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还有这种操作?煤炭和清洁能源组团了

谭雪贝(可道|文以载道观察员)

        近年来在我国,煤电发展脚步放缓,清洁能源发展迅速。拿太阳能光伏发电来说,2017年上半年的光伏新增装机容量打破了去年同期的记录;累计装机容量突破一个亿。尽管如此,努尔局长仍在今年的达沃斯论坛上表示[1]:

        也就是说,不管是减少能源消耗还是减少污染物排放,实现节能减排目标就好比打怪,煤电虽然战斗力比较差,但我们局里不能没有它。

 

图1:煤电厂示意图(来源于网络)

 

        首先最容易想到的能做的事情,就是“买装备”。给电厂加装各种技术装备,提高战斗力,先把污染物都拣出来再燃烧。这样的技术主要包括除尘器、脱硫装置、脱硝装置,还有碳收集与储存装置(传说中的Carbon Capture and Storage CCS,如下图所示)等等。

 

图2:碳捕捉与碳存储(来源于网络)

 

        初级装备各大电厂都已经开始逐渐配备和完善,只是这升级版的装备CCS并不是那么容易就能拥有的。目前为止,全世界真正买得起这种装备来发电的“玩家”还只有两个。一个在美国德克萨斯州[2],另一个在加拿大[3]

 

那除了剁手买装备升级外,还有别的操作么?

 

        既然单挑打不过,那就组团吧。对,你没有看错,煤电也可以和清洁能源“组团”一起实现减排目标,双方还能互相取长补短。那么接下来就以太阳能为例,来看看这个游戏怎么玩。

 

        在煤电厂的附近,修建一个太阳能小电厂,通过太阳能和燃煤一起来给涡轮机提供机械能。研究表明,太阳能的这一剂“强心针”,使得锅炉内的温度升高,从热力学的角度来讲提高了涡轮机的战(能)斗(量)伤(转)害(化)点(效)数(率)[4][5]。而反过来,煤电厂这一个“靠谱好队友”基本可以做到从不掉线,弥补了太阳能不稳定和难以精确预测的缺点。

 

        所以简单的说,组团以后,电厂可以少消费一些煤炭来提供同等水平的电力,或者消费同样的煤炭来提供比以前更多(10%左右)的电力[6]。不论是哪种操作,都能比单纯的修建一个清洁能源电厂便宜,度电成本更低;也克服了单纯的清洁能源电厂那些不稳定或者无法精确预测的缺点。这么一想,煤电厂也是为了减排做了出贡献的!

 

        除了太阳能,风能、生物质能和地热能都能成为煤电厂考虑“组团”的对象。可是为什么目前这样的玩家并不多见呢?

 

        首先,不是任何一个煤电厂想找队友组团都有小伙伴愿意的。修建一个清洁能源电厂是否值得,很大程度上取决于当地的自然资源禀赋,比如说太阳能是否充裕、日照时间有多长等等。但是美国国家可再生能源实验室(National Renewable Energy Laboratory, NREL2011年的时候就为想要尝试这种玩法的玩家开发了游戏攻略,其中提出了一系列对于煤电厂所在地区的筛选条件[7]。根据这些条件判断(参见下表),并不是所有的煤电厂都选在资源禀赋好,并且附近还有一大片满足条件的空地可以用来“给队友建房子”。

 

表1:清洁电厂条件(翻译:谭雪贝)


  

 ** 百分比指坡度                                 

 *兆瓦时指电厂本身装机容量

 

        另一方面,目前这样的电厂的电力价格比普通煤电厂贵那么一些些,减少了潜在的获利空间;而与此同时,由于政策的不完善,这样的电厂还不完全能被当作是清洁能源从而享受补贴——这样夹在中间地带的尴尬身份,也许让这种操作模式失去了一些发展机会吧。

 

这种操作,有实战视频可以看么?

 

        当然有,真的有!以和太阳能组队举例,澳大利亚就有两个。

        澳大利亚的Kogan Creek Solar Boost位于昆士兰。

 

图3:澳大利亚清洁煤电项目(来源于网络)

 

        这个玩家厉害了,是世界上装机容量最大的太阳能“强心针”记录保持者。它是由一个装机容量750 MW(年发电量约44,000 MWh)的电厂和一个44MW的太阳能阵列组团组成的。这么一个组合玩家,占地面积大约等同于一个可以容纳11千辆小轿车的停车场,NREL预计它未来一年大约能够为二氧化碳减排量贡献35600[8]吨!

 

       澳大利亚还有一个项目,名叫Liddell Power Station。在20073月的时候就计划这么操作了。这个玩家身处太阳能资源丰富的新南威尔士,自身拥有2000 MW;它用18,000平方米的土地在身边安顿了一个9MW的太阳能电站。虽然装机容量听上去并不是很客观,但是每年能达到13,550MWh左右的年发电量。根据国家能源局[9]提供的数据,我们国家年人均用电量是4310 kWh,也就是说单单这个太阳能小伙伴的发电量就能搞定3143个中国人,将近1000个家庭一年里所有的电力需求。NREL估测,在这样的操作下,不需要借助任何储能设备,这个玩家不仅可以维持稳定的电力输出,每年还能为二氧化碳减排量贡献5000吨[10]。

 

        这样的组团操作已经很出人意料了,没想到高级玩家还有更高级的操作!在欧洲和北美大陆上,有一群科学家们正在探索,用风电来进行电解水的操作,将产物氢气储存起来,用于给整体煤气化联合电厂(Integrated Gasification Combined CycleIGCC)制成合成气(SynGas)以此减少煤炭的投入。这种操作,美国能源技术实验室(National Energy Technology LaboratoryNETL)已经开始在美国展开研究;Leighty Foundation公司已经开始开发概念模型和模拟;西门子公司已经开始在德国和中国进行小规模的示范项目建设和观察了[11]。

 

图4:风能电解水示意图(制图:谭雪贝)

 

结语

        每每谈到减排,大家想到的都是多修建清洁能源;今天真是被震惊到了,没有想到煤电也能为了节能减排的目标做出贡献。这样的操作其实在理论上已经有了相对丰富的研究和模拟,只是在实际层面上,考虑到经济成本、政策设计等影响因素,这样的操作还并不多见。如果有更多的人能关注这样的技术,改良技术本身,或者是制定一些有利于推广这些技术本身的政策来引导其发展,那么或许这也能帮助回答努尔局长在达沃斯经济论坛上谈到的问题——如何更好的利用、开采和管理煤炭。


审稿:孙轶侬,侯晓璇,袁旦,陈思佳

参考文献

[1]http://companies.caixin.com/2017-01-19/101046554.html

[2]https://www.globalccsinstitute.com/projects/petra-nova-carbon-capture-project

[3]http://www.nrcan.gc.ca/energy/publications/16235

[4]E.Hu ,A.Nishimura,F.Yilmaz and A.Kouzani,"Solar Thermal Aided Power Generation,"Applied Energy,vol.87,2010.

[5]E.H.You Ying,"Thermodynamic advantages of using solar energy in the regenerative Rankine power plant,"Applied Thermal Engineering,vol.19,no.11,pp.1173-1180,1999

[6]T. Roos, "Solar Thermal Augmentation of Coal-fired Power Stations".

[7]C. Turchi,R.Bedilion and C.Libby,"Solar Augment Potential of U.S. Fossil-Fired Power Plants,"2011.

[8]https://www.nrel.gov/csp/solarpaces/project_detail.cfm/projectID=243

[9]http://www.nea.gov.cn/2017-01/16/c_135986964.htm

[10]https://www.nrel.gov/csp/solarpaces/project_detail.cfm/projectID=269

[11]https://www.siemens.com/innovation/en/home/pictures-of-the-future/energy-and-efficiency/smart-grids-and-energy-storage-electrolyzers-energy-storage-for-the-future.html

(文章仅代表作者个人观点)


作者简介:

谭雪贝:杜克大学环境学院硕士在读

责任编辑:常雪羽

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