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中国科学院院士 管晓宏:零碳智慧能源系统与能源革命

来源:中国绿发会日期:2021-09-13 17:23:16

9月6日,2021全球绿色发展高峰论坛于在中国四川省成都举办。“碳中和愿景下能源转型与创新”是此次绿色发展峰会的焦点话题。中国科学院院士、西安交大教授管晓宏的讲话内容分享如下:


大家好,我今天汇报一下关于零碳智慧能源系统和能源革命相关的研究工作和一些认识。


我们知道全球能源危机迫在眉睫,主要是排放、空气污染等等这样的问题。关于人类社会前面很多专家都讲过了,依赖化石能源能耗模式已经难以为继了。习近平总书记在2020年9月22日联合国大会一般性辩论当中提出来,中国将提高国家自主贡献力度,在2030年前二氧化碳排放力争达到峰值,2060年前实现“碳中和”。所以能源供应的清洁和绿色化势在必行,刚才好几位专家也都说过。绿色能源,包括水电、抽水蓄能、光伏以及风力等,但是在传统的电力系统结构下,所有的一次能源都转成电能接入电网,因为到目前为止,我们还没有找到一个大规模、经济的储存电能的技术。所以,电力系统必须满足实时供需平衡,这就对高不确定的可再生能源的利用造成了根本性的挑战,导致我们国家弃风、弃光、弃水的情况十分严重。


去年四川省领导做了一个“两院院士四川行”的活动。在大会上,彭书记亲口对我们讲四川的弃水情况非常严重,这是非常不应该的事情。这个问题就在于在传统的能源电子结构下,我们有水、火、风、光电源,有水、抽蓄、蓄电池等这些传统的储能设备系统。另外我们有“发、输、配、用”传统的电力系统结构+多能源终端供需协调这样的一种结构。在这种结构下,我们利用风光水互补、源荷互补抵消不确定性,但是只能做到一部分,要做到瞬时平衡的话,需要电能多的时候,刚好可能风能太阳能就没有了,因此问题得不到根本上的解决。


因为时间关系我主要讲一下非传统分布式能源系统结构,包括传统电源(风、火、光、水等)+分布式可再生新能源+氢能燃料电池,多能源储冷储热+储氢,以及全分布式/集中+分布式的供需协调优化+氢能储运的供应链优化。


首先,氢能的制备和利用现在受到了极大的关注。我们知道水中的大量富含氢,但是它的化学键非常稳定,需要很大的能量才能把水中的氢分解出来。所以可以用电解水或光催化这样的方式,也就是用太阳能加催化剂直接将水里的氢晒出来,再用有机溶液、化学吸附氢的方法让它变成一种附氢的有机溶液,最后通过石油化工的设施进行运输,把它送到氢燃料电池,产生我们需要的电能和热能,同时还可以把热能收集起来为我们所用。氢能是零污染排放、零碳排放、水-水再生循环存储的绿色能源。基于氢能的二次能源结构,具有清洁、可再生、能源密度高等优点,被广泛地视为21世纪终极的、常规的清洁能源,可以服务于社会生活的各个方面,成为与电能并重互补的二次能源。


我本人并不是专家,我也是在学习,我觉得氢能这个制备和储运的技术正处于技术革命前夜,所以我们要特别关注正在突破的三项技术,一是光催化制氢技术,就是利用太阳能,通过光化学与光生物分解水制氢;二是常温常压储氢技术,我们刚才讲过的有机溶液通过化学反应生成附氢载体,然后利用现有的石化基础设施运输、储存、销售、添加,可以在常温下进行;三是氢燃料电池,是高转化效率、长循环寿命、低制造成本的新一代的燃料电池堆,广泛用于车和能源系统。这三项技术的突破,可能会形成一个跟传统能源电力系统并行、并重的一个氢能供需系统。根据诺贝尔奖得主、美国前能源部部长Steven Chu(朱棣文)计算,石油运输的成本是每升4分钱人民币,所以这个运输成本是非常低的。基于氢能的分布式能源系统,它是氢能驱动的冷热电连供,它产生的热可以利用起来。氢燃料电池供电,实现多能协同转化和近零碳排放,以水为载体的热、冷存储。刚才前面有专家已经提过了,斯坦福大学的系统,通过冷水和热水就能把我们需要的冷和热存储起来,提高系统能效。


同时氢能供应链可以市场化运行和管理,国外20多年前就已经实现了市场化,而我们中国的电力系统的市场化现在还在进行中,除了存在管理和利益问题以外,技术上与其他的相比也比较复杂。其实氢能供应链从一开始就是一个市场化的系统。氢能的存储与电网、可再生能源等交互,实现系统并网或者独立运行,这是一个全绿色的结构性变革,它能够解决储能、可再生能源消纳和能源电力市场化等重大挑战。


氢电互补的新结构能源供需系统运行原理是这样的,我们通过太阳能的光伏发电或者太阳能的极热电解,或者通过光催化的制氢等,把这里头的热通过热水罐冷水罐直接用于建筑、工业等,我们知道这些建筑耗能是占社会总耗能的大概40%左右,能量需求很大。其实我们直接需要的是热能而不是电能,而现在我们把所有的东西都变成电能,然后再用电能去推动制冷、制热的空调系统,这中间过程是非常耗能的,所以我们直接利用这个能量比较划算。像热能,直接利用太阳能的光热系统制热的效率更高。


这里边的主要科学问题与挑战主要包括:信息流和氢-电二次能源及多种能源流网络间的时空多尺度耦合、动态转换关系机理和数据模型;多能耦合信息物理融合能源系统安全运行优化理论和方法;包含氢能供需链的智能性与多能互补协调规划和分布式能源系统市场的设计与博弈分析。这已经在国家自然科学基金成功立项,属于重大项目。我们也做了一些工作,就是通过能量流和信息流的建模,把电能网络、热能网络和信息网络,利用方程把它们中间耦合关系描述出来,结果已经发表在英文版《中国科学》上了。


我们还建成了第一个绿色智慧能源系统实验室,这里面包括了储氢、燃料电池、储冷水、储热水,还有各种各样的测试环境。在这个系统当中,氢、电、冷、热等可再生多能协同,储能和传统储热、储冷协调,实现零碳运行。我们这个系统可以脱开电网独立运行4个小时,将来这个系统与刚才说的氢能液体储运系统结合起来之后,就会形成一个非常有前景的系统。


我们这个系统是去年8月25号建成的,习近平总书记在9月22号的讲话对我们有极大的鼓舞。同时,我们正在陕西榆林建设第一个零碳示范应用系统,这个系统会在今年年底建成,到时候也请各位专家到现场来指导。


最后讲讲我的一点思考,计算机系统的变革从70年代DJS-130(Nova,分布)系统,到我博士期间的IBM 3070(集中,分时终端),到我博士毕业时的DEC-Alpha工作站(分布),到本世纪初的网格计算,到现在的云计算(集中-分布式),再到边缘计算(分布-集中式)。有人统计过,每10~15年一个轮回,但每一次变革都伴随着革命性的技术进步。而我们能源电力系统结构(发电、升压输电、降压、配电、用电),在140年前特斯拉与爱迪生之争之后再没有发生过重大的改变。所以能源电力系统结构即将发生重大改变,这是个大问题。当然还不能下结论,但是刚才提到的,氢能供应链和系统氢能作为二次能源与电能将形成一个并重互补的系统结构,这已经给我们展示了非常诱人的前景。


以绿色、分布、市场为标志的能源革命即将到来吗?这是2018年的美中绿色能源峰会上,朱棣文教授做的一个报告。我们也可以再进一步的问,由此产生的地缘政治即将改变吗?最后的结论就是信息物理融合能源系统(CPES)能够实现能源系统供需整体优化控制与决策,是新能源电力系统的基础;氢能制备和储运的新技术,为实现全绿色的结构变革,构建全自治或独立的分布式能源系统奠定了基础;基于氢能大规模利用的信息物理融合能源系统,将可能深度改变能源构成,实现以绿色、分布、市场为标志的能源革命。我的汇报就到这里,谢谢大家!


(以上内容根据现场发言整理,未经本人审核)


原标题:管晓宏:零碳智慧能源系统与能源革命|2021全球绿色发展高峰论坛