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“限电”的背后,是一项正在锁死人类进步的科技瓶颈

证商阅读 2021-10-08

以下文章来源于柏年说 ,作者柏年

不知不觉间,已经消失在普通人生活中近20年的“限电”现象,又回到了大家的视野。

对于这一次的限电原因,坊间已经有相当多的分析。例如有说“煤价暴涨、发电厂赔本不愿意发电”的;有说“今年中国出口形势太好,生产用电太多”的;当然也有被媒体批驳的“贸易战大棋”一说。

官媒批驳“大棋论”一说

这些说法,或许是今年限电现象如此严重的直接原因,但并没有触及到根本。

假设有一天外需回落、煤价下降,限电现象依然不太可能彻底远离我们。

因为当下中国电力短缺的根本原因,不在于煤价太高、也不在于生产耗电太多,而在于一项难以解决的技术瓶颈。

如果这项技术难题得不到解决,中国的“用电荒”现象,只会越来越严重。


中国电力的技术攻坚

稍有些年纪的人,应该还清楚的记得,在上世纪80年代末至90年代初,“拉闸停电”对于广大城市家庭来说,算是家常便饭。

1992年,北京发生过著名的“8·28大停电”,连回民医院的供电都被中断了,和这一次东北断电十分相像。该年1月到8月的244天里,北京居民有184天被“拉闸限电”。

作为首都的北京是如此,其他地区的用电情况就更差。

例如在四川,80年代普遍实行每周“停三保四”的制度,江苏则是“停二保五”。

那个时候,中国的工商业用电正经历着突飞猛进,而发电、电网设备却还使用的是60、70年代的老旧技术,落后西方好几代,由此造成了巨大的电力缺口。

为此,我们在发电设备、输电网络两个关键环节,展开技术追赶。

发电设备方面,改开后国内发电厂逐批引进西方发电设备,然后进行仿制和国产化。

1978年底,当时的第一机械工业部组织了两批考察团,同时考察德国、法国等6个欧洲国家,和日本三菱、东芝、日立等公司。

1978年 一机部赴欧洲考察 引进技术

考察结束后,一机部提出同时引进西方30万KW、60万KW两代火电机组技术的方案,大胆实现“弯道超车”——而当时国内最多使用的,还是10万KW以下的机组。

经过反复论证、货比三家,1980年,一机部最终选择了美国西屋公司和美国燃烧工程公司的制造技术,电厂设计引入美国伊巴斯库工程公司技术。1985年,又引进了日本日立公司的相关技术。

此后,又经过“七五”、“八五”期间,电力设计院等科研部门的合力攻关,我们完全吃下了西方技术。进入新世纪后,我们甚至有了自主建造100万KW发电机组的能力,正式跻身世界一流水平。

在输电网络方面,我们也是走“先引进、后仿造”的类似路线。

1985年,电力部门全套引进瑞士BBC公司的电网技术,建设葛洲坝至上海500千伏直流电输电工程,开启了电网技术追赶西方的历史。

此后,我们花了整整20年时间,实现了500千伏电网技术的100%国产化,跻身世界先进水平。

正因为有强大发电、电网技术的支撑,中国的电力供应才能在新世纪狂飙突进。

2006年之后,中国发电能力平均每年增长1亿千瓦。2010年,中国发电量赶超美国,成为世界第一。

到2019年,中国的发电量已经是第二名美国的1.7倍,并且增速也远超世界平均水平。

中国发电量世界第一 增速也远超世界平均

看到这里,肯定会有很多人疑惑:既然我们的发电能力如此强大,为什么今年缺电现象会如此严重呢?

因为,随着新能源时代的到来,我们又面临着一个新的技术瓶颈。


新能源时代的难题

从“十三五”时期开始,我国开始了电力领域的新能源转型,大力建设风电、光伏等新能源发电厂。

五年时间内,我国非化石能源(风、光、水、核)发电装机年均增长13.1%。占总装机容量的比重,从2015年底的34.8%,上升至2020年底的44.8%,整整提升10个百分点。

新能源的重要性不必我多说——我国已经做出了“2030年碳达峰”、“2060年碳中和”的庄严承诺。此外,发展新能源也是我国摆脱外部能源依赖的最重要手段。

但如此重要的新能源,却有一个严重缺陷,那就是发电太不稳定

光伏,白天发电、晚上不发、晴天多发、阴天少发;

光伏白天发电,晚上用电高峰反而没电

风能,风大的时候多发、风小的时候少发;

水力发电稍好一些,但也有丰水期多发、枯水期少发的毛病。今年5月份广东地区开始限电,主要原因就是云南长期不下雨,导致水力发电骤降,南方电网不得不给广东地区限电。

电网公司收购电力,最需要的就是“稳定”,因为用电端的工厂和家庭,不可能因为今天是阴天、或者不刮风就不用电了。

而新能源发电的稳定性如此之差,以至于业内人士普遍将新能源称为“垃圾电”

相比之下,电网最喜欢收购“稳定”的火电和核电。但火电烧煤,碳排放太高;而核电又出于安全考量,无法大力发展。

5、6年前,当时中国的火电能力还是富余的,以至于电网不愿意用风光电,并由此造成了2015年到2017年左右,大面积的“弃风”、“弃光”现象的发生。

电网不愿意收购不稳定的光伏、风电

例如在2017年,新疆的“弃光率”高达21.6%,也就是说光伏企业发出的电,有1/5没有电网愿意收购。

为了减少弃风弃光率,国家主管部门想出的办法,则是停建火力发电项目,迫使电网去收购不稳定的新能源电力。

2020年,我国火电装机同比仅增长4.7%。风电装机却在同一时间增长34.6%,光电装机同比增长24.1%。

停建火力发电,有效地减少了弃风、弃光现象的发生。2019年,新疆的“弃光率”终于降到10%以下。

但这样做代价,则是我国电网面对极端天气,稳定性越来越差。

这一次东北地区限电,很重要的一个因素就是9月份东北风力下降,而风力发电则占到了东三省电力装机的18%。

风力发电骤减,成为这次东北限电的主因

风力发电缺位,而火电又由于过去几年的停建、遇上增长瓶颈,无法及时补位,由此造成了大面积“拉闸限电”现象的发生。

换句话说,我们其实不缺电,缺的是“稳定”的电。

可以预见的是,随着新能源发电在我国的占比越来越高,由于极端天气造成的电网不稳定和拉闸限电的情况,只会更加频繁。

未来数年,中国的电力困境可能比2021年还要严重。


如何解决新能源电力困境?

想要有效解决我国的用电困境,就必须使新能源电力更加“稳定”。为此有两个解决办法:

短期来看,可以通过建设长距离特高压线路,加强全国电网调度和统筹,减少极端天气对电网稳定性的干扰。

例如北京风小,而内蒙古风大,则可以将内蒙古的风电,通过特高压线路输送到北京;再比如上海连续两个月阴天,但是新疆晴天多,则可以将新疆的光电输送到上海。

正在建设的特高压线路

但是“全国一盘棋”,仍不能完全杜绝电网不稳定的现象。因为极端天气难于预测,万一出现全国大部分地区连续阴天、或少风的情况,由此造成的“用电荒”和财产损失,是难以估量的。

毕竟过去几年,所谓“百年难遇”的极端气候,我们已经见识过很多次了。

因此从长期来看,想要使新能源发电彻底变得“稳定”,必须要有配套的电池储能设施。

白天的时候,光伏多产出的电储存在电池里,晚上再发出来。并且电池容量要足够庞大,足以应付连续数天、乃至数周的阴天情况。

风力发电也是如此。

然而不幸的是,相比于人类在其他领域的科技进步,人类电池技术进展异常缓慢,已经成了新能源转型的最大制约。

要说发电领域的电池技术,大家可能不太熟悉,咱们可以用手机里的电池作为替代进行说明。

过去20年,我们使用的手机从“功能机”变成了“智能机”,一切功能都在进步——看的视频更加清晰,游戏速度也更快了。

但唯独有一个退步,那就是手机的续航能力。

20年前,诺基亚的功能机换一次电池,至少可以用一个星期。20年之后,无论是苹果、华为还是小米,基本上都需要每天充电,为什么?

因为电池技术的进步,远远赶不上芯片技术的进步。

功能机时代,几乎没人会为电池发愁

芯片技术,大家可能听说过“摩尔定律”——集成电路上可以容纳的晶体管数目,每经过18个月便会增加一倍,性能也会翻一倍。

但电池技术,以手机上的锂电池为例,过去20年能量密度(单位体积内包含的能量)年均仅增长3%

芯片性能翻番,带来的是耗能的大幅增长,而电池容量增长得又如此缓慢,以至于今天手机的续航能力大幅缩减。

各项技术发展速度 红线:通讯容量 蓝线:处理器性能 绿线:电池容量

电池技术成为发展瓶颈的现象,同样体现在电动汽车产业上。

了解电动汽车行业的人,可能听说过一个词叫“里程焦虑”——电动汽车上安装的电池,能够支撑汽车驾驶的里程太短,以至于司机们普遍感到焦虑,就像手机快没电了一样。

2021年1月份,北方下大雪,大街上开电动汽车的司机都不敢开暖风空调,生怕汽车耗光了电。此后,电动汽车就有了个“电动爹”的名声。

北京的寒冬午夜,充电桩前停满了车

未来,随着自动驾驶技术应用到电动汽车上,并由此带来大量能耗,电池技术的瓶颈将更加凸显。

对于高利润的手机、电动汽车行业来说,电池一直是最大的难题,那就更不要提微利的发电行业。

由于电池成本过高、效率又太低,光伏、风能发电厂一般不愿意建造配套的电池设施。

直到2021年,多个省市下发通知,强制要求发电厂安装电池设施,这一行业才开始起步,但仍远远不能满足现实需要。

例如新能源大省青海,要求“新建新能源项目配置储能设备比例不低于10%、储能时长2小时以上。

发电厂的电池只能用2个小时,够干啥?


电池技术正在锁死人类科技

在科幻小说《三体》中,三体人用一颗“智子”阻碍了物理学的发展,锁死了人类科技。

随着以“新能源+人工智能”为代表的下一场科技革命即将到来,落后的电池技术越来越像这颗“智子”。

因为电池技术进展缓慢,光能、风能始终由于“稳定性”问题,无法大规模应用,中国全面舍弃火电的目标遥遥无期。

与此同时,人工智能建立在海量的计算能力基础之上,带来的是极高的耗能,而当前的电池技术又无法提供支持。

你能想象一个智能机器人,或者全自动驾驶汽车,运行3、4个小时就断电么?

并且与三、四十年前,我国电力工程师们遇到的技术困难不同的是,那时候我们有西方现成的技术可以“照抄”。而今天,中国的新能源技术已经是世界先进,没人可以带领我们继续前进。

中国的工程师们必须自己探索方向,解决当前的“电池难题”。其背后,是人类在化学+材料学领域面临的严峻挑战。

对此,我只能对我们的工程师和科研工作者们,致以最大的敬意。希望“电池革命”,能早一天到来。

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