如何加速印度摆脱煤炭的转型

日益增长的威胁全球变暖需要每个国家现在就行动起来。问题是任何一个国家应该做多少。

印度在世界上排名126位人均二氧化碳排放量欧盟2020年的一份报告显示。有人可能会说，扭转全球变暖的责任应该落在发达国家身上，因为发达国家的人均消费量要高得多能源排放的气体明显更多温室气体．然而，印度的排名世界第三在温室气体排放总量中第二大人口和被能源消耗第三大．

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随着印度的GDP和人均收入持续攀升，其能源消耗也将随之攀升。例如，2018年只有8%的印度家庭有空调，但这一比例确实很高到2050年可能会上升到50%．这个国家的电力消耗2019年是1990年的近6倍。温室气体排放肯定也会增长，因为印度的能源生产主要是化石燃料——用于发电的燃煤电厂，用于工业取暖的燃煤和燃气炉，用于烹饪的液态石油气，以及用于运输的汽油和柴油。

化石燃料占主导地位，尽管现在世界上许多地方的可再生能源发电花费更少比以化石燃料为基础的电力。在印度，老式燃煤电厂的电力成本为每千瓦时2.7美分，拥有额外污染控制设备的新电厂为每千瓦时5.5美分，而太阳能的成本已降至每千瓦时2.7美分，风力发电的成本已降至每千瓦时3.4美分。随着可再生能源越来越便宜，装机容量已经增长到110千瓦．这相当于产能的27%相比之下，煤炭的份额为52%。政府的印度有设定450吉瓦的目标的可再生能源产能。

但就能源而言生成的在美国，印度的可再生能源仍然不足。2021年，该国约73%的电力来自煤炭只有9.6%来自太阳能和风能。这是因为太阳能和风能不是24小时可用的，所以装机容量的利用率只有20%到30%。对于煤炭，产能利用率可以高达90%。

随着可再生能源产能的增长，大幅减少电力结构中的煤炭的唯一方法是增加储能。尽管一些较新的太阳能发电厂和风力发电场正在建立，并拥有大量的电池存储，但这些投资可能需要几十年才能产生重大影响。但印度还有另一种方法可以更快地实现其脱碳目标:将可再生能源的推广重点放在印度的商业和工业部门。

印度有大约4万个商业综合体，包括办公室、研究中心、购物中心和餐馆。它们加起来消耗了全国8%的电力。预计到2030年，此类综合体的总占地面积将比2010年增加两倍。为了吸引租户，这些综合体的管理者喜欢把自己的物业设计成可再生能源的使用者。

距离IITM研究园区500公里的2兆瓦太阳能发电厂为该建筑群提供专用电力。一个正在建设的2.1兆瓦风力发电场将通过类似的安排为IITMRP供电。IIT马德拉斯

与此同时，印度的工业部门消耗了全国约40%的电力，如果能看到明显的投资回报，许多工业运营商也会乐于采用更大比例的可再生能源。

目前，许多这样的建筑都使用屋顶太阳能，但有限的空间意味着他们只能通过这种方式获得一小部分能源。然而，这些相同的综合体可以利用印度提供的一种特殊的动力传输和“轮子”政策。在这种安排下，一家独立的发电公司为多个客户建立太阳能或风力发电厂，每个客户投资其所需的容量。在印度，这种方法被称为群体-圈养模式。发电站将电能注入电网，然后利用电力公司现有的输电和配电网络，将等量的电能立即输送给客户。一个综合设施可以增加能量储存，以节省任何多余的电力供以后使用。如果有足够多的商业、工业和住宅综合体采用这种方法，印度就可以迅速摆脱燃煤发电，用可再生能源来满足更大比例的能源需求。我们在马德拉斯印度理工学院的团队一直在开发一个试点项目，以展示商业综合体如何从这种方法中受益。

商业综合体被称为IITM研究园区位于金奈的IITMRP占地11万平方米，为250多家公司配备了研发设施，其中包括约150家初创公司，拥有约5,000名员工。它每个工作日平均使用40兆瓦时的电力，或每年约120吉瓦时。在校园内，有1兆瓦的屋顶太阳能，提供约10%的IITMRP的能源。该综合体还投资了2兆瓦的自备太阳能发电和2.1兆瓦的自备风力发电，这些电力将被输送进来。这将使可再生能源的使用率在大约三年内提高到近90%。如果当地电网出现故障，该园区还有备用柴油发电机。

当然，太阳能和风能的发电量每分钟、每一天、每一个季节都是不同的。总发电量很少能完全满足IITMRP的需求;它通常要么超出需求，要么供不应求。

为了接近100%的可再生能源，该建筑群需要储存一些风能和太阳能。为此，该综合体正在建造两种互补的能源储存。第一个是2兆瓦时750伏的直流锂离子电池设施。第二种是容量相当于约2.45 MWh的冷冻水存储系统。这两个系统都是在IITMRP设计和制造的。

电池系统储存的电能可以在任何需要的地方使用。冷冻水系统有一个特殊但至关重要的功能:它有助于冷却建筑物。对于金奈这样地处热带气候的商业综合体来说，近40%的能源都用在了空调上，这很昂贵。在IITMRP系统中，中央供暖、通风和空调(HVAC)系统将水冷却到约6°C，然后循环到每个办公室。一个300立方米的地下水箱储存冷冻水，可在约6至8小时内使用。之所以持续时间较短，是因为水箱内冷冻水的温度每2小时上升1℃左右。

IITMRP的冷冻水系统为该建筑群提供空调。水被冷却到约6°C，然后储存在这个300立方米的地下水箱中，以便以后循环到办公室。IIT马德拉斯

冷冻水系统的换热能力为17,500兆焦耳，如前所述，这相当于2.45兆瓦时的电池存储。端到端的往返能量损失约为5%。与电池系统不同的是，你可以每天多次“充电”和“放电”冷冻水箱，而不会减少其使用寿命。

尽管能量储存考虑到综合设施的资本成本，我们的计算表明，它最终降低了电力成本。场外太阳能和风力发电场分别位于距离IITMRP 500公里和600公里的地方。输送到园区的电力成本包括5.14美分/千瓦时的发电(包括传输损失)以及0.89美分/千瓦时的传输和配电费用。此外，供应太阳能和风能的公用事业公司在用电高峰期间收取电费。平均而言，这种需求费用约为1.37美分/千瓦时。因此，交付给IITMRP的太阳能和风能的总发电成本约为7.4美分/千瓦时。

还有一个与能源储存相关的成本。由于进入园区的大部分可再生能源将被立即使用，只有多余的需要储存起来——根据我们的估计，大约占总量的30%。

因此，24小时可再生能源的平均成本为9.3美分/千瓦时，考虑到折旧、融资和存储生命周期内的运营成本。未来，随着储能成本的持续下降，即使产生的能量有一半用于储能，平均成本仍将保持在接近9美分/千瓦时的水平。随着利率、太阳能和风能成本、输电和需求费用的下降，总能源成本可能会进一步下降。

目前，9.3美分/千瓦时的电价与IITMRP支付的常规电网电价(约15美分/千瓦时)相比相当优惠。这意味着，通过精心设计，该综合体可以接近100%的可再生能源，并且仍然可以节省大约三分之一的能源成本。请记住，印度的电网电力主要来自燃煤发电，因此对于IITMRP和其他商业综合体来说，使用可再生能源加上存储对环境有很大的好处。

IITM研究园区的锂离子电池设施储存了多余的电力，供太阳下山后或风力下降时使用。IIT马德拉斯

印度工业和住宅综合体的电价较低，因此这种方法的成本优势在这些环境中可能不那么明显。但可再生能源也可以成为这类综合体的一个卖点——他们知道许多租户喜欢把他们的企业或家设在绿色的综合体里。

尽管IITMRP是一年一度的消耗约为12吉瓦时，能源使用量或负荷每月略有变化每月，从970到1100兆瓦时。同时，产生的能量圈养场外太阳能和风力发电厂和屋顶太阳能发电厂将有很大的不同。的上面图(“IITMRP的月负荷和可用可再生能源”)显示估计每月产生的能量和每月负荷。

很明显，在5月和7月有一些多余的能量，而在其他时间则是整体的能量不足。在10月、11月和12月，由于风力发电在这几个月往往是最低的，因此赤字是相当大的。按年平均计算，赤字为11%;换句话说，我们所描述的安排将允许IITMRP从可再生能源中获得89%的能源。

为了实现100%的可再生能源，任何多余的能源都必须储存起来，然后再用于弥补可再生能源的不足。当能源赤字特别高时，进一步促进可再生能源使用的唯一方法是增加另一种发电来源，或者增加能够储存数月能量的长期能源储存。IITMRP的研究人员正在研究其他可再生能源的发电来源，包括海洋、波浪和潮汐能，以及长期能源储存，如锌空气电池。

在一年中的其他时候，这个建筑群可以用少量的短期存储来应付。有多少存储空间?如果我们在一个典型的工作日中，以小时为单位查看所产生的能量和负载，我们会看到总日负载通常与总日需求相匹配，但有少量的盈余和赤字波动。这些波动代表了必须进出存储的能量量。在下图(“IITMRP的日负荷和可用可再生能源”)中，累积赤字峰值为1.15 MWh，盈余峰值为1.47 MWh。因此，在一年中的大部分时间里，2.62兆瓦时的存储容量应该可以确保没有能源浪费。

对于像IITMRP这样大的综合体来说，这是一个令人惊讶的适度存储量。这是可能的，因为在一年中的大部分时间里，负荷遵循类似于可再生能源产生的模式。也就是说，在太阳出来的几个小时内，负荷达到峰值，因此大部分太阳能被直接使用，少量多余的太阳能被储存起来，待太阳下山后使用。在晚上和晚上，当风力足以满足大部分综合设施的需求时，负荷下降，剩余的电力再次储存起来，待第二天需求回升时使用。

在周末，需求当然要少得多，所以更多的多余能量可以储存起来，以备日后在工作日使用。最终，该建筑群的锂离子电池储能将扩大到5兆瓦时，以利用剩余的能量。电池加上冷冻水系统将确保有足够的存储空间来处理工作日的大部分时间的不足和过剩。

如前所述，印度有大约4万个像IITMRP这样的商业综合体，预计这一数字将迅速增长。为每个综合设施部署能源存储，并采用太阳能和风能，在经济和环境方面都有意义。与此同时，随着储能成本的持续下降，工业综合体和大型住宅综合体可能会采用类似的方法。在相对较短的时间内——几年而不是几十年——印度的可再生能源使用率可能会上升到50%左右。

在实现这一公认的雄心勃勃的目标的过程中，该国的电网也将受益于这些综合设施内的分散能源管理。这些综合设施通常会满足自身的供应和需求，使电网保持平衡。而且，随着数以千计的电站部署了兆瓦级的固定电池和冷冻水存储设备，该国的储能产业将得到极大的推动。鉴于政府致力于扩大印度的可再生能源容量和使用，我们在IITMRP试点的方法将有助于加速推动所有人获得更清洁、更绿色的电力。

本文发表在2022年7月的印刷版上，题为“让印度摆脱煤炭”。