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漢新視野 楊漢新
電力生產方式現狀及未來趨勢預測
最近在爲一所國內大學本科生做科普講座，整理一張以前的表格時，我添加了中國碳達峯時間節點2030、碳中和時間節點2060和2100年，以藉此來介紹一下中國電力生產方式現狀，並預測一下未來的發展趨勢。
以前雖然有過思考和討論，但沒有這麼系統地整理過. 這張到2100年時電力生產方式的表格清晰地顯示：我們人類的終極能源和電力生產和太陽較上勁了，要麼是利用太陽工作原理的熱聚變；要麼是接收太陽發出的能量（光熱、光電轉換）；其它的方式必定相對只能作爲輔助能源了。
第一欄是目前已知的電力生產方式，黑顏色的是不帶碳碳捕集石化燃料方式，綠顏色的是清潔能源。
第二欄顯示的是各種電力方式的可用率（或負荷因子），光伏風電的可用率與前些年相比已有所提高。英國的光伏大概是10%左右，陸上風電大於30%，海上風電大於50%。
第三欄是可靠性評估，石化燃料和現有的核電、地熱和生物質都是穩定可靠的；四代核電和五代核聚變也應該是穩定可靠的，但因爲還沒有商業運行，所以加了個問號；水力與光熱+蓄能隨着調度技術的提高；越來越趨於穩定；光伏風電受制於自然條件限制，是間歇式的。
第四欄經濟性是根據現有狀況評估的，石化燃料的經濟性在考慮碳排放收費或碳捕捉後會大打折扣。二代和二代半核電站的經濟性比較好。三代核電站的成本太高嚴重影響到經濟性，中國的華龍1號的經濟性目前是獨拔頭籌（竊以爲如果中國這二三十年裏，集中力量做一種堆型，譬如3代核電站就是華龍1號一種型號，那麼十幾臺機組做下來，1000美元/kW都是有可能的。利益集團都只盯着自己的利益爭項目，頂層的決策們讓人想起《曹劌論戰》中所謂的肉食者，甚至Referee也可以下場，阻滯了國內的核電發展，也難在海外市場大有作爲，可惜了！實在是可惜了！！）。
四代核電站的經濟性應該會有所改善，原來呼聲最高的NuScale曾被認爲是經濟性很好的，但我最近爲給東大學生做講座訪問他們的網站，卻遺憾地沒有找到經濟數據，難道是沒有早前的預期好而不公示了？
今天早晨看了張總師介紹石島灣高溫氣冷堆，很興奮200MW工業規模的原型堆即將裝燃料了，但如果是100億人民幣的造價，經濟性實在堪憂。
地熱和生物質找到的數據太少沒有普遍性，姑且認爲不錯。水電的經濟性目前是最好的。光伏和風電的經濟性在最近幾年取得了長足的進展，而且還有相當改善空間。
第五欄是調度性評估，傳統的石化燃料、地熱和生物質是完全可以靈活調度的。
二代和2+核電站一般是帶基荷的。上世紀90年代在英國電力市場私營化後，其它發電商不滿意核電公司BritishEnergy只帶基荷不參與調峯，也要求核電調峯。但考慮到安全性，當時的方案是在調峯前半小時給核電廠發出指令，核電廠把負荷降到75%，然後負荷在75-100%間變化以適應需求。我當時在Parsons（當時隸屬R-R，後被西門子收購）工作，對爲基荷設計的汽輪機能否滿足調峯進行評估，結論是在一個很小的區間，末幾級葉片因壓差增大而安全餘量大幅降低或過載，給出的解決方案是在控制中加一個PLC （programmable logic controller）進行限制，最終還是出於安全性考慮調峯計劃並未實施。其實法國的核電很多年以來佔總發電量的75%左右，是參與調峯的。三代核電站的調峯性能有所改善，四代會更好，但基於對核電安全性的考慮，應該還會是儘量少參與調峯；核聚變現在是未知數。
水電的調峯受限於豐枯水季節和抗旱排澇需求的限制，否則也是很好的。
光伏風電受限於自然條件，蓄能和氫能的發展將會彌補其不足。
2030年（第六欄）是中國的碳達峯年，如果石化燃料的電站還沒有關停的話，應該就要關停了（老楊將在《維持堅不可摧的基荷》中討論是否需要保持一些在工作狀態）。
二代和二代半核電站隨着設計壽命到期而開始關停；三代核電站如果經濟性得到提高可能還會建，但如若目前的經濟性，也許就不會再建了；四代核電站應該到了規模服役（得仰光伏/氫能進展的鼻息）階段；核聚變（ITER，International Thermonuclear Experimental Reactor，即國際熱核聚變實驗反應堆）應該進入了實驗和示範階段。
地熱和生物質技術和經濟性應該已經大大改善。
碳達峯的目標將在全球激發研發和投資的熱情，風光電的技術和經濟性將得到極大提高，到2030年將是經濟性最好的電力生產方式。水電、儲能技術(抽水蓄能、電池、氫能等技術及供給側和用戶側的預測與配合AI也得到大力發展，成爲風光電的最佳伴侶。這時有了伴侶配合的風光電將會很是風光，展現出成爲人類終極能源的靚影！
2060年（第七欄）是中國的碳中和年，屆時石化燃料的電站已經全部關停。
二代和二代半核電站也已經關停；三代核電站已經被按下了停建按鈕，無論經濟性如何；四代核電站的高光時段？核聚變的示範運行數據、建設總成本和經驗應該已經總結出來，經濟性應該已初見端倪。
有了伴侶配合的風光電作爲終極能源的安全性和經濟性獨樹一幟。
再展望一下2100年（最後一欄），屆時四代核電站的經濟性將已經決定了其命運，尤其是與五代核聚變相比。五代核電的聚變託卡馬克的安全性、可控性和經濟性將會十分清晰，其經濟性將與太陽能一較高下。
太陽能是未來的終極能源之一
這張表格還在完善中，懇請讀友批評指正。但表格已經清晰地表明：太陽能將是未來的終極能源，至少是之一，而且是最便宜的能源，是未來的主要能源。
上面這張圖是我給東大學生做核能科普講座時準備的，中國受資源稟賦制約，煤炭一直主導，並沒有油氣爲主的能源時代。
太陽能是未來的終極能源，推動儘早實現“能源獨立”
在1993年以前，中國石油一直自給自足，此後成爲石油淨進口國。到2003年，中國成爲僅次於美國的全球第二大石油進口國。2009年，中國日均進口石油430萬桶，佔總需求量超過一半，51.3%。2017年成爲全球最大原油進口國之後，2018年中國超越日本成爲全球最大天然氣進口國， 對外依存度大幅攀升超過45%，石油對外依存度也上升至70%。
2018年中國石油進口量爲4.4億噸，同比增長11%，對外依存度升至70%；天然氣進口量1254億立方米，同比增長近32%，對外依存度超過45%。有預測到2035年，中國石油日均需求量將達到1530萬桶，將超過美國的1490萬桶，達到全球最大石油消費國，進口依存度將達到80%以上，也將面臨更多的風險。
中國油氣進口主要有四條航線：中東航線：由中東經過霍爾木茲海峽和馬六甲海峽，承擔了近一半的中國石油進口運輸量。非洲航線，從非洲經馬六甲海峽；還有拉丁美洲航線和東南亞航線，都經馬六甲海峽。這樣，中國石油有四分之三的進口量需要經過馬六甲海峽，一旦發生戰事或被經濟封鎖，除了海峽容易受到控制，海上運輸風險也較大，能源安全受挑戰較大。
在上個月一篇短文《蘇伊士運河貨船坐灘對能源安全的警示》中，老楊寫道：
“當下的案例清楚表明，一艘貨輪的意外坐灘就能堵塞一條運河，成本非常小，事發“意外”，表面看上去沒有任何針對性。
蘇伊士運河貨船坐灘對中國的能源安全發出警示，尤其是在當前的國際環境下。
加速新能源和氫能技術發展，就有可能實現“能源獨立”，不再受制於人。”
老楊曾在2020年2月寫文討論《中巴關係和中巴經濟走廊以及南亞投資》，提到幾條石油進口通道，其中一條是中巴石油管道，從巴基斯坦的瓜達爾港到達中國新疆喀什。
這條通道挑戰難度巨大，要把原油從海平面送到翻越5000多米高的崑崙山，喀什的海拔是1270米，既就是考慮了虹吸效應,落差3700米,要提升的勢能是mhg，消耗掉的能量相當可觀！
風光電經濟性還有提高空間，太陽能將是最便宜的能源
以英國爲例，海上風電2014年第一次政府擔保價格CfD拍賣時，成交爲£114.39/MWh（2018/19運營）；但在2019年9月的第三次招標時最低的CfD就驚人地降到了£39.65/MWh！這不是小容量，是次6個海上風電場和一個陸上風電場的總容量6000MW，最晚2024/2025年商業發電。
隨着項目建成商業發電，到2023年時英國海上風電價格（紅線）將創歷史新低，低於現有天然氣發電廠，見下圖。而一年前的預計是要到2030年左右纔有可能達到這個臨界點。
圖中批發價格由兩段組成：是實際價格（實黑線）和預測價格（虛黑線），
上圖也標出其它技術的發電成本作比較，天然氣發電成本使用的是批發天然氣和二氧化碳價格預測，並根據通貨膨脹調整爲2019年9月的價格。
相比於建造週期長達6-10多年的核電站，相同容量的海上風電的建造週期只有3-5年，甚至更短。英國政府的海上風電CfD擔保期只有15年，而核電站則是35年，政府承擔的風險也大幅降低。
近10年來風光電與儲能技術因技術進步和應用規模的價格變化很大。
風光電的短板是受自然條件約束的間歇式發電的不可調節性。這個短板是要利用儲能技術來補充。抽水蓄能是一個很好的方式，但有地理和地質條件的限制。
電池儲能技術在飛速發展，成本也在快速下降之中。
發展迅速的氫能技術（制氫和氫電）將在儲能和調峯中發揮重要的作用。
IRENA（國際可再生能源機構）統計的2010年以來海上風電售電協議和招投標的統計。
風電的趨勢還有下降空間，但已經不多了。
同樣從2010到2020的10年裏，隨着光伏發電技術進步和裝機容量的大幅增加，成本也驚人地下降。
光伏已經完全具備了和煤電的競爭性。
光電的建設週期就更短了。
風光再生能源發電已經無需政府擔保或優惠而直接競價上網了。
再生能源的另一優勢是風險小，投資規模小，建設週期短，融資容易，可控性大大增強，甚至有EPC承保商願意墊資建設。
風電設備主要是機械和電器，安裝建設技術和運行維修門檻也高，未來的成本下降空間有限。
光伏主要是半導體電子技術，降本能力也就更強。據IRENA測算，全球光伏發電成本在過去十年間累計下降了82%。
隨着硅片、電池片等技術的提升，技術迭代就算沒有計算機的摩爾定律那麼快，太陽能光伏的安裝和運行及維護沒有技術門檻，中學畢業的農民工培訓兩三個星期就能安裝，發電成本有望繼續降低。
2021年3月美國能源部宣佈未來10年將把太陽能發電成本降低60%（中外能源經濟觀察）
太陽能電站無補貼、平準化上網度電成本2025年目標是3美分，2030年目標2美分
原目標爲度電成本2030年達到3美分，新目標提前了五年
目前度電成本爲4.6美分
商用屋頂光伏度電成本2030年目標爲4美分
住宅屋頂光伏度電成本2030年目標爲5美分
爲硅基光伏系統延長壽命（從30年延長到50年）及太陽能光熱發電（2030具備競爭力）試點項目提供資助
如果美國能做到0.02美元/kWh，晶硅和太陽能板的生產技術和生產線在中國，再加上規模效應，中國就有可能做到0.05元RMB/kWh。
在2011年我家屋頂裝光伏板時，我才認識到德國爲什麼要棄核，因爲他們在新能源技術領域執牛耳。德國的直流-交流轉換器（Invertor）體積小，噪音小，在設備成本中佔了相當比例。有人嘲笑德國在大力發展再生能源，但卻進口法國和其他國家的核電。其實這不是很smart的做法嗎？利用別國的電力資源輔助自己發展和完善新能源，在有經濟規模的國家中，德國遠遠走在通向碳中和道路的前面。
取之不盡用之不竭的太陽能
太陽每天向地球輻射174 petawatts(PW，1X1015W)。大約有30%的太陽能被反射回太空，而其餘的太陽能則被雲層、海洋和陸地吸收。
地球的大氣，海洋和陸地吸收的太陽能每年大約是3,850,000 EJ (EJ=1X1018J)。2019年，全球一次能源消費總量達到583.9EJ。一小時內的太陽輻射到地球的能量比全世界在一年內使用的能量還要多。太陽的能量到達地球表面的數量是如此巨大，以至於在一年中的太陽能是自從人類取得和開採的所有在地球上不可再生資源的煤、石油、天然氣、和鈾都相結合的總能源的兩倍。
安全經濟的太陽能和與之配套的儲能技術及供給側/用戶側的智能預測與調配技術相結合，既經濟實用，又能源獨立。
本系列將討論3060碳達峯和碳中和的前景和方法，敬請關注。
（來源：亞太日報 APD News）
