江亿：我国城乡能源系统低碳转型路径

能源转型是从根本上解决能源安全、空气污染和气候变化三大问题的唯一方案。当下我国能源结构正加快从以化石能源为主向以非化石零碳能源（风电、光电、水电、核电和生物质能）为主转变，面临着零碳新型电力系统建设、零碳热量供给系统构建、流程工业以低碳为目标的流程再造、以电气化为主要目标的交通系统革命以及农村新型能源系统建设等五大主要任务。其中，面向碳中和的新型电力系统建设、热量供给系统建设和农村新型能源系统建设是推动实现零碳能源系统的重要支撑部分。

 

一

 

零碳新型电力系统建设

 

未来风光（占比83%）为主要电源结构，其随季节和昼夜波动的特征使电力供给量的不稳定性增强。因此，我国零碳电力系统面临两大问题：

 

01季节供需差

 

保留部分火电用于补充冬季用电缺口，且在其他季节电力短缺时也能作为供电保障。该部分火电主要燃料为煤炭、天然气和生物质燃料，排放的CO2大部分可通过CCUS技术回收利用。

 

02日内逐时供需差

 

储能（水电和抽水蓄能、空气压缩储能、化学储能、物理储能）方式进行电力调蓄，可解决40%的调蓄任务，但成本高、资源短缺；采用“建筑+充电桩+电动车”模式（表1）的终端柔性用电方式具备更强的调蓄能力（60%）。再通过“光储直柔”技术将上述终端柔性用电资源接入电网，同时采用动态碳排放责任因子激励终端调节，从而保证系统稳定运行。

 

未来，新型电力系统将面临从集中电源向集中与分布相结合的电源转变；源随荷变转为荷与源协调，甚至荷随源变；电网的调控保障将从完全依靠电源侧的调节转变为电源和终端共同承担；集中和分布的储能设施将成为保障电网稳定运行的重要支撑四大革命性变化。在此驱动下，需根据不同的系统结构和调控模式制定新的政策机制。

 

二

 

零碳热量供给系统建设

 

未来热泵和余热是零碳热力供给系统主要构成，满足北方城镇采暖、农村、工业用热、生活热水和南方采暖的热量需求。热泵主要从自然资源和民用、工业余热等低温热源取热提供热量。其中分散热泵通过提取空气、地表水、土壤等自然界低温热量进行低密度热量供应；集中供热系统利用流程工业、核电、火电厂等余热满足高密度用热需求（北方城镇采暖、工业用热）。

 

热量供需方面仍存在时间不同步、地理位置不一致、热量参数不一致等问题，建设热量共享系统是主要的解决方案。通过跨区域热网、跨季节储热和热量变换，有望最终实现热量供需相匹配。

 

三

 

农村新型能源系统建设

 

农村新能源系统建设是新型电力系统建设的开路先锋，是零碳燃料的提供者，也是能源革命的始发地。建设以屋顶光伏为基础的农村新型能源系统，推动农村全面电气化和能源结构转型，既有利于乡村振兴，也对完成电力系统革命和实现低碳发展至关重要。

 

在太阳能资源丰富的地区，充分开发利用各类屋顶资源，建成以屋顶光伏为核心，家用智能充电桩、直流用电末端及蓄电池为组成的家庭单元（图1），并由众多家庭单元和零散空地太阳能光伏等组成村级直流微网，满足农村生活、生产、交通等全部用能。剩余电力可用于公用和送电上网，转变成可调控的优质资源，实现光伏电力的有效消纳。该系统已开始在山西芮城庄上村实行。建设成本方面，每户折合投资6-8万元（不包括电池），户内用电免费，10-12年实现全部初投资的分期还本付息；村内直流微网工程投资约为300万（100户），除公共用电和上网送电外，电费结余收入可维持运行维护费

 

农村新型能源系统采用自发自用余电上网模式，通过光伏发电与储能系统相结合（蓄电池），实现农村全面电气化，可解决全国85%农村用能，并按照调度每年上网送电1万亿kWh以上，同时极大降低了煤炭、柴油、生物质燃料的使用量，有效改善农村空气质量。

 

此外，农村丰富的生物质资源亦有零碳属性。将生物质资源（秸秆、枝条、粪便等）加工成燃料，商品化进入能源市场，是其最佳的处理方式。相较于电力，生物质燃料更易于储存、运输，成为零碳能源系统的组成部分。

 

在满足能源供给和经济增长的需求下完成能源革命，将是一个有待深入探索的重大任务。能源革命应先立后破，通过建设新型电力系统、供热系统和农村能源系统，构建城乡新型能源系统；持续开展基础研究和技术研发；调整能源相关政策和机制；加快产业结构调整；完善基础设施建设，以最终实现能源转型。