能源“冷兵器时代”超乎想象

时家林

能源是人类文明的基础支撑之一。过去一个多世纪，以煤、油等化石能源为主的能源，使用方式是以燃烧、高温高压的方式为主，这可以称为“火药时代”。“火药时代”虽然成就了人类今天的辉煌，但也带来了严重的环境问题。而近代以风、光为主的新能源的出现，改变了过去的用能方式。新能源时代正在加速到来，速度将超出多数人的想象。

人类已经历了三次工业革命。前三次工业革命，人类从掌握薪火到发掘煤炭、再到开采石油，一直是通过燃烧的方式驾驭化石能源，这种能量转换是一个“高温高压”的过程，释放能量的同时也带来了污染。今天“第四次工业革命”已经在全球展开，这是一场以新能源、人工智能技術为代表的全新革命。风能吹动叶片做功产生电能，光伏则通过半导体硅片将光能直接转化成电能，这些过程都是在常温常压下完成的，没有碳排放、温升和环境污染。

新能源替代化石能源，其实质就是能源利用从“火药时代”进入“冷兵器时代”，这是一场能源利用的绿色革命。

新能源替代化石能源已到临界点

目前中国能源还处于“火药时代”，2018年一次能源消费是34.4亿吨标准煤（相当于11.45万亿千瓦时电量），非化石能源在一次能源消费占比仅为14.3%，其中以风光为主的新能源占比仅为4.2%，但风光等新能源的发展态势大大出乎我们的预料。

（一）过去十年“冷兵器”飞速发展

——规模增长快。截至2018年底，中国发电装机容量约19亿千瓦，其中风电及光伏装机规模突破3.5亿千瓦，占比达到18%，发电量占比约8%。2010年底，新能源装机仅有3000万千瓦，发电量占比还不足1%。2018年全国新增装机1.24亿千瓦，其中新能源就达到6500万千瓦，超过50%，已经成为名副其实的主力能源。

——成本下降快。2010年，风光发电平均度电成本在1元时以上。到今天，在国家政策支持及技术持续进步的共同作用下，新能源成本实现了加速下降，其中，在风光资源丰富的内蒙古、青海等西北区域，风光发电平均度电成本已经降到0.3元以下，已经低于或接近煤电成本价格；而在墨西哥、巴西、沙特等风光资源丰富的国家，这个价格已经降到0.2元。

（二）新能源示范项目昭示良好前景

中国内蒙古、青海等风光资源丰富的地区，规模化开发已经具备平价条件。去年底，由国家电投负责的全球最大单体风电工程——内蒙古乌兰察布600万千瓦平价上网示范项目获得核准。该工程不需要国家补贴、与煤电同价上网，直接送至京津冀地区消纳。预计年发电量约200亿千瓦时，可替代煤炭消耗650万吨，进一步改善京津冀环境质量。

青海海南州千万千瓦水风光互补清洁能源项目，将青海省优质的水电、光电、风电打捆综合调节，通过特高压送至河南省消纳，仅需要国家新能源补贴0.03元-0.04元/千瓦时，较河南省新能源补贴标准大大降低（河南光伏补贴在0.3元/千瓦时左右）。

（三）新旧能源交替进程会大大加速

2018年全球电力装机规模预计达到70亿千瓦，其中风、光发电装机12.7亿千瓦。2018年新增发电装机2亿千瓦，其中风、光装机1.7亿千瓦，占比达到80%以上，已成为全球主力增量能源。

2015年底，英国关闭了最后一个深井煤矿，2025年英国将关闭所有燃煤电站。2017年美国加州清洁能源占总发电量比例已达到33%，到2040年关闭所有燃煤电站。德国计划2038年关闭所有的燃煤电站。中国政府宣布，非化石能源占一次能源消费比例在2030年、2050年分别达到30%和50%。

从全球发展趋势上看，新能源发电成本接近或低于煤电成本，已进入新能源替代化石能源的临界点。“冷兵器时代”替代“火药时代”的能源变革进程会大大加快，就如数字成像技术对胶片的替代，实现各国提出的可再生能源替代化石能源的目标还会大大提前。

“冷兵器时代”来临

随着人类文明的演进和技术进步，每次工业革命都较上一次的周期大大缩短，这次“冷兵器时代”替代“火药时代”的能源革命同样也是这样。

虽然新能源替代化石能源已到临界点，但尚需解决新能源自身的一些弱点，比如中国新能源富集区域主要集中在西北部，且随着光照、风力强度大小的变化，不能像火电一样可随负荷大小调节等等。只有解决了这些问题，才能真正实现新旧能源的替代。

随着第四次工业革命而来的新能源技术和新材料技术的不断进步，特别是电动汽车的普及，为电能规模储存找到了一条新路径，带来的是电力系统颠覆性变革。一个“冷兵器时代”正日渐清晰，展现在我们面前。

（一）实施清洁能源的“空间转移”

新能源取代化石能源，首先要有足够的风光资源且价格要有竞争性。中国青海、西藏、内蒙古等西北部地区有着丰富的风光资源，但远离东部经济发达区域。以青海柴达木盆地为例，土地面积25.9万平方公里，如果全部进行光伏开发，理论上光伏发电装机可达到100亿千瓦以上，年发电量在20万亿千瓦时以上，可远远满足全国的能源需求（2018年全国一次能源消费是34.4亿吨标煤，折算成电量为11.45亿千瓦时）。该地区光伏资源丰富，年发电利用小时在2000小时以上，2023年前后度电开发成本预计可以降到0.2元，通过特高压送到东部地区（输电费用预计在0.1元/千瓦时），比东部地区煤电价格还要低（山东、江苏、浙江等东部省份的煤电价格都在0.4元/千瓦时左右）。

相比西部，东部发展新能源的土地不足且风光资源较差，不具备经济性。前文谈及的内蒙古乌兰察布、青海海南州新能源示范项目也充分论证了新能源“空间转移”的可行性。

通过规模化、集约化在西北部开发新能源大基地，利用特高压送到负荷集中区域，不仅可以加速对化石能源的替代，而且对改善中国东西、南北经济社会发展的不平衡，具有重大的战略意义。

（二）实施新能源的“时间转移”

电力系统一直以来都是发、供、用同时完成，电力是不可储存的。火力发电系统可随负荷大小自动调节，但是新能源是间歇性、不可调节的。当新能源在电力系统处于辅助地位时，由火电承担主力电源并对系统进行调节是可行的。如果新能源替代化石能源，担当电力系统的主力电源时，就必须解决好随负荷调节的问题，这是制约新能源发展的最大瓶颈。随着一种新的储能方式的日臻成熟，这个问题将得到彻底解决，就是电动汽车的普及应用。

中国目前的电力最大负荷约10亿千瓦左右，如果选择在电力供应侧部署储能系统，不仅规模庞大、系统复杂，而且投资需要万亿级以上，成本高昂不经济。但是在消费侧，随着电动汽车的普及，电动汽车本身可成为规模可观且经济高效的储能资源，具有巨大储能应用潜力。目前，全国汽车保有量在2亿辆左右，如果全部更换成电动汽车或氢动力汽车，按照单车储能容量80千瓦时，放电功率5千瓦，可为电力系统提供瞬时功率10亿千瓦，理论上可以作为电力系统储能调节装机，可满足新能源为主的电力系统调峰需求。电动车的分布与经济发展存在正相关性，且每台车单日有效行使时间有限（平均约2小时），大量时间在闲置状态，完全可以把电动汽车这种分散式社会资源充分利用于电力系统，大大提高社会资源的利用效率。

当前，电动汽车仅是从电网获取电力，也就是充电模式，但是随着电池容量的加大，技术的发展，成本的降低，电动汽车将具备向电网售电的条件，超越交通工具的单一功能，成为流动的储能电站。下一步要做的：一是电动汽车的全面普及，实现所有的停车位100%充电桩覆盖；二是依托大数据、云计算、智能网联等技术创新与应用，实现电动汽车充放电的自动化模式，并与电力系统一起构建智慧能源系统；三是创新商业模式，通过差异化充放电价等措施，让利于电动车主，这样在不额外增加社会成本的情况下，与大规模可再生能源形成供需协同，实现能源的“时间转移”，加速中国能源结构转型。

氢能：新能源的生力军

氢能利用的核心是燃料电池技术的成熟。日本丰田Mirai氢能汽车功率密度已经做到3千瓦/升，加满5公斤氢气，可以行驶500公里以上，运行经济性已经接近传统汽油车。氢能汽车具有续航能力强、加注燃料（氢气）时间短、完全“零排放”等优点，更适用于公交车、重型卡车、长途车等。

以新能源为主构建电气化社会，实现动力、供冷、供暖的全面替代，最难替代的就是交通动力。燃料电池的出现，彻底打通了新能源替代化石能源的最后一个环节。

氢能可由新能源发电并电解水的方式完成，绿色环保、简单易行并具有经济性。氢能有巨大需求量。以北京为例，如果投入1萬辆氢能公交车运营，一年用氢量约5万吨，用电量是30亿千瓦时（2018年北京全年用电量是1200亿千瓦时）。氢能巨大需求量及特点，可以作为新能源为主的电力系统的调节器。当系统中风光充沛时，可将电能转化成氢能并储存起来，满足交通动力等用能需要；当风光不足时，也可将氢能转化成电能（与上述电动车原理类似），补充电力系统的电能不足，助力新能源的“时间转移”。西部丰富的风光资源也可以用来就地制氢，通过管道送至东部地区，助力新能源的“空间转移”。

随着新能源、特高压、储能及氢能技术的发展，中国风光资源将实现更大范围、更高效的配置，可充分利用不同地区能源的资源差、时区差、季节差及价格差，打造一个全面电气化的能源系统；可以将荒漠、戈壁、高原等无人区开发为新的、零污染的“电气田、氢气田”，以替代传统的“煤田、油田和气田”，开启人类大规模清洁用能的新纪元。

“冷兵器”将创造奇迹

“冷兵器时代”大大提高电力系统效率。传统电力系统是发、输、用同时完成，发电规模按照最大负荷来配置，输电线路从安全角度考虑，需要考虑备用线路和容量，整个电力系统效率很低。广泛应用储能技术后，电力供需只需满足能量平衡，功率平衡则由储能调节，可以减少电源和电网一半以上的投资，使电力系统大大简化，效率大幅提高。

“冷兵器时代”是全面电气化时代。不仅在供给侧是一场非化石能源全面替代化石能源的革命，对于消费侧，也是一场能源革命。电能和氢能以“人工智能电动汽车、高铁机车等的大量应用，以及热泵空调广泛应用对能源利用效率的大幅提高”为标志，实现在消费侧领域对化石能源的全面替代。

“冷兵器时代”超乎你的想象。进入“冷兵器时代”，零边际成本的新能源大规模使用将带动用电成本下降，电能的替代优势逐步凸显，前两次能源革命（以煤、油为标志），替代能源的价格都是上升的，而新一轮的能源革命带来的是能源价格的持续降低。一是替代速度超乎想象，预计2030年中国将实现增量100%清洁替代，消费侧电气化水平超过30%，电能超越煤炭成为终端消费主体能源；2050年实现大部分存量清洁替代，非化石能源在能源需求总量和电力需求总量中的贡献率分别超过90%和100%。二是替代的效果超乎想象，以电代煤、以电（氢）代油首当其冲，预计到2030年煤改电每年可减少2.5亿吨煤的直接燃烧，热泵将是未来以电代煤的主要方式；到2030年以电（氢）代油仅在交通领域每年可减少4000万吨交通石油消耗，中长期来看，电（氢）动汽车将是未来以电（氢）代油的主要途径。三是拓展人类的生存空间，不久的将来，人类利用充足、清洁、成本低廉的“冷兵器”，可以大规模实施海水淡化，变戈壁荒漠为良田，使“原来不可能的事变为可能”，为人类创造更好的未来。

对世界而言，“冷兵器”将构建起全球“绿色、低碳”的新的能源发展格局，并普及至整个社会，重塑全球工业体系，变革人类生活方式。对中国而言，“冷兵器时代”是中国产业结构调整和升级的绝佳机会，中国完全有能力率先实现“冷兵器”对“火药”的全面替代，率先实现新旧动能的转换，赢得“第四次工业革命”的主导权，走出一条具有中国特色的新能源发展道路，为构建“人类命运共同体”注入中国动力。

（作者曾担任多家能源央企高管；编辑：马克）