中国能源可持续发展战略

杜祥琬：中国能源可持续发展的一些战略思考(2) 　　一、能源形势与挑战 　　世界能源消费由发达国家主导，开始向发达国家与发展中国家共享市场、发展中国家的份额逐步上升的格局发展。但发达国家在优质能源(油、气、核电等)消费中，仍占主要份额，且人均能耗仍远高于发展中国家。世界化石能源的供需平衡，只能满足全球能源需求的低速增长，世界化石能源资源进一步趋紧。资源和环境制约、全球气候变化等因素，对传统的世界能源格局提出挑战，能源利用将进一步向节能、高效、清洁、低碳方向发展，在今后几十年内，世界能源结构将发生重大变化，进入油、气、煤、可再生能源、核能五方鼎立的格局。世界各主要国家纷纷调整战略，能源新技术成为竞相争占的新的战略制高点，以争取可持续发展的主动权。我国需要在世界能源环境中寻求最优的能源发展战略和路线。 　　改革开放三十年来，我国经济持续高速增长，成就举世瞩目。能源消费也随之增长，能源行业的一系列改革，使能源供应能力大幅提高。本世纪以来，能源供应紧跟需求拉动，出现超高速增长，我国会很快成为世界第一能源消费国。如果我国能源消费保持前几年平均8.9%的增速，则2020年我国能源消耗将达79亿吨标煤，占目前世界能源消耗总量的一半；即使能持续实现每五年GDP单耗下降20%，但继续保持9%的年经济增长，2020年我国能耗也将占目前世界能耗的三成。显然，这种经济增长方式将受到能源资源的严重制约，能源发展趋势必须进行重大调整。为支撑经济社会的科学发展，必须对化石能源消费提出必要的总量控制目标，统筹发展的速度、产业结构和消费模式。 　　我国能源效率偏低。我国GDP占世界生产总值的7%，却消耗了世界能源消费总量的17.7%。原因是目前增长的内容过多依靠固定资产投资和出口拉动使高能耗产业过快增长，产业结构不合理；同时用能装备能效低，煤炭比例高，能源系统效率低。 　　粗放的能源开采与利用导致了严重的环境问。大气、水、土壤都为经济增长付出了环境代价，随着工业化、城市化进程，环境压力会更大，而随着生活的改善，人民的环境诉求不断提高，要求能源优质化、洁净化。无论对气候变化问题有多少争议，我国能源走向绿色、低碳都是必须的。 　　资源和环境代价过重、结构不良、效率偏低和能源安全是我国能源存在的主要问题，也是对可持续发展的挑战。同时，我国能源也面临着难得的历史机遇：多年的发展不仅打下了经济和科技的基础，也深化了人们对科学发展观的认识；党中央、国务院进一步强调加快发展方式的转变并采取一系列重要措施，国家成立了能源委员会；节能减排开始取得进展；可再生能源、核能和天然气等洁净能源发展潜力大。在科学发展观的指导下，制定可持续发展的能源战略，正当其时。 中国能源可持续发展六大战略(本周聚焦) 　　□国家发展委员会能源研究所 周大地 　　能源既是重要的必不可少的经济发展和社会生活的物质前提，又是现实的重要污染来源。解决好我国的能源可持续发展战略问题，是实现我国社会经济可持续发展的重要环节。中国的可持续发展能源战略至少应考虑两方面的内容，其一是如何确保经济合理的持续的能源供应和高效使用能源，同时解决和能源过程有关的环境问题。 一、长期坚持节能优先战略 20世纪八十年代以来，面对改革开放带来的经济高速发展态势，能源供应难以满足迅速增长的需求，节能受到必要的重视，节能取得了显著的成绩。市场经济初步建立以来，能源供需关系出现了重大的变化。能源价格经过改革调整，已基本反应了市场的能源边际成本。能源相对价格水平已经不低，有效的引导了市场条件下的能源消费，盲目性生产基本消除。企业竞争促使成本下降，降低能源成本成为许多产品增强市场竞争力的重要内容，节能的微观经济性成为关键驱动力；产业结构的调整和变化，以及市场对企业生产的硬约束，带来了明显的节能效果。 在新的市场条件下，解决能源短缺已不是节能和提高能效的驱动力。一些能源供应部门反而出现了由于供应能力过剩而要开辟新的消费市场，以刺激能源消费的动机和做法，力图争取更大的市场份额和经济利益。 为了经济发展的目标，必然要鼓励终端消费包括能源消费的扩张，鼓励新的消费以拉动需求，包括新的用能途径，其中建筑用能、交通用能的上升将比较明显。 另一方面，对能源部门的经济效益和相关社会问题的关注和实际影响，大于节能的呼声。对长期的能源平衡和能源安全的关注难以和短期的、直接经济运行的利益取向有机地联系起来。 原有节能管理体系及机制的功能和效果受到挑战。由于能源供需的形势发生变化，控制供应的节能管理方式已不起作用。政府在投资和项目设定方面的直接控制力减弱，直接用于节能项目的财政支持数量甚微。随着政府机构的改革，能源和节能主管行政编制大幅度减小，20世纪八十年代以来建立起来的能源和节能管理组织体系的许多部分已经不复存在。新的节能管理体制有待在新的市场条件下在政府职能中进一步确定和落实。 中国能源效率的提高不能单纯依靠市场机制。市场约束和产业升级仍将在相当一段时间内起到提高能效的促进作用，使按GDP的计算的能源消费效率提高。 加入WTO以后，中国的劳动力成本可能还将在相当长的一个时期内保持竞争力，但资源性的成本，包括土地的价格，特别是能源的成本将不具有竞争性。 如上所述，中国可能还要经过二三十年的努力，才能在能源技术的平均水平上，赶上国际先进水平。 可以预见，如果中国真正能够实现在下世纪中叶达到现代化的目标，中国将会面对重大的能源挑战。使中国的能源效率提到一个没有先例的高度，光靠市场经济的自发作用，是远远不够的，必须在政策介入方面找到新的途径。在现阶段，提高全民的资源忧患意识，在市场经济的自然作用之外，采取适当的政策措施仍然十分必要。除信息、标准、技术推广等措施之外，还要进一步考虑长期的能源价格政策。同时，推动环境保护，也是节能的重要驱动力。中国还要及早考虑可持续发展的消费方式的设计和引导实施。没有这些努力，就难以实现有中国特色的现代化。长期坚持节能优先必须成为中国可持续发展能源战略的一个重要基本点。 二、适应终端能源需求的变化趋势， 实现能源结构的转变，加快发展天然气 中国长期以来能源结构以煤为主，是造成能源效率低下、环境污染严重的重要原因。近年来终端能源需求的结构和总量变化，以及以中心城市为开端的环保要求，使优化一次能源结构成为能源发展的重要趋势。 但是，石油进口的快速增长，加之国际油价在去年在大幅上扬，使能源供应保障问题受到多方关注。天然气的开发利用，需要重新大规模建设天然气的长距离输运基础设施。对天然气成本和价格的估计引起了对未来相关能源成本的激烈讨论和担心。优化能源结构能否实现仍然有着不确定性。 当前和今后几十年内，石油和天然气仍将是世界范围的主要能源。特别是天然气的发展方兴未艾。天然气的利用不仅有很好的环境效果，建立在天然气基础上的能源技术，也是当前和今后长时期内能源效率最高的技术。我国的天然气基础比较薄弱，在形成天然气基础设施网络的时期，需要大量的投入和政策支持。十五期间正在实施的西气东送工程意义重大，天然气基础管网一旦建成，将带动天然气开发的进程，可望使天然气的实际成本明显降低。在天然气的发展问题上，需要国家的支持和协调。 三、从实际出发，实施煤炭的清洁利用 优化能源结构和充分合理利用我国的煤炭资源并不矛盾。在能源结构优化的过程中，煤炭必然将退出一些使用领域，但是煤在中国能源中的地位仍然将十分重要。目前我国煤炭的使用技术和方式与可持续发展的社会经济发展目标有很大的差距，是我国环境污染的主要来源。在可持续发展能源战略中，煤炭的利用，首先要解决相应的环境污染问题。 从世界能源系统的发展趋势看，未来煤炭的主要应用途径仍然是发电。在有天然气可以利用的地方，天然气燃气蒸汽联合循环技术可以达到更高的发电效率，也有更好的环保性能。但是只要采取适当的措施，燃煤电厂仍然可以做到清洁发电，效率的提高也还有较大余地。从中国的实际情况出发，煤的清洁利用首先要解决的是落实目前直接燃煤的大气污染问题。其中，燃煤电厂的脱硫问题应该首先予以解决。燃煤电厂脱硫技术是十分成熟技术，现在是干不干的问题。目前煤炭供应过程和转换过程中，有大量可以立即行动而且对煤炭的清洁利用有明显实效的事情可做。如煤炭的筛选和洗选，更加合理的煤质管理和配送，型煤的利用，水煤浆利用等等，都大有潜力。 煤炭的气化和液化有可能作为远期技术储备。有必要认真比较先进的燃煤发电技术和将煤炭转换成或液体燃料后再用于发电的效率、环境影响、以及经济性。至少在相当时期内，先进的燃煤发电技术还将有很大的竞争力。如果考虑以煤为原料提供液体或气体燃料的话，则必须全面分析评估其经济可行性，还要考虑全过程的环境影响。除此以外，还必须考虑能源系统的总体效率。另一方面，越来越迫近的全球气候变化的限制因素，将使煤炭的使用逐渐受到碳排放的严重制约。这些因素在煤炭的气化和液化技术开发和未来应用时必须充分予以考虑。 四、系统考虑电源结构， 水电、核电要实施长期的发展计划 中国的石油和天然气资源相对人口而言十分有限。在未来的终端能源消费结构中，电力的比例将不断扩大。和石油和天然气相对便宜的国家相比，中国有可能必须使电力在终端能源的中的比例高于这些国家。对发电能源结构要有长期的规划，避免临时和缺乏系统规划的选择。 首先要尽量利用水力资源。中国水力资源丰富，目前利用率很低，发展潜力巨大。水电项目可以很好的和防洪、抗旱、农业灌溉结合起来，取得更大的综合社会经济效益。当然，水电大坝的建设可能存在对流域生态环境的影响，需要在大坝设计和建设时给予充分和恰当地考虑。采取必要措施，使这些不利影响减到最小。和煤炭生产、运输、发电过程中产生的种种环境问题比较起来，水电是一种对环境和生态影响小得多的清洁能源。如果把水电的巨大综合社会经济效益考虑在内，发展水电的优越性就更加突出。十五规划提出的西电东送，为开发水电提供了更好的机遇，应当加强实施，消除各种体制上的障碍，使我国的水电发展能够长期、稳定地得到较快的发展，避免出现新的反复。 在考虑是否发展天然气发电时，不但要在不同电源中进行综合比较，还应该对同一能源的不同使用方向的合理性进行比较分析。天然气是否应该用来发电，不仅要和煤电比，更要考虑在我国天然气资源相对不足的长期条件下，是否首先应用天然气替代大量中小燃煤锅炉窑炉。从环境保护的角度来看，要使中小型锅炉或窑炉能达到较高的污染排放控制水平是十分困难的，相对而言，电厂排污控制则可行得多。为了实现我国能源的可持续发展，必须尽快解决现有的一些体制性障碍，使资源的配置符合全社会环保效果最大化和成本最小化的原则。 核电是一种可靠的清洁的能源，核电的安全性已经达到很高的水平。在现有技术条件下，核废料的处理也可以得到妥善的解决。和燃煤电厂实际带来的环境和人身安全问题相比，核电的优越性是十分明显的。发展核电符合我国实现可持续发展能源战略方向。应把重点放到经济性以及安全性的选择上来，通过引进和国产化，使核电产业尽快达到经济规模，使核电的成本降下来。以实现核电发展的长期目标。 五、推动环境保护，为可持续发展能 源战略的实施创造必要的外部条件 环境保护是可持续发展的一个基本点，也是推动能源技术发展的基本动力之一。 当前在发达国家，环境保护要求已经成为决定能源结构，从而决定能源成本的重要因素。我国的环境保护将在今后逐步成为能源结构选择的越来越重要的因素，能源结构的清洁化，对能效的提高也有很大的推动作用。 为了实现可持续发展的能源战略，应该在能源发展的各个环节充分考虑环保的需要。能源基础设施庞大，使用期很长。能源系统一旦建成，改变起来不但成本很高，还要用几十年的时间。所以在能源建设中不但要考虑环境保护现在的要求，而且要充分预见今后的环境要求。 六、做好可再生能源 发展的战略安排 中国在可再生能源发展方面做了很多工作。过去的重点放在解决农村和边远地区的能源供应上。近几年来，现代商品化可再生能源逐渐成为发展的重点。其中，太阳能热水器已形成规模市场，大型风力发电也有多种示范。但总的说来，商品化可再生能源的发展仍然十分有限。 随着农村经济的不断发展，以及城市地区扩大了对农村地区的经济辐射作用，农村地区从传统可再生能源向商品化石能源的转换步伐加大。特别是在经济发达地区和城市周边地区，农村能源商品化的比例已经不小。但是目前的现代可再生能源技术还不能适应这个转换过程，或是技术不够成熟，或是成本太高，难以和传统的化石能源竞争。中国发展可再生能源必须考虑农村发展的要求。我国城市化的过程还要持续几十年。我们不可能要求农民长期使用落后的传统可再生能源，也不可能让农民一下子跳越到比商品化石能源还贵的现代可再生能源系统上去。我们必须在借鉴先进再生能源技术的同时，自主开发适合于国情的技术。这不仅对我国是十分有益的，而且可以为很多发展中国家提供新的选择。 中国的电力系统发展迅速，扩张势头还要保持许多年，为现代可再生能源的发展创造了潜在的可观的市场。在推动现代可再生能源发电应用时，应充分考虑可再生能源发电的环境效益，使其环境外部性能够反映到合理的电价体系中来。在不考虑环境成本条件下，可再生能源很难和传统化石能源相竞争。 对风电等可再生能源发电提供优惠政策，要对各种政策的经济成本和效益进行详细的分析和评估，特别是应对支持政策条件下风电等可再生能源发电技术成本下降的可能潜力和进度要有具体分析。这种分析必须结合我国的风电产业的发展实际。另一方面，对大水电等影响重大的可再生能源也应重点考虑，综合协调。这样，才有利于有效推动我国的可再生能源事业的发展。 几个无法改变的现实 我国的能源现状与战略对策 一、引子 　　近年来能源及与之相关的环境成为全世界各国最为关注的热点，各国都在从自己本国的国情出发来解决能源与环境问题。对我国来说，由于人均能源资源短缺（尤其是油、气、水），环境容量（亦是资源）有限，西部生态脆弱，这个问题尤为严重，它将极大的制约我国的可持续发展以及为中华民族子孙万代生生息息留有生存空间。近年来，我国GDP每年以10％的速度发展，能源消耗急骤增加，环境、生态日益恶化。这种对自然无序的、掠夺性索取的发展模式已难以为继，实际上已造成当前十分严重的、不可逆转的后果，大自然的惩罚已经不断地凸现出来，并还要继续加重。在这样的严峻形势下，每一个能源领域的工作者，尤其是身上负有责任的各级政府官员，都要充分想到身上的重担。 　　二、几个无法改变的现实 　　——煤现在是、将来（直到2050年或更晚）仍是我国能源的主力，虽然煤在总能源（energymix）中所占的比例会逐渐下降（从75％下降到60％），但总量仍会不断增加。 　　——煤用于发电的比例会越来越大，从目前的50％增加到70％以上。 　　——煤的开采和直接燃烧已引起严重的生态和环境污染问题，70％―80％以上的SO2、NOx、汞、颗粒物、CO2等都是由于煤炭直接燃烧所引起的。 　　——由于我国石油短缺，车用液体燃料还是得从煤基替代燃料上找出路。我国2005年进口原油及其成品油约1.3亿吨，估计2010年将进口石油2.5亿吨，对外依存度将超过50％，这会引起一系列的能源安全问题。当然，煤炭对我国来说也是稀缺产品，但相对其他能源资源仍可“忍受”，若每年将煤炭产量的八分之一用于车用液体燃料（或甲醇，或二甲醚，或煤制油）的生产，从总的能源供应角度不会带来很大的不平衡。 　　前一个时期在我国广泛推广的粮食乙醇，从长远来看很难作为一个有份额的替代，因为我国的具体情况是：用世界上7％的可耕地来养活世界22％的人口，这是一个大前提。按现有的技术水平，3.5吨粮食做1吨乙醇，考虑到乙醇的热值，则5吨粮食做1吨汽油当量。此外还要消耗0.5―0.8吨的煤用于发酵和脱水。若有1000万吨当量汽油的替代，需用粮食5000万吨，是我国粮食总产量的十分之一强，这是不可能的。当然，可以考虑用木薯和甜高粱等其他作物来生产乙醇，或是用秸秆及其他纤维素来制造（目前技术还没有商业化），但后者存在着大规模收集与运输问题。 　　——在煤的直接燃烧条件下很难解决温室气体的减排，因为从电厂的大容积流量的烟气中收集浓度在13％―14％左右的CO2将耗费很多附加的能量，使发电效率降低10个左右的百分点。目前我国温室气体排放已居世界第2位，近年来还在不断的快速增长，如此下去在10年或略长一些的时间内将超过美国，居世界第一。 　　——可再生能源（主要是风能、太阳能和生物质能）在2020年以前很难在总能源平衡中占有一定分量的比例，这个情况和欧洲的其他国家在国情上有很大区别。一些欧洲国家，他们总能耗已经不再增长（或增长很少），可再生能源的发展逐步替代目前在用的化石能源。而我国却处于总能耗急剧增长之中，单是发电设备（其中主要是燃煤的发电），每年增长的装机容量是60―80GW，超过三个长江三峡。在这个高速增长量中，可再生能源所能起的作用是很有限的，更不用说去替代原有的化石能源消耗。譬如说，按国家规划，到2020年风力发电的装机容量将达30GW（是2005年的24倍），考虑到每单位装机容量的满负荷工作时间平均只有2500小时，则30GW的风电相当于火电12GW左右，也就是2020年我国发电总装机容量950―1000GW的1.2％左右。 　　三、面临的五个严峻的挑战 　　1.总量需求的巨大压力 　　从2000到2020年，国家规划全国GDP增长四倍，而能源消耗增长一倍，这意味着能源弹性系数应为0.5。但是最近三年，这个系数为1.3以上，即能源需求将远远大于规划。从发展趋势来看，我国工业已进入重化阶段，按世界各国发展的历史规律来看，能耗迅速增长阶段似不可逾越。问题是这么大的一次能源需求我们是否能够供应，其所引起的污染是否有足够的环境容量？怎么解决？ 　　2.液体燃料短缺 　　从上图看出，我国石油对进口的依赖度将从40％增加为50％和60％，能源安全如何考虑？如何加速石油的替代？我国的汽车工业、石化工业如何用创新的发展模式来适应这个形势？在车用替代燃料方面我国应以此为契机走出自主创新的道路。 　　3.环境污染严重污染物质主要是SO2、NOx、PM2.5-10、Hg和CO2，这些污染物的80％是由于化石能源的应用，尤其是煤的直接燃烧所引起。目前我国有30％—40％的地区（尤其是西南地区）出现酸雨现象，呼吸系统疾病不断增加。需要认真研究的是我国对这些污染物“可容忍”的环境容量究竟是多少？ 　　4.温室气体排放 　　目前全球每年排放250多亿吨CO2，空气中的CO2浓度，从工业化150多年以来，已从280ppm增至380ppm，目前以3ppm/年的速度增长。温室气体对地球将形成的灾难性后果，在经历了长期的争论后，全世界的学者已有共识。所以，全世界都在采取多种措施减排CO2，我国已于2002年成为“京都议定书”的第37个签约国。总的来说，作为一个负责任的大国，我国在不远的将来必然要承担一定量、甚至大幅度温室气体的减排任务。因而，从战略高度、从现在开始就应该认真考虑我国CO2如何分阶段减排的有关战略技术和政策问题，否则的话，在今后几十年我国将会为此付出更多的代价。 　　5.八亿农民及城镇化所需能源的供应 　　到目前为止，有相当数量的农民没有得到良好的能源服务，他们仍依赖当地的农业废弃物（秸秆、柴草等）作为主要能源，有些地方甚至仍在砍伐森林和破坏生态。此外，我国城镇化率以每年1％在增长，每年有将近一千万人口进入新的城镇。据统计，每个城镇居民人均所消耗的能源是农村人均的3.5倍。这部分份额巨大的能源应来自何处？怎样才能结合社会主义新农村的建设提供给广大农村和新建中、小城镇符合中国国情的现代化能源服务，以减少生态破坏，减少室内污染，提高农民生活质量……这是整体能源战略的重要组成部分。 　　以上这五点是我国能源面临的严峻的挑战，能源战略、能源科技、能源政策都应以解决以上五点为出发点和落脚点。 　　 　　四、若干个重要的战略对策 　　整个能源、环境问题是一个庞大的系统工程，牵涉到科学、技术、文化、历史传统、教育、外交、政治等方面，且这些方面是相互耦合、相互影响的。本文只是从技术层面提出若干个重要的战略对策，远远不能说明问题的全部，甚至所提到的科学、技术也只能是一个局部而已。 　　1.节能为本 　　我国虽然人均资源短缺，供应压力较大，但另一方面单位GDP的能耗强度（EnergyIntensity）很大，大约是日本的5—6倍，其原因是多层次的： 　　工业结构的原因。如高能耗、低附加值的产业；制造业缺乏自主创新，处于低端；第三产业不够发达…… 　　技术相对落后的原因。我国发电、水泥、炼钢、电解铝等的单位能耗都比先进技术低20％—30％。 　　政策方面的原因。节能往往是软指标，政策相互不配套，贯彻不力，统计混乱，一般号召多，落实少。用能企业、机关、个人没有真正节能的驱动力和意识。 　　传统习惯、文化、观念、道德层面的原因。 　　从某种意义上讲，人们没有把节能作为自己的行为准则，在消费模式方面不加选择地模仿西方，更有甚者以奢侈、豪华为荣。中央提倡的循环经济，资源节约型社会，多是在口号上跟得很快，表面文章多，政绩工程多，扎扎实实的实效工作少。 　　从科学技术层次考虑，节能有非常大的覆盖面，从基础研究到应用研究，一直到节能产品的研发和商业化推广，有大量的工作。例如，强化传热、传质，两相、多相流动，可再生能源（太阳能、风能、生物质能、地源冷热能，以及由这些能源应用组成的复合系统）的高效、合理利用，新型蓄能（热、电）装置，新型的热力系统，复杂工业系统的集成、优化…… 　　其实，节能本身就是一种能源，而且是最最“清洁”的能源，在这方面我国的潜力是极大的，这给广大的科技工作者、政策制定者提供了十分广阔的发挥聪明才智的天地。 　　2.煤的现代化利用 　　如前述，我国的一次能源在相当长的一段时间内主要是煤，而煤的直接燃烧引起严重的环境问题，因而，煤的现代化利用———以煤的气化为龙头的多联产系统是对应我国能源问题严重挑战的战略方向。煤基多联产系统的框图如下： 　　煤经气化后成为合成气（CO+H2），净化以后可用于生产化工原料、液体燃料（合成油、甲醇、二甲醚）和电力。这些生产过程的能量流、物质流、火用流（exergy）按最优原则耦合在一起，比分别生产相关产品在基本投资、单位产品成本，污染的排放（硫、汞、颗粒物）、环境等方面都有显著的效益。这种多联产系统在化工产品、液体燃料和电力之间可以按市场需求或是发电的“峰-谷”差适当调节，有很好的灵活性。 　　多联产系统所生产的液体燃料，尤其是甲醇和二甲醚是绝好的煤基车用替代燃料，可以有份额的缓解我国石油的短缺。同时，甲醇还可以用来生产烯烃和丙烯，用煤化工去“替代”一部分传统的石油化工，以减少石油消耗。二甲醚是一种物理性质与液化石油气（LPG）相近的化工产品，除了替代柴油外，是一种绝好的民用燃料，可以给城市和一些缺乏能源的地区提供清洁能源服务。 　　在整个工艺过程中可以捕捉（Capture）高浓度、高压的CO2，为温室气体减排创造条件，所耗费的能量与成本比常规电站烟气中捕捉CO2低得多。 　　随着技术的进一步发展，例如大容量高温固体氧化物燃料电池（SOFC）的商业化，这类多联产系统把SOFC耦合进来，还有很大提高效率的潜力，使发电效率提高到60％—65％，这将是发电的一个新的里程碑。 　　这种多联产系统组成部件的绝大部分技术是成熟的，如大型煤的气化装置（2000—5000吨/天）、各种化学反应器和相应的催化剂、燃用合成气的燃气/蒸汽联合循环等。只要我国各部门（煤炭、化工、电力）打破行业界线，通力合作，加上国际合作，在3—5年内就有可能建立大型的示范多联产装置，并在2020年前后有相当数量的推广。 　　这类多联产系统有很大的进一步提高能源利用效率、减少环境污染的潜力。要研究的关键技术如：①温室气体的捕捉和埋存（Carbon Captureand Sequestration，简称CCS）；②多种不同配置的系统的集成、优化；③系统的变工况运行，系统的动态特性；④系统的最优控制策略，系统的安全运行及故障诊断；⑤用膜技术来代替目前的空分（A鄄SU）；⑥收率更高的一次通过的浆态床技术；⑦用膜技术来低耗能地分离CO2和H2；⑧用更高初温、燃用合成气或是富氢气体、甚至纯氢的燃气/蒸汽联合循环；⑨把SOFC耦合到整个系统中来…… 　　这些都是需要我们下大功夫研究的问题，花费整个一代人的精力也不为过。 　　 3.煤基醇醚燃料的应用和车用动力 　　如上述，液体车用燃料的短缺将是我国现代化发展的瓶颈，尤其是我国汽车工业和汽车保有量近年来迅速的增长。2005年我国生产汽车570万辆，仅次于美国和日本，居世界第三。2005年比2004年汽车保有量增加20％。近年来车用燃料消费量增长很快，平均约为12％，2005年全国汽油消耗是4770万吨，柴油消耗是8513万吨。在我国石油储量、产量不多和车用液体燃料必须安全供应的形势下，煤基醇醚燃料的替代成为我国必然的战略方向。 　　用于替代汽油的甲醇有很高的辛烷值，在汽油机车应用可以提高压缩比（从9到12，甚至14），从而提高发动机的热效率。按热值，汽油和甲醇是2∶1，但由于效率提高，甲醇替代汽油可以做到1.6∶1。当然，燃用甲醇也有一系列问题，如金属腐蚀，橡皮元件溶胀，冷启动困难，非常规排放物（甲醛等）等，但是经过多年努力，这些问题都可得到适当的解决。甲醇低比例掺烧（10％）对原发动机只需作小量的改动，而高比例（85％）或是纯甲醇，则需重新设计发动机，对此，国内有关研究单位已设计并成功试运行纯甲醇汽车。当然，在这方面还需进行大量的科研和开发工作，在使用中积累经验，不断改进。 　　用于替代柴油的二甲醚（DME）有很高的十六烷值，燃烧完全，排放满足欧Ⅲ，经优化它可满足欧Ⅳ标准。NOx排放比常规柴油机可降低50％以上，运行噪声低，无黑烟排放。但二甲醚在常温是气态，所以车的燃油系统必需加压，此外，二甲醚黏度只有柴油的三十分之一，且杨氏模量小，燃油喷射系统的零件的磨损以及喷射时间的严格控制都有新的问题需要解决。 　　总的来说，一种新的燃料在汽车中应用不会一帆风顺，肯定会伴随这样或那样的问题，但是，正因为如此，需要我们科技工作者加倍努力，从理论—实践—再理论—再实践中走出我们具有中国特色的道路来。醇醚燃料的应用也是我国自主创新、形成自己有特色的汽车工业的一个契机，因为在这方面国外由于其国情方面的原因，应用得不多，或是刚起步不久（如瑞典Volvo，日本三菱），这样，如果我们从国情出发，加强研究和实践，就可以有跨越式的前进，走出自己的道路来。 　　 非粮食乙醇肯定也是一个可行的方向，关键是这种能源作物不能与粮食和其他人民生计农作物争地、争水，且单位面积有高产出率。生物柴油从技术来看基本上是成熟的，关键在于含油植物的资源。各种能源作物如何大规模种植，通过基因调控和分子生物学，培植耐旱、耐碱、高产的品种，这将是农业能源专家们的重大课题。 　　说到车用燃料替代，就要提到燃料电池汽车，以及前几年由美国带头炒得很热的“氢能经济”。氢气只不过是一种像电一样的载能体，是要用其他一次能源转换得到的。一种十分迷惑人的说法是氢能可以从“水到水（fromwatertowater）”，用电解水制氢，通过燃料电池发电，又变成水。其实电解水要耗费大量的电，1公斤氢要耗9公斤高纯度水，45—50度电，而电本身又绝大部分来自化石能源。关于燃料电池汽车，目前有很多关键技术有待突破，如氢的制备、压缩、储运、车载、加氢的基础设施建设、要用价格昂贵的铂作催化剂……对燃料电池汽车，积极开展基础性研究是必需的，但离真正商业化还有很长的路，少说也得15—20年。从现代汽车产业的发展趋势来说，各种混合动力方兴未艾，有强大的生命力，尤其是最近发展起来的“插电（plug-in）”汽车，在50—60公里范围内可以通过蓄电池来驱动，而蓄电池可以十分方便的用市电充电。一般的在城市内上、下班或办事，行驶距离不大，就可以不用液体燃料，只是在一天之内要长距离行驶时，才会起动发动机，从而使车用燃料耗量大大减少。所以，应该从多种混合模式，从汽车给用户提供服务的方式，从充分发挥电作为载能体的角度来进行研究。近来纯电动车（锂离子电池）一次充电可行驶300公里，城市公共交通用超级电容、锌-空气电池都有示范，以电为载能体的交通工具正在迅速发展。若在蓄电池方向有突破的话，将来在汽车动力上是否还有燃料电池的“位置”是一个大问号。把氢能燃料电池看作是汽车动力的“最高目标”是不妥的。多种技术的多元发展将会提出新的问题，有新的结论。可以设想一下，如果研制出200或以上瓦时/公斤的高能蓄装置，且充电方便，对汽车动力和其他可再生能源的应用将会产生革命性的影响。百年技术发展的历程证明，电是最最好的载能体，多种化石能源、可再生能源，核能都可以转化为电，而且对电能已经建立了基本覆盖全球、也覆盖我国国土的网络，再去建立氢的网络是绝对不可能，也没有必要的。 　　4.加速发展核能 　　核能在运行过程中基本没有排放（核废料除外），能提供清洁的电能。人们对核电主要的顾虑有两点：一是单位装机容量基本投资较大，是常规火电的1.5—2.0倍；二是运行安全性，包括最终核废料的处理。其实，由于环保要求越来越高，常规火电站要加FGD、SCR、脱汞、脱微颗粒、最后脱CO2等装置，它们的造价一定会不断攀升，对核电站的价格上差别会逐渐消失。再考虑到核电站每年运行时间长，设备寿命也大于常规火电站，因此，从总体上来看，基本投资应不是一个问题。随着技术发展，反应堆技术、自动控制技术，故障诊断和预报技术日臻完善，核电站应是十分安全的。我国应该加速发展自主设计、建造的百万千瓦级的先进压水堆核电站，使之形成统一类型和规模化，不要使堆型“五花八门”和“八国联军”，这对我国核电产业是不利的。此外，要加速发展快中子堆和快中子燃烧器，主要用于处理压水堆的乏燃料，使其增值，以形成合理的核燃料循环，大大缓解我国核燃料不足的困难。 　　5.因地制宜，因应用制宜，充分利用可再生能源 　　近年来，由于化石能源（煤、石油、天然气）的价格不断攀升，其资源逐步枯竭的“前景”也略显端倪，由化石能源使用的环境污染、生态退化、全球变暖亦日益严重，因而人们都把眼光投向可再生能源。可再生能源的根本特点是能量密度低、随机性大、不可控因素多，和一个国家、一个地区的经济、资源分布、人口分布、人均占有量、用能形式、技术水平、社会发展阶段等有十分紧密的联系，适用的技术和所起的作用必然是各不相同。所以，可再生能源的应用一定要从国情，从各地区的具体情况出发，千万不能套用国外的模式。对我国来说，虽然都在谈论可再生能源的重点发展，但从各种能源（煤、水、油、气、核）的配合，可再生能源应该有的地位并不清楚，没有一个和其他能源取长补短、相互配合、发挥各自优势的战略布局，而是各提指标，“各打各的仗”，“各吹各的号”。一个国家的能源系统是一个整体，是一个各种不同能源的转换，各种不同能源的输送，以各种不同形式（交流电、直流电、高温热、低温热、机械能等）服务于不同的终端用户的庞大复杂系统。若把可再生能源当做一种有份额的一次能源“插入”到整个能源系统中，必须对整个能源系统作相应的调整，使之各得其所，发挥各自的长处。这是需要我们深入研究的。不然的话，费了很大人力、物力、财力去发展可再生能源，表面上看起来轰轰烈烈，但从国家能源系统的整体来看，却收益不大。所以说，因地制宜，因不同的需求制宜是一个原则，或者说，从国家高度一定要把“合适的能源放在合适的地方”。 　　可再生能源种类繁多，从其所能提供的能量，在总的能源平衡可以起相当份额作用的角度看，一般是指风能、太阳能和生物质能。 　　A.风能 　　我国风能资源是相对比较丰富的，按照目前流行的说法是陆上2.54亿千瓦（按10米高度），近海7.5亿千瓦。这些数据只是一个大概，很不准确，对现代大型风力发电来说，更重要的是50米，甚至100米高度的风力资源。目前，国家正在着手详细的风力资源调查，这是我国风电发展的基础，但工作量较大。 　　到2005年，我国风力发电装机容量是126万kW，所产生的总电量约是当前发电总量的千分之一左右。目前运作的机组约75％是引进的国外机组，25％是国产的。自主产权的机组有600kW、750kW、1.2MW和1.5MW，后两种还有一个成熟期。目前，我国风电发展的关键不是急急忙忙利用国外技术和设备建设很多风场，因为我国根本不缺这些“微不足道”的电量，而是要利用大家关注可再生能源的时机，集中有关力量，研制出具有自主知识产权的大型风力发电机组（1.5—3.0MW）。在风机整体优化、气动设计、强度疲劳、振动、长期可靠运行、控制、材料制造等方面掌握关键技术，在3—5年后给市场提供和国外机组相当水平的大型风电机组。不然的话，大家一哄而上，几十个、甚至上百个企业都在做风电的整机，运作的模式都是找一个外国的合伙人，形成八国联军，把我们自己已经多年积累、形成一定规模的风电产业“边缘化”了。也就是说，近几年风电发展要投入的资金，应主要用于支持培植我国自己风电产业的研制和生产能力，而不是拿到一定量的风力发电装机容量，宁愿容量少一些、增长慢一些，而给我国风电产业这个“弱小母鸡”多一些食吃，以便将来满足大规模风电发展的需要。 　　中国的风电发展还有另一个重要制约因素。新疆、内蒙古地区风力资源十分丰富，但这些地方经济相对不发达，用电负荷不紧张，其他化石能源价格低，供应充足，地区电网规模小，电价比较低。因而，这些地区的电网没有发展风电的驱动力，风电多了不仅对电网的稳定性产生负面影响，且由于当地电价低，电网对每度风电要补贴更多，会降低地区电网的效益。在这样情况下，中国风电应如何发展？中国的电力负荷中心在东部沿海，是否应重点发展东部沿海和近海的风电？此外，是否把大型风力发电装置并网是唯一的出路？中国有大量的耗能工业，如氯碱（每吨耗电3000kWh）、电解铝（每吨耗电15000—18000kWh），这些工业都由电网供电，且要从高压交流通过降压、整流转换成低压、大电流的直流电。是否可以设想由风电“直供”这些耗能企业，而不通过并网？这样就可以免除并网所带来的消极后果和风电上网所需的复杂设备。例如，可以免除齿轮箱，不需要转速调节和昂贵的发电机控制，使风电设备造价大幅度降低。风电发出的低频、频率变化不定的交流电经整流后直接供给用户。这种非并网风电和目前世界上正在迅速发展的分布式热、电、冷联供在思路上有相通之处，即能源的利用和转换尽量贴近用户的需求（从地域、从用能形式）。这是一个十分值得探讨的问题，总之要结合我们具体情况，走出我国自己风电发展的路子。 　　B.太阳能利用 　　太阳能光伏（PV）利用肯定是一个有十分广阔前景的方向。可惜的是近年来PV的研究虽然取得了很大成绩，但相对常规发电，单位容量价格仍高几十倍，要真正变成有份额的发电还有很长的道路要走。我国在PV材料与工艺方面和国外先进技术相比还有不小的差距，在这方面开展深入的材料制备、先进工艺和提高转化效率方面的基础和基础性研究是十分必要的，国家也应加大投入力度。 　　太阳能热发电虽已有各种互有优劣的方案，如槽式、碟式、塔式等，国际也已有小规模示范，有必要开展这方面的基础性研究、关键元件和技术研究，同时也可以进行小规模的示范项目。不过，从本质上说，把能量密度十分低的太阳光能用聚焦的把温度提高到遵循卡诺循环原理的热力机械所需的水平，是否是一个主流方向？从和自然和谐、顺从自然的角度，应该是分散能源分散用，分散能源直接提供给合适的分散用户和其所需的用能方式。我国是否要发展大规模的太阳能的热发电值得深入探讨，不能因为国外有示范我们就一定要“跟上”。 　　 　　 太阳能热利用是一种最现实、最有前途、最能够有份额的替代化石能消耗的太阳能利用方式。我国在真空集热管的高吸收率涂层和工艺处于世界领先，在应用方面也居世界首位，已有6000万m2的太阳能集热管在全国和世界各地应用。目前的应用主要是用于生活热水供应，其实在建筑节能方面有很大的、更为广阔的应用前景。目前，尤其是我国房屋总建筑面积迅速增长，用于空调、采暖的能耗必随之增加，建筑用能已达总能耗的30％。因而，更应利用太阳能集热管，研究中温与高温集热管和地源热泵相结合，组成新的采暖，空调系统，大大降低建筑中的化石能源（包括电能）的消耗。从建筑耗能的本质来说，大量能源消耗是用在将室内温度相对环境温度下降7—8℃（夏天）和提高18—20℃（冬天），而所用能源却要通过多重转换（化石燃料的化学能转换成1500℃的热能，通过传热、传质和各种热力机械转换成电能或高温热能）和相当距离的输运才能解决上、下只有十余摄氏度的温差。怎样使本质上分布式的建筑用能和大自然中分布式的太阳热能更紧密结合起来，是一个意义十分重大、和建筑理念、政策调控相结合的长期大课题。 　　C．生物质能 　　关于粮食和非粮食作物转换成车用燃料的问题前面已有分析。我国可利用的农作物秸秆大约相当于3亿吨标准煤，可利用的森林废弃物大约也是相当于3亿吨标准煤。因此总量相当有限、人均更少。这和美国（大农场）、巴西（大量、高产甘蔗）和一些北欧国家（如瑞典，人口800万，面积40万平方公里，森林覆盖率80％）有本质的差别。我国人均耕地少（一亩多一些），从而人均生物质保有量也很少，且高度分散。所以，绝不能照搬国外的做法，而是必须从国情出发，因地制宜。 　　生物质是高度分散的资源，顺其自然，应该是分布式利用，应发展各种生物质就地加工、就地使用的新工艺、新方法。要总结多年来小规模气化、做液体燃料难以为继的经验教训。目前比较好的方法之一就是用新的力学原理（挤、切、捻），把秸秆和其他各种纤维质、木质素做成颗粒，不需要加热和粘接剂，制造颗粒的能耗尽量小。这种颗粒燃尽率高，使用方便、污染小，是建设社会主义新农村解决能源问题的有效途径。这样，可以把农村居民相当普遍使用的炊事、采暖用煤替换出来，用于高效低污染的大电厂。此外，我国还有大量低效率（65％左右）和高污染的小型工业锅炉，这些锅炉每年用煤量为2—3亿吨，生物质颗粒亦可以把它们的用煤部分替换出来，大大提高利用效率和减少污染。目前国家发改委的优惠政策导向和利用生物质的规划都是以全生物质发电为主，很多地方和电网公司也热衷于建设25MW级容量以下的生物质发电厂，这个方向是很值得质疑的。这类电站单位容量投资大（常规电站一倍以上），热效率偏低（30％左右），收集困难、消耗大量的其他能源（如柴油）来运输低密度的秸秆，而产生的电量有限，从全生命周期来说是很不划算的。以此导向，就会出现一种“怪”现象，集中开采、高能量密度的煤分散到广大农村和小型锅炉被低效、高污染的应用，而高度分散的生物质却要组织庞大的物流系统，把它集中起来作效率偏低的小规模的发电。我国正在迅速发电超临界、高超临界100万kW级煤电机组，用电的任务完全可以由这些现代化的大电厂来承担。用收集困难、单位体积能量密度小的生物质来发电，是逆自然而动的、不合理的安排和人力、物力、资源的浪费。 　　五、结论 　　中国按以往的过量消耗资源、能源和污染环境的发展模式已难以为继，必须果断地、迅速地走向十分节约、十分勤俭、尽可能与大自然和谐相处的发展模式。否则大自然的惩罚会越来越凸现，中国人民将付出越来越沉重的代价。 　　我国在能源方面的科学研究和技术发展的主流应是有份额地、起显著作用的缓解我国面临的五大严重挑战。当然一些基础性和前瞻性的课题也应作适当的安排，但要轻重有分，前后有序。此外，一定要从中国的国情出发，认真作科学分析，千万不要受国内、外炒作的影响。 　　21世纪能源发展的一个重要趋势是多类能源转换系统的集成，物理能、化学能以及物理、化学的优化梯级利用。由于一些单项技术的水平已经接近于“极限”，譬如说大流量、高性能轴流压气机的效率已达92％，先进燃气轮机的燃气初温已达1400—1500℃，热效率再要提高1—2个百分点虽还有可能，但已是十分艰难了。但化工、石化、发电、钢铁集成一体化，却可以带来能源、环境、经济（3E）的最大效益，文中提到的以煤气化为龙头的多联产系统就是一个突出的例子，用这个思路还可以发展出各种不同的新的系统。近年来出现的COREX炼铁系统也是一个把钢铁工业与能源、化工工业结合在一起的先进系统。因而，我国的工业部门一定要站在整体3E最大效益的高度，打破原来的行业界线，整体集成。 　　对可再生能源一定要结合我国具体情况，探索这些能源在我国整体能源系统中的最佳“位置”，发挥它们的长处，使它们各得其所。我们需要重点研究的不是这些可再生能源能做什么，而是它们在我们能源系统中应该做什么，这是两回事。 　　再生能源利用、车用液体燃料用电动替代以及将来的发电的峰－谷调节，电能的大、中、小容量的存储是关键的关键，应该集中力量在基础研究、应用研究、示范、商业化多个方面全面推进。 几个无法改变的现实 我国的能源现状与战略对策 一、引子 　　近年来能源及与之相关的环境成为全世界各国最为关注的热点，各国都在从自己本国的国情出发来解决能源与环境问题。对我国来说，由于人均能源资源短缺（尤其是油、气、水），环境容量（亦是资源）有限，西部生态脆弱，这个问题尤为严重，它将极大的制约我国的可持续发展以及为中华民族子孙万代生生息息留有生存空间。近年来，我国GDP每年以10％的速度发展，能源消耗急骤增加，环境、生态日益恶化。这种对自然无序的、掠夺性索取的发展模式已难以为继，实际上已造成当前十分严重的、不可逆转的后果，大自然的惩罚已经不断地凸现出来，并还要继续加重。在这样的严峻形势下，每一个能源领域的工作者，尤其是身上负有责任的各级政府官员，都要充分想到身上的重担。 　　二、几个无法改变的现实 　　——煤现在是、将来（直到2050年或更晚）仍是我国能源的主力，虽然煤在总能源（energymix）中所占的比例会逐渐下降（从75％下降到60％），但总量仍会不断增加。 　　——煤用于发电的比例会越来越大，从目前的50％增加到70％以上。 　　——煤的开采和直接燃烧已引起严重的生态和环境污染问题，70％―80％以上的SO2、NOx、汞、颗粒物、CO2等都是由于煤炭直接燃烧所引起的。 　　——由于我国石油短缺，车用液体燃料还是得从煤基替代燃料上找出路。我国2005年进口原油及其成品油约1.3亿吨，估计2010年将进口石油2.5亿吨，对外依存度将超过50％，这会引起一系列的能源安全问题。当然，煤炭对我国来说也是稀缺产品，但相对其他能源资源仍可“忍受”，若每年将煤炭产量的八分之一用于车用液体燃料（或甲醇，或二甲醚，或煤制油）的生产，从总的能源供应角度不会带来很大的不平衡。 　　前一个时期在我国广泛推广的粮食乙醇，从长远来看很难作为一个有份额的替代，因为我国的具体情况是：用世界上7％的可耕地来养活世界22％的人口，这是一个大前提。按现有的技术水平，3.5吨粮食做1吨乙醇，考虑到乙醇的热值，则5吨粮食做1吨汽油当量。此外还要消耗0.5―0.8吨的煤用于发酵和脱水。若有1000万吨当量汽油的替代，需用粮食5000万吨，是我国粮食总产量的十分之一强，这是不可能的。当然，可以考虑用木薯和甜高粱等其他作物来生产乙醇，或是用秸秆及其他纤维素来制造（目前技术还没有商业化），但后者存在着大规模收集与运输问题。 　　——在煤的直接燃烧条件下很难解决温室气体的减排，因为从电厂的大容积流量的烟气中收集浓度在13％―14％左右的CO2将耗费很多附加的能量，使发电效率降低10个左右的百分点。目前我国温室气体排放已居世界第2位，近年来还在不断的快速增长，如此下去在10年或略长一些的时间内将超过美国，居世界第一。 　　——可再生能源（主要是风能、太阳能和生物质能）在2020年以前很难在总能源平衡中占有一定分量的比例，这个情况和欧洲的其他国家在国情上有很大区别。一些欧洲国家，他们总能耗已经不再增长（或增长很少），可再生能源的发展逐步替代目前在用的化石能源。而我国却处于总能耗急剧增长之中，单是发电设备（其中主要是燃煤的发电），每年增长的装机容量是60―80GW，超过三个长江三峡。在这个高速增长量中，可再生能源所能起的作用是很有限的，更不用说去替代原有的化石能源消耗。譬如说，按国家规划，到2020年风力发电的装机容量将达30GW（是2005年的24倍），考虑到每单位装机容量的满负荷工作时间平均只有2500小时，则30GW的风电相当于火电12GW左右，也就是2020年我国发电总装机容量950―1000GW的1.2％左右。 　　三、面临的五个严峻的挑战 　　1.总量需求的巨大压力 　　从2000到2020年，国家规划全国GDP增长四倍，而能源消耗增长一倍，这意味着能源弹性系数应为0.5。但是最近三年，这个系数为1.3以上，即能源需求将远远大于规划。从发展趋势来看，我国工业已进入重化阶段，按世界各国发展的历史规律来看，能耗迅速增长阶段似不可逾越。问题是这么大的一次能源需求我们是否能够供应，其所引起的污染是否有足够的环境容量？怎么解决？ 　　2.液体燃料短缺 　　从上图看出，我国石油对进口的依赖度将从40％增加为50％和60％，能源安全如何考虑？如何加速石油的替代？我国的汽车工业、石化工业如何用创新的发展模式来适应这个形势？在车用替代燃料方面我国应以此为契机走出自主创新的道路。 　　3.环境污染严重污染物质主要是SO2、NOx、PM2.5-10、Hg和CO2，这些污染物的80％是由于化石能源的应用，尤其是煤的直接燃烧所引起。目前我国有30％—40％的地区（尤其是西南地区）出现酸雨现象，呼吸系统疾病不断增加。需要认真研究的是我国对这些污染物“可容忍”的环境容量究竟是多少？ 　　4.温室气体排放 　　目前全球每年排放250多亿吨CO2，空气中的CO2浓度，从工业化150多年以来，已从280ppm增至380ppm，目前以3ppm/年的速度增长。温室气体对地球将形成的灾难性后果，在经历了长期的争论后，全世界的学者已有共识。所以，全世界都在采取多种措施减排CO2，我国已于2002年成为“京都议定书”的第37个签约国。总的来说，作为一个负责任的大国，我国在不远的将来必然要承担一定量、甚至大幅度温室气体的减排任务。因而，从战略高度、从现在开始就应该认真考虑我国CO2如何分阶段减排的有关战略技术和政策问题，否则的话，在今后几十年我国将会为此付出更多的代价。 　　5.八亿农民及城镇化所需能源的供应 　　到目前为止，有相当数量的农民没有得到良好的能源服务，他们仍依赖当地的农业废弃物（秸秆、柴草等）作为主要能源，有些地方甚至仍在砍伐森林和破坏生态。此外，我国城镇化率以每年1％在增长，每年有将近一千万人口进入新的城镇。据统计，每个城镇居民人均所消耗的能源是农村人均的3.5倍。这部分份额巨大的能源应来自何处？怎样才能结合社会主义新农村的建设提供给广大农村和新建中、小城镇符合中国国情的现代化能源服务，以减少生态破坏，减少室内污染，提高农民生活质量……这是整体能源战略的重要组成部分。