最新原创论文 | 德国能源转型和大规模地下储能对中国碳中和的启示

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作者 : 中国(德国)研发创新联盟碳中和专委会秘书处
更新时间 : 2023-04-26 23:12:28

文章题目:Gleaning insights from German energy transition and large-scale underground energy storage for China’s carbon neutrality

关键词:Carbon neutrality; Energy transition; Large-scale underground energy storage; Sector coupling
 
       近日,德国克劳斯塔尔工业大学侯正猛院士团队的副研究员谢亚辰博士以第一作者身份在International Journal of Mining Science and Technology发表文章“Gleaning insights from German energy transition and large-scale underground energy storage for China’s carbon neutrality”,侯正猛院士为本文通讯作者。该文章强调了国际经验交流和合作在能源转型与碳中和战略中的重要性,详细分析了德国能源转型的现状和六大关键技术和排序,分析了中国实现碳中和的机遇和挑战,并建议将基于能源多板块智能耦合的绿色能源系统(ENSYSCO)作为实现中国可持续能源的最主要途径。此外,考虑到中国的国情,提出了四种基于ENSYSCO的大规模地下储能方法以应对可再生能源储存难题,有助于促进多能时空互补和整体电网平衡。
 

内容导读
 

       为应对气候变化问题,世界各国以全球协议的形式签署了减少温室气体排放的《巴黎协定》。以煤、石油和天然气为主的传统化石燃料,是全球全球变暖的最大贡献者,与化石燃料相比,太阳能、风能、水能和地热能等可再生能源不排放温室气体,是一种更加环保和可持续的能源形式。从化石燃料向可再生能源的转变是减缓气候变化的必要步骤。推动能源系统绿色低碳转型,构建以可再生能源为主的新型电力体系,是践行碳中和的关键。

中国的产业结构中制造业占比高,煤电比例高,污染排放量大,改变能源结构和能源转型的难度很大。中国有必要学习国际先进经验。美国的能源政策随执政党变更表现出截然相反的态度,能源转型战略的可持续性值得怀疑,使其不能成为理想的参考者。相比之下,德国一以贯之的坚持能源转型,已经成功地将电力生产中可再生能源占比提高到45%以上,在可再生能源发电量方面成为欧洲的领导者,积累了丰富的技术和经验。
 

德国能源的总发电量

       德国在能源转型第一阶段的成功,可归功于其采用智慧电网,实施电力期货和现货市场化,通过电力多元转换和再发电技术实现了多能时空互补和整体电网平衡。德国在能源转型过程中主要依靠六大技术系统的推广:节能和提效、绿色建筑、可再生能源、电力期货和现货交易、交通领域电气化和氢气化。虽然德国的能源转型取得了一定的成绩,但同时也存在一些问题和挑战。
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2017年10月28日至30日德国的电力供需图

       可再生能源在时间维度上受到周期性和随机性的气候和天气波动影响(如水电、风能和太阳能),在空间维度上地理和全球环流模式控制着不同地区的天气,导致同一能源(尤其是风能和太阳能)的位置之间存在差异。因此,储能技术的发展对于解决可再生能源发电不稳定的问题至关重要。
       为了高比例消纳可再生电力,德国第二阶段的能源转型将以发展能源消费板块耦合为主,构建电力、热力和交通部门耦合的智慧能源系统。德国将绿色氢气作为一种多功能的能源载体,成为运输、储存和交易可再生电力的理想能源互联媒介。结合Power-to-X技术,提供了解决可再生能源发电不稳定特性的变革性解决方案。
 
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Power to X 的三种主要路径

       德国政府预计,到2030年,氢气需求将达到90至110 TW·h。为满足这一需求,德国计划到2030年建造总容量高达5 GW的电解槽。这相当于近14 TW·h 的绿色氢生产和近20 TW·h所需的可再生电力。大规模地下能源储存将为绿氢提供可靠的储存方式。德国正在将现有的32座盐穴天然气库改造为储氢库,将现有的4座孔隙储气库改造为20%混合储氢库。还将建设40个新的盐穴储氢库,升级现有的天然气管道系统。德国的绿氢地下储存计划总投资为128亿欧元(940亿元人民币),到2045年实现碳中和时,所有地下储氢库的年度总工作气量将达到730亿千瓦时。
 
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德国储气设施位置(2023年1月)

       可再生能源在中国的发展更具挑战。2021年,中国风能和太阳能发电量占总发电量的11.5%,预计到2060年将达到85%。届时,风能和太阳能发电量接近2.6×1013 kW·h(其中耦合Power-to-X的储能占比约25%,储能中大规模地下储能预计占比80%以上)。面对如此巨大的发电量,保障电力系统的稳定运行需要智慧能源系统和充足的储存能力。

       侯正猛院士提出基于能源多板块智能耦合的绿色能源系统(ENSYSCO),通过对电力多元转换和再发电技术(power-to-X-to-power)的应用将能源的生产、消费和存储3大板块智能耦合在一起。物理与数据混合驱动的轻量化人工智能方法既赋予ENSYSCO管理系统强大分析、决策和反馈能力,也令整个系统的运转更高效、坚固且节能,同时更好地整合能源系统中的输运和监控网络,实现生产、消费和储能部门的模拟、分析、管理和智能耦合。
 
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ENSYSCO综合能源系统架构

       大规模地下储能技术有望成为中国实施ENSYSCO的迫切需求,也是一种必要的选择。大规模地下储能是一种先进的储能技术,可以将电能转化为其他形式的能量(如压缩空气、液体或热能)进行储存,在需要时再转化为电能。基于ENSYSCO框架的四种大规模地下储能方法:
1)矿井抽水蓄能(电转势能),
2)地下盐穴储能库(电转气包括氢、甲烷和压缩空气等、电转液包括甲醇等、电转电燃料),
3)可再生发电‒供热‒储能一体化增强型地热系统和浅层地热蓄能(电转热),
4)利用枯竭油气藏建造储气库(电转气包括氢、天然气和压缩空气),特别是作为大型生化反应器合成甲烷和储存可再生天然气,
       将助力于中国发展可持续清洁能源系统。可再生增强型地热系统有望实施的地区包括四川西部、西藏南部、云南、河南和广东等地区。云南、河南和山东等省份稳定的地质构造为矿山抽水蓄能发电提供了较好的工业化条件以及相对较小的技术和工程挑战。德国将盐穴储氢作为第二阶段能源转型最重要技术手段,投资将超过128亿欧元。中国盐穴分布广泛,但还未实施地下储氢项目,因此,开展盐穴储氢评估和试点项目至关重要。地下生物甲烷化作为一项关键的负碳技术,在中国拥有巨大的潜力和前所未有的发展机遇,特别适用于我国普遍存在的枯竭油气藏,尤其是在拥有众多枯竭天然气田的省份,如四川。
 

重要结论
 

       基于德国能源转型的经验和教训,我们总结了中国实现能源转型和碳中和的六个要点:(1)能源转型路径的选择应符合中国能源资源禀赋 “多煤、缺油、少气、可再生能源特丰富而分布不均”的特点;(2)必须优先保障能源安全,防止能源供应过度依赖单一国家;(3)中国可以学习德国成立电力现货/期货交易市场,推广绿色建筑,大力发展交通领域的电气化和氢气化;(4)发展基于大数据的智慧电网和储能技术,以此来促进可再生能源产能比重的提高和减少弃光、弃风、弃水现象的发生;(5)坚持先立后破的原则,即先大力推广可再生能源及相关技术、再逐步减少对化石燃料的依赖;(6)避免德国把环境、气候保护与非常规油气开发、地下碳封存等对立起来的做法,而应鼓励加法和乘法的绿色创新,大力发展新能源和相关产业(如新能源汽车)、ENSYSCO绿色能源系统、绿色和高端制造、产业信息化和信息产业化,实现可持续循环经济。

       中国发展可持续能源系统的一个关键方法是利用ENSYSCO框架。在这种方法中,一个巨大的挑战在于建立大规模的地下储能系统。为了适应中国不断扩大的可再生能源存储需求,提出了四种基于ENSYSCO框架的大规模地下储能方法。相较地上蓄能,大规模地下储能具有许多优点,包括大容量和长周期的蓄能潜力、安全高效、价格低廉、节约大量土地资源和保护生态环境。具有调峰、调频、调相、储能、系统备用和黑启动等“六大功能”,在保障电网安全稳定运行、促进可再生能源消纳和提高能效、提升全系统性能作用巨大,从而促进可再生能源的普及和大力发展。
 

原文链接:

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2095268623000472?via%3Dihub 
 

通讯作者简介

       侯正猛,德国地球科学与岩土工程院院士、德国克劳斯塔尔工业大学教授和中国能力中心主任、中德能源研究中心德方首席、中德清洁能源创新平台德方负责人、中国(德国)研发创新联盟碳中和与能源转型专业委员会主任委员、欧中氢能和燃料电池协会常务副理事长。主要从事地下洁净能源开发、非常规天然气和深部地热的水力压裂技术,天然气、高压风及战略石油和可再生能源的大规模地下储存,地下空间综合利用,CO2地下封存和利用等方面的研究。主编国际论文集3部,出版专著9部,发表论文250多篇、其中SCI和EI收录论文150多篇,是9期SCI杂志和1期EI杂志的特邀主编,1本SCI杂志、3本EI杂志编委和20多个SCI杂志的特约审稿人。

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