江億院士：通州新區實現零碳能源系統的路徑

發布時間：2023-06-13 19:37:05

導讀：10月20日，中國工程院院士、清華大學建筑節能研究中心主任江億在北京城市副中心綠色發展論壇上發表題為《通州新區實現零碳能

導讀：10月20日，中國工程院院士、清華大學建筑節能研究中心主任江億 在北京城市副中心綠色發展論壇上發表題為《通州新區實現零碳能源系統的路徑》的重磅報告，對零碳能源系統在北京城市副中心應用進行深入闡釋。本文根據演講實錄整理，經江院士批改并同意，在清華同衡規劃播報發布。

01 北京城市副中心應成為零碳能源的先行者

我國承諾要在2060年之前實現碳中和，未來大約有等效20億噸左右的非二氧化碳溫室氣體排放，減排替代成本很高，所以未來主要的碳匯資源大部分用于抵消這部分溫室氣體排放。現今，能源領域的目標是追求零碳排放，實現零碳能源系統的構建。

零碳能源系統是指以水電、風電、光電、核電和生物質燃料為主的能源系統。我國應由現在燃煤、燃氣、燃油為主的化石能源系統轉為零碳能源系統，在目標實現困難的條件下，可通過對化石能源進行CCUS[1] 回收把二氧化碳分離出來，然后再利用。

北京城市副中心作為中國未來城市發展的先行示范區，應當成為零碳能源的先行者。北京城市副中心目前正在建設中，應排除老的建設理念，需要站在能源領域實現零碳制高點，按照零碳能源的目標來建設和演繹，為未來中國怎么在能源領域實現零碳做出示范，所以也不存在碳達峰問題。

北京副中心具備實現零碳目標的有利條件：

一是副中心作為新建城市區域，可以直接按照未來零碳能源的要求建設，避免產生大量改造工作；

二是通州新區主要功能為商業、辦公、居住，沒有工業用地，既不存在大量既有的建筑改造的難題，也不存在工業過程零碳的困難，在能源消費側，工業生產能源消耗高，對能源依賴性強，是能源消費側實現零碳轉型的難點，而民用建筑、住宅、市政系統實現零碳相對容易。

02 實現零碳能源系統的路徑

2.1零碳能源系統的基本策略

一是取消直接碳排放，全面實現電氣化。即不再燒各種化石燃料，必要情況下燒燃料也需集中設置，通過CCUS回收利用二氧化碳。

二是柔性用電，技術創新，促進電力系統零碳化，率先實現零碳電力。目前中國電力系統中約65%還是燃煤、燃氣、火電等排放二氧化碳的能源，所以中國要實現零碳能源轉移，最主要的任務是如何發展零碳電力，且零碳和電氣化需要同時進行。實現零碳的核心任務包括開發利用一切可以利用的資源來發展風光電和改變目前剛性用電的方式轉為柔性用電方式，通過儲、調的各種方式改變用電側規律，使之適應風光電的變化規律，與風光電一致。

三是零碳采暖。北京城市冬天取暖會造成大量碳排放，所以需要取消燃煤燃氣鍋爐采暖，為冬天的建筑采暖找到零碳熱源。

2.2 消除直接碳排放的具體措施

做到以上三個方面的具體措施主要是實現全面電氣化，取消燃煤、燃氣、燃油。

一是炊事電氣化。即用電替代燃氣，包括居民、食堂、餐飲業等。炊事電氣化現在已有相應成熟的灶具產品，且電炊具的燃料費用低于燃氣。

二是生活熱水電氣化。住宅可用戶用熱泵熱水器，1度電轉換3度熱，運行費低于燃氣熱水器。公建可用模式化熱泵熱水器，滿足辦公樓、賓館、醫院的熱水需求。

三是對于特殊的蒸汽需求，盡可能用熱水替代蒸汽。比如醫院集中蒸汽系統，應改為分散的模塊化電動蒸汽發生器。電動蒸汽發生器既能避免蒸汽系統的跑冒滴漏，經濟性也強于燃氣蒸汽鍋爐。現在國內已有了成熟的產品，COP能達到1.2~1.3，比電熱省20%~30%電量。

四是交通方面，大力發展電動車，全面實現“油改電”。取消燃油，用電力驅動各類車輛，是未來實現交通零碳的必然途徑。電驅經濟性優于氫，氫驅動僅適合某些長途重載貨車、長途大巴。盡管目前我國電力度電排碳因子在580gCO2/kWh，但逐年下降，零碳電力是建設新型電力系統的目標。“油改電”和新型電力系統的建設都不是一日完成，需要同步實施，相互促進，不可能等到零碳電力系統建成后再進行“油改電"。零碳電力系統也只有在實現了高比例電動車后才能實現，須改車在前。電動車增勢迅猛，今年將新增300萬輛，2030年將達到7000萬輛。通州作為先行示范區，應通過各種政策機制，推進電動車的普及推廣。

2.3 實現零碳電力系統的路徑

1）明確以風電光電為主的電力電源結構

未來實現零碳電力的途徑是以風電光電為主。水電和核能都是很好的零碳電源，但都受環境資源條件限制，所以全面替代火電，還是要靠風光電。從未來2050年的電源構成情況規劃可以看出，風光電提供的電量將從目前的8%發展成62%，成為整個電力系統的主角。

我國未來零碳電力系統的電源結構

2）零碳電力系統面臨季節差問題

規劃中1.2萬億度非零碳排放的火電，是因為可再生電力有季節差。水電冬季徑流量僅為夏季的40%；光電的冬季日照時數不到夏季的60%；風電在冬夏之間沒有明顯差別；當滿足夏季電力需求時，冬季最大差別為6.5億kW。因此，春秋靠零碳的電力就可以滿足要求，但冬天的水電光電供給側不足，風電也不夠，缺口較大。

保留部分火電，但縮短發電時間。通過多種方法比較，最后從經濟上看可操作、綜合效益最高的辦法就是保留6億千瓦左右的火電，但是要縮短發電時間，只讓它在冬天或者其他季節的連陰天時補充，這樣消耗火電的排放大概是7億噸左右，再通過CCUS回收利用。火電冬天發電不僅能補充當時的電力不足，火電的大量余熱還可以回收，解決冬天建筑的供熱問題。此外，火電中的1/3應是生物質燃料，也屬于零排放。

我國各類發電情況與用電需求

3）合理選擇安裝風電光電的位置

在西部戈壁灘安裝風光電需要再次開發土地，且長途輸電的投資消耗較大，長期看也有穩定性、經濟性的問題。長途輸電一般以“水光打捆”或“火光打捆”的形式配合運輸，才能保證安全可靠高效的輸送，但是西部的水電資源不足，風光電規模也不夠，火電打捆又要消耗化石能源，跟低碳目標不一致。如果在西部同時發展風光電和蓄電，東部用電規律不恒定，需要二次儲放，損失和投資都比較大。

在中東部發展分布式風電光電經濟性更好。第一，城鄉屋頂光伏充分開發，可安裝25億kW以上的光伏，占需要風電光電的40%；第二，屋頂的安裝和維護成本多數情況下低于西部戈壁灘；第三，除了城市里，城市周邊零星空地裝光伏，周邊山地和沿海地區海上的風電，可提供30%-40%風電光電。各地自發自用，優先自用，減少多次變壓和傳輸損耗，在末端實現調蓄。

因此，得出結論是：風電光電75%在中東部發展，25%在西部發展，并充分開發利用屋頂和零散空地的光伏資源。

2.4 未來中國零碳電力的結構

未來中國形成以中東部地區為骨干網，西部的水、風、光電協同的零碳電力供給系統。中東部地區分出農村和城市、工業和市政、建筑和汽車三大部分，電力來源為核電、海上風電、水電和生物質調峰電場。西部以水、風、光電為主，除了滿足自用之外，還能西電東輸8000億度電。

未來中國零碳電力系統結構圖

03 通州副中心實現零碳的路徑

3.1 合理調配風光電百分比

太陽能光伏和風力發電成本已經低于煤電，但不說調節問題，無法解決根本問題。合適風光電的匹配百分比，能夠在一定程度上緩解晚間光電不足和風電過剩的問題。匹配結果發現，要通過合適的調風光電的比和光伏的角度，使得風光電總和更接近城市用電的負荷曲線。

通過對比得出結論是：通州地區最佳的風電光電比是2:8，即20%的風電和80%的光電，該配比能很好地實現風光電與末端用戶之間的匹配，減少對調節的需求量。但是在冬季1月、2月、10月到12月時，仍然總電量不足，需要額外供電來解決17%的用電缺口。

3.2 提出通州電力來源的可能方向

一是開發屋頂光伏。充分開發利用屋頂空間，規劃的7000萬平米建筑、以及周邊建筑小品等，可以安裝100萬kW以上的光伏電池，年發電12億kWh，占通州副中心年電力需求的17%。

二是建設集中風電光伏基地。在遠方(壩上、平谷等)建設集中的風電光伏基地，作為通州副中心的電源基地，需要荒坡、各類空地資源35平方公里。

三是利用三河燃煤電廠冬季運行，解決冬季光伏不足的問題。三河電廠冬季提供約15億kWh電力，約為總電量需求的20%。

3.3 解決一天內的電力調蓄問題

一是利用抽水蓄能電站。抽水蓄能電站是最有效的電力調蓄手段，但資源有限，僅能解決我國10%-15%的電力調蓄問題，所以通州應把這樣的寶貴資源讓出，不考慮抽水蓄能。

二是發展電動車電池蓄能。其一，目前的電動車蓄電能力遠遠沒有被利用，每輛車平均50kWh蓄電能力，可行使300公里，私家車平均年運行1萬公里，僅需要充電35次/年，按照每天充放電一次，利用率不到10%。其二，大量的電動車閑置停放，為電池解決電力調峰調蓄問題提供了一個基礎條件，大數據表明，私家車平均上路時間低于10%，當15%的車在路上時就出現極其擁堵現象。其三，蓄電池壽命不是由充放電次數決定，而是由充滿的次數和放空次數決定，通過優化充電功率和充電量，使蓄電池不處在滿沖和完全放電的狀態，可以有效維持蓄電池壽命。其四，通過智能有序充電，可以靠電動車資源解決電力日內調峰問題。

3.4 推廣城鎮建筑采用“光儲直柔”+有序充電的方式

“光”指表面光伏，在建筑外表面安裝建筑一體化光伏電池。

“儲”是分布蓄電，100平米3度電的儲電能力，分布在建筑內部，建筑內部的配電總線跟旁邊停車場的充電樁相連接。

“直”指直流配電，建筑內配電由現在的交流電改成直流電。

“柔”指柔性用電，通過直流母線電壓變化來調節各個充電樁蓄能裝置充電量。同時調控建筑物內各個用電設備的用電功率，從而使得整個建筑實行實現柔性用電。

“有序充電”指基于直流母線電壓調控進行充電，有序充電樁的充電邏輯不是即插即充，而是看電池里的電量和現在的直流母線的電壓高低，即根據電池內電量SOC和直流母線電壓決定充/放電和功率。

“光儲直柔”能基本解決通州消納風光電的問題。1萬平米的辦公建筑，加上100個充電樁，連上100輛汽車，大概能消納自身或者外界的光伏1兆瓦。由此看出，如果把60%-70%的辦公建筑跟40%左右的住宅建筑改成“光儲直柔”，能基本解決通州消納風光電的問題。

光儲直柔建筑可以僅依靠零碳電力運行。假設通州的建筑都是光儲直柔建筑，也連在北京的總電網上，遠處還有大型的風光電基地，電網上可能還有部分電是煤電，不是綠電；每晚向風電光電控制中心提交第二天的總用電量和負載用電曲線；控制中心根據氣象預報得到風電光電的變化，確定各個建筑第二天用電曲線使風電光電有效消納，而各座建筑蓄能調節量最小；只要各座光儲直柔建筑嚴格按照要求的用電曲線調節，就可以實現建筑全零碳用電。

3.5 實現冬季零碳供暖

現在通州的熱源包括三部分，一是三河電廠發電余熱，二是燃氣鍋爐，三是政府辦公大樓用的是電動熱泵。實現零碳，可采取以下幾方面措施：

一是減少需求，加強建筑圍護結構保溫。全面落實北京市的“三步節能”標準，峰值采暖負荷控制在20W/㎡左右。

二是取消燃氣鍋爐，充分利用三河電廠余熱。要求水溫為120℃/20℃，低溫回水可以有效回收電廠冷端余熱；當回水溫度為20℃時，三河二期、三期機組余熱即可提供1200MW熱量；在三河與通州之間適當位置建設大型蓄熱裝置，300萬立方米蓄水量，即可滿足嚴寒期調峰要求，使三河電廠供暖期持續供熱，而使用則根據天氣調節。目前的地源熱泵產生熱量也可并入大網，作為調峰熱源，協同優化調節。

三是盡可能降低回水溫度。終端采用吸收式換熱器技術，把回水溫度降低到20℃，把里面的熱量都充分用出來。目前在太原、赤峰等城市已經相繼全面采用這一技術。

四是進行三河電廠改造。回收冷端余熱和排煙余熱，供熱為120/20℃，為通州提供1200MW熱量；供熱管網流量提高到1萬噸/小時；電廠安裝CCUS裝置，回收排煙中的CO2，并研究開發CO2利用技術；建設300萬立方米蓄熱水池，平衡熱源恒定供熱與變化的采暖需求。

五是讓地源熱泵成為系統的調峰熱源。初末寒期統一由大熱網提供熱源；嚴寒期切斷運行，獨立供熱，減少大網承擔的供熱面積；通過一天內的調節，還可以為電力日內調峰做貢獻。

04 結論：通州副中心的能源系統有望實現零碳

建議2030年之前，實現供熱系統的改造和燃氣的全替代；2040年之前實現電力系統的零碳化。

實現零碳目標除了以上提到技術上的措施外，同樣重要的是建立新的用電文化，從使用端做起，需要每個人都認識到，主動響應，主動調節，配合電力系統的調節，主動去用風電光電，在電缺的時候減少負荷，同時充電樁也是一位一樁，即停即插，有這種新的用電文化，才能夠支撐措施的實行。