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        生物質能在我國實現碳達峰與碳中和的巨大潛力
        2021/10/8 7:03:21    新聞來源:網易

        電力是現代社會賴以生存和運轉的動力。隨著經濟快速發展和人民生活水平的提高,對電力的需求一直在剛性增長。然而當前我國的電力約70%要依靠化石能源特別是煤炭,造成大量的二氧化碳等溫室氣體的排放。僅煤電一項,就占到全國二氧化碳年排放量的一半。顯然,要實現2030年碳達峰和2060年碳中和,打贏煤電高效、低碳的攻堅戰勢在必行。雖難度極大,但要求首戰必勝。

        一、煤電排放占我國碳排放的最大份額

        化石能源消費是碳排放總量的最大來源。以碳排放強度計,煤、石油和天然氣分別為2.66、2.02和1.47噸CO2/噸標煤。煤電產生的碳排放又是能源消費碳排放最大來源。表1為聯合國氣候變化專門委員會發布的各種電源的平均碳排放強度(克CO2/千瓦時),從表1可見,如果將生物質能用于發電,其碳排放強度僅為18克CO2/千瓦時。

        表1 各種電源的平均碳排放強度

        (克CO2/千瓦時)

        實現“3060”的“雙碳”目標,面臨著空前巨大的挑戰,中國現在是全球最大的碳排放國,碳排放總量大、排放強度高,減排時間緊。我國年碳排放量占全球的 30%左右,超過美國、歐盟和日本的總和,碳排放強度是世界平均水平的 2.2 倍;現在美、歐、日等主要發達國家碳排放已經達峰,從碳達峰到碳中和有超過 40-50年的過渡期,而我國僅有30年時間。同時,我國的能源結構現在還仍然是以煤為主,煤炭占一次能源消費比重達 57%,能源利用效率偏低,單位 GDP 能耗是世界平均水平的1.7倍。我國現在仍處于快速工業化、城鎮化進程中,電力需求還將剛性增長。

        國際能源署在其《2050年能源零排放路線圖報告》中指出,CO2排放的重點能源行業是電力、工業、交通和建筑這四大領域,并且強調,電力領域應是全球最先實現零碳化的重點排放領域。報告提出了到2040年,全球煤電從能效最低的亞臨界機組開始,燃煤電廠將逐步被完全淘汰的路線圖。我國的燃煤發電的總裝機容量到2021年已達11億千瓦,雖然其占比已經降低至50%以下,但煤電的發電量占比仍然超過60%。2020 年我國碳排放總量113億噸,其中能源領域碳排放99億噸,占比88%;全國火電發電量為53300億度,碳排放實際統計數據為51.2億噸,占當年我國CO2總排放量比重的51.76%。況且,隨著工業化、城鎮化深入推進,我國能源消費總量將在 2030 年前后達峰后,電力需求仍將持續增長。嚴峻的現實是,要實現碳達峰和碳中和,能源是主戰場,煤電減碳是主力軍。不首先實現煤電大幅度減碳,“雙碳”目標是不可能達到的。

        二、火電的保底和支持風、光電的作用

        無可替代

        對我國電力行業如何落實全國“雙碳”目標,特別是對煤電機組今后在我國電力生產供應側的位置的認識,雖然大部分觀點認為煤電仍將起“壓艙石”和“兜底”的作用,但是也存在較強的“去煤化”或“棄煤化”議論,或者把煤電僅看作將是風電和光伏電源的配角、協助者的角色,即認為“煤電機組將更多地承擔系統調峰、調頻、調壓和備用功能”;而在發展可再生能源電力方面,幾乎一致的認識是把焦點放在發展風電和光伏電源上,鮮有提及利用現有的煤電機組產能進行現實可行、潛力巨大的生物質能發電。我們認為,這些認識存在很大的誤區,大有商榷的必要。實際上,我國現有的大型煤電機組在我國電力生產中的基礎支撐作用將難以替代。

        根據我國電力發展規劃,到2030年,可再生的風電和太陽能發電的總裝機容量將達到12億千瓦以上,但在“雙碳目標”和建立以新能源為主體的新型電力系統的推動下,預計到2030年,新能源裝機將大大超過原規劃而會達到17億千瓦以上。但是必須看到,風電和太陽能發電有著不可忽視的短板,那就是“不可控”, 是一個不穩定的間歇電源。其裝機的發電能力嚴重受限于晝夜日照、季節變化、天氣陰晴、風力大小等自然氣象條件的限制。據報道,2019年在全國非化石能源發電量占比僅為32.6%情況下,風電和光電就已經普遍面臨并網難、消納難、調度難等問題。2021年2月,美國德克薩斯州因嚴寒天氣,全州電網在4分鐘內完全崩潰。450萬戶家庭和大量企業失去電力;長達數天的斷電造成近百人死亡。其中一個主要原因,是已占相當產能比的風電和光伏電源,因風葉凍結和連續陰霾天氣而無法出力。我國去冬今春南方數省頻繁拉閘限電,則是因降雨少影響水力發電,以及風、光條件差影響到風電和光伏電的正常運行。

        電力系統是一個超大規模的非線性變能量的平衡系統,必須要隨時保持供需平衡,其運行模式是“源隨荷動”。發電側作為主動調節端,負荷側則為被動不可調節端,由發電端主動調節,跟蹤負荷的變化運行。這是用一個精準可控的發電系統,去匹配一個基本可測的用電系統,通過實際運行過程中的滾動調節,實現電力系統安全可靠的運行。但是因風電和光伏電固有的不可控和間歇性,不能“源隨荷動”,或只能單邊“源隨荷動”(即棄風棄光,減少出力)。與此同時,在用電側,大量分布式風、光電接入后,用電負荷預測準確性也大幅下降。由此,這些新能源大規模接入,對傳統電網帶來巨大影響。在風、光電電源側的大規模儲能系統未發展起來以前,風、光發電系統均不具備調峰調頻、無功補償的能力。隨機的氣象條件,使得機組出力時刻變化,對電網形成較大沖擊,使得電網需要為風、光發電系統建設相應的調峰調頻及對電壓進行有效的控制和調整,需要相應增加常規的火電電源提供補償調節力。從某種意義上說,風、光發電的存在,相當于在電網中增加了一個“不確定性負荷”。 因此, 如果要確保電網能夠消納大容量的風、光電的發電量,龐大的煤電必須轉型成為調節型的電源,同時繼續承擔起供電安全“壓艙石”的功能。而且在此情況下,煤電還將會面臨總體裝機容量不能低,而又須長時期在低負荷下運行,因而導致運行效率和利用小時數降低的局面;再加上煤電高碳排放的特點,在高煤價和碳交易政策下,煤電有可能會發生在經濟上無法可持續維持的尷尬局面。

        實際上,我國現有的大型煤電機組在我國電力生產中的基礎支撐作用將難以替代。首先,我國煤電為主的電源結構是我國缺油少氣、煤炭豐富的資源稟賦特點決定的,是建國以來70多年,尤其是近30多年來全國電力戰線廣大干部職工和技術人員,經過自力更生艱苦奮斗、引進消化吸收國外先進技術、大膽積極創新建立起來的,形成了一個世界最大和領先、布局合理、穩定可靠的煤電生產和電力輸送配置的巨大系統,強有力保障和支撐了國家的能源安全、生產和社會發展、人民生活水平不斷提高的需要。我國已經成為世界煤電生產最強國,這個歷史過程和結果具有巨大的慣性,改變起來絕非短期,更非一朝一夕之功。

        據最新出版的《電力強國崛起——中國電力技術創新與發展》和其它可靠統計數據:2020年年底,我國火電裝機容量12.45億千瓦,其中煤電裝機10.8億千瓦;已投產的國產35萬千瓦、60萬千瓦、66萬千瓦、100萬千瓦等級的超(超)臨界參數機組共826臺,裝機容量達5.23億千瓦,占國內在役煤電機組總容量的48%,這些機組已成為火電的主力機組;同時還有約983臺、裝機容量達3.5億千瓦的30萬千瓦和60萬千瓦等級的亞臨界參數機組。具有我國獨創技術的超(超)臨界參數和改造的亞臨界參數煤電機組的供電效率和超低排放水平均處于世界領先地位。

        隨著我國產業結構的調整和城市化進程,電力需求側的結構性變化明顯,負荷不穩定和變化幅度增加劇烈,要求發電側具有深度隨動的主動性,電網的調度調節高度靈活。如上所述,風電和光伏發電在目前大規模儲能技術未獲突破的情況下,完全不能滿足這些要求,而我國大型煤電系統則能適應需求側的變化。

        風電和光伏發電裝機容量和實際發電量之間存在巨大的不相稱差距。據全國新能源消納監測預警中心提供的數據,在近幾年高速發展的態勢下,2020年底,全國風電和光伏發電裝機容量分別達到了2.81億千瓦和2.53億千瓦,共5.34億千瓦,是煤電裝機容量的49.44%,而全年發電量卻只有7270億千瓦時,僅是火電發電量的14.06%。由此可見,要達到某些研究描述的“電源結構呈現'風光領跑、多源協調'態勢,風電和光伏發電將逐步成為電源主體”的狀態,前路是何等漫長!

        如前所述,我國已建成的大容量超(超)臨界參數和亞臨界參數機組的總容量有8.73億千瓦,這些機組及其配套設施、輸配電系統的資產總量高達數以10萬億人民幣。這筆龐大的資產是國家和人民長期奮斗積累起來的財富。這些機組服役時間大都不長,正當“青春”和“年富力強”的好年華,決不能輕易地讓它們以“低碳轉型”的名義提前退役,造成不可挽回的巨大損失。如果以全新的生產、儲能(目前還沒有成熟的技術)和不穩定的風光發電系統來替換上述煤電系統的電量生產能力,其投資和運行成本的高企將可想而知。

        因此,如何使煤電更高效、更清潔、更低碳,更靈活地發展,已成為中國實現“碳中和”戰略目標需要研究和著手解決的迫切課題。出路何在?

        三、生物質與煤耦合發電是煤電

        實現低碳、零碳的唯一途徑

        生物質發電和風力發電、太陽能發電等可再生能源電力一樣,都是(近)零碳排放的電力生產方式,而且還具有風力發電和太陽能發電所沒有的優勢:即在自然界,年度再生的農、林剩余物資源量比較穩定;燃料可以運輸、儲存以便常年均衡使用。利用大型高效燃煤機組混燒生物質燃料發電,是國際上實現生物質發電的一種先進技術。不僅比現有的生物質直燃發電(一般為中、小發電廠)的發電效率高,而且可以明顯降低煤電機組的碳排放量,提高煤—生物質耦合發電的靈活性,加強煤電生產的可持續性,是煤電走向低碳化一條現實可行、也是唯一的路徑。

        需要強調指出的是,生物質燃料在大型高效的煤電機組中與煤混燒,并不是煤電低碳發展的權宜之計或過渡技術。因為生物質是可再生能源,生物質混燒發電是高效率低排放并具有靈活性的火力發電,其本質是生物質發電的一種先進形式。和不可控的風力發電和太陽能發電不同,對于電網安全和可靠的電力供應,支持和消納風、光電起著調節和保障作用。

        國際上在大型燃煤發電廠中采用生物質混燒技術,源于1997年12月在日本京都通過的《聯合國氣候變化框架公約的京都議定書》。該議定書的目的,是限制發達國家二氧化碳的排放量以抑制全球氣候變化。自那時以來,發達國家尤其是歐盟國家,就開始在法規政策和技術上采取各種措施以降低煤電的碳排放。其中最主要的技術,就是采用燃煤與生物質耦合混燒發電。生物質混燒技術逐步成熟起來后,得到了很好的推廣和應用。

        由于生物質能是全生命周期零碳甚至可以是碳負排放的,因此摻混比只要達到一定的比例,即能產生十分顯著的碳減排效應。據清華大學環境學院、美國哈佛大學及伯克利能源實驗室等科學家組成的聯合團隊,2019年發表的對中國碳排放和大氣污染的影響及其經濟效益的研究報告(“對中國電力環境友好和碳負凈排放的煤-生物質耦合氣化發電技術”, 美國科學院院刊PANS, March 7, 2019)。表明當往煤中摻混35%生物質量時,生物質耦合煤發電加碳捕獲封存(CBECCS)系統,即可實現電力生產全生命周期的零碳排放,并將成本控制在0.62元/千瓦時以下。如果全面推行該系統,用全國25%的農作物秸稈,可替代18.1%的總發電量, 年減少8.8億噸CO2排放。

        四、英國和丹麥關閉煤電的底氣

        來自生物質與煤耦合發電

        以丹麥為例。2017年,現代生物能源已經占到可再生能源的近七成(69%)。其最主要的貢獻,是在熱電聯產領域以生物質燃料特別是生物質成型顆粒燃料替代煤炭。由于在技術上解決了多摻富含鉀和氯的秸稈易產生鍋爐結焦的問題,1992年,功率為7.8萬千瓦的midkraft發電廠使用秸稈與煤混燃發電即已達到50%:50%的比例,年消化秸稈7萬噸。1999年,丹麥已實現使用120萬噸秸稈(占全國年產秸稈350萬噸近三成)及20萬噸木切片與煤混燃發電的目標(原料不足部分進口)。丹麥能源信息署(EnergiNet) 估計,生物質能已占到全國發電能源消費量的四分之一以上;并預計,隨著越來越多的生物質(包括沼氣)熱電聯產項目投產,到2026年這個數字將提高為57%。英國則是在在強有力的激勵政策推動下,從上世紀末起,煤電生物質耦合發電得到強勁的發展。經過20多年的煤電廠生物質耦合混燒燃煤發電的實踐,最終使英國所有的大型燃煤電廠全部改造成為生物質混燒。最典型的是英國裝機容量最大Drax電廠。該電廠共裝有6臺66萬千瓦燃煤機組。從2003年在一臺機組上改造混燒5%的生物質開始,不斷增加生物質混燒比,直至全部煤電機組均改造成生物質混燒,最終于2018年實現了4臺66萬千瓦煤電機組100%燃燒生物質顆粒燃料。成為世界上最大的生物質燃料火電廠。與此同時,該廠通過國內外兩個市場,解決了年需1000萬噸生物質顆粒燃料的供給問題。因此,根據他們的經驗,大型燃煤機組進行煤—生物質混燃發電在技術上是十分成熟的,為我國煤電行業借鑒國際經驗實現低碳轉型展示了一條康莊大道。而且我國大型燃煤機組的特殊優勢是可以使煤—生物質混燒發電如虎添翼。其優勢之一是我國的燃煤機組世界最高供電效率和最低供電煤耗,其二具有深度調峰的負荷調節技術, 使機組負荷調節范圍達到100%—20%,第三是煙塵、SO2、NOX等常規大氣污染物都能達到超低排放。

        根據國際經驗,發展燃煤火電向生物質燃燒發電轉換、以實現低碳轉變的首要推動力是政策,也是推動煤電生物質混燒成功的關鍵。這些政策的主要是:

        1. “綠色”發電指標,即規定所有發電公司必須完成一定指標的碳零排放發電量;

        2. 混燒獎勵政策,即混燒生物質份額(按照熱值)的發電量實行高價的上網電價,優先收購和減免稅政策;

        3. 完不成“綠色”發電“指標的予以懲罰;

        4. 碳排放權交易政策。

        正因為有了如此的成功變革,英國和丹麥才有底氣正式宣布,將分別在2025年和2030年,全部關閉所有的煤電廠。丹麥和英國等國的經驗表明,燃煤火電廠要實現通過煤-生物質混燒達到低碳發展的目的,必須具備三個條件:

        1、制定國家法規政策對燃煤電廠混燒生物質進行約束和支持;

        2、建立可靠的生物質燃料的供給市場;

        3、開發先進可行的生物質與煤混燒,乃至100%燃燒生物質的可靠技術。

        而前提條件則是,必須要有足夠而且比較穩定的生物質燃料供應。在生物原料資源方面,我國有著不可忽視的優勢。

        五、我國生物質能原料資源潛力巨大

        中國的國情決定,我們不可能像歐美國家那樣大量進口生物質能的原料。因此,決定我國當前和今后大規模應用生物質能的關鍵,首先是資源量潛力,其次是將理論資源潛力轉變為實際應用的能力。

        我國生物質能資源潛力應由兩大部分組成,即農林廢棄物以及在邊際土地(marginal land,指因溫度、水分和土壤養分等條件不適宜種植糧、棉、油等農作物的土地)上種植能源植物(灌木和草類)。迄今幾乎所有的資源潛力預測研究,都忽略了邊際土地種植能源植物的巨大潛力,得出的年資源潛力在3.5億噸至5億噸標準煤間的數據,因而造成我國生物質能資源量不夠充足的普遍誤解。實際上,我國屬于邊際土地范疇的草地和林地、加上多種有障礙因子(如鹽堿、沙)的土地面積數倍于耕地。

        我們對邊際土地種植能源植物的巨大潛力的精確測算結果是,適宜種植能源植物(灌木,草類)的3類邊際土地即灌木林、疏林地和低覆蓋度草地,面積合計為1.79億公頃;以1公里柵格為單位,先計算出180萬個土地單位的凈初級生產力(NPP),而后折算為能源植物的生物量和地上部(可利用)生物量,再折算為能量。將年能源植物能量加上估算的可利用年有機廢棄物(包括農作物秸稈、農產品加工剩余物、畜禽糞便、林業撫育、采伐和加工剩余物、城市生活垃圾、工業廢水/生活污水和餐飲廢油)折能量,得到年生物質能總資源量為9.56億噸標準煤(考慮到畜禽糞便、廢、污水和廢油不適宜耦合發電,發電可用生物質資源量為5.69 噸標準煤)。需要強調指出的是,該資源潛力是能源植物在完全自然(生長)條件下的情況。如果人工種植,必然會增加投入(水、肥,選種等)和管理,則能源植物的生物量和能源潛力將可翻一、兩番甚至更多。與此同時,隨著生產和生活水平的不斷提高,城鄉有機垃圾的資源量也還會繼續增加。擴大造林面積也將增加“三剩物”的產出。因此,屆時生物質可利用的年資源量將超過20億噸標準煤。而當前我國用于發電的燃煤量每年約折合為16億噸標準煤。

        與煤、石油、天然氣的資源富集程度和燃料獲得方式不同,生物質資源分散,收集、處理加工、運輸方式和渠道多樣。當前我們在原料(如秸稈)的收、儲、運方面之所以困難重重和成本高,是因為生物質的生產、收獲和產后處理沒有形成完整產業鏈,更沒有相應的規?;a業。

        而如果換一個角度看,這樣一個年總產值超萬億元的巨大支柱型產業和市場,包括極其大量的勞動力崗位,恰恰是振興鄉村的急需。一些生物質直燃電廠前幾年參與扶貧攻堅的實踐已證明,農村存在大量廢棄的和無人收獲的農、林有機物。只要設立常年的收購站,一個弱勞力甚至殘疾人,靠收集出售這些原料,年收入也能上萬元甚至數萬元。

        可以預見,在生物質能的機械化生產、收集、產后處理(特別是壓縮成型) 儲運形成完整產業鏈、以及強大的相應產業形成后,生物質原料過于分散,收、儲、運困難,成本高的局面將會徹底改觀。在這方面,必須要有政府在法規、稅收、財政等多方面的綜合政策的大力支持。

        六、對我國高質量低碳發電的幾點建議

        習近平總書記在主持中共中央政治局4月30日下午,就新形勢下加強我國生態文明建設進行第二十九次集體學習學習時深刻指出:“實現碳達峰、碳中和是我國向世界做出的莊嚴承諾,也是一場廣泛而深刻的經濟社會變革,絕不是輕輕松松就能實現的。各級黨委和政府要拿出抓鐵有痕、踏石留印的勁頭,明確時間表、路線圖、施工圖,推動經濟社會發展建立在資源高效利用和綠色低碳發展的基礎之上”。為貫徹習近平總書記的講話精神,實現低碳煤電的目標,筆者根據我國現實和客觀的條件,建議煤電高質量低碳發展的線路圖需要在四個方面、分三步走的方式開展:

        1. 首先是采用已經經過示范運行的煤電升級改造創新技術,對現有在役的煤電機組進行升級改造,除了將落后低效率高煤耗的機組進行淘汰外,對所有在役的煤電機組,包括30萬千瓦、60萬千瓦和100萬千瓦等級的亞臨界、超臨界和超超臨界機組,制定具體的供電煤耗要求和碳排放強度標準,以及靈活性低負荷性能要求,限時完成,否則不許上網運行。力爭在“十四五”期間盡可能完成對所有在役的煤電機組的升級改造。實現在役煤電機組的高效和低煤耗發展,實際上這是實現煤電與生物質耦合發電的基礎和前提。

        2. 生物質的碳排放強度只有18克CO2/千瓦時,是燃煤碳排放強度的0.018,因此,通過生物質與煤耦合混燒,并不斷增加生物質混燒比, 就可以大幅度降低煤電的碳排放。生物質耦合發電實際上是推動煤電向可再生能源發電的過渡,也是在推動風光電的加速與可靠地發展的保障,制定相應政策推動煤電在高效低煤耗基礎上的耦合混燒生物質發電,是煤電低碳轉型的重要舉措,鼓勵在役的大容量高效率的煤電機組盡可能采用生物質燃料與煤耦合混燒發電,就可以進一步更大幅度地降低煤電的碳排放,實現煤電的低碳發展。

        3. 制定系列政策,推進在邊際土地上種植灌木、草類等能源植物以及有林地的改造,建立農、林廢棄物和能源植物收、儲、運和初加工的產業鏈。推動建立全國性的生物質燃料供需市場。生物質發電利用由小型直燃發電廠逐漸轉為以大型燃煤電廠混燒利用為主。

        4. 大力推動碳捕集利用和封存(CCUS)技術的創新研發示范和應用,在“3060”雙碳目標的推動下,CCUS技術的研發和示范正在取得重要進展,相信在2025至2045年期間,CCUS技術將會逐步得到大面積的推廣應用,使煤電達到近零排放。那時,如果實行與生物質混燒的燃煤機組,在采用了CCUS技術后,就可實現負的碳排放。

        對煤電高質量低碳發展提出三步走的建議:即進一步淘汰煤電的落后產能;對仍然需要繼續服役的非最先進機組自身的升級改造;大型高效煤電機組生物質耦合混燒發電和推進CCUS技術的研發和利用。其中,首先是對在役機組的升級改造,以進一步降低煤耗減排二氧化碳;二是使煤電的生物質耦合混燒發電起到承上啟下的作用,在煤電自身通過創新改造成為高效率低煤耗靈活性機組的基礎上,再進一步降低其碳排放。這樣就能創造一個時間窗口,為采用CCUS等技術最終實現煤電的碳零排放打下基礎。而我國推動發展煤和生物質耦合混燒發電的關鍵,是“完善綠色低碳政策和市場體系”,“制定和實施相應的扶持激勵生物質混燒政策”和“建立和發展生物質燃料的供需市場體系,實現國內和國際兩個生物質顆粒燃料市場的雙循環”。我們相信,只要堅定地按照黨中央和習近平總書記關于“3060”雙碳目標的戰略決策的一系列指示和要求,千方百計走煤電低碳發展的道路,我們的目標就一定會實現。(清華大學1 倪維斗,毛健雄,李定凱 中國農業大學2 石元春,程序,朱萬斌)

        本文作者:

        1. 倪維斗,中國工程院院士,清華大學原副校長;毛健雄,李定凱均為清華大學能源與動力工程系教授;

        2. 石元春,中國科學院院士,中國工程院院士,原北京農業大學校長;程序,原北京農業大學副校長,中國農業大學農學院教授;朱萬斌,中國農業大學農學院教授

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