IEA 中国能源体系碳中和路线图 ~ P4.1：电气化

蒋秋枫

全文链接：An energy sector roadmap to carbon neutrality in China_Chinese (windows.net)
部分摘录：
到 2060 年实现净零排放的能源途径需要四大跨领域支柱：

• 在交通运输、工业和建筑部门实现电气化；
  
• 部署 CCUS 技术，用于电力、工业、燃料转化和碳移除领域；
  
• 生产低碳氢和氢衍生燃料；
  
• 可持续生物能源用于热电生产和气体及液体生物燃料制造。
  

“十四五”已为这四个技术领域设定了优先事项，即重点关注电动车（EV）、氢能和燃料电池、CCUS、生物能和先进生物燃料、储能、智能电力系统，以及传统可再生能源。
电气化

从目前到 2060 年，电力技术的部署将带来电气化和能效提高:

• 工业电气化增效减排的驱动因素包括：轻工业的中低温加热需求将由工业热泵和电锅炉满足，替代传统的化石燃料；以及以废钢为原料的电弧炉炼钢将扩大规模。
  
• 交通运输部门将占电气化减排量的 35%：初期减排主要来自轻型车辆的直接电气化，长期减排将主要来自重型车辆转用电池动力（使用电解氢和氢衍生燃料也会间接促进交通运输减排，特别是在 2040-2060 年期间）。
  
• 电气化也是建筑部门中的重要趋势，中国将逐渐停止使用煤炭和其他化石燃料进行供热和烹饪。燃料供给的电气化将贡献从现在到 2060 年减排量的不到 10%，主要通过直接使用电解氢和生产氢基燃料来实现。
  

2021-2026 年“十四五”规划的重点发生了转变，强调“大力提升”太阳能和风能发电规模的重要性，并进一步规划核电装机容量从 2021 年中期的 52 吉瓦增加到 70 吉瓦，以及非化石燃料在一次能源用量中的比重从 2020 年的略低于 16%增加到 2025 年的 20%。“十四五”规划为未来五年在核电装机、海上风电、输电网等方面的投资绘制了蓝图，旨在推动太阳能和风能发电规模在 2025 年后不久即超过水电，成为继煤炭之后的第二大主力发电技术。规划还认可了天然气在满足高峰负荷、灵活应对波动性可再生能源发电量波动方面的作用。
直接用电的增长是为了满足轻工业制造、热泵和其他电热技术等的中低温热力需求。在轻工业领域，电动机存量也将迅速提升；然而，尽管能效等级较高的电动机所占比重将会增大，而且更多电动机将使用变速驱动技术，但总体电力需求仍将翻一番。在能源密集的钢铁和铝材行业，虽然产量将会下降，但利用废钢或废铝的再生产将是电力需 求增长的重要推动因素。电力需求增长的另一个关键领域是一次材料生产的间接电气化（主要是在钢铁和化工部门），这一电气化转型是通过使用氢气来实现的：在钢铁行业中作为还原剂；在化工行业中作为氨和甲醇的生产原料。2060年承诺目标情景下中国工业消费的 7000 太瓦时的电力中，约 13%将用于电解制氢。
电动车、热泵等技术现已商业化，但可能还无力与其他非电动技术充分竞争；因此，这些技术的推广将取决于进一步通过创新来提高性能并降低成本。除此类技术外，其他终端使用的技术更加滞后，特别是在重工业和长途交通运输方面。例如，在原生钢生产中，利用电力进行电解炼铁制钢仍然处于研究和中试阶段。在航空领域，当今有几家企业正在开发和测试电动飞机原型，但由于受到电池能量密度低的相关技术限制，电动飞机距离商业化还比较远，即使是在只搭载少量乘客的短途飞行领域也是如此。
可再生能源和核电两个领域中的许多相关技术已经成熟，或已经在市场上稳步增长， 然而随着部署的拓宽，这些技术仍将继续发展。同样，许多依赖电力的终端用能技术也已经进入市场，如建筑和工业用热泵、废钢炼钢、电动车锂离子（Li-ion） 电池及电炉灶。可是，其他终端用途的技术仍在开发之中。承诺目标情景中， 目前处于原型阶段的先进高能量密度电池将贡献从现在到 2060 年公路交通运输累计减排量的几乎一半。在重工业直接电气化方面，存在重大技术挑战，特别是对于有高温热力需求的工艺过程而言。这一领域的大多数技术现在还处于原型阶段， 例如，承诺目标情景中电力水泥窑的作用有限，将仅贡献从现在到 2060 年水泥业累计减排量的 1%。


过去几年来，热泵（提供空间采暖、空间制冷或两者兼有的蒸汽压缩装置）的使用量在中国迅速增长，主要由空调需求驱动。中国的制冷需求现已占到全球制冷用能总量的 23%。 对空间采暖和水加热热泵（以空气源热泵为主）的需求也在增长，特别是在住宅和农村建筑中。可逆式热泵（冷热两用热泵）也逐渐在全国各城市普及。中国政府采用多种政策手段提高中国制造和销售的热泵的效率。最低能源性能标准（MEPS）覆盖各类热泵。2020 年 6 月，最低能源性能标准 GB21455-2019 出台，首次将低温空气源热泵纳入了标准管理范围。 随着气温上升、经济繁荣带来的温度舒适需求增加，中国的热泵需求无疑将持续增长。电热泵占建筑空间采暖能耗的比重将在 2030 年达 到 7%，2060 年超过 20%，而目前的比例不足 3%。2060 年，中国采暖制冷热泵的用能总量将达到 800 太瓦时，约占全球建筑用能总量的 13%、中国建筑部门用电总量的 60%。 制冷领域的研发和技术学习（例如制冷剂控制系统、压缩机、低全球变暖潜能值或天然制冷剂，以及混合蒸汽压缩循环）也有助于降低供热用泵的成本。
随着化石燃料发电量下降，要确保电力系统灵活可靠安全运行，就要具备可调度电力的替代来源、增加短期和季节性储电能力、 实行需求响应、强化网络，以及增进相邻系统间的互联（以便利用更大的地理区 域来帮助调配各地区的负荷变化）。为了推广低碳电力部署，对相关基础设施和设备制造所需的金属和矿物的需求将会增加。铜、锂、钴、铂在能源转型中居于核心地位：输配电线路需要铜，锂离子电池需要锂和钴，燃料电池需要铂。 其中钴的供应链最为脆弱，因为钴资源在地理上高度集中，全球一次产量的近三 分之二都来自刚果民主共和国。中国所需的全部纯钴都来自进口。锂很可能始终都是关键材料，因为锂的物理特 性使其非常适合用于高能量密度电池，且难以被其他材料取代。铜的需求量将会相应减少，大幅抵消加快各类终端用途电气化所造成的需求增长。部分上述关键材料在中国的储量巨大，并且中国还拥有全球相当大比例的矿物加工和精炼能力，例如用于电动机和风力涡轮机的稀土，中国的开采能力占全球的 60%。中国还拥有全球65%的钴加工和精炼能力，超过55%的锂加工和精炼能力，以及超过 35%的镍加工和精炼能力。