清洁电力促能源结构变革可再生能源如何实现电气化

 　　在各国陆续给出“碳中和”时间表的当下，可再生能源的作用已不可或缺。

　　近日，国际可再生能源署(IRENA)联合中国国家电网发布的《可再生能源智能电气化：推动能源服务转型》报告显示，要想实现将全球平均气温上升幅度控制在2摄氏度以内，能源系统电气化将是中短期内的重中之重。

　　全球能源使用变迁

　　报告显示，在1800——2019年的全球能源使用变迁进程中，主导全球能源使用的是传统生物质能(traditional biomass)，即太阳能以化学能形式贮存在生物质中的能量形式，例如薪柴、秸秆、稻草、稻壳及其他农业生产的废弃物和畜禽粪便等。由于这一能量形式直接或间接地来源于绿色植物的光合作用，因此可非常便捷地转化为常规的固态、液态和气态燃料。

　　位居其后的是更为熟知的煤炭、石油等传统能源。相比之下，氢能、风能、水能等可再生能源使用的占比并不大。不过，一个可观的趋势是，进入20世纪后，尤其是20世纪下半叶，在全球能源使用中，传统生物质能的占比开始逐渐降低，从此前的100%逐步放缓至2019年不足10%。同样，煤炭、石油的使用占比也开始降低，以风能、氢能为代表的可再生能源使用占比异军突起。

　　波茨坦气候影响研究所的研究员鲁德尔(Gunnar Luderer)认为，长期以来，化石燃料价格低廉、容易获取，成为发电的首选。然而，可再生能源发电，特别是依托太阳能的光伏发电的成本如今飞速降低，迄今为止，大多数气候模型都低估了这种降速。这一进展可以根本性地改变能源结构。鲁德尔结合全球碳价进行电脑模拟的结果显示，到2050年，绿色电力将成为最便宜的能源形式，能够供应四分之三的能源需求。

　　可再生能源发电占比需提高

　　根据《巴黎协定》的目标，到2050年全球化石能源消费量下降须超过75%，可再生能源在全球一次能源消费量中的比例要增长到74%。同时，世界各国也承诺“努力将全球平均气温上升限制在工业化前平均温度的1.5摄氏度”。

　　国际再生能源署认为，将全球升温幅度限制在1.5摄氏度以内在技术上是可行的，但全球能源系统必须经历一次巨大变革，以代替现有基于化石能源为主的系统。

　　国际可再生能源署的数据显示，截至2020年，各国对清洁能源的投资累计达5.9万亿美元。这笔投资的一半(3万亿美元)聚焦改善能源使用方面，而真正对于可再生能源的投资仅为1.5万亿美元。另有1.3万亿美元用于基建和电气化改革。国际可再生能源署预测，在2021——2023年间，国际社会对于可再生能源的投资会以年均2万亿美元的速度增长。

　　这些新的资金投入将对全球可再生能源的使用产生何种影响？国际可再生能源署认为，随着可再生能源领域成为投资者的宠儿，在能源系统变革中，可再生能源的使用将会从2015年占总能源消费中的18%，上升到2050年的三分之二。

　　“如今，在工业、交通或建筑供暖的能源需求中80%是通过燃烧——主要是化石燃料的燃烧——来直接满足，只有20%依靠电力。研究表明，到2050年，这种局面将得到扭转，易于脱碳的电力或能成为全球能源供应支柱，使得减排目标更易实现。”鲁德尔说。根据国际可再生能源署的预测，要加紧落实2050年的去碳化目标，可再生能源在电力部门的使用占比就要从2015年的不足5%提升至30%以上。

　　可再生能源如何实现电气化

　　国际可再生能源署此前发布的《2021年世界能源转型展望报告》显示，到2050年，电力消耗将增加一倍以上，占全球最终能源消耗的50%以上。因此，可再生能源电气化的步伐必须进一步加快，以满足到2050年全球清洁电力的更大需求。

　　前述《可再生能源智能电气化》报告显示，2017——2050年的能耗在智能电气化情景下，尽管初期与“基准情景”下的能耗结果相差无几，但随着时间的推移，即便在2030年的能耗峰值期间，“智能电气化情景”下的能耗也依旧远低于“基准情景”。而且，到了2050年，得益于智能电气化，能耗基本从顶峰回落到2017年的初值。

　　那么，在可再生能源智能电气化的进程中，来自高碳化石燃料的电力将继续被太阳能、风能、氢能和其他可再生能源所产生的清洁、低碳电力所取代。

　　在不同的可再生能源发电种类中，相对而言波动性低和成本低的太阳能光伏(30%)和风能(24%)技术预计将占全球发电总量的大部分。而且，随着能源终端应用从化石燃料转变为电力，能源服务的电气化将变得更为普遍。

　　上述报告认为，数字化技术对实现能源转型至关重要，是扩大可再生能源发电和普及电气化的关键环节。诸如智能数字设备、信息和通信技术(ICT)的部署，以及相关操作的实践，旨在通过更灵活的方式满足可再生能源的电力需求，优化电力交付和使用过程，提供更高效率的用电服务。

　　对于各能耗终端而言，可再生能源的智能电气化未来还有很大的空间。以建筑部门为例，目前每年能源消耗量高达122艾焦(EJ，艾为10的18次方)，约占全球终端能耗的30%。其中，一半以上的能源由天然气、石油、煤炭或生物质能提供，电力约占住宅建筑能源消耗的24%，其中主要用于商业和公共建筑。因此，报告认为，未来通过电加热器进行供暖以及使用电炉和电烤箱烹饪，或者使用可再生电力生产的氢气或合成甲烷等燃料，通过天然气管网供给家庭和商业建筑，有助于建筑行业的智能电气化。

　　对于交通运输行业也是如此。目前，包括公路、铁路、海运和航空的全球交通运输部门每年能源消耗量高达121艾焦，耗能仅次于建筑行业，但其中仅有约1%的能源由电力供应。因此，报告认为，在交通运输领域急需实现能源的电气化，比如利用可再生电力生产氢气，为燃料电池汽车或长途运输火车提供动力，或者在能源密集的货运和长途运输行业，利用可再生电力生产合成气或氢衍生物，以取代化石燃料。

　　排在耗能第三的是工业部门(119艾焦)，其中约28%的能源由电力供应，仅四种能源密集型工业产品，即水泥、钢铁、化工产品氨和乙烯，就占工业能耗的60%左右。因此，工业领域实现能耗更高电气化也迫在眉睫。

　　报告强调，利用可再生能源实现智能电气化是未来优先发展方向，但也需要应对供应短缺、负荷失调或者更灵活发电带来的挑战。