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【专访张承建】碳中和——负碳电网与储能中坚
张承建专注于碳中和清洁能源深度转型、智能微电网等领域。任温伯格科技有限公司首席顾问、武汉百湖之友清洁发展环境组织（NGO）总干事，曾获首届中国民间环保十大优秀人物荣誉称号。
索比记者：2020年底，联合国呼吁全球社会在2050年实现碳中和，作为一名碳中和清洁能源深度转型研究学者，您对此有何建议?
张承建：包括中国在内，全球已有100多个国家针对碳中和目标作出郑重承诺。确认零碳，提出具有气候抵御力及气候适应计划的应对策略，地球碳中和必将能够在22世纪下半叶得以完美实现。高碳排放的源头，能源电力正是当前核心领域，可再生清洁电能更是低碳“主战场”，负碳电网作为颠覆性能源革命未来平台，会必然去承载地球碳中和无限厚望。
西方科学曾二度让宗教教义“上帝之咒”与社会进步深度解耦。270年前（1752年），作为美国开国元勋们（美国国父）中的首席科学家→“电学巨擎”本杰明.富兰克林著名的“风筝引雷试验”，揭示了“雷电只是普普通通的放电现象，而不是“上帝的怒火”之类的东西”，电光火石之间，在紧随其后的工业革命浪潮，历史传承“电学巨匠与科政国父”的创新精神，让美国在20世纪电气时代“百尺竿头更进一步”，成为了“潮头浪尖”上的全球霸主。400多年前，“近代大气科学奠基人”伽利略作出了“空气具有重量”的论述，380年前由他的学生托里拆利测出了大气压并科学实证了“自然真空”的存在，革除了自亚里斯多德以来流传了近2000年“上帝厌恶真空”的理论桎梏。托里拆利还用科学的方式描述“风”→风产生于地球上的两个地区的温差和空气密度差。提水机械推动了“真空”被科学发现，科学利用真空使得压力蒸汽成为可用动力源而进入到“蒸汽时代”，在蒸汽机与蒸汽轮机的驱使之下，欧美工业革命的滚滚车轮越跑越快……。
第二次工业革命让人类文明进入新的“电气时代”，从1850年到2019年，全球至少已排放了16100亿吨二氧化碳，原八国集团（G7＋俄罗斯）占比过半，而其人口在全球占比则不到10%；根据英国气候、能源和政策组织Carbon Brief的最新分析，1850年～2019年，美国已排放了5090亿吨二氧化碳，大约二倍于中国。2021年全球各类温室气体排放总量约合五百亿吨级二氧化碳当量，与能源相关的碳排放约365亿吨（煤＞40％，天然气＞20％），其中电力及供热行业二氧化碳排放量约在150亿吨级。电气时代已逾一个半世纪，电气化永远没有终点站，如今又迎面新的历史使命——负碳电网须将地球大气层数以万亿吨计的二氧化碳进行“负碳经济”深度开发利用。
索比记者：您如何理解欧美地区近现代能源变革？“能源自由”有没有实现的可能？
张承建：欧洲近现代科学革命，通过对其革命对象一宗教教义进行证伪而获得了科学丰收。蒸汽时代，基于自然水分子间强氢键的能源创新，“真空”科学发现让其蒸汽动力得以“圆梦”，第一次工业革命哇哇坠地。电气时代，磁学电学以千年计厚积薄发与集成创新，丰富了现代文明。推开原子世界之门，电子、质子与中子相继闪耀登场，科学家们对“能源自由”未来憧景浮想翩翩也已穿越了好几个世纪！道生一，一生二，二生三，三生万物！发生于6500万年前的“恐龙灭绝事件”就是源于“近地小行星”猛烈撞击地球。10年前的2013年，联合国倡议近地小行星防御计划，目前科学家们发现并被监测的危地小行星已有2000多颗。联合国《全面禁止核试验条约》和《核不扩散条约》并没有限制核聚变的科学研究，倡导和平利用核能进行近地小行星防御。完美能源氦3（3He）最适合应用于近地小行星防御用途（包括摧毁小行星），且几乎不产生放射性沉降物。“能源自由”，也就将包括氦3的无限生成（“可再生3He”），成为具体的实施目标。
负碳电网，除了持续实现数以万亿吨计的碳利用之外，还包括PF（基于可再生能源合成的燃料如低碳交通领域的RD可再生柴油、SAF可持续航空燃料、绿氨绿氢及电转天然气等氢基能源），蓝色经济（包括基于化学元素高效循环利用），实现“可再生能源一可再生3He”相并举的开发利用技术路径，为实现联合国倡议中的近地小行星防御计划提供“完美能源3He”物资支撑。一旦第三代干净核聚变成功实现，“完美能源3He”将成就为终极能源，到那时的最佳储能物资非“氦3”莫属！“可再生3He”已然承载着地球人类社会“能源自由”的美好梦想！
索比记者：“双碳”策略及充分保障电力供应，您如何理解“先立后破”？
张承建：传统集中式热力电厂，受制于蒸汽时代与电气时代所形成的“路径依赖”，考虑电厂并网发电、电力支撑与能源安全三个层次，且合并考虑附带的其它温室气体（含发电厂所有的污控物质无害化处置／高放核废污物彻底管控），以及采取碳捕捉措施，热力发电采用燃煤、燃气与核裂变能等“含能体”，每度电其实至少已达kg数量级的碳排放（当量）。当前新一代风电光伏视应用场景而异每度电已可降低到“35g～5g”，先进火电厂灵活性机组减碳潜力极其巨大，通过常规燃料、生物质燃料与PF的组合，结合新一代储能技术与低碳园区需求侧管理及综合能源服务，智能电网现有的常规化石能源高碳电源点可以轻松实现35％以上的减碳。进一步降碳，“火力灵活性机组之王者”HL级超重型燃气轮机联合循环（底部循环采用超临界二氧化碳动力循环并结合当地绿电消纳实现零碳热能的生产及超大温差级的冷热精准供能）的最优出力点发电效率可高达66.7％，NG常规天然气、RNG可再生天然气、SNG代用天然气（采用煤、石油焦与裂变核能等含能体来制取天然气）、氨、氢都可以作为其燃料，每度电二氧化碳排放可降低到200克以下，从而成为欧盟最新规则所认可的可持续能源（≤270克CO2）。
结合绿电压缩空气储能，低碳清洁燃料掺烧，燃气热电联产结合生物质供热能源耦合，通过设计优化与绿色调度，每度电二氧化碳排放可降低到150克以下。
针对石油、煤的分质利用，将石油焦、兰炭与可再生能源如生物质、风电光伏制氢一道，制取碳中和天然气并液化为LNG，并作为LNG战略储备与调峰气源，为“气电调峰”供气保障提供可靠服务。
在过渡期尽量将煤电机组更多地转为应急备用电源而避免“资产搁浅”。中国RNG（及生物LNG）具备1亿吨～2亿吨的发展潜力，化石能源分质利用制取SNG代用天然气（及碳中和天然气）具备上亿吨的发展潜力，结合国际国内常规天然气与非常规天然气四五亿吨级，六亿吨～八亿吨级的各类天然气，再加上PF辅助供应，足以应对“灵活性电源”之所需，结合一二十亿千瓦蓄能型水电机组，能为智能电网提供灵活性骨干电源坚强支撑。
高达14亿千瓦级的煤电机组“灵活性电源”大多数均可转入应急备用电源之列，年利用小时数转入“321”模式（≤3000小时～≤1000小时）。
索比记者：2021年全球电力及供热行业二氧化碳排放量高达150亿吨级，这一块如何推进减碳？
张承建：应积极推进供热行业技术迭代，国内外均已在推进第五代集中供热技术。随着燃气发电联合循环其底部循环一一超临界二氧化碳动力循环技术装备的成熟应用，绿电驱动的再压缩一一跨临界二氧化碳动力循环将成为第六代集中供热技术具有极其广阔的应用潜力。2035年～2040年全球电力及供热行业二氧化碳排放量降低到50亿吨以内，通过努力基本上可望能实现，21世纪下半叶早些时候兑现承诺实现碳中和可期。
索比记者：展望地球碳中和，您对电气化这一块如何“画像”？
张承建：地球碳中和.清洁能源需求“天花板”（比如：应对地球气候变化与近地小行星防御计划，22世纪末）：≥1MTWh=1000PWh（1000万亿度电／热）。中国.世界工厂.清洁能源总需求：≥100PWh（100万亿度电／热），电力：动力：热力→3：2：5，相当于123亿吨标煤。
2022年中国全年发电总量（预计）：≈9PWh（近9万亿度电）。全球碳中和.清洁能源总需求（21世纪末）：≥500PWh（500万亿度电／热），电力：动力：热力（包括：化工转换）→3：2：5，相当于600亿吨标煤，年电能总需求为150万亿度电，大致上是2019年的5倍。
很显然，已比常规化石能源供应峰值“天花板”要高出一个数量级，只有清洁能源革命性破局才能应对这一伟大变局，未来常规化石能源年消费总量应该限于历史峰值之1／5～1／10。“电气化”一词新语义，“电”→“负碳电网”，“气”→大气层减碳，“化”→化境妙功，点碳成金，“去”石化能源彻底实现。“化”石为气.“气”吞山河万里如虎快如闪电.“电”光火石之间高铁时隧如梦周生………
数千亿千瓦级光伏与数百亿千瓦级风电，将成为全球电气化进程中的美丽风景线！交通新能源将成为负碳电网的同盟军。打个比方说，全球汽车保有总量将达20亿辆，如果全部以电代车用燃料，充电功率500千瓦，总功率就将达到上万亿千瓦。可见，在交通新能源领域大力推行电气化作电能替代，全球此类动力储能领域的总需求已然高达数以万亿千瓦级，“V2G”等新业态将成就交直流混合电网与互动型智能电网。
索比记者：灵活性电源与电网储能，当前国内面临哪些难点？谈谈您个人的想法……
张承建：到2030年国内高达14亿千瓦级的燃煤火电，转而作为灵活性机组与应急备用电源，实质上就是广义的电网储能，由于其每度电高达kg级的二氧化碳排放，因此电网调度其运行也将会接受严格监管，通过低碳技改每度电可望能降碳三分之一以上。燃气调峰灵活性电源有待于先进装备技术突破，去满足可持续能源相关的考核要求（每度电：≤200克二氧化碳排放）。燃煤燃气等火电灵活性机组具备十亿千瓦级的日间调节发展潜力。
据IHA 2020年报告，截至2019年底，全球水电装机容量1308吉瓦（＞13亿千瓦），其中抽水蓄能电站装机容量158吉瓦（1.58亿千瓦），全年发电量4.3PWh（4.3万亿度电）。中国具备发展蓄能水库的巨大潜力，通过集成创新，电网调峰水电机组发展潜力高达一二十亿千瓦。化学电源储能方式结合超级电容“能带过渡”（大电网～配电网～交通新能源等）应对冲击负荷与短历时停电事故，主要应用在用户侧与配电网侧具备最佳经济性，可发展千亿千瓦级（功率）。
绿电.压缩空气储能系统（CAES）与PF（Power Fuel）“基于可再生能源合成的燃料”相结合，比如绿氨、氢、甲醇、电转天然气等，可以实现十亿千瓦级的深谷低谷电能高效消纳以及风光基地季节性超发电能高效消纳，绿氨在能源替代深度减碳、生态经济与碳经济领域大有作为一一其全球总需求高达数十亿吨计，比如说用绿氨与二氧化碳制造缓释肥乙二酰胺，可大大提高碳汇农牧业与碳汇渔业的生产潜力。铝、锌等金属冶炼，可望将季节性廉价风光洁电转变为单质金属，作为金属燃料电池，结合超级电容储能，发挥保障电源与调峰电源等积极作用，具备亿千瓦级开发价值。
PF如绿氨作为电动重卡的动力燃料（SOFC），同样可以实现“V2G”，靠岸的纯电动船.氨SOFC也可望充当储能电站对电网进行调峰调频而获得额外经济收益，具备数亿千瓦级的开发潜力。以上种种应对策略，以新能源为主体电力系统，双碳策略，可望实现“先立后破”，从而大大降低燃煤燃气等灵活性电源的年运行小时数（甚至于≤1000小时→≤500小时），深度挖掘潜力尽最大努力降低碳排放总量！
索比记者：针对当前“风口”氢能源，谈谈您的新思考……
张承建：应合理开发氢能源。气体能源时代，对地球大气层而言，“氢气＋甲烷”其分子气体含量持续快速提升，此种巨变必将成为灾难性的重大事件。
车用氢能源，利用氢气作为燃料存在的问题不是氢气燃料本身，而是来自生产、储存以及氢燃料电池使用过程不可避免的氢气泄漏。
“车改氢”未来经济规模化之后，大约会有15%的量在制备和储存过程中泄露到大气层，从而使大气中的氢气从原来的正常水平百万分之0.5增加十倍甚至数十倍。泄露氢气会逃逸到臭氧层，因为上层大气的水分增加使得臭氧冰晶层化学反应失衡，从而加速臭氧层的破坏。在整个大气层最顶层的臭氧约占总量的10%估计约有3亿吨。专家估计，当臭氧层耗减25%时，城市光化学烟雾的发生几率将增加30%……
专家们预计未来氢能社会，21世纪下半叶每年≥5亿吨氢气，22世纪每年≥10亿吨氢气，大量使用氢燃料会使大气层中的氢气含量增加十倍乃至上数十倍（大气氢含量≥1ppm），会让甲烷在大气中的平均寿命大大延长（甲烷在大气中的半衰期已由工业革命前的8年延长到当前的12年到15年，未来更有可能会突破到20年以上），甲烷大气浓度大大升高（当前约2ppm→未来大气甲烷≥5ppm），大气层中的“红与黑”气体含量→氢气（≥1ppm）.甲烷（≥5ppm），其分子气体含量持续快速提升是如此的迅速，使得甲烷温室效应陡增数倍，使其与二氧化碳年排放总量（约365亿吨）并驾齐驱，且不排除会导致地球大气圈臭氧层“破洞”无边际地漫延，而让全球减碳努力“毁于一旦”。
应推进“短流程”氢能应用，尽量避免其大气放散（使甲烷温室效应陡增），就像严格管理甲烷泄露一样也应该推进氢气应用流程的严格管控，鼓励燃气电厂掺氢、鼓励短流程氢能源燃料替代，对可能导致氢气泄露的工艺流程严格控制，并纳入碳排放管理范围。
核聚变能已呈现出迈向实用阶段的应用前景，从自然水中提氘，通过“可再生能源＋氕／氘分离＋可再生3He”的能源技术整体创新，让短流程氢能源、长流程氨基能源（如绿氨）及“可再生3He”成为最优化学储能与干净核聚变之载体，为负碳电网与近地小行星防御提供智慧能源物质保障。
索比记者：电力“圣杯”一可控核聚变，终极能源已走在路上，您对此看法如何？
张承建：20世纪上半叶，二大科学工程“合成氨（1913）与核裂变能.曼哈顿工程（1945）”，双双取得了巨大的成功。合成氨100周年之际，核聚变能“点火”也正日益变得“半可控”，“可控核聚变”作为终极能源，已然走在路上……氢能源也应该分为“氕能源与氘能源”分头来论述。
（1）氕能源（H／P质子之意）→基于可再生能源合成的清洁燃料（PF），如合成氨.绿氨（灰氨、棕氨、蓝氨、绿氨）→高效替代常规油气能源与煤基能源（固定式发电设施、交通新能源等）；
（2）氘能源（D）：水（氢）的同位素分离→氘D→“可再生3He”
科学原理：1升海水中提取出的氘若完全参与聚变反应，放出的能量相当于300升汽油燃烧释放的能量。
（3）第一代核聚变（“氘D.氚T”核聚变），第二代核聚变（“氘D.氦3”核聚变），第三代核聚变（“氦3.氦3”核聚变），特别是“可再生能源＋氕／氘分离＋可再生3He”→“3He＋3He第三代干净核聚变能”.电力工业的“圣杯”.终极能源，22世纪极有可能完美实现。
火之本在水！水（氢H）的同位素分离：“氕H（→PF，如：绿氨）＋氘D（LCF晶格约束聚变）”→氚T（第一代核聚变“氘D.氚T”）→He3（电力工业的“圣杯”→第三代核聚变“氦3.氦3”→可控干净核聚变.终极能源）→高科技工业.“气体黄金4He”。氘D、氦气（4He.气体黄金）与氦3（3He）均为战略支撑高科技产业的重要物资，氘还是电子工业提质升级的宝贵原材料。更甚者，核医学与大健康：自然水体→低氘水／超纯氧化氕（医疗级.药用饮水.药品）＋氦3（3He）.核磁共振.“点亮肺脉”等核医学医疗设备＋氘D.氘代药品。由此可见，自然水（含氘）作为“可再生3He”的原料，水经济.清洁能源高值开发将与碳中和社会经济转型升级与影随行，最终必将成为“燃煤、燃气与裂变核能”的最佳替代能源，必将成为全面实施地球碳中和最为可行的全新技术路径，为最终实现负碳电网奠定坚实的能源科学工程基础。
