从世界范围来看,10年来能源行业发生了巨大的变化。在绿色发展理念驱动下,新一轮能源转型具有哪些特征?如何实现跨界融合、协同发展?将面临哪些挑战和机遇?本刊日前采访了欧洲科学与艺术院院士、瑞典皇家理工学院教授严晋跃,他认为,能源与其他技术的协同创新,诸如智能化数字化控制、“互联网+”人工智能等非常重要,但能源系统的自身特性决定了能源转型不是其他技术可以解决的,需要能源自身迎接挑战,需要与工程界、商界、政府决策者携手,不断进行技术和商业模式创新,致力于降低能源系统软硬成本。
可再生能源崛起
《能源评论》:从能量资源角度来看,这一轮正在发生的能源转型,与之前的煤炭革命、石油革命似乎不同。在您看来,本轮能源转型有哪些突出特征?
严晋跃:正在进行中的本次能源转型,是人类可持续发展需求驱动的能源变革,对能源的使用不仅仅要求其方便可靠,而且需要清洁低碳。主要特征是快速增长的可再生能源和对能源系统的滲透,由此进一步提出了系统的“灵活性”需求。
有一个我亲身经历的事情可以说明这个变化的趋势:2010年前后,我作为主编,邀请全世界400多名优秀顶级科学家和工程师共同编撰了A4版面、4000余页的大型工具书《Handbook of Clean Energy Systems(洁净能源系统手册)》(6卷),历时五年,对整个能源系统进行了细致的梳理。最终六个分卷手册的名称分别是《可再生能源》、《清洁能源转换技术》、《减排技术》、《智慧能源利用》、《储能》和《能源系统的可持续性》。在全书的编撰过程中,有两个变化:一是《可再生能源》分卷起初叫《替代能源》,二是《储能》这一分卷刚开始是没有的,是后来专门增加的。
这本书在2010?2015年编撰过程中发生的变化,其实恰恰折射出了能源转型变革的两个非常重要的特征:一个是可再生能源的快速崛起,由原来的“替代”能源成为主流能源;另一个是由此带来的能源动态供需变化需要新的手段进行平衡,储存技术需求进一步提升。
从近几年能源装机的情况来看,2013年全球新增加的装机容量中,可再生能源首次超过了化石能源。以美国为例,2017年美国净增加的装机容量中,94%来自可再生能源,仅有6%来自其他传统化石能源。这个数字可能出乎人们想象,尽管特朗普一直讲要把煤炭拉回来,但能源投资市场的变化表明了能源转型是大势所趋。
《能源评论》:可再生能源快速发展已是大势所趋,但也有人表示,短时间内还很难革掉传统能源的命。您怎么看待未来能源系统中传统能源的地位?
严晋跃:能源的选择不是简单的谁革谁的命的“你死我活”的问题,而是在人类可持续发展大目标下,去探求如何实现能源为人类提供便利清洁和可靠的服务。清洁能源也包括传统化石能源的清洁利用。我们是在清洁的约束边界条件下,寻求能源系统的最佳解决方案。在不同的时间空间尺度下,这个“最佳解决方案”可能不同。但随着可再生技术创新和成本的快速下降,“最佳解决方案”在不断朝着可再生能源倾斜,这是我们可以目睹而且不断加速的一个大趋势。我们需要catch the wave(乘风破浪)而不是against the wave (逆流而上)参与到寻求清洁能源系统的“最佳解决方案”的过程中。
《能源评论》:可再生能源除了经济性,还有间歇性问题,由此对整个能源系统保持供需平衡带来了技术挑战,您怎么看?
严晋跃:可再生能源的经济性在近10年得到了长足进步,已经进入可以与传统能源竞争的时代。新能源成本的下降经历了类似于芯片领域摩尔定律的发展现象:每两三年价格会减少一半。基本上LED、光伏、风能等产业都是这样发展的。储能技术的发展可能会按照同样趋势发展,未来可能会给我们提供更多的技术空间。
可再生能源间歇性问题的解决,需要全方位的技术、体制和商业模式的创新。这就对系统灵活性提出了要求,未来能源系统里除了清洁低碳、安全高效,还要增加灵活性和经济性等维度的要求。技术上需要在(资)源-(负)荷-储(存)-用(户)每个环节及其整体集成优化创新。诸如智能微网、分布式能源、虚体电厂、虚拟储能、用户端响应等等。能源体制上需去中心化的非垄断化变革和能源市场的进一步自由化。把“灵活性”纳入未来能源系统的商业模式创新亦非常重要。
系统优化不唯数字论
《能源评论》:随着技术进步,可再生能源在装机量增加的同时,应用成本和价格是否也在快速下降?
严晋跃:是的。这与另外一个趋势密切关联——能源供给从原来的中心供能方式逐渐向分布式方式转变。
最近我们把全国344个城市按照太阳能光照资源和光伏发电经济性进行研究分析后发现:如果是自发自用,按照终端用户自发自用情形,仅以现有光伏发电的成本来计算,就可以做到光伏发电无补贴应用,当然,需要在系统和市场上能够保障不弃光。我们会后续发表这一研究成果,与同仁分享。
《能源评论》:那是否意味着,当下可再生能源平价上网完全可以靠技术进步就能实现?
严晋跃:不能这样看。能源问题是一个复杂的系统问题。技术只能解决很小一部分问题。我们发现,虽然可再生能源系统的硬成本在快速下降,但软成本的下降并不明显,导致目前软成本占到整个项目成本的比例反而在增加。以美国为例,其每季度公布的光伏发电项目成本情况显示,硬成本大幅下降,每2?3年减少一半,但软成本在8年之内,占到项目总成本的比例逐渐从30%?40%升至60%?70%。这可能是未来能源系统发展比较大的障碍。
在商业模式上,与硬成本相关的科学家、工程师,和与软成本相关的律师、投资人、许可审批人等完全不同:工程师的思维方式是希望把产品做得更便宜,从商业角度是希望把产品卖得更贵。这或许是软成本不降的原因之一。未来即使工程师、科学家努力把项目硬成本再减少一半,也只是30%?40%的一半。如果另外60%?70%的软成本不对应降低,不去从整体商业模式进行系统创新,技术进步的作用会十分有限。如何减少软成本并没有被人们重视起来,是极为迫切需要解决的问题。
项目实施设计时要因地制宜。充分考虑当地能源资源及使用特点,要量体裁衣。以马尔代夫的孤岛能源系统为例,当地政府希望百分之百使用可再生资源,但我们研究发现:可再生能源比例在50%左右,企业可以很好盈利;进一步增加到百分之七八十甚至百分之八九十的时候,也是可以接受的,当然要增加额外的成本;但如果要求百分之百使用可再生能源,成本会大幅增加。因此,我们的结论就是:在现有的条件下,尤其储能成本非常高的情况下,可再生能源比例实现90%要远比100%好。能源系统的优化不是简单的数字指标的实现。
不是简单的“互联网+”
《能源评论》:基于可再生能源的未来能源系统,要如何面对电源与负荷的双重不确定性,“互联网+”理念和技术会有何帮助?
严晋跃:变化的能源与变化的负荷将是未来能源系统要面对的新常态。这需要技术、政策和商业模式创新,也会带来很多新的机会。
有一种观点,将ICT(信息通信技术)和能源结合起来,就是所谓的“互联网+”,用互联网的架构和方法可以解决能源问题。但在我看来,简单地用“互联网+”解决不了能源系统的问题。原因在于,能源和信息的物理特性不同,信息的融合、交换会增加新的信息,是一个增加价值的“负熵”过程。而能源则不同,能源的转换,传输及储存都会伴随不可逆的损失,是一个价值贬低“增熵”的过程,这是由能源转换的热力学第二定律决定的。
我经常举一个例子,人们用手机担心的是能源问题,而不是信息问题,你每天回家要充电,或者随身携带充电器、充电宝,但是你不会每天晚上把信息、照片备份出去。原因就在于,能源储存和信息储存的成本不同,信息储存非常便宜。一旦能源储存也能够像信息储存一样低廉,整个产业形态就会发生很大的变化。能源系统和互联网的结合非常重要,互联网可以为能源系统提供新的信息手段,但不是简单地按照互联网的架构去设置能源系统,能源系统需要按照自身的特点进行系统构建和创新。
《能源评论》:也有人认为,随着物联网技术的发展,互联网将成为基础设施。那么,从资源型的能源模式转到系统集成型的模式,会对产业生态带来哪些冲击,系统将如何演进?
严晋跃:从资源角度来说,未来能源系统会从资源型向集成化、智能化转变。从消费层面来看,未来能源系统把生产者(producer)和消费者(consumer)结合在一起,形成一个新词——产销一体(prosumer),也诞生了一个新的商业环节——产销者。比如原来的能源消费者,如果在屋顶加上光伏,不仅可以满足自我使用,同时也可以发电上网,就变成一个销售者。这样的变化会引发商业模式的改变。消费者在能源系统不是一个被动的接受者,也是一个参与者,这样在能源系统就会产生双向互动的现象。
同样需要关注的是,综合能源系统如何与储能发生关联,当能量无法储存或者储存成本很高的时候,能不能转换成其他物质方式?氢能可以作为一种储能的介质与未来能源系统结合在一起,此外,电动汽车作为潜在的移动储能单元和新的系统,也提供了的新的创新机会。
最后我需要再强调一点,如前所述,未来能源系统的构建要因地制宜,是一个在一定时空环境下寻求最适宜当地人的寻求”最佳解决方案”的过程。我称之为能源系统“时间-空间-人”的3D协同。分布式和本地化尤为重要,“量体裁衣”(tailor-made innovation)”才是正确的选择。
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