OB欧宝大家好！很高兴受邀在“全球智慧能源高峰论坛德国分论坛”上做报告。我的报告题目是《如何实现2060年碳中和？——德国能源转型的实践及其给中国的启示》。
我所在的中德可再生能源合作中心，有两位主任，一位是前中国国务院参事、科技部前秘书长石定寰教授，另一位是德国能源署署长库尔曼先生。
2020年9月22日，中国国家主席习22日在第七十五届联合国大会一般性辩论上发表讲话，宣示“中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现 碳中和。”
9月23日，欧盟委员会主席冯·德莱恩表示：“欧盟欢迎习主席就2060年二氧化碳排放控制和中和发表的声明。中欧将共同努力以实现这一目标。”
9月29日，德国总理默克尔表示：“欢迎中方宣布碳中和目标，将其视为全球应对气候变化的重要信号。愿继续同中国就应对气候变化的各项议题展开紧密合作。”
9月30日，生态环境部党组书记孙金龙、部长黄润秋在《光明日报》发表文章，表示：“生态环境部门要注重从以下方面深入推进应对气候变化工作。……三是加快推进低碳发展重点工作。……支持有条件的地方开展近零碳甚至零碳示范区建设”。
显然，欧盟和德国领导人对习主席的讲话很有信心，因为他们有这方面丰富的实践经验。
而中国中央政府负责气候保护的官员对于碳中和即零碳示范区工程，在“有条件”的前提下，还加了一个“甚至”！说明他们认识到实施碳中和示范区工程的艰巨性。
2060年实现碳中和，难度大吗？有没有一个大致的路线图？投入和产出如何？如何实施？这就是我今天要讲的内容。
气候保护是全人类的责任。习主席的承诺不仅表示中国与全球共同承担这个责任，也是基于国际经验和中国在减排方面的科技进展。我认为，从中国的现在的发展情况看，中国肯定可以兑现这个承诺。
-能源供应的安全。譬如现在中国的天然气供应有很大的比例来自于进口，且没有大规模的储备库，因此经常遇到气荒，就是典型的不安全的能源供应。
-经济性。如果碳中和的项目缺乏经济性，需要补助，则不可持续，能源成本就会大幅上升，提高工商业生产经营和人民生活的成本。
所以在碳中和的进程中，要用这三项指标进行综合权衡，不断寻找最优的解决方案。
德国在能源转型迈向碳中和的实践：德国是全球第一个实施能源转型的大国。Energiewende这句德语，即能源转型，也因此与Kindergarden这句德语，即幼儿园一样，成为英文和许多国家语言中的外来语。
2000年是德国能源转型的元年。德国政府当时定下的目标是，以1990年为基准，到2050年二氧化碳减排80%，根据技术的进步，2017年将其修订为减排95%，最近，又将其修订为100%，即碳中和。
其中到2020年，德国的二氧化碳减排40%。根据现在的形式估计，到今年年底，德国能够基本上实现这个目标。
德国的二氧化碳减排，按大类分，主要通过两个方法，一是提高能效，即节省能源的使用，简称节能；二是必须使用的能源，用可再生能源替代化石能源。
能源的供应分两至三个层次。在初始能源和使用能源之间的二次能源主要有两个，一个是二次能源的第一主力——电力，另一个是未来仅次于电力的二次能源新秀——氢能。
由于电力是最重要的二次能源，所以一般也将电力剥离出来，作为第四个领域。而第五个领域是另一个二次能源的新秀是氢能，氢能在现在还无足轻重，不过是未来碳中和世界中仅次于电力的二次能源。
建筑能耗是全社会的主要能耗之一，建筑能耗造成的二氧化碳排放现在占中国二氧化碳排放总量的1/4左右，随着城镇化进程的推进、服务业在国民经济中比例的提高和人民生活水平的提高，建筑能耗还会进一步提高。
建筑能耗中主要是采暖和空调能耗；在中国北方，采暖能耗是第一大能耗；在中国南方，空调能耗是第一大能耗。大部分地区的建筑采暖和空调能耗，超过了建筑总能耗的50%，因此采暖和空调是建筑节能的重点。
通过建筑外围护的密封、保温和遮阳措施，以及新风换热系统，建筑采暖的3能耗最多可节省95%以上，空调制冷的能耗可节省90%以上。
由德国能源署提供节能技术咨询在2016年建成的位于石家庄市的河北省建研院的科技楼，年采暖能耗仅为4kWh/m2·年，不到既有建筑的5%；年空调制冷能耗仅为6kWh/m2·年，不到既有建筑的10%。
建筑节能加上在建筑物上安装光伏组件和小型风机，德国的建筑现在已经实现了负能耗，或称产能房，即在建筑物上产生的能量超过了所耗费的能量。
过去，风光电等可再生能源成本较高，因此，建筑能耗产生的二氧化碳要减排几乎全部依赖于建筑节能。但建筑的节能率越高，单位能源节省的成本就越高。
现在风光电的成本大大下降，已经低于建筑节能率很高时的节能成本，这时利用可再生能源减排二氧化碳的成本就低于节能率超过一定后进一步的深度节能。
但是风光电等可再生能源的供应是波动的，所以建筑要有效利用廉价的可再生能源，关键就是要能够使用波动的风光电。我们后面将介绍一个具体的案例。
照明是写字楼仅次于采暖和空调的第三大能耗。在采暖和空调能耗大幅节省的情况下，如果不大幅度节省照明能耗，其能耗甚至会超过采暖和空调能耗，成为写字楼的第一大能耗！因此照明节能对于建筑节能来说，仅次于采暖和空调。
- 用办公桌照明替代办公室普遍照明：提高办公桌的照明亮度，降低房间的照明亮度。节省了照明能耗，而且还改善了照明质量。
- 以上三项措施结合，比起现在办公室普遍的吸顶日光灯照明，可节省照明能耗80%以上！
全社会50%的使用能源：机械能、热能、“冷”能、光能、电子设备驱动能量，……，是由电能提供的。
而碳中和的世界，电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电力有两个问题需要解决：
一是成本——现在已经基本解决，而且可再生能源电力的成本还会越来越低，未来将远低于化石能源生产的电力；二是未来可再生能源的主力、无处不在的太阳能和风力不稳定， 其波动需要补偿和消纳，这正是德国转型2.0 要解决的关键问题。
过去的电力系统，是用电户决定发电量。所以电力系统由电源、电网和用户三个部分组成。
而在碳中和的电力系统中，主力电源是风光电，但风光电的发电出力受气象和天文条件的影响，不稳定。于是在碳中和的电力系统中，要对波动的风光电进行调节，即补偿和消纳，于是就在电力系统增加了一个部分——智慧能源系统。智慧能源系统中有四大金刚，我们将在后面详述。
光伏的发电成本一直在快速下降，预计到2025年左右会在全国的范围内低于煤电，在2030年以后远远低于煤电。从发电成本的角度看，10年后，风光电可以全面取代煤电。
在德国，可再生能源电力在总发电量中所占的比例，已经从2002年的不到8.6%，发展到2020年上半年的55.8%。2019年上半年，波动的风光电在德国的总发电量中占34.8%。而在2020年上半年，就增加到了42%，而煤电+核电的发电量在德国的总发电量中现在仅占43%。
这是2020年6月27日~7月6日德国各类电源的发电出力和用电总负荷的变化曲线。
从图中可以看出在碳中和电力系统中的问题，就是可再生能源的发电出力随天气波动，而不能自行与电力需求吻合。两者出现巨大的差异。
这张曲线图描述了在未来德国的电力系统中除了可再生能源供应的电力之外，要满足德国的电力需求还需要多少额外电力。到了2050年，60%的时间需要额外电力，最大值为约50GW。在另外40%的时间里，则是可再生能源电力 过剩，发电出力过剩的最大值可达70GW左右。
这就需要有不使用化石能源的技术方法，在可再生能源发电出力不足时提供额外的电力，在可再生能源发电出力过剩时消纳掉过剩的电力。而不使用化石能源补偿和消纳可再生能源电力的方法，就被称作智慧能源。
1） 更大更灵活的电网，可将不同区域的电力和需求之间的差别通过电网在地区间进行调节。
3） 电力用户侧的需求响应：可再生能源发电出力不足时，少用电；反之，多用电。
4） 储能：在可再生能源发电出力不足时，充电；反之，放电。特别需要说明的是，智慧能源主要是能源技术，而云大物区智（即云计算、大数据、物联网、区块链、人工智能）仅仅是应用这四大能源技术时的辅助手段。
在碳中和的能源世界中，没有了化石能源，而替代化石能源的，就是这三个部分。
其中，由于可再生能源的成本不断降低，因此在能源系统中，智慧能源的总成本会超过可再生能源的成本，因而也会成为今后能源领域的投资重点。
例如，啤酒冷藏发酵温度规定为1.0±0.5℃，每吨啤酒，利用1.0℃的温差，可存储大约1.162千瓦时/吨的制冷量，合约0.3千瓦时的电力。在低谷电价时段，增大制冷能力，将啤酒的冷藏发酵温度降低至规定的下限。在高峰电价时段，减少制冷能力，允许啤酒的冷藏发酵温度回升至规定的上限。
德国啤酒厂冷藏发酵罐存储的啤酒量为大约1,500,000吨，等于可存储大约450,000千瓦时电力。几乎不用投资。而存储450,000千瓦时电力的蓄电池储能电站按现在的市场价格需要大约7.2亿元的投资。
储热储冷：电转热/冷后储热/冷，变相储电。储能成本最低。但不可逆，只能用于消纳。存储器的成本为30~300元/千瓦时热/“冷”能。用大地亦可作为季节性的储冷和储热容器，成本更低。
退役电动汽车动力电池。系统成本可低至1000元/千瓦电能。退役的电动汽车蓄电池，除了作为储能电站的蓄电池外，没有其它用途，因此退役蓄电池的价格会降到用其蓄电划算为止。
电动汽车，主要用于消纳，几乎无成本。并可在急需电力时提供补偿——成本较高。
未来电动汽车和退役电动汽车电池的动力几乎可以满足电力日波动的补偿和消纳。因此未来电力的日波动的消纳和补偿，没有什么可担心的。
可以看到未来的储能能力可以满足需求。只不过需要去做。需要体制改革的刺激。譬如更大的峰平谷电价差，用户侧消纳响应激励政策（现在仅有用户侧补偿响应的激励政策——虚拟电厂）。
蓄电池的单位能量存储成本较高，而单位功率的成本较低，因此适合作为日波动的调节储能方法，而不适合作为季节储能的方法。
由于氢气可大量低成本存储，同时，氢燃料电池的单位功率成本下降得很快，不久的将来会远远低于燃煤发电和燃气发电的单位功率成本，因此要求有季节性消纳和补偿的电源主力将会是氢燃料电池。即：在可再生能源电力过剩时，用电力电解水制氢；而在电力不足时，用氢燃料电池发电。
未来氢燃料电池的单位功率成本会远远低于燃煤和燃气发电机组。而在碳中和时代的补偿电源运行的时间比现在短得多，在大量使用电动汽车退役电池作为日波动调节的主要调节手段的情况下，再配合其它的智慧能源手段，未来补偿电源主要用于季节性的电力波动补偿，补偿电源的运行时间估计不到1000小时。 每年如此短的运行时间，氢燃料电池的发电成本就会低于燃煤和燃气发电机组。
中国的风光电波动调节权力集中在电网。在用户端，电网通过电价机制（包括用户侧响应）激励风光电的补偿和消纳，但力度和灵活性远低于德国的电力市场。在发电公司端，现在电网是通过调度的权限来进行调节，而不是通过价格机制，因此各个发电公司及利益相关方向电网施加压力，要求多发电。电网难于按宏观经济规律调节。
下面介绍德国城市智慧能源园区的成功示范——德国欧瑞府（EUREF）能源科技园：
- 位于德国首都柏林的欧瑞府（EUREF）科技园是一个碳中和园区，其中超过一半的二氧化碳减排是通过提高建筑能效；其余不到50%的二氧化碳减排是通过使用可再生能源，其中70%左右的能源是波动的风光电，30%左右是沼气热电联供。
- 基于建筑能效提高，电转热/冷并用建筑物和储热/冷罐存储，电动汽车参与波动风光电消纳，退役电动汽车动力电池储能电站和沼气热电联供的微型综合智慧能源网。
- 这个碳中和园区是2008年是时任德国能源署的署长科勒先生领导设计开发的。2014年实现了2050年德国的能源转型目标。即：2050年的德国能源世界，您今天见得到。
- 这个项目是可持续碳中和项目，可持续的含义是没有要国家一分钱的额外补贴，因此有推广价值。
欧瑞府这样的综合使用智慧能源方法的碳中和园区是未来实现碳中和的重要模式。
下面我们看一下另一个重要的用能领域——工商业领域。这张图中，描述出了德国在工业界二氧化碳减排中的关注要点：
- 电机能效的提高。电机的能耗占工业领域能耗的50%以上（不包括电热装置）。主要的电动机械是四大机械：水泵，风机，空气压缩机，制冷压缩机。
- 外部。例 1：汉堡的铜冶炼工厂将余热输入到城市热力网中。例 2：建议在新邢钢附近建立一个利用邢钢余热的工业园，入园企业如：利用废纸箱作为原料的造纸/纸板厂。
- 生产工艺要适应使用廉价的波动的风光电——自工业革命以来从未有过如此廉价的能源。
工商业节能的重点之一——电动机械节能。电动机械电耗占工商业领域的总电耗的约70%。而水泵、风机、制冷压缩机和空气压缩机这四大电动机械的电力消耗又占电动机械电力消耗超过总电耗的约70%。因此，四大电动机械的电能消耗占整个工商领域用电的50%，于是其节能/能效提高就是工业节能的重中之重。
-对于那些运行时间较长的电动机来说，在整个生命周期中，用电的成本远远高于购买电动机的成本，因此要特别注意电动机的效率。电机效率的差别最大可达10%左右。在整个电动机的生命周期中，电动机效率造成的电力费用支出差别，可能几倍与采购电动机的成本。所以要采购电-机转换效率尽可能高的电动机。
-在一个封闭的水系统中（采暖循环水、循环冷却水，空调冷冻水），流速与能耗的关系是3次方的关系，流速降低1/2，则能耗降低约7/8。所以在水的需求量下降时，应及时调整流量（例如通过变频器）。动力传动装置（如减速齿轮箱）的能耗很可观。使用用磁电机驱动水泵，可节省动力传动装置的能耗。因此尽量用调节水泵的调速来调控流量，尽量减少调节阀门的使用，让水的流动流畅。
-减少漏气，利用余热。这两项领域的节能潜力平均可达压缩空气用能的50%左右。
-其它的节能手段：减少空载，合适的功率匹配，水的排除，畅通的管道，合适的压力，减少压降损失，合适的干燥方法，防止压缩空气的误用。
低温余热可作为热泵的热源，用热泵升温。全年供热水，冬季供暖。德国的计划，余热回收利用率要达到50%左右。
中国北方工商业的余热量，超过中国北方冬季供暖的能量需求。因此用工商业余热供暖，是中国工商业余热的一大应用领域。这样，既能消除中国北方冬季燃煤采暖排放的大气污染物，又能减少燃煤产生的二氧化碳，还能降低采暖成本，可谓一举三得。
在交通运输领域，估计在2030年左右，超过一半的新造汽车是车蓄电池和燃料电池电动汽车。蓄电池电动汽车的能源效率高、能量转换成本低，但蓄电池的能量密度低，将成为短途轻载汽车中的主流技术；而氢能的能量密度高，因此未来将成为长途重载汽车中的主流技术；在长途轻载和短途重载领域，这两种技术的竞争会很激烈。
1立方米氢气的热值为3.5kWh；燃料电池的最大能效为62%，平均达52%左右，于是产生1.8kWh的电能；1升汽油的热值是9kWh左右，汽油发动机的转换效率为30%左右，于是产生2.7kWh的机械能；于是，1.5立方米的氢气顶1升油。
燃料电池的成本正在急剧下降，预计成本从现在的约8000/千瓦下降到2025年的1000/千瓦。电解氢的成本现在较高，加氢站的售价为约5元/立方米，相当于油价为7.5元/立方米。2030年预计为1.2元/立方米左右，相当于油价为1.8元/升。
氢能可以完全国产，因此能源供应安全有保障。氢能使用时几乎不产生空气污染。
- 用途：第一级：精细生化产品的原料药品，保健品，食品，化妆品，染料，其它生物产品的原料。第二级：食品：如：人造肉；牲畜饲料。替代美国进口大豆。第三级：能源：从藻油中提取高值化学品（如DHA,EPA,Omega-3等）之后，将藻油制备成生物柴油，可供航空发动机使用。提取了藻油和蛋白质后，剩余物可制备生物甲烷。
- 产量：5~10吨/亩，即：10,000~20,000斤。亩产万斤不是放卫星、不是造谣、不是梦。 - 中国有约264万平方公里的荒漠化土地，若利用其中的8%，用20万平方公里、即3亿亩土地，可生产15亿吨的微藻——是现在中国粮食总产 量的两倍。从中提取高值化学品后，每年可制取：
- 6亿吨蛋白质，可供生产食品和牲畜饲料，一举解决我国的粮食 问题；
- 约3亿吨碳水化合物可制取约600亿立方米生物甲烷或3000万吨氢气。
- 先做工期较短的项目，后做工期较较长的项目。 碳中和领域未来的投资重点：
- 综合智慧能源系统（例：欧瑞府）。-氢能产业链的技术：制氢；氢能的物流；用氢。
- 现有生物质的高价值利用（制燃料）和新生物质的开发（微藻）。-可再生能源发电技术的继续进步，成本继续下降。例如：-叠层光伏组件；
- 农田光伏——在基本不影响农作物产量的前提下（德国已经进行了成功的实验）；
有很多人担心，煤炭、石油和天然气退出能源的历史舞台，就会造成这个领域的经济衰退，对于产煤、产油大省，会带来很大的经济困难和社会问题。
但这些人想到没有，煤炭退出能源的历史舞台，是需要用提高能效、可再生能源和智慧能源替代，能源供应和服务并没有衰退。
而石油和天然气退出能源的历史舞台，使得中国每年可节省进口石油和天然气的约2000亿美元外汇。替代这部分的能源供应，需要增加国内的可能源供应。因为不再进口石油和天然气，也免去了中国对石油和天然气供应的安全忧虑。不用担心冬季闹气慌导致建筑采暖温度降低。
由于不燃烧化石能源，大气污染问题也得到了彻底的解决。当然还实现了碳中和。因此，碳中和对中国的利，远远大于弊。
结论：中国实现碳中和，机遇大于挑战，估计会早于2060年不少年！愿大家迎接挑战，发现机遇！