有許多指標表明,化石燃料的二氧化碳排放正在導致環境變量的快速變化,而地球系統無法完全回收排放的二氧化碳。不僅是持續變暖,而且在2023年,我們可能會越過一個臨界點,導致更快速的變化,同時變異性增加(更極端的高點和低點)。如果未來是我們所希望的那樣,現在就需要采取行動。
尋求公正、有序、合理的解決方案
今天的社會經濟體系是建立在我們從化石燃料中獲取能源的基礎上的。因此,我們要尋找的是能夠繼續為我們所依賴的基礎設施供電,同時將干擾降到最低的“插入式”替代品。
在電力、供熱和交通部門已經部署了所謂的“下降”解決方案。由可再生原料制成的高能量密度液體燃料的使用越來越多,成本也在下降。使用氨和氫(由可再生能源產生)作為非碳能源載體將是過渡的一部分。在許多歐盟國家和北美,通過可持續來源的木屑和木屑顆粒供暖是司空見慣的。
然而,風能和太陽能產生的電力不能完全被認為是一次性能源,因為它是可變的。因此,無論部署多少MW,有時它產生的電量都會低于電網的需求。
在接下來的幾十年里,儲能解決方案的開發和部署規模很可能足以緩沖間歇性和可變的供應,并保持電網大部分時間(不是全部)的穩定。但至少在接下來的幾十年里,為了盡可能無縫地過渡到脫碳的未來,電網將需要按需和負荷跟蹤的低碳發電。
使用由不斷更新的生物質生產的顆粒燃料解決了部分問題?,F有的燃煤發電站可以以相對較低的成本和較少的停機時間進行改造,并用不斷更新(而不是耗盡)的能源生產的顆粒燃料取代煤炭。其結果是可以按需生產可再生電力。
顆粒燃料:一種能量密集的儲能解決方案
認為森林將永遠是二氧化碳凈吸收的想法是錯誤的。它們總是會達到飽和。但如果管理得當,它們可以持續使用,而不會降低它們儲存的凈碳量。如果生物質沒有隨著時間的推移而耗盡,就不會產生多余的二氧化碳,因此也就不會在大氣中積累。就森林生物質而言,如果其中的木材數量沒有枯竭(即木材的清除率從未超過生長速度),則燃燒的任何木材釋放的二氧化碳量小于或等于捕獲的二氧化碳量。這種邏輯只有在資源不斷更新的情況下才有效??沙掷m性是使用顆粒燃料作為煤的替代品發電的絕對必要條件。
用于林產品工業的木質生物質的絕大多數初級收獲不是用于生產顆粒燃料。主要用戶是鋸木廠(木材、地板、家具等)和紙漿和造紙廠(印刷紙、紙箱、衛生紙等)。這些木材廠在一些地方已經經營了一個多世紀,因為它們每年的木材采伐量少于或等于周圍森林的木材生長量。如果維護得當,這些工廠基本上可以永遠運轉下去。妥善管理的顆粒廠也受益于同樣的森林資源管理。
為電網提供一個無縫的低碳輸入,既可以是基本負荷,也可以是負荷跟蹤,并且可以按需使用,那么幾十年的轉型戰略是什么呢?
我們已經有了可以作為解決方案一部分的大規模能源儲存。生物質能循環捕獲并儲存太陽能。森林其實是世界上最大的太陽能電池。每年,大約5.7x10^24焦耳的太陽能照射到地球表面。太陽能是地球生態系統的重要組成部分。植物和光合生物利用這種能量將大量的二氧化碳轉化為葡萄糖。植物生長的化學過程將葡萄糖轉化為其他糖(半纖維素)、纖維素、木質素和其他植物物質。每年,太陽能和光合作用將數十億公噸的二氧化碳和水轉化為植物物質,并產生氧氣作為副產品。
植物的一部分是樹木。雖然有些森林不是也不應該用來供應林產品工業,但仍有數百萬公頃的森林得到管理和耕種,以不斷生產木材、家具和日常生活中許多其他產品所需的原木。這些森林還生產用于制造紙張、包裝、紙巾和各種工程木制品的木屑。鋸木廠的一些副產品和樹木的其余部分不適合更高價值的使用,可能會進入顆粒工廠生產固體燃料,以及從纖維素原料生產可再生液體燃料的工廠。
這些被管理的森林實際上就是林場。這些樹木農場的每個地塊都經歷了再生、生長到成熟和收獲的循環階段。但總的來說,只要砍伐的速度不超過生長的速度,木材的總量(以及由此儲存的碳)就不會下降。世界各地森林的平均增長率約為每年每公頃12噸。在北部地區較少,在一些擁有速生樹種的熱帶地區,每年每公頃超過20噸。
森林約占世界陸地面積的31%,約40億公頃。假設每年每公頃的平均增長率為12噸,每噸的平均能量含量約為86.4吉焦(GJ)(以水分含量為50%的木材為基準),世界森林的能量儲量約為4150億吉焦,即每年1.15億GWh。
據估計,2022年風能和太陽能的總發電量約為350萬GWh。森林每年捕獲和儲存的能量大約是所有太陽能和風能總和的33倍。此外,太陽能電池板和風力渦輪機產生的幾乎所有電力在生產過程中都被消耗掉了。如果沒有儲存,太陽能和風能就無法調度,而世界森林捕獲的太陽能則被儲存了起來。
顯然,根據聯合國糧農組織的數據,世界上只有一部分森林用于供應林產品工業——大約占30%。根據對北美主要收獲總量中有多少成為顆粒的估計(4.5%),并使用這一比例來估計可能用于顆粒燃料的全球GWh,每年可以將超過155萬GWh的森林儲能轉移到顆粒燃料中,而不會耗盡森林和森林中的碳儲量。
彭博新能源財經(BloombergNEF)預測,到2030年,將有大約1880GWh的長時儲能。根據已經管理的用于生產木材、紙張等原材料的森林,并且僅使用4.5%的材料生產顆粒燃料,今天顆粒燃料每年提供的儲存能量有可能比2030年預測的所有儲能解決方案多826倍。如果在分析中加入生物能源碳捕獲和儲存(BECCS),那么儲存的能源不僅可以用來幫助保持電網的穩定,而且儲存的碳可以永久地從大氣中去除。
化石燃料時代結束的開始
已經有一條途徑可以支持脫碳目標,而且現在就可以部署。2022年,全球顆粒燃料供應鏈每天以有益碳的顆粒燃料的形式儲存能量,相當于一艘巴拿馬型船(約6.5萬噸)。
在需求方面,大型公用發電站已經成功地完成了“生物轉化”。對他們來說,煤炭已經成為歷史;可調度或基本負荷發電則不是。從今天到理想的未來的有序過渡應包括支持負責任地使用從儲存的太陽能中獲得的固體燃料以更新生物質的政策。目前世界范圍內還遠沒有足夠的可再生生物質能來取代所有正在使用的煤炭,但它們足以產生顯著的影響。
作者:William Strauss,Future Metrics
?。ㄋ夭膩碜裕荷镔|雜志 51生物質顆粒交易網、全球生物質燃料網、新能源網綜合) |