江億院士：建立新型電力系統建設是實現“雙碳”的關鍵

出品|《新基建訪談》No.47

採訪|丁廣勝

整理|楊奧文

“雙碳”目標是我國基於推動構建人類命運共同體的責任擔當和實現可持續發展的內在要求而作出的重大戰略決策，是加快生態文明建設和實現高質量發展的重要抓手。

針對如何實現雙碳戰略和發展“光儲直柔”建築技術等問題，中國工程院院士、清華大學教授、建築環境工程專家江億院士與《新基建訪談》進行了深入交流。

江億院士曾參加多項IEA EBC（建築和社區的節能）國際合作項目。目前爲EBC理事會中國代表，國務院能源諮詢專家委員會委員，中國氣候變化專家委員會委員，IPCC第五版第三卷第九章（建築節能減排）寫作組成員。主要研究領域爲建築節能。主編出版《中國建築節能研究年度報告》。曾獲得二項國家科技發明獎、二項科技進步獎：集中供熱調節、溶液調溼空調、間接蒸發冷卻、建築能耗模擬軟件（DeST）。

在江億院士看來，未來中國實現雙碳戰略最關鍵的一點是建立新型電力系統。風電光電與用電規律不同步，中間缺少儲能調節環節，電力系統便不能運行，這是發展新型電力系統過程中的瓶頸。他表示，發展新型主動式的智能充電樁系統，所有居住小區的車位都應實現一位一樁。這樣既能解決發展新能源電池的汽車的問題，又能解決新型電力系統建設的問題。

此外，江億院士以“光儲直柔”試點之一的山西省芮城縣爲例，表示無論是縣城還是大城市，都要根據其不同的特點和優勢進行不同的佈局安排。而對於中西方在發展方面的異同點，他認爲新型電力系統建成零碳的電力也是西方部分國家實現碳中和的規劃裡非常重要的環節，西方部分國家的水電和風電光電的互動配合可以起到很好的調峰作用，而我國很難依靠水電發電來完全解決未來整個新能源系統的調控問題。我國是世界上電動汽車擁有量最多的國家，因此要率先蹚出適應我國國情的一條路。

談及“光儲直柔”建築技術在建築方面的應用和前景，江億告訴《新基建訪談》，“光儲直柔”建築配電是發展零碳能源的重要支柱，有利於直接消納風電光電。城市的“光儲直柔”和農村的發展模式不太一樣，一個是消納風電光電，另一個則是解決自身用能的同時產出更多的電反送到電網，這是城鄉的區別。

以下爲《新基建訪談》專訪江億實錄摘要：

問：您將在2021世界新能源大會上發表題爲《發展智能充電樁，促進零碳電力系統的建設》的分享，這次主要會帶來哪些新的見解呢？

江億院士：未來中國實現雙碳戰略最關鍵的一點是建立新型電力系統，新型電力系統按照分析大概是80%的容量，60%左右的電量是風電和光電，而當前的容量不到15%，電量在10％以下。大比例的風電和光電給電網帶來很大的問題，主要問題是風電光電與用電規律完全不同步，中間缺少儲能調節環節。沒有儲能調節環節，電力系統便不能運行，這是發展新型電力系統過程中最主要的矛盾，也是瓶頸。

目前，可操作、可執行的是新能源汽車。中國現在有2.4億輛私人汽車，二、三十年後很可能變成3億輛私人小汽車，如果這3億輛私人汽車全部變成純電汽車，每輛車至少有50度電的電池容量，3億輛電動車就是150億度電，而全年總的風電、光電的發電量大概是8萬億度，平均一天是270億度電，如果電動車能夠調平150億度電，便基本解決了風電光電的變化與用電規律二者不同步、不一致的問題。因此，新能源汽車的發展對未來新型電力系統的建設有着巨大作用。

有了電動車，還必須有合適的充電樁網絡才能使電動車的電池真正發揮其儲能作用。目前搭建的充電樁是“即插即充”方式，不能根據電網的電力平衡關係決定充電與否和充電功率，因此不能滿足這一需求，必須建立全新的主動式充電樁系統，由充電樁控制是否充電和充電功率。我把它稱作主動式或者智能式充電樁系統，今後提倡每個停車位都是一位一樁，並且是即停即充，是否充電由電網的供需關係狀況決定。如果電網上的電充足，供大於用，便主動充電；如果二者平衡就不會再充了；如果供不足以用，就要從車取電來滿足電網的需求。互相借力，互相平衡，真正利用汽車電池的資源，才能解決電力系統的問題。

模式改變，計費的方式也應該不一樣。現在的充電樁是爲了掙價差，未來則是會員制。舉個例子，建立了廣泛的、智能的充電樁網絡後，充電樁網絡認車不認人，並不是停車即充，而是有電的時候才充電，是一個慢充系統；但只要交會員費，全年就不再收取充電費用，在約定的區域內出現無電趴窩的現象還可以派去救援車，隨時隨地保證使用要求。

我們做過很多仿真分析，比如，一座大樓裡有280kW的光伏電池，可以連接100個充電樁，供100輛車使用。按照這種模式可以有效消納光伏電力，除個別冬天的光電不足外，其他時候都能滿足車的需求， 並且有效消納了光伏電力。

當前發展新型電動汽車最大的瓶頸障礙是沒有地方充電，按照發展新型主動式的智能充電樁系統，居住小區的車位都實現一位一樁，辦公樓、工廠的停車場等安裝充電樁，滿足住戶和上班人的充電需求。那麼馬上就有人問，是不是會影響電池壽命？實際上，對於私家車來說，電池的壽命比車的壽命還長。出租車一年跑10萬公里，也在用電動車；而私家車大多數統計的年行駛里程數是在一萬到兩萬公里之間，那麼電動車行駛這個里程需要的電是一年2000到4000度電，如果是50度電的電池，一年需要充40到80次，大概是十天充一次，十年時間電池纔剛充400次，而實際上電池能充3000次電，所以按照現在的用法，汽車報廢了電池也沒壞。而當電動汽車參加到蓄能調節後，大約每天充放電一次，電池的使用年限大體上與車體本身的使用年限一致，物盡其用。這套體系主要針對的是私家車，既能解決發展新能源汽車的充電問題，又能解決新型電力系統調節問題，是未來實現雙碳的一大重點。

問：您提到雙碳是一個大趨勢，請問這個方案目前整個發展的推進情況如何？比如到哪年我們可以達到一個預期？

江億院士：首先，現在的情況是關鍵設備中的新型充電樁，要求成本低、可靠性高，並且智能化。我現在組織了3到4個團隊分別獨立開發，到今年年底之前應該會陸續完成，然後在市場上使用。其次，有發展充電樁、發展新能源汽車跟發展風電光電這三者同步的說法。按照規劃，從現在起每年淨增1億到1.5億千瓦 的風電光電，而未來幾十年預測電動汽車將從目前每年新增300~400萬輛逐漸發展到每年新增1000萬輛。電動汽車的增長和風電光電的增長剛好匹配。而目前充電樁網絡建設滯後於風電光電和新能源汽車這兩部分，要滿足車位一位一樁，同時形成全新的充電文化和理念，對業態運營模式採取相應配套措施，繼而產生新的方式、新的模式。

問：那您剛纔講的這個方案“光儲直柔”現在有沒有一些試點呢？

江億院士：現在已經配合一些工程任務同步進行，在國內的一些地方佈局，例如在山西省芮城縣，想實現全縣的碳中和，其中很重要的任務是在全縣建成主動式充電樁網絡，然後實現車和農機具的電氣化，再通過它來消納自身的風電、光電，因爲芮城縣的光伏條件比較好，這利於進行一個全新的一個電力系統。無論是縣城還是大城市，都是根據其不同的特點進行不同的佈局安排。

問：根據您的研究和了解，中西方在發展這兩個路徑方面有哪些異同點？或者有哪些特點？

江億院士：比如北歐、瑞典、丹麥提出來要到2045或2050年實現碳中和，發展新型電力系統建成零碳的電力也是西方部分國家實現碳中和的規劃裡非常重要的環節。它的電源很大一部分來自於生物質發電，西方部分國家土地資源遼闊，生物質資源多，另一個就是利用水電資源，水電資源的運用很靈活。所以水電和風電光電的互動配合可以起到很好的調峰作用，從而解決這個不協調的問題。

而我國雖然水電裝機容量是世界第一，但相對而言在總電量中的佔比卻很少，因此很難依靠它來解決未來整個新能源系統的調控問題，只能在四川、青海、甘肅、雲南等地區靠水電解決其自身電力的調峰問題和部分外輸的風電光電的平衡問題。對於其他地區，就需要找新的技術途徑。中國是世界上電動汽車擁有量最多的國家，所以我們要率先闖出一條適應我國國情的路。

問：您曾談到，我們到2045年基本可以實現零碳電力系統，這是分幾步走的？成功實現意味着什麼？

江億院士：現在的規劃是將來依靠的調控方式是水電跟抽水蓄能電站再加上電動汽車。再考慮用一些生物質能火電來輔助調峰，還會有少量的燃氣和燃煤電廠來起到最後的保障作用，所以電動車在其中起着很重大的作用，有部分意見提出電解水制氫，拿氫去消納峰值的多餘電量，再通過儲氫和氫燃料電池發電，提供電力低谷時的供電。但這樣的效率太低，成本投資也太高。所以只有那些不好實現電氣化的交通工具和工業生產過程，用氫來解決他們的能源供給問題，對電力系統本身來說，分佈式化學儲能更現實。所以用電動車來解決蓄能問題比用氫來解決相對來說要成熟，成本要低的多。

問：在建築方面其實您也有研究和見地，請您聊一下這項技術在建築方面會有哪些應用和前景？

江億院士：以後的建築不是一個單純的用電用能的裝置，而是扮演一個產銷融合的角色。生產和消費融合，進一步說是生產、消納與儲存調節三位一體。這三個功能都應該融在建築一身，這是未來建築在新的能源系統裡所處的地位，所謂生產是充分利用好建築，尤其是屋頂的資源可以用來發展光伏發電。如果把建築改成直流配電，充電樁和建築直流配電就是一個完美的融合，建築和車一起構成整個電網的柔性負載，根據電網的供需平衡關係來調節、改變用電量。

另外，不一定完全依靠建築本身的光伏，也可以用遠方的可再生電力。例如北京的建築就可以使用八達嶺外的光伏基地，風電基地的電力。儘管這些電力要通過大電網輸送才能進入建築和汽車充電樁，但只要嚴格調控從電網進入建築和充電樁系統的電力使其與遠方的風電光電完全一致地變化，就可以認爲這些建築和車輛使用的完全是遠方的風電光電，是零碳綠電。這是針對城市所說，也就是說，城市都是高樓大廈，屋頂沒有那麼多空間安裝光電，周邊也不可能有空地裝風電。 但是，只有建築和充電樁能夠“柔性用電”，也就是根據電力系統電源側的變化要求從電網取電，就可以有效消納遠方風電光電，從而實現只使用零碳電力，靠遠方的可使用空間解決建築自身周邊空間不足的問題。而農村未來應該建成全新的能源系統，充分發展屋頂光伏全面解決農村用能需求。由於農村有足夠的空閒屋頂和周邊空地，所以農村完全可以依靠自身的風電光電解決其能源供給需要。

按照現在對農村房屋現狀的調查統計，只要把現有屋頂的閒置空間都充分利用，安裝光伏，不僅可以解決農民的生活用能（包括炊事、採暖）、生產用能（電動拖拉機、電動水泵和其它農機）、交通用能，還可以有一部分電用來發電上網，成爲農村新的經濟收入。農村大部分用電負載都帶有儲能或可根據電源側要求而啓停，因此可很好地解決末端調節從而實現按照發電狀態用電。農村可以依靠光伏完全取代燃煤燃油燃氣和柴火，再也不燒火，重新恢復藍天。農村的發展模式和城市“光儲直柔”不太一樣，一個起着解決消納風電光電的作用，另一個是解決自身用能的同時產出更多的電力反送到電網，這是城鄉的區別。