郭晟熙
摘 要:能源是人类赖以生存和发展的重要基石,回溯人类历次能源革命,能源的发展始终围绕降本和增效两大主题,每次能源革命都会对区域经济发展格局产生深远影响,而当下以低碳和可再生能源为特征的新一轮能源革命正在展开。山西作为我国典型的资源型地区,是能源大省也是碳排放大省,在国家“双碳”目标约束下,山西面临着保障供应和能源产业转型的双重压力。文章基于能源革命视角,从山西能源产业发展现状和当前存在问题出发,探寻山西能源产业技术迭代和降本增效驱动力,增强山西能源产业发展韧性和稳健性,助力山西能源产业发展。
关键词:能源革命碳中和 能源产业
中图分类号:F207
文献标识码:A
文章编号:1004-4914(2023)05-121-03
山西是我国传统能源大省、碳排放大省,同样也是我国典型的资源型地区。资源型地区的经济转型发展是全球性难题,面对当今人类第三次能源革命,山西的经济转型和产业转型,更是迫在眉睫。国内外发展实践都表明,能源产业是资源型地区发展现代化经济体系的重要支撑和坚实基础。然而,要实现能源产业的转型升级,提高资源型地区现代经济发展的质量与效益,这是一项长期而艰巨的任务。围绕这一关键任务,山西作为全国唯一的资源型经济转型综合改革试验区,承担着党中央从新时代能源战略全局出发赋予的使命,要进一步用好用足能源革命综合改革试点政策,探寻山西能源产业降本增效的驱动力,加快推动构建支撑山西高质量发展的现代能源产业体系,为世界能源革命提供中国模式示范引领样板。
一、人类的能源革命之路
迄今为止,人类在能源领域一共经历了三次重大变革,其中第一次变革是从植物能源到化石能源的转变,第二次变革是从化石能源到可再生能源的转变,而第三次变革则是从可再生能源到低碳清洁能源的转变。每一次变革都使能源产业格局发生了巨大的变化,为全球发展和人类生产生活带来巨大的变化。
第一次能源革命是人类开始学会并掌握人工取火的方式。最初人类只能从自然界中寻找和保存火种,并加以利用。而后随着人类的进化,学会了人工取火技术,使用更为便利,这是人类最初生产生活实践的标志。从此,人类彻底告别了原始的生活方式,开始一步步向文明社会迈进。柴薪类材料因易于从自然界中获取、方便运输和使用、燃烧速度快,而被作为主要能源支持生产生活实践活动,随着其广泛应用,人类开启了植物能源时代。
第二次能源革命是化石能源替代植物能源成为新的主导能源。工业革命推动了第二次能源革命,以化石能源取代植物能源,人类由此迈入化石能源时代。这个时代分为煤炭能源和油气能源两个阶段。在煤炭能源阶段,以瓦特改进蒸汽机为标志的18世纪中叶的第一次工业革命,蒸汽机的普及使得煤炭的开采规模与效率得到了极大的提高,反过来煤炭资源的大规模开发又助推了蒸汽机的进一步发展,从而加快了人类工业化进程。而此次能源革命与工业革命的结合,让英国成为了“曰不落”帝国。在油气能源阶段,人类发明了内燃机并发现了电,这使得第二次能源革命被推向高潮。由于石油具有高热值和高效能的特点,因此内燃机比蒸汽机更为轻便,效率也更高。这对汽车、飞机、轮船等交通运输工具的迅速发展起到了推动作用,也促进了石油化工相关產业的进一步发展。在第二次工业革命中,随着人类对电器产品的依赖日益加深,电力逐渐成为不可或缺的能源,将人类社会推向了石油和天然气的时代。美国是第二次工业革命和能源革命的开创者,其经济得到迅猛发展,最终取代了英国,一跃成为了世界上最大的经济体。
第三次能源革命是以可再生能源替代不可再生能源,以低碳清洁能源替代高碳能源。当今世界应对气候变化和能源低碳转型已成为共识.中国的能源产业发展已经进入高质量发展的新阶段,积极构建多元化、低碳化的能源供给体系。“四个革命、一个合作”能源安全新战略,为新时代中国能源产业高质量发展指明了前进方向,开辟了一条有中国特色的能源发展之路。山西是以化石能源产业为主的省份,也是一个碳排放量大的省份,承担着国家能源革命综合改革试点的重任,实现山西能源产业的系统性变革发展,对实现山西乃至全国节能减排、可再生清洁能源利用、能源结构优化等具有重要意义。为此,山西省委在十二届三次全会提出,要以“双碳”目标为指引,深化能源革命,要以新能源和可再生能源的推广应用为重点,以能源转型为倒逼产业,以产业升级带动能源产业升级。
二、能源产业发展现状及存在问题
山西能源产业是我国现代能源供应体系中的重要枢纽,具有较大的产业潜力,是我国未来能源产业发展的战略重点。但长期以来,由于资源禀赋和能源成本的制约,能源结构一直是以煤为主的高排放化石能源,存在着产业结构偏重、能源结构偏煤的产业形态问题。
(一)发展现状
1.煤炭与煤层气产业。煤炭是我国一次能源中最经济、最可靠的能源,山西煤炭资源存储量大、分布范围广。党的十八大以来,山西累计生产原煤98亿吨,占同期全国产量的1/4,外调64亿吨,占省际调出量的七成以上,切实有效保障了国家能源安全。同时,山西大力推进煤炭先进产能建设,2022年山西通过产能置换建设现代化煤矿286座、增加先进产能4.85亿吨,年。
与煤炭资源相比,山西煤层气资源在全国占有更大的优势,山西是我国煤层气资源富集程度最高、开发潜力最大的省份之一。山西省煤层气探明储量和产量占全国煤层气储量的90%以上,煤层气已形成了一条完整的产业链。2022年山西累计抽采煤层气达96.1亿立方米,约占全国同期煤层气产量的83.2%。在煤层气的运输方面,形成了“三纵十一横”的管网结构,这条管网覆盖了整个山西11个市100个县,总长度达到了8610公里,储气调峰能力达到了4.1亿立方米/年。此外,管网连接实现了区域联动,不仅能够对全省的煤层气进行调配,还能够将本省的煤层气输送到周边省份。
2.新能源产业和可再生能源产业。山西的可再生能源如太阳能、风能、地热和生物质能都比较丰富。山西属国家四类资源区,其独特的地理位置造就了其风光资源的丰富,其中风能平均发电小时数介于2000-2600小时,风电技术经济可开发量约4850万千瓦。太阳能平均发电小时数为1200-1600小时,光伏发电技术经济开发容量约60000万千瓦。截至2022年底,山西全省地热井共有457眼,已开发利用276眼,每年实际开采地热水量1823万立方米。山西积极推进新能源和可再生能源的开发,致力于发展清洁能源,山西风电、光伏发电等新能源和可再生能源实现跨越式发展。截至2022年底,山西省发电总装机12079.52万千瓦,其中风电装机2317.81万千瓦、太阳能装机1695.71万千瓦,新能源装机容量占比达33.23%,风电、光伏已成为山西第二、第三大电源。同时随着山西新能源装机的增加,山西新能源发电量也持续增长。2022年山西新能源累计发电量达685.53亿千瓦时,新能源利用率达98.6%。
(二)存在问题
1.保供与转型平衡难度高。2022年,受到全球能源危机的影响,我国的经济结构重化趋势明显,经济发展对化石能源的依赖度不减反增,煤炭在我国能源消费中的比重出现了近10年的首次回升,能源消费弹性系数反弹至接近1。我国能源消费总量目前仍在中高速增长,山西作为全国煤炭产量大省,煤炭产量势必要维持高位。新形势下,山西如何平衡保障能源供应与能源产业转型发展,成为一个亟待解决的重要课题。
2.新能源和可再生能源发展不足。新能源和可再生能源由于符合保供和转型双重诉求,山西相关产业部署不断提速,风电、光伏项目建设成效突出。尽管新能源和可再生能源产业发展提速对山西改变“一煤独大”的产业格局有正向贡献,但是地热能、氢能、核能等其他新能源和可再生能源的发展依旧不足,对新能源的开发利用程度还不够高。这一现状与经济社会发展需求之间存在较大差距,无法支撑区域经济发展。因此,山西在促进新能源和可再生能源產业转型发展上,仍有较大的发展潜力。
3.技术创新能力亟待提高。山西能源产业在核心技术研发方面与国内外先进地区存在差距,山西煤炭化工产业亟待更新提升技术路线和产品结构,储能技术和智能电网技术也相对滞后,储能的使用成本比较高,很难在短时间内达到规模化和推广的目的。在短期内,能源核心技术的进步可能会面临诸多困难,这会阻碍能源利用方式的转变,使能源结构无法及时调整,从而导致产业结构的升级受到阻碍。此外,由于技术的发展可能会遇到一些挑战和不确定性,也可能影响能源利用的效率。因此,为了实现能源利用的高效性,应该采取有效措施来促进技术的进步,以促进能源利用方式的转变和产业结构的升级。
三、能源产业降本增效的驱动力
山西能源结构调整要有序推进,传统能源产业与新能源产业需要相互协作、多能互补,共同探索能源领域的技术迭代和降本增效驱动力,为山西能源转型发展,提供广阔发展空间的新思路。
(一)智慧矿山建设
依靠科技进步,实现煤炭安全、高效、智能、绿色开采和清洁高效利用是山西煤炭产业高质量发展的必然趋势。在生产端,智慧矿山技术提升了煤矿的开采效率,降低了煤矿在开采过程中的损耗。
智能煤矿是大数据和工业互联网技术在煤炭生产端的应用。智能煤矿指的是以最新的云计算、人工智能等技术为基础,实现矿山生产流程智能化管理的一整套解决方案。矿井生产过程中需重点关注各种生产机电设备及其运行状态,水、瓦斯、顶板等重大危险因素,以及生产操作人员安全,要利用智能煤矿进行全流程全方位的互联互通,实现远距离管控和全流程智能分析,保证矿山实现安全高效运行。
智能煤矿对煤炭产业的高质量发展起着重要作用。智能煤矿对于实现煤矿减人增安提效,推动能源产业低碳转型,具有十分重要的意义。智能煤矿将人工智能、工业物联网、云计算、大数据、机器人、智能装备等与现代煤炭开发利用进行了深度融合,最终形成了全面感知、实时互联、分析决策、自主学习、动态预测、协同控制的智能系统,实现了煤矿开拓、采掘(剥)、运输、通风、洗选、安全保障、经营管理等流程的智能化运行,切实提高煤矿安全生产水平、保障煤炭稳定供应。
矿井的信息化和数字化是煤矿智能化的基础,其建设依赖于众多的传感器,对矿井下的环境、设备以及人员进行实时监测。利用5G技术大宽带、广连接和低延时的强大技术优势,结合大数据与云计算的储存解析优势,可以有效促进矿井井下传感网络系统的搭建。将非实时数据上传到云端,通过大数据分析和智能处理技术,将其有效挖掘,并将实时性强的数据下沉至设备端,以减少传输及解算时延,提高数据分析效率,为煤矿智能化运行提供有力支撑,这是传统无线通信和传输技术难以实现的。
(二)煤制氢技术
在煤炭应用端,煤制氢气技术的发展使二氧化碳排放量减少,为实现煤炭的清洁高效利用提供了有效的技术支持。煤气化是煤制氢的主要技术路线,是指煤在高温常压或加压下,与气化剂反应转化成气体产物。气体产物中氢气的含量随着气化方式的不同而变化,可以利用变压吸附(PSA)技术可将其提纯到燃料电池用氢要求。
传统煤制氢技术主要通过固定床、流化床和气流床三种方式进行,合成气体中一氧化碳和二氧化碳等体积分数高达45 %-70%。以超临界水煤气化为代表的新型煤制氢技术,利用超临界水(温度≥374℃,压力≥22.1MPa)作为均相反应媒介,具有高氢气组分、高气化率、低污染等特点。
(三)风机大型化
在风机的生产成本中,原材料所占的比例在90%以上,而叶片、变速箱、发电机、变频器、底座、主轴等都是最主要的原材料。以国际可再生能源局的数据为依据,风力发电整机成本主要由叶片、齿轮箱和发电机构成。其中,叶片占比为24%,齿轮箱占比为19%,发电机占比为7%,三者合计占比达40%。风机大型化是风电行业发展的必然趋势,其大型化能够有效地降低风电场的运行成本,而大型化能够增加发电量,摊薄初期投资费用,并在此基础上进一步降低了对风速的需求,增加了发电时数,从而有效地提高了风力资源的利用率,提高了风电项目的总体经济性。
风机大型化的经济效益来自成本 和效益的平衡。风机供应链的迅速成 熟、技术的更新换代、风力机单位功率 的平均价格不断下降。同时大型化降 低对风速的要求,增加发电可利用小时 数。在大功率趋势下,风机单价下降带 来度电成本下降。叶片直径增加,轮毂 高度提升和机组大型化是未来风机技 术发展的主要方向。在其他条件不变 的情况下,更大的叶片能捕获更多风能,轮毂高度提升也能是机组获得更高的风速。发电量随风速增加,带来容量系数的增加,同时推动更大规模项目的建设,降低风电的安装成本,进一步推动山西风电产业发展。
(四)光伏材料本土产业化
太阳能电池板是光伏行业的核心原料。不同类型的电池成本结构基本相似,都是由硅片、辅材(银浆、靶材)、人工等部分组成的。以低温银浆为例,其有很高的技术壁垒,被杜邦、贺利氏、三星等外国制造商长期垄断。但近几年来,国内银浆生产企业取得了突破性进展,生产厂家由原来的几家发展到几十家,产品技术水平发展迅速,与国外产品的差距越来越小。当前,虽然辅助材料在国内还没有实现完全的本土化,但国产银浆占比不断提升。在减少辅材用量方面,通过改进工艺(如多主栅、银包铜、细栅印刷工艺)来减少银浆用量,进一步压缩成本。光伏产业发展成本在不断下降,生产效率也在不断提高。根据中国光伏行业协会数据,2019年至2021年期间,P型电池正面银浆耗量、P型电池背面银浆耗量、Topcon正面银铝浆耗量、HJT双面低温银浆耗量分别下降了约13.3%、22.8%、20.9%和36.7%,若山西省能在引进光伏原料生产企业和研发新技术方面取得突破,将会进一步提高山西光伏产业发展水平,切实推动山西能源产业降本增效。
四、结语
第三次能源革命的到来,正在引发影响深远的能源产业变革,为山西能源产业转型升级、创新发展带来了难得的历史机遇。山西作为我国能源大省,能源产业的发展正处于加速转型的关键时期,能源需求仍将保持较快增长,能源产业发展任务十分艰巨,一些深层次的矛盾和问题亟待解决。山西能源产业转型不可能一蹴而就,要有效协调双碳目标与能源安全的关系,立足山西比较优势和区域特色,科学规划发展路径,提升能源产业降本增效驱动力,增强能源产业发展韧性和稳健性,以能源产业高质量发展为经济社会持续健康发展提供坚实保障。
【基金项目:山西省社会科学院(山西省人民政府发展研究中心)2022年度青年课题立项名单(院外)以“双碳”目标指引推动山西能源革命(项目编号:2022年度省科协科技创新智库建设课题“碳达峰”“碳中和”视角下山西能源经济发展前景研究(项目编号:KXKT202210)]
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