近期,拉闸限电、煤炭紧俏、保供、天然气价格飙升、美德俄关系微妙的消息甚嚣尘上,不断刷新着我们的世界观和认知度。不禁要问,能源这是怎么了?我们用了三十多年的稳定电力,即使断电,也都会提前通知,现在竟然开始限电了。

9月以来,包括东三省在内的15个省份陆续出现拉闸限电。最直接的原因:动力煤价格飙升,电厂存煤紧张。现在虽然采取了一些积极的举措,问题也向着好的方向发展,但是我们不得不重新审视一下当前的能源供给系统和建立在能源供给系统之上的能源秩序。

一、能源系统正处在脆弱期

“拉闸限电”表象是煤炭价格上涨,电煤库存紧张,深层次是在“双碳”目标下,我国对低廉、清洁稳定能源支撑经济发展的需求和新能源技术发展滞后暴露出的复杂利益矛盾。

据国家统计局:2021年8月份能源生产情况。1—8月份,生产原煤26．0亿吨,同比增长4．4%;进口煤炭19769万吨,同比下降10．3%。另外,8月份,发电7383亿千瓦时,同比增长0．2%,增速比上月回落9．4个百分点,两年平均增长3．5%,日均发电238．2亿千瓦时。从以上数据可以看出,煤炭供给一升一降,浮动不是太大;而9月是过了夏季用电高峰,进入用电平缓期,正常应该是动力煤价格向下调整。恰恰相反,煤炭价格却一路高歌猛进,达到了历史新高,并且还在不断刷新最高记录。这时,各种消息漫天飞,阴谋论疯传,大国博弈,毛衣战,大宗商品定价权,大宗产品暴涨的直接原因不是什么供需,而是资本扎堆操作。无论上述消息的真伪和对错,最根本的一条“谷贱伤农,米贵伤民”,确实影响实体经济正常运行,进而影响民生。

另外一方面,环境不断恶化,地球在不停的变暖,早期的酸雨、毒雾,到现在的雾霾、风沙、海平面上升,不用精密的仪器,单从感官就能体会到城市和乡野的空气差别。在这场人类存续发展和环境保护及人类命运共同体构建过程中,各国表现的多元化高度统一,减碳、低碳、无碳过程中的高度默契。在各国都争相去完成“双碳”目标,同时也是从传统能源向可再生能源转变的关键期,旧秩序向新秩序更迭也是最脆弱,最容易出现问题的时期。据《人民日报》2021年9月5日电,我国非化石能源装机10．3亿千瓦,占全国总装机的45．5%,风电装机2．7亿千瓦,太阳能装机2．7亿千瓦。但是“拉闸限电”的问题,客观上也反映出发展了那么多年的新能源并未获得实效,然而一直宣称做配角、做好调峰的火电,竟然还是主角,还处在能源系统的C位,能源秩序并没有发生实质性改变。

全球气温,尤其是近一百年呈现加速状态,海平面上升明显,所以降低碳排放,实现碳中和的“双碳”目标成为既定方案,确立的国策,不容改变。这场能源风波中,虽然能通过“保供”的方式化解,也只能是短期行为,能源秩序处在一个相对的脆弱期。长远来看,传统能源向新能源的过度需要真正的动力源和驱动力,而政府需要更强有力的“抓手”推动这次变革。当然谁先获得这个“抓手”,谁就获得先人一步几十年的发展机会。

二、重塑能源秩序需要动力源

习近平总书记站在国家发展和安全战略的高度提出了“四个革命、一个合作”能源安全新战略,并将能源技术革命列入重要的一项内容。今年7月15日,国家发改委、国家能源局印发的《关于加快推动新型储能发展的指导意见》(下称《指导意见》)更是以技术革新为内生动力,创新引领,在不断完善政策的顶层设计,探寻能源变革的动力源。

现在大数据、智能化、云计算等发展迅速,在能源行业应用也非常广泛,软件技术提高很快,但是底层技术或者称基础科学等核心硬件技术上发展滞后,能源技术革命性的不多。笔者通过多年从事新能源技术研究和原创技术开发,结合笔者团队涉及的风能、储能、低温原动机三块领域,通过新能源赋存、风能、储能、原动机四个部分谈一下现有新能源技术的短板和发力点,希望能给更多的科技工作者启发和机构合作。

1．新能源赋存

太阳能、风能在可再生能源中被公认为最清洁、环保的能源,并且资源丰富。据国家气象局统计,我国属太阳能资源丰富的国家之一,全国总面积2/3以上地区年日照时数大于2000小时,年辐射量在5000MJ/m2以上。据统计资料分析,中国陆地面积每年接收的太阳辐射总量为3．3×103～8．4×103MJ/m2,相当于2．4×104亿吨标准煤的储量。我国离地10米高的风能资源总储量约32．26亿千瓦。

图1 我国太阳能资源分布

图2 我国风能分布

从以上数据可以看出,太阳能和风能总规模和总量都非常巨大。根据我们在当地建设的监测数据站统计,一个全日照周期,夏至前后能高达13kW·h/m2,冬至前后也有5kW·h/m2。这些能源如果充分利用,基本能解决当前的能源问题。虽然太阳能、风能分布广泛,规模和总量都非常可观,但是资源禀赋不高,具有明显的随机性、不稳定、间歇性,同时还有能流密度低、品位低的特点。所以对太阳能、风能的开发和利用不能简单的使用传统模式、传统技术,而是要开发匹配的底层技术、创新技术。

图3 监测站和太阳辐射数据

2．风能

风能和太阳能是衍生关系,太阳辐射到地面的能量2%转化成风能,风资源分布极不平均。根据历年气象数据,我国风资源总量85%的是二级、三级风风圈,国土面积68%的属于低风速区。这部分风资源面域广、总量大、风频高,品位低、能流密度小,以现有的技术模式不容易利用,但是这部分资源距离人口密集区最近,能源很容易消纳。这也就是我们经常看到山上的风机总是在“晒太阳”的原因。

图4 风力发电工况图

图5 风机原理

现有的主流风机是水平轴风机,叶片裸露在外,也可以称为“开放式”风机。这类“开放式”风机,从风力发电工况图可以看出:风小了风机不运行,即使运行出力也很小,对高频次、低密度的风资源利用很有限。另外,从风机原理图可以看出,“开放式”风机主要是利用风的动能转化成叶片的机械能,开放式的结构降低了转化效能。

针对上述情况,笔者所在团队开发了自主知识产权高效利用低风速资源的风力技术,不需要寻找风向,叶片不再裸露在外,安全性更高的非开放式结构的风机。其中非可视风力技术获得2017年山东省科学技术厅的资助,其姊妹单轴双式风力技术获得2018年山东省科学技术厅的资助。下图是正在安装测试的非可视风力技术的原型样机。

图6 非可视风力技术控制系统和实验样机

3．储能

太阳能、风能因为资源禀赋不高,不能提供稳定的能源。在“双碳”背景下,能源保障成为新的挑战,所以在太阳能、风能开发使用过程中使储能一开始就自带光环。将可再生能源高效的存储并充分的利用是储能的目的,同时也是技术突破的方向。上文《指导意见》中明确的提出了高安全、低成本、高可靠性、长寿命等方面的储能技术,探索开展储热技术的研究和示范。下面是通过网络收集整理的一些储能系统信息,仅作为对比参考。

图7 储能系统信息对比1

图8 储能系统信息对比2

每种储能自诞生就有相应的技术优势和特点及应用场景,这里仅介绍储热的优势。储热相对其他储能方式具有原理简单、材料来源丰富、价格低廉、循环寿命长等优势。而储热中的相变储热方式能提供恒定温度便于稳定的能源输出,单位储能密度大的优点。对相变储热的研究逐渐深入,去年在《2020年超临界CO2循环光热发电前言技术论坛》中来自清华大学的胥蕊娜教授谈到的蜂窝式相变潜热储能,到今年的《太阳能热利用科学技术研究生论坛》中多孔介质、膨胀石墨等等研究内容,相变储热系统的内部结构、骨架材料及抗腐蚀性能等相关技术在不断提高。

另外,光热系统能够更好的利用紫外光、可见光、红外光,波长在300-3000纳米,约占太阳总辐射能量的96%。而平板式集热器能够更好的吸收直射光和散射光,相比聚光型光热系统对散射光有苛刻要求,应用场景更加广泛。据清华大学宫鹏研究组统计,2017年中国城市建成区面积为146102平方公里,城市与农村建成区总面积209950平方公里。按照这一数据,当前我国城市与农村建成区总面积已占国土面积1/48,在胡焕庸线以东的人口密集区要远高于这个比例。这些区域除了绿植需要外,有充足的空间开发太阳能和风能。针对这种情况,笔者所在团队开发了叠加储能技术。叠加储能技术根据太阳东升西落,不同时段照射在建筑物不同位置的特点,将平板式吸热器安装在建筑物的不同位置,模块化吸热储能,同时将风能转化成热能进行存储。在需要能源的时候进行释放,完成能源储发一体化。该技术获得2019年山东省科学技术厅的资助。

图9 科技厅竞技现场

4．原动机

光热能够利用更宽泛的光资源,储热能够更经济安全,使光热发电具有很多优势。但是聚光型光热发电系统采用传统火电运行模式,尤其是使用火电的蒸汽轮机作为原动机。

图10 火电运行原理

而火电是不断提高温度来提高发电效率,从亚临界、超临界、超超临界,温度高达700度。火电通过燃烧化石能源,能流密度高,比较容易通过提高温度来获得高效率。但是太阳光能流密度低,通过提高温度的模式提高效率比较困难,只能不断提高聚光比,增加反射镜的数量来提高温度。这也就是为什么现在的光热发电系统需要庞大镜场的原因。

图11 聚光型光热电站

造成这种问题的根本原因在于:1、蒸汽轮机的低温状态下的效率不高,即低温效率问题;2、蒸汽轮机制造困难、结构复杂、运营成本高只适合规模化,小型化后能源转化效率低,限制了应用场景。针对这种问题,去年在《2020年超临界CO2循环光热发电前言技术论坛》中笔者就提出过质疑。下面是笔者和浙江中控太阳能金建祥董事长的交流内容,后面很多与会专家也都谈到原动机需要重大技术突破的问题。这种论坛形式的会议非常高效也更能深入的探讨技术,整个过程也非常融洽,尤其是通过线上的形式能够打破空间的距离。

图12 论坛中的提问内容

当时提出透平机自身的瓶颈问题并非一时兴起,而是基于对现有原动机的深入研究和开发出来的一套新的原动机技术,也就是“二次元发动机”。二次元发动机自2009年萌芽开始,历经十余年,经历了三次名字变更,二次元发动机的命名最能体现该技术特征。既然称为“二次元发动机”,肯定会有一次元发动机。和我们生活比较接近的汽油机、柴油机,或者用另外一种称呼奥托循环、狄塞尔循环,这类原动机都是将高温高压或者高压气相工质的压力势能转化成活塞的机械能。如果将高温高压(高压)气相工质定义为一个变量,而对这类原动机不停的研究、升级的目的就是在提高效率,就像在求解只有一个未知数的一元方程。而高温高压(高压)气相工质做工的过程只有膨胀一项,也就是只有一次性。所以这类发动机定义为“一次元发动机”。燃气轮机、汽轮机通过高压气体透平,也就是膨胀过程中对叶片做工,同样属于“一次元发动机”。一次元发动机普遍诞生都超过了一百多年,也经历了一百多年的研究,效率提升空间非常有限。

二次元发动机不同于一次元发动机,动力工质也不在只有一种,能源转换过程也不是单纯的一种形式,而是多种能源形式相互迭代。最为关键的是二次元发动机结构更加简单,非常容易小型化,适应更低的温度,属于低温发动机,能够更好的开发资源禀赋不高的太阳能和风能。

三、能源新秩序:能源B2C

上面谈到了笔者团队在风能、储能、低温原动机的研究内容和原创技术,相信很多科研工作者也有自己见解和方向。无论如何,欢迎更多的科研工作者和机构加入到这场能源变革中来或者加入到我们的团队中,因为人类文明的每次进步,都是以科技为先导,形成一点的创新突破,以点带面,推动整个社会文明的全面进步。

当能源技术革命能够更高效的利用太阳能、风能,不再受制于“火电”调峰及高昂的环境成本和电费之苦时,环境会变的更加美好,人类文明新的进步很快就会来。以下是笔者预测的能源秩序:能源B2C。能源B2C中的B2C取自电商,即Business-to-Consumer,这里区别是能源端直接对客户端,客户端既是发电端同是消纳端。与以往的大电网、局部电网、分布式能源、智能微网不同的地方就是不再有网和电费的存在。更通俗一点,以后家里用电,买个发电设备就像买个普通家电一样简单。交电费的时代真的可能会成为历史。

图13 能源B2C结构

低廉、清洁、环保的能源会像新鲜血液输送到下游的加工制造业和民生行业,带来新一轮的繁荣。最后还是要为我生活的这片土地和这座城市做一下宣传,欢迎国内外的投资机构、企业、智囊团、科研院所、高校、人才来这座上承孔子、孟子,下有雄厚传统能源工业基础的东方圣地投资、合作、择业、定居。在这百年未有之大变局,夯实能源基础,理顺能源秩序,为中华实现弯道超车,直道加速,领跑世界贡献一份力量。