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我國“二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和”的目標設定，對能源業(yè)提出了零碳要求，即在能源生產、使用過程中不增加二氧化碳的排放，光能、風能等可再生能源將走上電力主場。近日，在由科學技術部、中國工程院、清華大學聯合主辦，以“碳達峰碳中和關鍵技術問題和工程路徑”為主題的長城工程科技會議2021年第一次主題大會上，中國工程院院士、清華大學建筑學院教授江億指出，推動零碳能源發(fā)展，我國城鄉(xiāng)基礎設施建設將發(fā)揮重要作用，成為實現碳中和目標的重要技術載體。
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低碳革命將拉動相關基礎設施投資
“實現零碳能源，需要我們全面電氣化，盡可能減少對化石燃料的依賴。”江億認為，這一選擇將推動我國的電力系統從集中變?yōu)榉植际剑纬尚碌碾娏W，同時，在用電終端上，將發(fā)展靈活用電的柔性負載，實現風電、光電的有效消納。在燃料上，也將大力發(fā)展商品化生物質能源。以上這些能源方面的低碳革命將拉動相關基礎設施投資和新的相關零碳產業(yè)。
以光能為例，我國可在廣大農村地區(qū)推廣以屋頂光伏為核心的新型農村能源系統。在山西省芮城縣的試點顯示，每戶農民家庭的屋頂上都可架設一定數量的光伏設備，每戶發(fā)電可達每年2.2萬千瓦時，內部采用直流配電，優(yōu)先自發(fā)自用。所產生的電能除滿足做飯、采暖、生活熱水等生活用能外，還可以供交通工具充電、農機具農產品加工，此外，還能外送1萬千瓦時剩余電能。每戶投資僅為10～12萬元，具有很好的推廣前景。江億介紹，利用衛(wèi)星高分圖片，已識別出我國農村區(qū)域建筑屋頂區(qū)域面積達273億平方米，保守估計可安裝光伏20億千瓦，年發(fā)電量可達2.95萬億千瓦時，可占未來我國電力總量的23%，“由此可見我國農村建筑屋頂的光伏開發(fā)潛力”。
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在城鎮(zhèn)建設上，“光儲直柔”的配電方式也將有效消納風電和光電。經過測算，我國城鎮(zhèn)建筑屋頂光伏可開發(fā)量為8.3億千瓦，年發(fā)電量可達1.23萬億千瓦時。這些電力可滿足城鎮(zhèn)建筑自身用電的30%～40%。同時，城鎮(zhèn)建筑加上臨近的停車場，“一位一樁”的智能充電樁與電動汽車連接，建筑內部配電也將改為直流系統，由此形成“需求側響應”的用電模式，可成為電力的柔性負載。“在城鎮(zhèn)百公里范圍內有風電光電基地，這些光儲直柔建筑就可以僅靠零碳電力運行。”江億說。以上推動零碳能源的城鎮(zhèn)基礎設施也將有較大的建設潛力。
同時，在城鄉(xiāng)發(fā)展商品化生物質能源也將大有可為。我國可開發(fā)利用的生物質能源共有8億噸標準煤當量，但還遠遠未得到開發(fā)利用。具體包括麥秸、玉米秸、稻草等農業(yè)秸稈，果木、落葉等林業(yè)枝條，牲畜糞便和農副產品加工垃圾、餐廚垃圾等。對這些生物質材料的商品化能源加工方式，包括壓縮顆粒供清潔燃燒、提高燃燒效率、可替代木炭，壓縮成塊供工業(yè)鍋爐和發(fā)電，建設大型沼氣池再分離出二氧化碳后，得到純度95%以上的甲烷。此外，在北方沿海地區(qū)，基于核電余熱的水熱聯產聯供，可進行海水淡化生產95攝氏度的熱淡水，采用單管輸送熱淡水，實現“水熱同送”。在終端經過“水熱分離”，可同時供應常溫淡水和供暖熱量。
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全面的零碳改造更可助力建設制造強國
利用以上技術手段，對于我國的“雙碳”目標，江億提出了這樣的設想：2035年之前，我國實現以零碳電力為目標的電力系統革命性改造，完成風電和光電的發(fā)展和消納。配合電力系統改造，加速發(fā)展電動汽車、智能充電樁、建筑“光儲直柔”。同時，發(fā)展農村新型能源系統和生物質商品能。完成對北方城市建筑供熱零碳熱源的改造。此外，大力發(fā)展相關的“朝陽產業(yè)”制造業(yè)，停止新建燃煤電廠、煉油等高碳項目，同時抓緊研究各個制造業(yè)未來零碳轉型的具體技術路線和工藝。到2035年之后，再把低碳轉型的重點放到制造業(yè)結構調整和工藝改造上，實現零碳的制造業(yè)生產。
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江億指出，零碳能源建設將拉動農村以光伏屋頂為基礎的新型能源系統建設、生物質能源全產業(yè)鏈建設、城市建筑“光儲直柔”配電的建設和改造、全覆蓋的智能充電樁網絡建設、跨區(qū)域熱網的建設改造和大型跨季節(jié)蓄熱裝置的建設。“這些建設雖初期成本高，但主要為勞動力成本和國內成熟的制造業(yè)產品，后期運行維護成本低，可提供優(yōu)質能源，由此實現能源安全，具有很高的建設潛力。”
此外，零碳能源系統建設需要大量新興產業(yè)的產品，包括電池、電動汽車、充電樁、光伏產業(yè)、低壓直流配電產品、大功率芯片和直流建筑電力產品等，江億認為，我國這些新興產業(yè)技術多數處在世界“領跑”或“并跑”水平，將得到有效拉動，成為未來制造業(yè)產業(yè)和工程的主要出口市場。
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江億指出，到2035年，零碳電力系統基本建成，制造業(yè)零碳化的相關研究和路徑設計也基本完成。屆時目前的大多數制造業(yè)產能也已經收回成本，該更新換代，這就為全面的制造業(yè)結構調整和零碳化改造提供了良好的內部和外部條件。零碳電力系統可為制造業(yè)提供充足的低成本電力，全面的零碳改造更可以助力我國制造業(yè)真正由制造大國上升為制造強國。
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