尊敬的德國分論壇主持人米勒（Mr.Mueller）先生，各位嘉賓：
大家好！很高興受邀在「全球智慧能源高峰論壇德國分論壇」上做報告。我的報告題目是《如何實現2060年碳中和？——德國能源轉型的實踐及其給中國的啟示》。
我所在的中德可再生能源合作中心，有兩位主任，一位是前中國國務院參事、科技部前秘書長石定寰教授，另一位是德國能源署署長庫爾曼先生。
2020年9月22日，中國國家主席習近平22日在第七十五屆聯合國大會一般性辯論上發表講話，宣示「中國將提高國家自主貢獻力度，採取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭於2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現 碳中和。」
9月23日，歐盟委員會主席馮·德萊恩表示：「歐盟歡迎習近平主席就2060年二氧化碳排放控制和中和發表的聲明。中歐將共同努力以實現這一目標。」
9月29日，德國總理默克爾表示：「歡迎中方宣布碳中和目標，將其視為全球應對氣候變化的重要信號。願繼續同中國就應對氣候變化的各項議題展開緊密合作。」
9月30日，生態環境部黨組書記孫金龍、部長黃潤秋在《光明日報》發表文章，表示：「生態環境部門要注重從以下方面深入推進應對氣候變化工作。……三是加快推進低碳發展重點工作。……支持有條件的地方開展近零碳甚至零碳示範區建設」。
顯然，歐盟和德國領導人對習主席的講話很有信心，因為他們有這方面豐富的實踐經驗。
而中國中央政府負責氣候保護的官員對於碳中和即零碳示範區工程，在「有條件」的前提下，還加了一個「甚至」！說明他們認識到實施碳中和示範區工程的艱巨性。
2060年實現碳中和，難度大嗎？有沒有一個大致的路線圖？投入和產出如何？如何實施？這就是我今天要講的內容。
氣候保護是全人類的責任。習主席的承諾不僅表示中國與全球共同承擔這個責任，也是基於國際經驗和中國在減排方面的科技進展。我認為，從中國的現在的發展情況看，中國肯定可以兌現這個承諾。
實現碳中和，要有衡量的指標。實現碳中和，公認的指標有三項：
-氣候的承載力，即二氧化碳的減的量。
-能源供應的安全。譬如現在中國的天然氣供應有很大的比例來自於進口，且沒有大規模的儲備庫，因此經常遇到氣荒，就是典型的不安全的能源供應。
-經濟性。如果碳中和的項目缺乏經濟性，需要補助，則不可持續，能源成本就會大幅上升，提高工商業生產經營和人民生活的成本。
所以在碳中和的進程中，要用這三項指標進行綜合權衡，不斷尋找最優的解決方案。
德國在能源轉型邁向碳中和的實踐：德國是全球第一個實施能源轉型的大國。Energiewende這句德語，即能源轉型，也因此與Kindergarden這句德語，即幼兒園一樣，成為英文和許多國家語言中的外來語。
2000年是德國能源轉型的元年。德國政府當時定下的目標是，以1990年為基準，到2050年二氧化碳減排80%，根據技術的進步，2017年將其修訂為減排95%，最近，又將其修訂為100%，即碳中和。
其中到2020年，德國的二氧化碳減排40%。根據現在的形式估計，到今年年底，德國能夠基本上實現這個目標。
德國能源轉型的具體目標有12個大項，如下面的兩張表所示。
德國的二氧化碳減排，按大類分，主要通過兩個方法，一是提高能效，即節省能源的使用，簡稱節能；二是必須使用的能源，用可再生能源替代化石能源。
能源的應用領域主要集中在三個領域：建築、工商業和交通運輸。
能源的供應分兩至三個層次。在初始能源和使用能源之間的二次能源主要有兩個，一個是二次能源的第一主力——電力，另一個是未來僅次於電力的二次能源新秀——氫能。
由於電力是最重要的二次能源，所以一般也將電力剝離出來，作為第四個領域。而第五個領域是另一個二次能源的新秀是氫能，氫能在現在還無足輕重，不過是未來碳中和世界中僅次於電力的二次能源。
建築領域的碳中和進程：
建築能耗是全社會的主要能耗之一，建築能耗造成的二氧化碳排放現在佔中國二氧化碳排放總量的1/4左右，隨著城鎮化進程的推進、服務業在國民經濟中比例的提高和人民生活水平的提高，建築能耗還會進一步提高。
建築能耗中主要是採暖和空調能耗；在中國北方，採暖能耗是第一大能耗；在中國南方，空調能耗是第一大能耗。大部分地區的建築採暖和空調能耗，超過了建築總能耗的50%，因此採暖和空調是建築節能的重點。
建築的第三大能耗是照明；第四大能耗在城鎮住宅建築中一般是熱水。
建築能耗的降低主要靠提高建築能效，即建築節能。
通過建築外圍護的密封、保溫和遮陽措施，以及新風換熱系統，建築採暖的3能耗最多可節省95%以上，空調製冷的能耗可節省90%以上。
由德國能源署提供節能技術諮詢在2016年建成的位於石家莊市的河北省建研院的科技樓，年採暖能耗僅為4kWh/m2·年，不到既有建築的5%；年空調製冷能耗僅為6kWh/m2·年，不到既有建築的10%。
建築節能加上在建築物上安裝光伏組件和小型風機，德國的建築現在已經實現了負能耗，或稱產能房，即在建築物上產生的能量超過了所耗費的能量。
過去，風光電等可再生能源成本較高，因此，建築能耗產生的二氧化碳要減排幾乎全部依賴於建築節能。但建築的節能率越高，單位能源節省的成本就越高。
現在風光電的成本大大下降，已經低於建築節能率很高時的節能成本，這時利用可再生能源減排二氧化碳的成本就低於節能率超過一定後進一步的深度節能。
但是風光電等可再生能源的供應是波動的，所以建築要有效利用廉價的可再生能源，關鍵就是要能夠使用波動的風光電。我們後面將介紹一個具體的案例。
照明是寫字樓僅次於採暖和空調的第三大能耗。在採暖和空調能耗大幅節省的情況下，如果不大幅度節省照明能耗，其能耗甚至會超過採暖和空調能耗，成為寫字樓的第一大能耗！因此照明節能對於建築節能來說，僅次於採暖和空調。
德國辦公室照明節能的三大利器：
- 充分利用日光照明：例如採用兩段遮陽百葉；照明具上安裝亮度傳感器。
- 用辦公桌照明替代辦公室普遍照明：提高辦公桌的照明亮度，降低房間的照明亮度。節省了照明能耗，而且還改善了照明質量。
- LED 燈照明。現在的LED等質量已經可以滿足高質量照明要求。
- 以上三項措施結合，比起現在辦公室普遍的吸頂日光燈照明，可節省照明能耗80%以上！
下面我們看一下碳中和時代的電力系統。
全社會50%的使用能源：機械能、熱能、「冷」能、光能、電子設備驅動能量，……，是由電能提供的。
中國每年開採出來的一半煤炭，是用來發電的。
中國現在60%以上的電力，是由化石能源——主要是煤炭燃燒提供的。
而碳中和的世界，電力不再由化石能源提供。而是由可再生能源提供。可再生能源替代化石能源提供電力有兩個問題需要解決：
一是成本——現在已經基本解決，而且可再生能源電力的成本還會越來越低，未來將遠低於化石能源生產的電力；二是未來可再生能源的主力、無處不在的太陽能和風力不穩定， 其波動需要補償和消納，這正是德國轉型2.0 要解決的關鍵問題。
過去的電力系統，是用電戶決定發電量。所以電力系統由電源、電網和用戶三個部分組成。
而在碳中和的電力系統中，主力電源是風光電，但風光電的發電出力受氣象和天文條件的影響，不穩定。於是在碳中和的電力系統中，要對波動的風光電進行調節，即補償和消納，於是就在電力系統增加了一個部分——智慧能源系統。智慧能源系統中有四大金剛，我們將在後面詳述。
我們先看電源端。
碳中和電力系統中的主力電源是風光電，而水電在中國的西南部是主力電源。
風電的發電成本一直在穩步下降，而且下降的速率現在還很快。
現在風電的併網電價已經與煤電相似，不遠的將來就會明顯低於煤電。
光伏的發電成本一直在快速下降，預計到2025年左右會在全國的範圍內低於煤電，在2030年以後遠遠低於煤電。從發電成本的角度看，10年後，風光電可以全面取代煤電。
在德國，可再生能源電力在總發電量中所佔的比例，已經從2002年的不到8.6%，發展到2020年上半年的55.8%。2019年上半年，波動的風光電在德國的總發電量中佔34.8%。而在2020年上半年，就增加到了42%，而煤電+核電的發電量在德國的總發電量中現在僅佔43%。
這是2020年6月27日~7月6日德國各類電源的發電出力和用電總負荷的變化曲線。
從圖中可以看出在碳中和電力系統中的問題，就是可再生能源的發電出力隨天氣波動，而不能自行與電力需求吻合。兩者出現巨大的差異。
這張曲線圖描述了在未來德國的電力系統中除了可再生能源供應的電力之外，要滿足德國的電力需求還需要多少額外電力。到了2050年，60%的時間需要額外電力，最大值為約50GW。在另外40%的時間裡，則是可再生能源電力 過剩，發電出力過剩的最大值可達70GW左右。
這就需要有不使用化石能源的技術方法，在可再生能源發電出力不足時提供額外的電力，在可再生能源發電出力過剩時消納掉過剩的電力。而不使用化石能源補償和消納可再生能源電力的方法，就被稱作智慧能源。
智慧能源的四大金剛：
1） 更大更靈活的電網，可將不同區域的電力和需求之間的差別通過電網在地區間進行調節。
2） 靈活電源：在可再生能源發電出力不足時，提供補償電源。
3） 電力用戶側的需求響應：可再生能源發電出力不足時，少用電；反之，多用電。
4） 儲能：在可再生能源發電出力不足時，充電；反之，放電。特別需要說明的是，智慧能源主要是能源技術，而雲大物區智（即雲計算、大數據、物聯網、區塊鏈、人工智慧）僅僅是應用這四大能源技術時的輔助手段。
在碳中和的能源世界中，沒有了化石能源，而替代化石能源的，就是這三個部分。
其中，由於可再生能源的成本不斷降低，因此在能源系統中，智慧能源的總成本會超過可再生能源的成本，因而也會成為今後能源領域的投資重點。
下面就介紹一些智慧能源的技術案例：
用戶側響應的典型案例：啤酒廠冷藏發酵罐中的虛擬電廠。
例如，啤酒冷藏發酵溫度規定為1.0±0.5℃，每噸啤酒，利用1.0℃的溫差，可存儲大約1.162千瓦時/噸的製冷量，合約0.3千瓦時的電力。在低谷電價時段，增大製冷能力，將啤酒的冷藏發酵溫度降低至規定的下限。在高峰電價時段，減少製冷能力，允許啤酒的冷藏發酵溫度回升至規定的上限。
德國啤酒廠冷藏發酵罐存儲的啤酒量為大約1,500,000噸，等於可存儲大約450,000千瓦時電力。幾乎不用投資。而存儲450,000千瓦時電力的蓄電池儲能電站按現在的市場價格需要大約7.2億元的投資。
下面我們看一下直接和間接儲電的模式：
抽水蓄能：傳統模式。
儲熱儲冷：電轉熱/冷後儲熱/冷，變相儲電。儲能成本最低。但不可逆，只能用於消納。存儲器的成本為30~300元/千瓦時熱/「冷」能。用大地亦可作為季節性的儲冷和儲熱容器，成本更低。
退役電動汽車動力電池。系統成本可低至<1000元/千瓦電能。退役的電動汽車蓄電池，除了作為儲能電站的蓄電池外，沒有其它用途，因此退役蓄電池的價格會降到用其蓄電划算為止。
電動汽車，主要用於消納，幾乎無成本。並可在急需電力時提供補償——成本較高。
未來電動汽車和退役電動汽車電池的動力幾乎可以滿足電力日波動的補償和消納。因此未來電力的日波動的消納和補償，沒有什麼可擔心的。
電解氫，氫燃料電池發電，用於季節性儲能。
還有其它的一些有前景的儲能技術。例如：氫氧化鈉儲能。
可以看到未來的儲能能力可以滿足需求。只不過需要去做。需要體制改革的刺激。譬如更大的峰平谷電價差，用戶側消納響應激勵政策（現在僅有用戶側補償響應的激勵政策——虛擬電廠）。
未來的各種補償電源的折舊成本分析
蓄電池的單位能量存儲成本較高，而單位功率的成本較低，因此適合作為日波動的調節儲能方法，而不適合作為季節儲能的方法。
由於氫氣可大量低成本存儲，同時，氫燃料電池的單位功率成本下降得很快，不久的將來會遠遠低於燃煤發電和燃氣發電的單位功率成本，因此要求有季節性消納和補償的電源主力將會是氫燃料電池。即：在可再生能源電力過剩時，用電力電解水制氫；而在電力不足時，用氫燃料電池發電。
未來氫燃料電池的單位功率成本會遠遠低於燃煤和燃氣發電機組。而在碳中和時代的補償電源運行的時間比現在短得多，在大量使用電動汽車退役電池作為日波動調節的主要調節手段的情況下，再配合其它的智慧能源手段，未來補償電源主要用於季節性的電力波動補償，補償電源的運行時間估計不到1000小時。 每年如此短的運行時間，氫燃料電池的發電成本就會低於燃煤和燃氣發電機組。
解決風光電波動的關鍵管理機制問題——分時電價機制
德國是通過電力市場的實時電價調節機制激勵波動風光。
中國的風光電波動調節權力集中在電網。在用戶端，電網通過電價機制（包括用戶側響應）激勵風光電的補償和消納，但力度和靈活性遠低於德國的電力市場。在發電公司端，現在電網是通過調度的權限來進行調節，而不是通過價格機制，因此各個發電公司及利益相關方向電網施加壓力，要求多發電。電網難於按宏觀經濟規律調節。
下面介紹德國城市智慧能源園區的成功示範——德國歐瑞府（EUREF）能源科技園：
- 位於德國首都柏林的歐瑞府（EUREF）科技園是一個碳中和園區，其中超過一半的二氧化碳減排是通過提高建築能效；其餘不到50%的二氧化碳減排是通過使用可再生能源，其中70%左右的能源是波動的風光電，30%左右是沼氣熱電聯供。
- 基於建築能效提高，電轉熱/冷並用建築物和儲熱/冷罐存儲，電動汽車參與波動風光電消納，退役電動汽車動力電池儲能電站和沼氣熱電聯供的微型綜合智慧能源網。
- 這個碳中和園區是2008年是時任德國能源署的署長科勒先生領導設計開發的。2014年實現了2050年德國的能源轉型目標。即：2050年的德國能源世界，您今天見得到。
- 這個項目是可持續碳中和項目，可持續的含義是沒有要國家一分錢的額外補貼，因此有推廣價值。
歐瑞府這樣的綜合使用智慧能源方法的碳中和園區是未來實現碳中和的重要模式。
下面我們看一下另一個重要的用能領域——工商業領域。這張圖中，描述出了德國在工業界二氧化碳減排中的關注要點：
- 電機能效的提高。電機的能耗佔工業領域能耗的50%以上（不包括電熱裝置）。主要的電動機械是四大機械：水泵，風機，空氣壓縮機，製冷壓縮機。
- 餘熱利用。目標：餘熱的利用達到50%以上。餘熱利用的場合：
- 本工藝；
- 本企業；
- 外部。例 1：漢堡的銅冶煉工廠將餘熱輸入到城市熱力網中。例 2：建議在新邢鋼附近建立一個利用邢鋼餘熱的工業園，入園企業如：利用廢紙箱作為原料的造紙/紙板廠。
- 生產工藝要適應使用廉價的波動的風光電——自工業革命以來從未有過如此廉價的能源。
工商業節能的重點之一——電動機械節能。電動機械電耗佔工商業領域的總電耗的約70%。而水泵、風機、製冷壓縮機和空氣壓縮機這四大電動機械的電力消耗又佔電動機械電力消耗超過總電耗的約70%。因此，四大電動機械的電能消耗佔整個工商領域用電的50%，於是其節能/能效提高就是工業節能的重中之重。
四大電動機械的節能內容很豐富，時間關係，我們下面只介紹幾個主要方法：
使用電——機轉換效率更高的電動機：
-對於那些運行時間較長的電動機來說，在整個生命周期中，用電的成本遠遠高於購買電動機的成本，因此要特別注意電動機的效率。電機效率的差別最大可達10%左右。在整個電動機的生命周期中，電動機效率造成的電力費用支出差別，可能幾倍與採購電動機的成本。所以要採購電-機轉換效率儘可能高的電動機。
關鍵設備——水泵節能的方法：
-在一個封閉的水系統中（採暖循環水、循環冷卻水，空調冷凍水），流速與能耗的關係是3次方的關係，流速降低1/2，則能耗降低約7/8。所以在水的需求量下降時，應及時調整流量（例如通過變頻器）。動力傳動裝置（如減速齒輪箱）的能耗很可觀。使用用磁電機驅動水泵，可節省動力傳動裝置的能耗。因此儘量用調節水泵的調速來調控流量，儘量減少調節閥門的使用，讓水的流動流暢。
壓縮空氣系統節能的方法：
-減少漏氣，利用餘熱。這兩項領域的節能潛力平均可達壓縮空氣用能的50%左右。
-其它的節能手段：減少空載，合適的功率匹配，水的排除，暢通的管道，合適的壓力，減少壓降損失，合適的乾燥方法，防止壓縮空氣的誤用。
餘熱的回收利用有下述的幾個重點：
- 冶金工業的餘熱；
- 噴漆車間的烤漆間餘熱；
- 車間排風的餘熱； - 製冷的餘熱；
- IT中心的餘熱。
低溫餘熱可作為熱泵的熱源，用熱泵升溫。全年供熱水，冬季供暖。德國的計劃，餘熱回收利用率要達到50%左右。
中國北方工商業的餘熱量，超過中國北方冬季供暖的能量需求。因此用工商業餘熱供暖，是中國工商業餘熱的一大應用領域。這樣，既能消除中國北方冬季燃煤採暖排放的大氣汙染物，又能減少燃煤產生的二氧化碳，還能降低採暖成本，可謂一舉三得。
未來交通運輸領域的碳中和方法：
在交通運輸領域，估計在2030年左右，超過一半的新造汽車是車蓄電池和燃料電池電動汽車。蓄電池電動汽車的能源效率高、能量轉換成本低，但蓄電池的能量密度低，將成為短途輕載汽車中的主流技術；而氫能的能量密度高，因此未來將成為長途重載汽車中的主流技術；在長途輕載和短途重載領域，這兩種技術的競爭會很激烈。
電動汽車動力電池能量密度和形式裡程的發展趨勢：
- 現在的鋰電池：~200Wh/kg，小汽車續航裡程200~400公裡；
- 固態鋰電池（~2025年）：~400Wh/kg，小汽車續航裡程400~800公裡；
- 鋰硫電池（~2030年）：~600Wh/kg，小汽車續航裡程600~1200公裡；
氫能汽車替代燃油汽車的理由：
1立方米氫氣的熱值為3.5kWh；燃料電池的最大能效為62%，平均達52%左右，於是產生1.8kWh的電能；1升汽油的熱值是9kWh左右，汽油發動機的轉換效率為30%左右，於是產生2.7kWh的機械能；於是，1.5立方米的氫氣頂1升油。
燃料電池的成本正在急劇下降，預計成本從現在的約8000/千瓦下降到2025年的<1000/千瓦。電解氫的成本現在較高，加氫站的售價為約5元/立方米，相當於油價為7.5元/立方米。2030年預計為1.2元/立方米左右，相當於油價為1.8元/升。
氫能可以完全國產，因此能源供應安全有保障。氫能使用時幾乎不產生空氣汙染。
未來熱門的生物質能源——微藻：
- 用途：第一級：精細生化產品的原料藥品，保健品，食品，化妝品，染料，其它生物產品的原料。第二級：食品：如：人造肉；牲畜飼料。替代美國進口大豆。第三級：能源：從藻油中提取高值化學品（如DHA,EPA,Omega-3等）之後，將藻油製備成生物柴油，可供航空發動機使用。提取了藻油和蛋白質後，剩餘物可製備生物甲烷。
- 產量：5~10噸/畝，即：10,000~20,000斤。畝產萬斤不是放衛星、不是造謠、不是夢。 - 中國有約264萬平方公裡的荒漠化土地，若利用其中的8%，用20萬平方公裡、即3億畝土地，可生產>15億噸的微藻——是現在中國糧食總產 量的兩倍。從中提取高值化學品後，每年可製取：
- >3億噸生物柴油；
- >6億噸蛋白質，可供生產食品和牲畜飼料，一舉解決我國的糧食 問題；
- 約3億噸碳水化合物可製取約600億立方米生物甲烷或3000萬噸氫氣。
碳中和項目開發的優先次序建議：
- 先做投資較少的項目，後做投資較大的項目。
- 先投資回報期較短的項目，後做投資回報期較長的項目。
- 先做工期較短的項目，後做工期較較長的項目。 碳中和領域未來的投資重點：
- 波動風光水電的調節（消納和補償）技術： - 系統儲能技術：
- 日調節存儲：退役電池，電動汽車智能充電；儲熱；儲冷。
- 季節性調節存儲：天然氣；氫氣；儲熱；儲冷。
- 能夠大規模利用波動電力的生產工藝和儲能技術。
- 綜合智慧能源系統（例：歐瑞府）。-氫能產業鏈的技術：制氫；氫能的物流；用氫。
- 現有生物質的高價值利用（制燃料）和新生物質的開發（微藻）。-可再生能源發電技術的繼續進步，成本繼續下降。例如：-疊層光伏組件；
- 農田光伏——在基本不影響農作物產量的前提下（德國已經進行了成功的實驗）；
- BIPV，建築光伏一體化，包括窗戶光伏貼膜。
化石能源退出帶來的挑戰：
有很多人擔心，煤炭、石油和天然氣退出能源的歷史舞臺，就會造成這個領域的經濟衰退，對於產煤、產油大省，會帶來很大的經濟困難和社會問題。
但這些人想到沒有，煤炭退出能源的歷史舞臺，是需要用提高能效、可再生能源和智慧能源替代，能源供應和服務並沒有衰退。
而石油和天然氣退出能源的歷史舞臺，使得中國每年可節省進口石油和天然氣的約2000億美元外匯。替代這部分的能源供應，需要增加國內的可能源供應。因為不再進口石油和天然氣，也免去了中國對石油和天然氣供應的安全憂慮。不用擔心冬季鬧氣慌導致建築採暖溫度降低。
由於不燃燒化石能源，大氣汙染問題也得到了徹底的解決。當然還實現了碳中和。因此，碳中和對中國的利，遠遠大於弊。
結論：中國實現碳中和，機遇大於挑戰，估計會早於2060年不少年！願大家迎接挑戰，發現機遇！
謝謝大家！2020年11月9日於南京全球智慧能源高峰論壇德國分論壇。