江亿院士：通州新区实现零碳能源系统的路径
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导
读
10月20日，中国工程院院士、清华大学建筑节能研究中心主任江亿在北京城市副中心绿色发展论坛上发表题为《通州新区实现零碳能源系统的路径》的重磅报告，对零碳能源系统在北京城市副中心应用进行深入阐释。本文根据演讲实录整理，经江院士批改并同意，在清华同衡规划播报发布。
江 亿
中国工程院院士
清华大学建筑节能研究中心主任
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北京城市副中心应成为零碳能源的先行者
我国承诺要在2060年之前实现碳中和，未来大约有等效20亿吨左右的非二氧化碳温室气体排放，减排替代成本很高，所以未来主要的碳汇资源大部分用于抵消这部分温室气体排放。现今，能源领域的目标是追求零碳排放，实现零碳能源系统的构建。
零碳能源系统是指以水电、风电、光电、核电和生物质燃料为主的能源系统。我国应由现在燃煤、燃气、燃油为主的化石能源系统转为零碳能源系统，在目标实现困难的条件下，可通过对化石能源进行CCUS[1] 回收把二氧化碳分离出来，然后再利用。
北京城市副中心作为中国未来城市发展的先行示范区，应当成为零碳能源的先行者。北京城市副中心目前正在建设中，应排除老的建设理念，需要站在能源领域实现零碳制高点，按照零碳能源的目标来建设和演绎，为未来中国怎么在能源领域实现零碳做出示范，所以也不存在碳达峰问题。
北京副中心具备实现零碳目标的有利条件：
一是副中心作为新建城市区域，可以直接按照未来零碳能源的要求建设，避免产生大量改造工作；
二是通州新区主要功能为商业、办公、居住，没有工业用地，既不存在大量既有的建筑改造的难题，也不存在工业过程零碳的困难，在能源消费侧，工业生产能源消耗高，对能源依赖性强，是能源消费侧实现零碳转型的难点，而民用建筑、住宅、市政系统实现零碳相对容易。
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实现零碳能源系统的路径
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零碳能源系统的基本策略
一是取消直接碳排放，全面实现电气化。即不再烧各种化石燃料，必要情况下烧燃料也需集中设置，通过CCUS回收利用二氧化碳。
二是柔性用电，技术创新，促进电力系统零碳化，率先实现零碳电力。目前中国电力系统中约65%还是燃煤、燃气、火电等排放二氧化碳的能源，所以中国要实现零碳能源转移，最主要的任务是如何发展零碳电力，且零碳和电气化需要同时进行。实现零碳的核心任务包括开发利用一切可以利用的资源来发展风光电和改变目前刚性用电的方式转为柔性用电方式，通过储、调的各种方式改变用电侧规律，使之适应风光电的变化规律，与风光电一致。
三是零碳采暖。北京城市冬天取暖会造成大量碳排放，所以需要取消燃煤燃气锅炉采暖，为冬天的建筑采暖找到零碳热源。
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消除直接碳排放的具体措施
做到以上三个方面的具体措施主要是实现全面电气化，取消燃煤、燃气、燃油。
一是炊事电气化。即用电替代燃气，包括居民、食堂、餐饮业等。炊事电气化现在已有相应成熟的灶具产品，且电炊具的燃料费用低于燃气。
二是生活热水电气化。住宅可用户用热泵热水器，1度电转换3度热，运行费低于燃气热水器。公建可用模式化热泵热水器，满足办公楼、宾馆、医院的热水需求。
三是对于特殊的蒸汽需求，尽可能用热水替代蒸汽。比如医院集中蒸汽系统，应改为分散的模块化电动蒸汽发生器。电动蒸汽发生器既能避免蒸汽系统的跑冒滴漏，经济性也强于燃气蒸汽锅炉。现在国内已有了成熟的产品，COP能达到1.2~1.3，比电热省20%~30%电量。
四是交通方面，大力发展电动车，全面实现“油改电”。取消燃油，用电力驱动各类车辆，是未来实现交通零碳的必然途径。电驱经济性优于氢，氢驱动仅适合某些长途重载货车、长途大巴。尽管目前我国电力度电排碳因子在580gCO2/kWh，但逐年下降，零碳电力是建设新型电力系统的目标。“油改电”和新型电力系统的建设都不是一日完成，需要同步实施，相互促进，不可能等到零碳电力系统建成后再进行“油改电"。零碳电力系统也只有在实现了高比例电动车后才能实现，须改车在前。电动车增势迅猛，今年将新增300万辆，2030年将达到7000万辆。通州作为先行示范区，应通过各种政策机制，推进电动车的普及推广。
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实现零碳电力系统的路径
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明确以风电光电为主的电力电源结构
未来实现零碳电力的途径是以风电光电为主。水电和核能都是很好的零碳电源，但都受环境资源条件限制，所以全面替代火电，还是要靠风光电。从未来2050年的电源构成情况规划可以看出，风光电提供的电量将从目前的8%发展成62%，成为整个电力系统的主角。
我国未来零碳电力系统的电源结构
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零碳电力系统面临季节差问题
规划中1.2万亿度非零碳排放的火电，是因为可再生电力有季节差。水电冬季径流量仅为夏季的40%；光电的冬季日照时数不到夏季的60%；风电在冬夏之间没有明显差别；当满足夏季电力需求时，冬季最大差别为6.5亿kW。因此，春秋靠零碳的电力就可以满足要求，但冬天的水电光电供给侧不足，风电也不够，缺口较大。
保留部分火电，但缩短发电时间。通过多种方法比较，最后从经济上看可操作、综合效益最高的办法就是保留6亿千瓦左右的火电，但是要缩短发电时间，只让它在冬天或者其他季节的连阴天时补充，这样消耗火电的排放大概是7亿吨左右，再通过CCUS回收利用。火电冬天发电不仅能补充当时的电力不足，火电的大量余热还可以回收，解决冬天建筑的供热问题。此外，火电中的1/3应是生物质燃料，也属于零排放。
我国各类发电情况与用电需求
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合理选择安装风电光电的位置
在西部戈壁滩安装风光电需要再次开发土地，且长途输电的投资消耗较大，长期看也有稳定性、经济性的问题。长途输电一般以“水光打捆”或“火光打捆”的形式配合运输，才能保证安全可靠高效的输送，但是西部的水电资源不足，风光电规模也不够，火电打捆又要消耗化石能源，跟低碳目标不一致。如果在西部同时发展风光电和蓄电，东部用电规律不恒定，需要二次储放，损失和投资都比较大。
在中东部发展分布式风电光电经济性更好。第一，城乡屋顶光伏充分开发，可安装25亿kW以上的光伏，占需要风电光电的40%；第二，屋顶的安装和维护成本多数情况下低于西部戈壁滩；第三，除了城市里，城市周边零星空地装光伏，周边山地和沿海地区海上的风电，可提供30%-40%风电光电。各地自发自用，优先自用，减少多次变压和传输损耗，在末端实现调蓄。
因此，得出结论是：风电光电75%在中东部发展，25%在西部发展，并充分开发利用屋顶和零散空地的光伏资源。
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未来中国零碳电力的结构
未来中国形成以中东部地区为骨干网，西部的水、风、光电协同的零碳电力供给系统。中东部地区分出农村和城市、工业和市政、建筑和汽车三大部分，电力来源为核电、海上风电、水电和生物质调峰电场。西部以水、风、光电为主，除了满足自用之外，还能西电东输8000亿度电。
未来中国零碳电力系统结构图
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通州副中心实现零碳的路径
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合理调配风光电百分比
太阳能光伏和风力发电成本已经低于煤电，但不说调节问题，无法解决根本问题。合适风光电的匹配百分比，能够在一定程度上缓解晚间光电不足和风电过剩的问题。匹配结果发现，要通过合适的调风光电的比和光伏的角度，使得风光电总和更接近城市用电的负荷曲线。
通过对比得出结论是：通州地区最佳的风电光电比是2:8，即20%的风电和80%的光电，该配比能很好地实现风光电与末端用户之间的匹配，减少对调节的需求量。但是在冬季1月、2月、10月到12月时，仍然总电量不足，需要额外供电来解决17%的用电缺口。
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提出通州电力来源的可能方向
一是开发屋顶光伏。充分开发利用屋顶空间，规划的7000万平米建筑、以及周边建筑小品等，可以安装100万kW以上的光伏电池，年发电12亿kWh，占通州副中心年电力需求的17%。
二是建设集中风电光伏基地。在远方(坝上、平谷等)建设集中的风电光伏基地，作为通州副中心的电源基地，需要荒坡、各类空地资源35平方公里。
三是利用三河燃煤电厂冬季运行，解决冬季光伏不足的问题。三河电厂冬季提供约15亿kWh电力，约为总电量需求的20%。
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解决一天内的电力调蓄问题
一是利用抽水蓄能电站。抽水蓄能电站是最有效的电力调蓄手段，但资源有限，仅能解决我国10%-15%的电力调蓄问题，所以通州应把这样的宝贵资源让出，不考虑抽水蓄能。
二是发展电动车电池蓄能。其一，目前的电动车蓄电能力远远没有被利用，每辆车平均50kWh蓄电能力，可行使300公里，私家车平均年运行1万公里，仅需要充电35次/年，按照每天充放电一次，利用率不到10%。其二，大量的电动车闲置停放，为电池解决电力调峰调蓄问题提供了一个基础条件，大数据表明，私家车平均上路时间低于10%，当15%的车在路上时就出现极其拥堵现象。其三，蓄电池寿命不是由充放电次数决定，而是由充满的次数和放空次数决定，通过优化充电功率和充电量，使蓄电池不处在满冲和完全放电的状态，可以有效维持蓄电池寿命。其四，通过智能有序充电，可以靠电动车资源解决电力日内调峰问题。
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推广城镇建筑采用“光储直柔”+有序充电的方式
“光”指表面光伏，在建筑外表面安装建筑一体化光伏电池。
“储”是分布蓄电，100平米3度电的储电能力，分布在建筑内部，建筑内部的配电总线跟旁边停车场的充电桩相连接。
“直”指直流配电，建筑内配电由现在的交流电改成直流电。
“柔”指柔性用电，通过直流母线电压变化来调节各个充电桩蓄能装置充电量。同时调控建筑物内各个用电设备的用电功率，从而使得整个建筑实行实现柔性用电。
“有序充电”指基于直流母线电压调控进行充电，有序充电桩的充电逻辑不是即插即充，而是看电池里的电量和现在的直流母线的电压高低，即根据电池内电量SOC和直流母线电压决定充/放电和功率。
“光储直柔”能基本解决通州消纳风光电的问题。1万平米的办公建筑，加上100个充电桩，连上100辆汽车，大概能消纳自身或者外界的光伏1兆瓦。由此看出，如果把60%-70%的办公建筑跟40%左右的住宅建筑改成“光储直柔”，能基本解决通州消纳风光电的问题。
光储直柔建筑可以仅依靠零碳电力运行。假设通州的建筑都是光储直柔建筑，也连在北京的总电网上，远处还有大型的风光电基地，电网上可能还有部分电是煤电，不是绿电；每晚向风电光电控制中心提交第二天的总用电量和负载用电曲线；控制中心根据气象预报得到风电光电的变化，确定各个建筑第二天用电曲线使风电光电有效消纳，而各座建筑蓄能调节量最小；只要各座光储直柔建筑严格按照要求的用电曲线调节，就可以实现建筑全零碳用电。
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实现冬季零碳供暖
现在通州的热源包括三部分，一是三河电厂发电余热，二是燃气锅炉，三是政府办公大楼用的是电动热泵。实现零碳，可采取以下几方面措施：
一是减少需求，加强建筑围护结构保温。全面落实北京市的“三步节能”标准，峰值采暖负荷控制在20W/㎡左右。
二是取消燃气锅炉，充分利用三河电厂余热。要求水温为120℃/20℃，低温回水可以有效回收电厂冷端余热；当回水温度为20℃时，三河二期、三期机组余热即可提供1200MW热量；在三河与通州之间适当位置建设大型蓄热装置，300万立方米蓄水量，即可满足严寒期调峰要求，使三河电厂供暖期持续供热，而使用则根据天气调节。目前的地源热泵产生热量也可并入大网，作为调峰热源，协同优化调节。
三是尽可能降低回水温度。终端采用吸收式换热器技术，把回水温度降低到20℃，把里面的热量都充分用出来。目前在太原、赤峰等城市已经相继全面采用这一技术。
四是进行三河电厂改造。回收冷端余热和排烟余热，供热为120/20℃，为通州提供1200MW热量；供热管网流量提高到1万吨/小时；电厂安装CCUS装置，回收排烟中的CO2，并研究开发CO2利用技术；建设300万立方米蓄热水池，平衡热源恒定供热与变化的采暖需求。
五是让地源热泵成为系统的调峰热源。初末寒期统一由大热网提供热源；严寒期切断运行，独立供热，减少大网承担的供热面积；通过一天内的调节，还可以为电力日内调峰做贡献。
04
结论：通州副中心的能源系统有望实现零碳
建议2030年之前，实现供热系统的改造和燃气的全替代；2040年之前实现电力系统的零碳化。
实现零碳目标除了以上提到技术上的措施外，同样重要的是建立新的用电文化，从使用端做起，需要每个人都认识到，主动响应，主动调节，配合电力系统的调节，主动去用风电光电，在电缺的时候减少负荷，同时充电桩也是一位一桩，即停即插，有这种新的用电文化，才能够支撑措施的实行。
*注：
[1] CCUS(Carbon Capture，Utilization and Storage)碳捕获、利用与封存
把生产过程中排放的二氧化碳进行提纯，继而投入到新的生产过程中，可以循环再利用，而不是简单地封存。与CCS相比，可以将二氧化碳资源化，能产生经济效益，更具有现实操作性。
排版 | 孙青
图片 | 图虫创意网
供稿 | 清华同衡 遗产保护与城乡发展四所
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