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科普讲座:水电新能源与人类命运共同体(张博庭)
2018/5/30 11:05:43    新闻来源:中国水力发电工程学会

 

       【本网讯】2018年5月30日,在第二个“全国科技工作者日”到来之际,中国水力发电工程学会与汉能控股集团有限公司在北京共同举办水电与新能源科普论坛暨科普教育基地授牌仪式。会上,汉能集团董事局副主席史国松致欢迎辞,水电学会常务副理事长兼秘书长袁柏松作讲话;水电学会理事长张野为“水电与新能源科普教育基地”授牌;水电学会副秘书长张博庭、汉能集团副总裁曹阳分别作科普讲座。中国电力报、中国能源报、中国网等媒体记者出席和交流。

       水电学会副秘书长作“水电新能源与人类命运共同体”的科普讲座:

水电、新能源作为一项工程技术怎么会与人类的命运发生了联系呢?要解释清楚这个问题,首先要从当前我们人类文明所遭遇到的发展难题说起。


一、人类文明可持续发展的新课题

1.1、人类社会遭遇减排难题

在人类的工业化之前,人们还没有能力大规模开采煤炭、石油。因此,人类活动对地球碳循环的影响是极其有限的。但当我们学会了开采利用煤炭、石油等化石能源之后,大量的化石能源被燃烧,不断排放出二氧化碳和其它温室气体。使得原来沉积在地下的碳元素,大量地被释放到空气中去。

这必然会导致地球大气中的二氧化碳等温室气体含量急剧升高,带来强烈的温室效应,最终可能会产生冰山融化、海水上涨、淹没大陆、气候环境变化异常等一系列可怕的后果。当前,过量的温室气体排放,已经成为当前人类社会最大的生态难题。


1.2、科学证实,过量碳排放的威胁巨大

09年,美国加里佛尼亚大学地质系科研人员在《科学》杂志上发表论文指出,“地球3亿年前曾发生过大规模温室效应”,

研究人员通过分析发生在二迭纪初、4000万年时间段内的二氧化碳含量与气候和生物进化的情况发现:在古生代晚期时代的千百万年里,就曾发生过二氧化碳引起的全球性温室效应,而且这一现象不仅仅在人类出现之前,甚至在哺乳动物之前

研究人员还指出,今天,大气中二氧化碳的含量为360ppm,是近50万年里最高的时期。

今后,如果人类将地球上所有的矿物资源耗尽,大气中二氧化碳的含量将恢复到3亿年前古生代晚期时2000ppm的水平。

也就是说,除了我们已经预见到的“冰山融化、海水上涨、淹没大陆、气候环境变化异常等一系列可怕的后果”之外,我们不知道,当时地球上还没有哺乳动物,是因为还没有足够的时间进化出来,还是那种碳浓度下,根本就不适应哺乳动物的生存。


1.3、可持续发展也需要的可再生的能源

能源是文明基础。人类发展进入现代之后,化石能源的使用成为不可或缺的。然而,地球上的化石能源都是几亿年来动植物的躯体积累构成的,它们在漫长的生长过程中吸收了大量的太阳能,逐步形成了化石能源。

但是,当人们学会使用化石能源之后,这种能源的消耗速度,就远远大于它的积累速度了。煤炭、石油、天然气、页岩气、可燃冰。所有这些能源都加起来,相对于人类社会未来的需求,绝对是杯水车薪。

过去200 多年间,人类的能源利用经历了从薪柴时代到煤炭时代,再到油气时代的演变,在能源利用总量不断增长的同时,能源结极也在不断变化(见图? 1800--2000年能源消费的变化 )。

由于我们人类个体的寿命最多只有百十年,所以,本来我们这一代还可以暂时不考虑那么多的事情,把能源资源枯竭的难题留给我们的后代。

但是,现在,气候变化的问题,已经让我们把未来不得不面对的能源枯竭的难题,大大提前了。

紧跟在在温室气体排放难题后面的是地球的能源枯竭。随着时间的推移,各种矿物能源资源终将都要有一个逐渐枯竭的问题。从这个意义上来看,只有尽可能的开发利用可再生能源,才是既能解决温室气体排放,又能解决能源枯竭矛盾的有效措施。

人类不应该等到资源枯竭了再采取行动,必须从现在起就减少矿物能源的应用。


二、应对气候变 能源必须革命?

2.1、联合国提出更严格的减排目标

在上个世纪人类应对气候变化的《京都议定书》即将到期的201411月,联合国又发布报告称,在遏制气候变化问题上,要争取平均温度升幅不超过2摄氏度,至2050年全球温室气体排放须较当前减少40%70%,到2100年接近零。否则,到21世纪末,气候变暖将很可能在全球范围内带来严重的、广泛的、不可逆转的影响。

此后不久,在北京召开的APAC峰会期间,世界上最大的排放国中、美两国首脑也进行了磋商,并发表了联合公报作出了相应的减排的具体承诺。为了响应联合国的2100年碳排放为零的号召,我们国家的承诺是到2030年能耗减低60%65%,非化石能源的比重达到20%以上,以及在2030年前达到碳排放的峰值。

何为碳排放为零,怎么样做到碳排放为零呢?其实就是碳源等于碳汇。也就是基本不使用化石能源。


2.2、使用化石能源就是释放埋藏地下碳

可再生碳排放:在地球表面的各种动植物正常的碳循环。包括使用各种可再生能源的碳排放。

不可再生碳排放:从地下把几亿千年前沉积下来的矿物能源开发出来,燃烧后产生的碳排放。

温室气体排放的最核心问题,不应该是所观测到的碳排放量的大小,而应该是碳排放活动所使用的原料的来源。(如生物质能发电与天然气发电的比较)

不再使用化石能源,我们人类的能源靠什么?到目前为止,由于核聚变控制技术还没有取得突破,而且,能否最终突破,目前还是一个未知数。当前,比较现实的选择当然就只能是依靠可再生能源。总之,实现这样一种能源转变的规划和思路,也可以说就是一场深刻的能源革命。也是我们人类文明发展的必由之路。

总之,目前人类可持续发展可以预期的能源提供方式,就是可再生能源。


2.3、应对气候变化有助于可持续发展

假设我们全球都不减排,我们仍然按照目前的速度消耗化石能源,恐怕到2150年最多到2200年地球上的各种化石能源就都要枯竭了。到那个时候,不管我们人类自己愿不愿意,我们只能让全球的碳排放为零了。

从这个意义上说,能源(革命)转型是历史的必然,是不以人的意志为转移的客观规律,是不可抗拒的。因此,联合国气候变化的报告,在某种意义上说是一种让我们在资源没有枯竭的时候,就解决好我们人类可持续发展问题的号召。不要等到我们人类走投无路的时候,再去想办法。

所以,即使现在有人怀疑气候变化不准确,甚至有人说这是一种发达国家的阴谋。但是我们要强调的是,即便它就是阴谋,也是有利于人类可持续发展、有利于我们子孙后代的好阴谋。所以世界各国都应该积极响应。


三、能源革命的一些特点

电力是主战场; 水电是主力军; 风能是第二梯队; 太阳能是决胜力量


3.1、能源革命的四个革命一个合作。

供给(生产)革命:用清洁能源和可再生能源取代化石能源。消费、技术、体制革命。

能源革命的四个方面,我们发现其作用和重要性是非常不一样的。供给革命是由我们人类所面临的可持续阿发展难题,和一系列的客观现实所决定的,是客观的,也是我们必须要实现的。其它的消费革命、技术革命和体制革命其实都是围绕和服务于能源供给革命的。

国际合作最重要的是履行和落实《巴黎协定》

所以能源革命的核心特点是:近期,低碳取代高碳能源;远期,非化石取代化石能源。推论:

1、电力领域是能源革命的主战场。因为,我们人类获取可再生能源的最主要方式是用可能再生能源发电。

2、根据各国的发展现实和预测,水电是当前能源革命的主力军;风能是能源革命的第二梯队;太阳能将是能源革命的决胜力量。

因此,目前世界各国可再生能源发展的普遍规律就是:水电、风电、太阳能是可再生能源发展的三部曲,缺一不可。水电是发展其它可再生能源的基础和保障。


3.2、水电是当前最有效的减排手段

工业化以来,全球水电的开发应用是减少世界温室气体排放的最大功臣。目前由于一些发达国家的水电资源几乎开发殆尽,已经进入大规模发展风能、太阳能等新型可再生能源的阶段。

国外各种媒体所宣传的可再生能源,也大都以风能、太阳能、生物质能为主。

但是,事实上由于受到技术水平和能量密度的局限,水电仍然是当前最有效率、最起作用的可再生能源。

在发电领域内,目前全球可以利用的其它所有形式的新型可再生能源量的总和,恐怕还要与水电的减排作用相差很多。这就是世界的现实,而且这种局面在短期内还不可能被改变。

水电是清洁的可再生能源,在发电领域内它是目前人类社会替代化石能源减少温室气体排放的第一主力。

2015年全球电力构成情况

水电的减排作用远大于风能、太阳能等其它所有非水可再生能源过发电的总合。


3.3、可再生能源中,水电的地位特殊

在众多的可再生能源中,水能不仅是目前唯一具有大规模商业化应用的。而且在改善电网的调节性方面,和经济回报率方面,将会对其他可再生能源的发展应用,起到重要的支撑和保障作用。

当然,由于目前我国的水电建设还普遍缺少龙头大水库,常常无法进行有效的调解。所以,我们国家对水电在电网中的重要的调节作用,体会并不深。而当我国水电开发全部按照规划完成之后,水电在电网中的可调节性能将大幅度的提高。

例如,我国雅砻江的规划完成后,将实现枯水期发电量超过汛期的目标。实际上,很多流域都存在着类似的情况。所以,加速水电开发,加快龙头水库的建设,就能大幅度的增加我国电网接纳其它新能源的能力。同时我们还可以建设大批纯抽水蓄能的电站,直接解决可再生能源入网的难题。

除此之外,我们水电家族中的抽水蓄能电站,也是目前最有效的电网调节手段。同时也是大规模的风、光等间歇性、波动性的非水可再生能源发电入网的重要保障。


3.4、太阳能利用是解决能源问题的关键

虽然水电在当前的量最大,调节性最好,也最重要,但是,自然界中的水电资源毕竟是非常有限的。相对于未来,我们要全面地替代化石能源的重任,水电还是远远不能胜任的。此外,根据预测,地球上风能的发电能力也是非常可观的,目前的风电已经是全球第二大可再生能源。但是,风能的资源总量也是非常有限的,尽管可能会与水电相当,甚至会超过水电,而最有希望满足人类能源需求的,则是太阳能的直接利用。

所以,我们说:水电是当前能源革命的主力军;风能是能源革命的第二梯队;太阳能将是能源革命的决胜力量。这一点是由自然界的资源禀赋决定的客观现实。

因此,我们搞水电的不仅要开发利用好水电资源,还要有为非水可再生能源服务的全局意识,尤其是对将来要起决定作用的太阳能发电,更要关注。

在这方面,很多年以前,我们就开始了抽水蓄能电站的建设。最近,我们学会还正在筹建探讨发展风、光发电技术的新能源专委会,包括我们今天把汉能集团的薄膜光伏发电展示厅作为学会的《水电与新能源科普教育基地》。都是我们水电专业人士高度重视与非水可再生能源协调发展的体现。


四、我国能源电力行业的减排路线图

4.1、应对联合国减排目标,我国的电力如何发展?

要满足联合国的2100年净零排放的减排要求,对2030年前的能源构成,因为中央已有定论2020(非化石能源占到15%)、2030(非化石占到20%)所以,分歧不大。但对2030以后的能源结构的看法,社会各界目前的分歧极大:

企业界(如:工程院、中电联)认为2050年(非化石能源30%)、煤电装机(占比电力装机的50%以下)就可以了。

政府(如:国家能源局)和国内外的研究机构认为2050年煤电装机要降到20%以下(非化石能源占比要达到50%,非化石的电力占比要达到80%);

国际学界(全球经济与气候委员会)也认为2度方案,煤电要消减84%

能源研究所等机构在北京举行的G20能效论坛,非化石电力要占82%

(中国的煤电装机到2040年降到4.7亿瓦、2050年降至1.45亿瓦{那时全世界的煤电装机也只有2.71亿千瓦})。

总之,国内外的研究机构都认为,要实现联合国的2100年净零排放的目标,2050年的能源结构中至少要有50%以上的非化石能源,电力结构中非化石比重不能少于80%

而我们国家的电力和煤炭产业部门,则是仅从我国电力能源安全和经济性方面考虑(没考虑联合国的减排要求能否满足),认为中国在2050年的时候,煤电的比重虽然已经下降到不足50%了,但仍然要是绝对的主力。煤电装机大约要在17亿左右。

这两种路线图的前端(2030年前),基本上还看不出什么区别,都符合我们国家已经承诺的内容。但是,对于国家没有明确提出路线图的2030-2050,两者却表现出来的极大的不同。


反映企业界态度典型文章:

《不要争了!煤电趋势看这里!》电力决策与参考,“中电联专职副理事长王志轩早前则预测煤电将持续增长,到2050年达到17亿千瓦,占比34.7%。”

《工程院: 预计2050年中国火电发电量占比低于50%》第三步,2031-2050年,为能源革命定型期,形成新型能源体系,煤炭、油气、非化石能源消费比例达到433

2050年火电发电量占比低于50%


反映政府意见的新闻报道:

2050年能源转型路线图如何定 国家能源局明确7方向 》2017/6/19 --21世纪经济

中央财经领导小组第六次会议指出,能源革命战略思想首次把能源发展提升到革命的战略高度,形成了化解能源资源和环境约束、促进人类永续发展、建设人类命运共同体的"中国方案"

2050年,非化石能源消费占比达到50%。文章认为,这一目标比学界的建议要高出很多。69日,中国工程院发布的重大咨询项目"推动能源生产和消费革命战略研究(一期)"成果显示,到2050年非化石能源消费占比仅为30%


反映国际研究机构观点的:

2℃情景下的2050年全球能源供需格局 》

2016/5/26 中国能源报(全球经济与气候委员会(The Global Commission on the Economy and Climate)最近发布了2016年版的新气候经济报告,侧重于可持续的基础设施,其中涉及煤电厂部分)

20142050年,全球发电装机将由61亿千瓦增至300亿千瓦,年均增长4.5%。其中,以风电和太阳能发电为主的非水可再生能源发电装机将由6.7亿千瓦增至228.6亿千瓦,2050年占全部发电装机的比重超过3/4


4.2、能源转型的紧迫性催生巴黎协定

为应对气候变化,全球能源(转型)革命的大趋势难以改变。由于中、美两国在减排问题上积极合作,2015年在巴黎的气候大会上,各国代表承诺了自主减排基础上的《巴黎协定》。2016年的杭州G20会议期间,我国政府又正式提交了《巴黎协定》的批准文件。目前,巴黎协定已经生效。

根据巴黎协定,地球的温升要争取控制在1.5度内,因此,要求争取在本世纪下半叶(2050年后),就达到净零碳排放。这个承诺,其实要比我们在2014APAC会议期间所提交的承诺,又提高了很多。

不过,目前巴黎协定似乎还没有与我们国内政策有效衔接。当前我们的各项电力产业政策基本上还是以产业界设想的线路为发展目标。所以,尽管当前我国的煤电已经严重过剩,但是,目前仍然还有不少的煤电正在建设中。

目前,我们社会各界似乎还没有意识到我们现有的能源政策,根本就实现不了巴黎协定。但这种情况绝对不会长久。因为,作为一个负责任的大国,我国在履行《巴黎协定》承诺问题上,决不可能会开倒车。

可是,要落实巴黎协定,绝不是光说说就能办到的,必须要解决好我国的能源转型问题。

美国总统特朗普为何要宣布推出巴黎协定,是因为他要废除美国限制煤电发展的《清洁电力法案》。他非常清楚如果美国2050年还不能彻底告别煤电,巴黎协定是不可能得到履行的。所以,他要宣布退出。特朗普清楚地知道,美国要继续新建煤电站和落实巴黎协定,只能在二者中选其一。


4.3、落实巴黎协定的电力构成预测

国内外的研究机构普遍认为,要想实现联合国提出的控制温升2度,在2100实现净零排放的目标,那么2050年的能源结构中至少要有50%以上的非化石能源,相应的在电力结构中,非化石能源发电的比重至少要占80%以上。

如果要实现巴黎协定所提出的争取把温升控制在1.5度,在本世纪下半叶就实现净零排放的话,那么2050年的能源结构中非化石的比重至少要占80%以上。相应的在电力构成中,应该达到100%的非化石能源。

国内外的研究机构普遍认为,要想实现联合国提出的控制温升2度,在2100实现净零排放的目标,那么2050年的能源结构中至少要有50%以上的非化石能源,相应的在电力结构中,非化石能源发电的比重至少要占80%以上。

如果要实现巴黎协定所提出的争取把温升控制在1.5度,在本世纪下半叶就实现净零排放的话,那么2050年的能源结构中非化石的比重至少要占80%以上。相应的在电力构成中,应该达到100%的非化石能源。

最近(媒体报道:《专家:世界2050年前有望全部使用可再生能源〉2017/4/13 经济日报)

欧洲、美国的一些能源研究机构,根据各国现有的可再生能源发电的技术水平,认为只要我们转型的方向正确,在2050年在全球实现百分之百的由可再生能源供电是完全可行的。

研究认为,不仅技术上可行,而且经济上还能比发展传统的化石能源更有优势。

研究预测,2050年的全球发电结构可能是:

太阳能光伏(69%)、风电(18%)、水电(8%)、生物质能(2%),其中储能电源将覆盖31%的电力需求。

这是研究机构对全球总体情况的设想,由于我们中国的水能丰富,具有天然的能源转型优势。

全球的水电贡献率8%,在中国应该可以达到18-20%

相应的全球的储能电源需要31%,而我们中国则可以适当的减少到20%左右即可。

也就是说,我们中国落实巴黎协定,不仅完全可能,而且会比别的国家更有优势。原因就在于我们国家的水能资源相对丰富。


4.4、百分之百由可再生供电的实践

百分之百的实现可再生能源供电,并非不可能。很多国家已经做出了成功的尝试。水电资源非常丰富的挪威,几乎一直都是由可再生的水电,满足99%以上的供电。在非水可再生应用方面,比较近的例子是葡萄牙可再生能源协会(APREN)报告说,20183月份实现了全月100%可再生能源供电。其中,葡萄牙的水电和风电分别满足了当月电力消费的55%42%

可见,水能资源丰富的国家,具有实现百分之百可再生能源供电的天然优势。


结语

在去年党的十九大报告和我国今年的政府工作报告都提出了一个崭新的口号,叫做构建人类文明共同体。什么是人类文明共同体?社会各界可能有各种各样的解释,看法。

我们国家倡导的“一带一路”肯定是一种人类文明共同体的形式。中国科协今年的9月要倡议成立全球的提高公民科学素质联盟,这也是一种人类文明共同体。但是,我们恐怕不能否认目前全球最成熟、最公认的人类文明共同体,就是应对气候变化的《巴黎协定》。

然而,要落实巴黎协定,绝不是光说说就能办到的,必须要解决好我国的能源转型问题。

美国总统特朗普知所以要宣布推出巴黎协定,是因为他要废除美国限制煤电发展的《清洁电力法案》。他非常清楚如果美国2050年还不能彻底告别煤电,巴黎协定是不可能得到履行的。

前不久,美国特朗普访问了挪威之后,由于看到了挪威水电所发挥的作用,特朗普又透露说美国有可能通过进一步开发美国的水电,考虑重新加入巴黎协定。

的确,一个国家的煤电和水电等可再生的发展,确实是衡量它能否落实巴黎协定的重要标志。

根据前面的分析,我们知道水电和太阳能分别是能源革命的主力军和决胜力量。而我们国家的水能资源最为丰富,太阳能发电技术也走在了世界的前列,因此,我们落实巴黎协定应该更有优势和保障。

作为中国的水电和新能源工作者,我们不仅要努力做好自己的本质工作,同时也要特别重视水电与新能源的科普。我们要让社会各界知道,我们所做的工作,既是落实巴黎协定的保障,也是落实十九大的“构建人类文明共同体”的重要体现。这也是我们今天要在全国科技工作日搞这次科普活动的意义所在。

总之,我们可再生能源事业的发展、兴衰,从来都是与祖国的前途、人类的命运,紧密地联在一起的。


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