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图1 可再生能源电气化的未来能源系统
以交通电气化策略为例,实现转型的主要技术路径包括但不限于:1)增加道路交通中电动汽车的比例;2)可再生能源电力制氢支持燃料电池汽车和轨道列车的远距离行驶;3)使用可再生能源电力生产合成气或者合成油来替代交通化石燃料。各个部门的电气化路径也并非彼此独立,相反,任何一种技术路径都可能对整个能源系统产生深远的影响,不同部门之间也会因此产生更为紧密的联系,进而形成相互耦合、相互影响的综合能源系统。例如,电制氢及相关技术可为间接的可再生能源电气化提供支撑,特别是对电气化困难较大的行业产生重要影响,使终端用能部门的深度脱碳成为可能,如图2所示。
图2 基于电制氢技术对可再生能源电气化路径的影响
本文考虑可再生能源电气化的主要技术路径如表1所示。其中,直接电气化包括前面介绍的各种可再生能源电力在终端用能部门的应用。
表1 2050能源转型场景中的可再生能源电气化技术路径
基本研究思路:首先,以当前各国现状及政策为基础,得到2050年能源发展远景作为参考场景;基于参考场景,为实现巴黎协议2°C温升要求下碳减排70%以上的目标,结合对各地区可再生能源电气化潜力的分析判断,对参考场景下不同地区、不同部门的技术应用水平进行调整,最终得到2050年能源转型场景;最后,对2种场景下的成本和效益进行分析,其中成本主要考虑低碳技术及相关基础设施等的投资运行成本,效益则包括经济、社会和环境效益等。
研究结论
(1)不同部门可再生能源电气化的路径和前景差异较大。例如,交通部门随着电动汽车的普及电力占比从2015年的1%增加至2050年的33%,同时可再生能源占比从同期的4%增加到48%,是可再生能源电气化潜力最大的部门;建筑部门由于热泵和电炊具等的普及2050年电力占比将达56%,可再生能源占比将达77%,是除电力部门外可再生能源电气化水平最高的部门。如表2所示。
表2 2050能源转型场景下终端用能部门的可再生能源电气化水平与低碳投资需求(2015—2050)
(2)可再生能源电气化实现2050年的2°C温升目标,不仅可行而且经济。2050年,可再生能源电力和电气化将联合贡献超过40%的全球能源碳减排,与可再生能源的直接利用和能效手段结合,共同实现2°C温升目标所要求的70%以上的碳减排。尽管与维持现状的参考场景相比,需要增加近30%的低碳技术投资,但其总量相当于全球每年投入其GDP的2%,在经济可承担的范围之内。如果考虑环境、就业、健康和GDP增长等综合效益,可再生能源电气化带来的效益将数倍于其成本的增加。如图3所示。
图3 可再生能源和电气化对全球低碳需求的贡献度
建议:(1)制定能源远景规划。明确可再生能源电气化的角色和作用,包括各项相关基础设施的新建或扩展规划,如输配电网规划、电动汽车充电网络规划、氢生产和输送管网规划以及区域供热系统规划等。(2)积极推动管理水平提升。包括采用分时电价等市场引导机制、通过补贴和激励促进热泵、电锅炉和智能电表等;提高建筑能效,加强建筑隔热保温;扩大智能充电设施规模,做好电力设施需求评估和规划,克服电网尤其是配电网的发展瓶颈。(3)针对交通部门,通过智能充电和V2G技术充分利用电动汽车的灵活性潜力,避免由于电动汽车无序充电导致配电网改造成本快速增加;针对工业部门,可充分发挥公共政策对产品制造业的引导作用;针对建筑部门,应着力避免因冬季峰值负荷增长带来的配网改造成本大幅攀升。关键的措施包括加强建筑的保温隔热以提升建筑能效和通过智能家居的灵活调节减少建筑用能等。
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