简体中文
汉新视野 杨汉新
电力生产方式现状及未来趋势预测
最近在为一所国内大学本科生做科普讲座，整理一张以前的表格时，我添加了中国碳达峰时间节点2030、碳中和时间节点2060和2100年，以借此来介绍一下中国电力生产方式现状，并预测一下未来的发展趋势。
以前虽然有过思考和讨论，但没有这么系统地整理过. 这张到2100年时电力生产方式的表格清晰地显示：我们人类的终极能源和电力生产和太阳较上劲了，要么是利用太阳工作原理的热聚变；要么是接收太阳发出的能量（光热、光电转换）；其它的方式必定相对只能作为辅助能源了。
第一栏是目前已知的电力生产方式，黑颜色的是不带碳碳捕集石化燃料方式，绿颜色的是清洁能源。
第二栏显示的是各种电力方式的可用率（或负荷因子），光伏风电的可用率与前些年相比已有所提高。英国的光伏大概是10%左右，陆上风电大于30%，海上风电大于50%。
第三栏是可靠性评估，石化燃料和现有的核电、地热和生物质都是稳定可靠的；四代核电和五代核聚变也应该是稳定可靠的，但因为还没有商业运行，所以加了个问号；水力与光热+蓄能随着调度技术的提高；越来越趋于稳定；光伏风电受制于自然条件限制，是间歇式的。
第四栏经济性是根据现有状况评估的，石化燃料的经济性在考虑碳排放收费或碳捕捉后会大打折扣。二代和二代半核电站的经济性比较好。三代核电站的成本太高严重影响到经济性，中国的华龙1号的经济性目前是独拔头筹（窃以为如果中国这二三十年里，集中力量做一种堆型，譬如3代核电站就是华龙1号一种型号，那么十几台机组做下来，1000美元/kW都是有可能的。利益集团都只盯着自己的利益争项目，顶层的决策们让人想起《曹刿论战》中所谓的肉食者，甚至Referee也可以下场，阻滞了国内的核电发展，也难在海外市场大有作为，可惜了！实在是可惜了！！）。
四代核电站的经济性应该会有所改善，原来呼声最高的NuScale曾被认为是经济性很好的，但我最近为给东大学生做讲座访问他们的网站，却遗憾地没有找到经济数据，难道是没有早前的预期好而不公示了？
今天早晨看了张总师介绍石岛湾高温气冷堆，很兴奋200MW工业规模的原型堆即将装燃料了，但如果是100亿人民币的造价，经济性实在堪忧。
地热和生物质找到的数据太少没有普遍性，姑且认为不错。水电的经济性目前是最好的。光伏和风电的经济性在最近几年取得了长足的进展，而且还有相当改善空间。
第五栏是调度性评估，传统的石化燃料、地热和生物质是完全可以灵活调度的。
二代和2+核电站一般是带基荷的。上世纪90年代在英国电力市场私营化后，其它发电商不满意核电公司BritishEnergy只带基荷不参与调峰，也要求核电调峰。但考虑到安全性，当时的方案是在调峰前半小时给核电厂发出指令，核电厂把负荷降到75%，然后负荷在75-100%间变化以适应需求。我当时在Parsons（当时隶属R-R，后被西门子收购）工作，对为基荷设计的汽轮机能否满足调峰进行评估，结论是在一个很小的区间，末几级叶片因压差增大而安全余量大幅降低或过载，给出的解决方案是在控制中加一个PLC （programmable logic controller）进行限制，最终还是出于安全性考虑调峰计划并未实施。其实法国的核电很多年以来占总发电量的75%左右，是参与调峰的。三代核电站的调峰性能有所改善，四代会更好，但基于对核电安全性的考虑，应该还会是尽量少参与调峰；核聚变现在是未知数。
水电的调峰受限于丰枯水季节和抗旱排涝需求的限制，否则也是很好的。
光伏风电受限于自然条件，蓄能和氢能的发展将会弥补其不足。
2030年（第六栏）是中国的碳达峰年，如果石化燃料的电站还没有关停的话，应该就要关停了（老杨将在《维持坚不可摧的基荷》中讨论是否需要保持一些在工作状态）。
二代和二代半核电站随着设计寿命到期而开始关停；三代核电站如果经济性得到提高可能还会建，但如若目前的经济性，也许就不会再建了；四代核电站应该到了规模服役（得仰光伏/氢能进展的鼻息）阶段；核聚变（ITER，International Thermonuclear Experimental Reactor，即国际热核聚变实验反应堆）应该进入了实验和示范阶段。
地热和生物质技术和经济性应该已经大大改善。
碳达峰的目标将在全球激发研发和投资的热情，风光电的技术和经济性将得到极大提高，到2030年将是经济性最好的电力生产方式。水电、储能技术(抽水蓄能、电池、氢能等技术及供给侧和用户侧的预测与配合AI也得到大力发展，成为风光电的最佳伴侣。这时有了伴侣配合的风光电将会很是风光，展现出成为人类终极能源的靓影！
2060年（第七栏）是中国的碳中和年，届时石化燃料的电站已经全部关停。
二代和二代半核电站也已经关停；三代核电站已经被按下了停建按钮，无论经济性如何；四代核电站的高光时段？核聚变的示范运行数据、建设总成本和经验应该已经总结出来，经济性应该已初见端倪。
有了伴侣配合的风光电作为终极能源的安全性和经济性独树一帜。
再展望一下2100年（最后一栏），届时四代核电站的经济性将已经决定了其命运，尤其是与五代核聚变相比。五代核电的聚变托卡马克的安全性、可控性和经济性将会十分清晰，其经济性将与太阳能一较高下。
太阳能是未来的终极能源之一
这张表格还在完善中，恳请读友批评指正。但表格已经清晰地表明：太阳能将是未来的终极能源，至少是之一，而且是最便宜的能源，是未来的主要能源。
上面这张图是我给东大学生做核能科普讲座时准备的，中国受资源禀赋制约，煤炭一直主导，并没有油气为主的能源时代。
太阳能是未来的终极能源，推动尽早实现“能源独立”
在1993年以前，中国石油一直自给自足，此后成为石油净进口国。到2003年，中国成为仅次于美国的全球第二大石油进口国。2009年，中国日均进口石油430万桶，占总需求量超过一半，51.3%。2017年成为全球最大原油进口国之后，2018年中国超越日本成为全球最大天然气进口国， 对外依存度大幅攀升超过45%，石油对外依存度也上升至70%。
2018年中国石油进口量为4.4亿吨，同比增长11%，对外依存度升至70%；天然气进口量1254亿立方米，同比增长近32%，对外依存度超过45%。有预测到2035年，中国石油日均需求量将达到1530万桶，将超过美国的1490万桶，达到全球最大石油消费国，进口依存度将达到80%以上，也将面临更多的风险。
中国油气进口主要有四条航线：中东航线：由中东经过霍尔木兹海峡和马六甲海峡，承担了近一半的中国石油进口运输量。非洲航线，从非洲经马六甲海峡；还有拉丁美洲航线和东南亚航线，都经马六甲海峡。这样，中国石油有四分之三的进口量需要经过马六甲海峡，一旦发生战事或被经济封锁，除了海峡容易受到控制，海上运输风险也较大，能源安全受挑战较大。
在上个月一篇短文《苏伊士运河货船坐滩对能源安全的警示》中，老杨写道：
“当下的案例清楚表明，一艘货轮的意外坐滩就能堵塞一条运河，成本非常小，事发“意外”，表面看上去没有任何针对性。
苏伊士运河货船坐滩对中国的能源安全发出警示，尤其是在当前的国际环境下。
加速新能源和氢能技术发展，就有可能实现“能源独立”，不再受制于人。”
老杨曾在2020年2月写文讨论《中巴关系和中巴经济走廊以及南亚投资》，提到几条石油进口通道，其中一条是中巴石油管道，从巴基斯坦的瓜达尔港到达中国新疆喀什。
这条通道挑战难度巨大，要把原油从海平面送到翻越5000多米高的昆仑山，喀什的海拔是1270米，既就是考虑了虹吸效应,落差3700米,要提升的势能是mhg，消耗掉的能量相当可观！
风光电经济性还有提高空间，太阳能将是最便宜的能源
以英国为例，海上风电2014年第一次政府担保价格CfD拍卖时，成交为£114.39/MWh（2018/19运营）；但在2019年9月的第三次招标时最低的CfD就惊人地降到了£39.65/MWh！这不是小容量，是次6个海上风电场和一个陆上风电场的总容量6000MW，最晚2024/2025年商业发电。
随着项目建成商业发电，到2023年时英国海上风电价格（红线）将创历史新低，低于现有天然气发电厂，见下图。而一年前的预计是要到2030年左右才有可能达到这个临界点。
图中批发价格由两段组成：是实际价格（实黑线）和预测价格（虚黑线），
上图也标出其它技术的发电成本作比较，天然气发电成本使用的是批发天然气和二氧化碳价格预测，并根据通货膨胀调整为2019年9月的价格。
相比于建造周期长达6-10多年的核电站，相同容量的海上风电的建造周期只有3-5年，甚至更短。英国政府的海上风电CfD担保期只有15年，而核电站则是35年，政府承担的风险也大幅降低。
近10年来风光电与储能技术因技术进步和应用规模的价格变化很大。
风光电的短板是受自然条件约束的间歇式发电的不可调节性。这个短板是要利用储能技术来补充。抽水蓄能是一个很好的方式，但有地理和地质条件的限制。
电池储能技术在飞速发展，成本也在快速下降之中。
发展迅速的氢能技术（制氢和氢电）将在储能和调峰中发挥重要的作用。
IRENA（国际可再生能源机构）统计的2010年以来海上风电售电协议和招投标的统计。
风电的趋势还有下降空间，但已经不多了。
同样从2010到2020的10年里，随着光伏发电技术进步和装机容量的大幅增加，成本也惊人地下降。
光伏已经完全具备了和煤电的竞争性。
光电的建设周期就更短了。
风光再生能源发电已经无需政府担保或优惠而直接竞价上网了。
再生能源的另一优势是风险小，投资规模小，建设周期短，融资容易，可控性大大增强，甚至有EPC承保商愿意垫资建设。
风电设备主要是机械和电器，安装建设技术和运行维修门槛也高，未来的成本下降空间有限。
光伏主要是半导体电子技术，降本能力也就更强。据IRENA测算，全球光伏发电成本在过去十年间累计下降了82%。
随着硅片、电池片等技术的提升，技术迭代就算没有计算机的摩尔定律那么快，太阳能光伏的安装和运行及维护没有技术门槛，中学毕业的农民工培训两三个星期就能安装，发电成本有望继续降低。
2021年3月美国能源部宣布未来10年将把太阳能发电成本降低60%（中外能源经济观察）
太阳能电站无补贴、平准化上网度电成本2025年目标是3美分，2030年目标2美分
原目标为度电成本2030年达到3美分，新目标提前了五年
目前度电成本为4.6美分
商用屋顶光伏度电成本2030年目标为4美分
住宅屋顶光伏度电成本2030年目标为5美分
为硅基光伏系统延长寿命（从30年延长到50年）及太阳能光热发电（2030具备竞争力）试点项目提供资助
如果美国能做到0.02美元/kWh，晶硅和太阳能板的生产技术和生产线在中国，再加上规模效应，中国就有可能做到0.05元RMB/kWh。
在2011年我家屋顶装光伏板时，我才认识到德国为什么要弃核，因为他们在新能源技术领域执牛耳。德国的直流-交流转换器（Invertor）体积小，噪音小，在设备成本中占了相当比例。有人嘲笑德国在大力发展再生能源，但却进口法国和其他国家的核电。其实这不是很smart的做法吗？利用别国的电力资源辅助自己发展和完善新能源，在有经济规模的国家中，德国远远走在通向碳中和道路的前面。
取之不尽用之不竭的太阳能
太阳每天向地球辐射174 petawatts(PW，1X1015W)。大约有30%的太阳能被反射回太空，而其余的太阳能则被云层、海洋和陆地吸收。
地球的大气，海洋和陆地吸收的太阳能每年大约是3,850,000 EJ (EJ=1X1018J)。2019年，全球一次能源消费总量达到583.9EJ。一小时内的太阳辐射到地球的能量比全世界在一年内使用的能量还要多。太阳的能量到达地球表面的数量是如此巨大，以至于在一年中的太阳能是自从人类取得和开采的所有在地球上不可再生资源的煤、石油、天然气、和铀都相结合的总能源的两倍。
安全经济的太阳能和与之配套的储能技术及供给侧/用户侧的智能预测与调配技术相结合，既经济实用，又能源独立。
本系列将讨论3060碳达峰和碳中和的前景和方法，敬请关注。
（来源：亚太日报 APD News）