管曉宏：零碳智慧能源系統(tǒng)與能源革命

9月6日，2021全球綠色發(fā)展高峰論壇于在中國(guó)四川省成都舉辦?！疤贾泻驮妇跋履茉崔D(zhuǎn)型與創(chuàng)新”是此次綠色發(fā)展峰會(huì)的焦點(diǎn)話題，大會(huì)邀請(qǐng)了海內(nèi)外院士、各國(guó)能源行業(yè)專家學(xué)者及著名高校、相關(guān)專業(yè)人士，緊扣應(yīng)對(duì)全球氣候變化的共同目標(biāo)，分享對(duì)中國(guó)、美國(guó)和歐洲的未來(lái)能源轉(zhuǎn)型，實(shí)現(xiàn)碳中和的見解和愿景，探討中國(guó)西部成渝雙城經(jīng)濟(jì)圈的綠色發(fā)展和新型電力系統(tǒng)。作為生態(tài)領(lǐng)域的領(lǐng)軍人物，中國(guó)綠發(fā)會(huì)副理事長(zhǎng)兼秘書長(zhǎng)周晉峰受邀參與此次論壇。

綠會(huì)融媒對(duì)此次論壇進(jìn)行了直播，直播回放請(qǐng)參見：https://live.baidu.com/m/media/pclive/pchome/live.html?room_id=4742688095&source=h5pre

現(xiàn)將峰會(huì)嘉賓中國(guó)科學(xué)院院士、西安交大教授管曉宏的講話內(nèi)容分享如下：

大家好，我今天匯報(bào)一下關(guān)于零碳智慧能源系統(tǒng)和能源革命相關(guān)的研究工作和一些認(rèn)識(shí)。

我們知道全球能源危機(jī)迫在眉睫，主要是排放、空氣污染等等這樣的問題。關(guān)于人類社會(huì)前面很多專家都講過了，依賴化石能源能耗模式已經(jīng)難以為繼了。習(xí)近平總書記在2020年9月22日聯(lián)合國(guó)大會(huì)一般性辯論當(dāng)中提出來(lái)，中國(guó)將提高國(guó)家自主貢獻(xiàn)力度，在2030年前二氧化碳排放力爭(zhēng)達(dá)到峰值，2060年前實(shí)現(xiàn)“碳中和”。所以能源供應(yīng)的清潔和綠色化勢(shì)在必行，剛才好幾位專家也都說(shuō)過。綠色能源，包括水電、抽水蓄能、光伏以及風(fēng)力等，但是在傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)下，所有的一次能源都轉(zhuǎn)成電能接入電網(wǎng)，因?yàn)榈侥壳盀橹?，我們還沒有找到一個(gè)大規(guī)模、經(jīng)濟(jì)的儲(chǔ)存電能的技術(shù)。所以，電力系統(tǒng)必須滿足實(shí)時(shí)供需平衡，這就對(duì)高不確定的可再生能源的利用造成了根本性的挑戰(zhàn)，導(dǎo)致我們國(guó)家棄風(fēng)、棄光、棄水的情況十分嚴(yán)重。

去年四川省領(lǐng)導(dǎo)做了一個(gè)“兩院院士四川行”的活動(dòng)。在大會(huì)上，彭書記親口對(duì)我們講四川的棄水情況非常嚴(yán)重，這是非常不應(yīng)該的事情。這個(gè)問題就在于在傳統(tǒng)的能源電子結(jié)構(gòu)下，我們有水、火、風(fēng)、光電源，有水、抽蓄、蓄電池等這些傳統(tǒng)的儲(chǔ)能設(shè)備系統(tǒng)。另外我們有“發(fā)、輸、配、用”傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)+多能源終端供需協(xié)調(diào)這樣的一種結(jié)構(gòu)。在這種結(jié)構(gòu)下，我們利用風(fēng)光水互補(bǔ)、源荷互補(bǔ)抵消不確定性，但是只能做到一部分，要做到瞬時(shí)平衡的話，需要電能多的時(shí)候，剛好可能風(fēng)能太陽(yáng)能就沒有了，因此問題得不到根本上的解決。

因?yàn)闀r(shí)間關(guān)系我主要講一下非傳統(tǒng)分布式能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，包括傳統(tǒng)電源（風(fēng)、火、光、水等）+分布式可再生新能源+氫能燃料電池，多能源儲(chǔ)冷儲(chǔ)熱+儲(chǔ)氫，以及全分布式/集中+分布式的供需協(xié)調(diào)優(yōu)化+氫能儲(chǔ)運(yùn)的供應(yīng)鏈優(yōu)化。

首先，氫能的制備和利用現(xiàn)在受到了極大的關(guān)注。我們知道水中的大量富含氫，但是它的化學(xué)鍵非常穩(wěn)定，需要很大的能量才能把水中的氫分解出來(lái)。所以可以用電解水或光催化這樣的方式，也就是用太陽(yáng)能加催化劑直接將水里的氫曬出來(lái)，再用有機(jī)溶液、化學(xué)吸附氫的方法讓它變成一種附氫的有機(jī)溶液，最后通過石油化工的設(shè)施進(jìn)行運(yùn)輸，把它送到氫燃料電池，產(chǎn)生我們需要的電能和熱能，同時(shí)還可以把熱能收集起來(lái)為我們所用。氫能是零污染排放、零碳排放、水-水再生循環(huán)存儲(chǔ)的綠色能源?；跉淠艿亩文茉唇Y(jié)構(gòu)，具有清潔、可再生、能源密度高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛地視為21世紀(jì)終極的、常規(guī)的清潔能源，可以服務(wù)于社會(huì)生活的各個(gè)方面，成為與電能并重互補(bǔ)的二次能源。

我本人并不是專家，我也是在學(xué)習(xí)，我覺得氫能這個(gè)制備和儲(chǔ)運(yùn)的技術(shù)正處于技術(shù)革命前夜，所以我們要特別關(guān)注正在突破的三項(xiàng)技術(shù)，一是光催化制氫技術(shù)，就是利用太陽(yáng)能，通過光化學(xué)與光生物分解水制氫；二是常溫常壓儲(chǔ)氫技術(shù)，我們剛才講過的有機(jī)溶液通過化學(xué)反應(yīng)生成附氫載體，然后利用現(xiàn)有的石化基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)輸、儲(chǔ)存、銷售、添加，可以在常溫下進(jìn)行；三是氫燃料電池，是高轉(zhuǎn)化效率、長(zhǎng)循環(huán)壽命、低制造成本的新一代的燃料電池堆，廣泛用于車和能源系統(tǒng)。這三項(xiàng)技術(shù)的突破，可能會(huì)形成一個(gè)跟傳統(tǒng)能源電力系統(tǒng)并行、并重的一個(gè)氫能供需系統(tǒng)。根據(jù)諾貝爾獎(jiǎng)得主、美國(guó)前能源部部長(zhǎng)Steven Chu（朱棣文）計(jì)算，石油運(yùn)輸?shù)某杀臼敲可?分錢人民幣，所以這個(gè)運(yùn)輸成本是非常低的?；跉淠艿姆植际侥茉聪到y(tǒng)，它是氫能驅(qū)動(dòng)的冷熱電連供，它產(chǎn)生的熱可以利用起來(lái)。氫燃料電池供電，實(shí)現(xiàn)多能協(xié)同轉(zhuǎn)化和近零碳排放，以水為載體的熱、冷存儲(chǔ)。剛才前面有專家已經(jīng)提過了，斯坦福大學(xué)的系統(tǒng)，通過冷水和熱水就能把我們需要的冷和熱存儲(chǔ)起來(lái)，提高系統(tǒng)能效。

同時(shí)氫能供應(yīng)鏈可以市場(chǎng)化運(yùn)行和管理，國(guó)外20多年前就已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了市場(chǎng)化，而我們中國(guó)的電力系統(tǒng)的市場(chǎng)化現(xiàn)在還在進(jìn)行中，除了存在管理和利益問題以外，技術(shù)上與其他的相比也比較復(fù)雜。其實(shí)氫能供應(yīng)鏈從一開始就是一個(gè)市場(chǎng)化的系統(tǒng)。氫能的存儲(chǔ)與電網(wǎng)、可再生能源等交互，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)并網(wǎng)或者獨(dú)立運(yùn)行，這是一個(gè)全綠色的結(jié)構(gòu)性變革，它能夠解決儲(chǔ)能、可再生能源消納和能源電力市場(chǎng)化等重大挑戰(zhàn)。

氫電互補(bǔ)的新結(jié)構(gòu)能源供需系統(tǒng)運(yùn)行原理是這樣的，我們通過太陽(yáng)能的光伏發(fā)電或者太陽(yáng)能的極熱電解，或者通過光催化的制氫等，把這里頭的熱通過熱水罐冷水罐直接用于建筑、工業(yè)等，我們知道這些建筑耗能是占社會(huì)總耗能的大概40%左右，能量需求很大。其實(shí)我們直接需要的是熱能而不是電能，而現(xiàn)在我們把所有的東西都變成電能，然后再用電能去推動(dòng)制冷、制熱的空調(diào)系統(tǒng)，這中間過程是非常耗能的，所以我們直接利用這個(gè)能量比較劃算。像熱能，直接利用太陽(yáng)能的光熱系統(tǒng)制熱的效率更高。

這里邊的主要科學(xué)問題與挑戰(zhàn)主要包括：信息流和氫-電二次能源及多種能源流網(wǎng)絡(luò)間的時(shí)空多尺度耦合、動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換關(guān)系機(jī)理和數(shù)據(jù)模型；多能耦合信息物理融合能源系統(tǒng)安全運(yùn)行優(yōu)化理論和方法；包含氫能供需鏈的智能性與多能互補(bǔ)協(xié)調(diào)規(guī)劃和分布式能源系統(tǒng)市場(chǎng)的設(shè)計(jì)與博弈分析。這已經(jīng)在國(guó)家自然科學(xué)基金成功立項(xiàng)，屬于重大項(xiàng)目。我們也做了一些工作，就是通過能量流和信息流的建模，把電能網(wǎng)絡(luò)、熱能網(wǎng)絡(luò)和信息網(wǎng)絡(luò)，利用方程把它們中間耦合關(guān)系描述出來(lái)，結(jié)果已經(jīng)發(fā)表在英文版《中國(guó)科學(xué)》上了。

我們還建成了第一個(gè)綠色智慧能源系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室，這里面包括了儲(chǔ)氫、燃料電池、儲(chǔ)冷水、儲(chǔ)熱水，還有各種各樣的測(cè)試環(huán)境。在這個(gè)系統(tǒng)當(dāng)中，氫、電、冷、熱等可再生多能協(xié)同，儲(chǔ)能和傳統(tǒng)儲(chǔ)熱、儲(chǔ)冷協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)零碳運(yùn)行。我們這個(gè)系統(tǒng)可以脫開電網(wǎng)獨(dú)立運(yùn)行4個(gè)小時(shí)，將來(lái)這個(gè)系統(tǒng)與剛才說(shuō)的氫能液體儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)結(jié)合起來(lái)之后，就會(huì)形成一個(gè)非常有前景的系統(tǒng)。

我們這個(gè)系統(tǒng)是去年8月25號(hào)建成的，習(xí)近平總書記在9月22號(hào)的講話對(duì)我們有極大的鼓舞。同時(shí)，我們正在陜西榆林建設(shè)第一個(gè)零碳示范應(yīng)用系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)會(huì)在今年年底建成，到時(shí)候也請(qǐng)各位專家到現(xiàn)場(chǎng)來(lái)指導(dǎo)。

最后講講我的一點(diǎn)思考，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的變革從70年代DJS-130（Nova，分布）系統(tǒng)，到我博士期間的IBM 3070（集中，分時(shí)終端），到我博士畢業(yè)時(shí)的DEC-Alpha工作站（分布），到本世紀(jì)初的網(wǎng)格計(jì)算，到現(xiàn)在的云計(jì)算（集中-分布式），再到邊緣計(jì)算（分布-集中式）。有人統(tǒng)計(jì)過，每10~15年一個(gè)輪回，但每一次變革都伴隨著革命性的技術(shù)進(jìn)步。而我們能源電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（發(fā)電、升壓輸電、降壓、配電、用電），在140年前特斯拉與愛迪生之爭(zhēng)之后再?zèng)]有發(fā)生過重大的改變。所以能源電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)即將發(fā)生重大改變，這是個(gè)大問題。當(dāng)然還不能下結(jié)論，但是剛才提到的，氫能供應(yīng)鏈和系統(tǒng)氫能作為二次能源與電能將形成一個(gè)并重互補(bǔ)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，這已經(jīng)給我們展示了非常誘人的前景。

以綠色、分布、市場(chǎng)為標(biāo)志的能源革命即將到來(lái)嗎？這是2018年的美中綠色能源峰會(huì)上，朱棣文教授做的一個(gè)報(bào)告。我們也可以再進(jìn)一步的問，由此產(chǎn)生的地緣政治即將改變嗎？最后的結(jié)論就是信息物理融合能源系統(tǒng)（CPES）能夠?qū)崿F(xiàn)能源系統(tǒng)供需整體優(yōu)化控制與決策，是新能源電力系統(tǒng)的基礎(chǔ)；氫能制備和儲(chǔ)運(yùn)的新技術(shù)，為實(shí)現(xiàn)全綠色的結(jié)構(gòu)變革，構(gòu)建全自治或獨(dú)立的分布式能源系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)；基于氫能大規(guī)模利用的信息物理融合能源系統(tǒng)，將可能深度改變能源構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)以綠色、分布、市場(chǎng)為標(biāo)志的能源革命。我的匯報(bào)就到這里，謝謝大家！

（以上內(nèi)容根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)發(fā)言整理，未經(jīng)本人審核）

整理/Ann 審核/老夏