特点,逐步构建在交通、储能、工业、建筑等领域的多元化应用场景。
三是加强统筹协调,推动技术与市场、供应与需求“齐步走”。 氢能和燃料电池集尖端材料、先进工艺、精密制造于一身,兼具高附加值和高门槛属性。须清醒地看到,我国氢能产业与发达国家差距明显,远未达到大规模商业化的临界点,对价值创造功能不可预期过高。再加上目前产业利润集中在国外企业的事实,我国更应保持战略定力,坚持以“安全至上、技术自主、协调推进”为原则,不盲目追求市场扩张,避免强行通过补贴手段刺激下游需求,进而把大量补贴资金输送至国外公司。各地在谋划氢能产业发展过程中,应遵循“需求导向”原则,“自下而上”布局生产、储运及相关基础设施建设,推动氢能供应链各环节协同发展,避免某环节“单兵突进”。