清洁、可再生能源利用的回顾与展望
路甬祥    
中国科学院,北京100864
摘要:人类正在走向以可再生能源为主的绿色低碳、可持续能源时代。为促进绿色低碳、智能安全、可持续能源体系的构建,本 文从太阳能是地球能源的主要源头、能源利用简史、清洁及可再生能源的发展潜力和未来等方面,回顾了清洁、可再生能源利用 发展的历史,指出未来应进一步创新发展太阳能、大力发展风能、继续开发水能、因地制宜发展生物质能、积极发展氢能、在确保 安全的基础上高效发展核电。
关键词清洁能源     可再生能源     能源发展史    
Review and Prospect of Clean, Renewable Energy Utilization
LU Yongxiang    
Chinese Academy of Sciences, Beijing100864, China
Abstract: Human is going into a green, low carbon, sustainable energy era, which will mainly rely on renewable energy. To promote the construction of green, low carbon, smarter, safety and sustainable energy systems, this article reviews the development history of clean, renewable energy utilization from a viewpoint that almost all energy sources on earth mainly come from the solar energy. A brief history of energy utilization is included and the development potential and future of renewable energy are discussed. The paper also points out that in the future human should further innovate to develop solar energy, strive to develop wind power, continue to develop water power, adjust measures to local conditions for the development of biomass energy, and actively develop the hydrogen energy and nuclear power on a basis of secure and efficiency.
Key words: green energy     sustainable energy system     development history of energy    

人类正在走向以可再生能源为主的绿色低碳、可持续能 源时代。地球上的能源大都来自太阳能。2014年是太阳能 发展史中值得记念的年份,175年前的1839年,法国科学家 A. E.贝克雷尔(Alexandre-Edmond Becquerel,1820—1891) 发现光能使半导体材料不同部位之间产生电位差,后来被称 为“光生伏打效应”,简称“光伏效应”;110年前的1904年,A. 爱因斯坦(Albert Einstein,1879—1955)提出光子假设,成功 解释了光电效应,因而获得了1921年度诺贝尔物理学奖;60 年前的1954年,美国科学家G.皮尔松(Gerald Pearson, 1905—1987)、D.恰宾(Daryl Chapin,1906—1995)、C. S.富尔 兰特(Calvin Souther Fullerand,1902—1994),在美国贝尔实 验室首次制成了转换效率为6%的实用单晶硅太阳能电池 (图 1)。在致力构建绿色低碳、智能安全、可持续能源体系的 今天,回顾清洁、可再生能源利用发展的历史并展望未来具 有特别重要的意义。

图 1 为太阳能应用奠定科学基础的著名科学家
1 太阳能是地球能源的主要源头

除核能、深部地热能外,地球上人类利用的无论是煤、石 油、天然气、页岩气、天然气水合物等常规或非常规化石能 源,还是水能、风能、生物质能、浅表地热能、海洋能(波浪、潮 汐、洋流、温差能)等可再生能源,归根结蒂都源自太阳能。 根据天文观测和恒星理论,太阳是宇宙星际气体收缩形成的 恒星,直径约139.2万km,是地球的109倍,质量约2×1030kg, 表面温度约5760K,中心温度在1.5×107 K以上、压力约为 2.5×1011大气压。在中心区域持续发生着由4个氢原子核聚 变为1个氦原子核(41H→4He)的热核反应,每秒约有7.75× 1010kg氢聚变转化,释放出3.83×1026 J能量,减少自身质量4× 109kg(图 2)。太阳形成至今已有45~50亿年,正处于稳定的 中年期,其稳定寿命至少还有50多亿年。太阳距地球约1.5 亿km,太阳光幅射抵达地球需近500s。太阳的总辐射能量 抵达地球的仅为22亿分之一,每秒约173000TW,相当于500 多万t煤燃烧的热量,每年相当于170万亿t燃煤放出的热量, 约为世界年耗能的1万倍。因此,对人类而言,太阳实际上是 取之不尽的光和热的源头。由于太阳自身活动、地球公转和 自转、纬度、地形、海拔、云量和大气质量等差异,太阳光达至 地球表面的幅射强度时空分布不均衡(图 3)。北非撒哈拉沙 漠、澳大利亚中部高原、中国青藏高原等地区每平方米年幅 射量几乎是南北极地区的2.5倍以上。

图 2 太阳是由氢和氦组成的炽热气团,内部进行着核聚变反应

图 3 全球太阳能年幅射量分布

中国太阳能资源丰富,各地年辐射量3340~8400MJ/m2。 可分为4类资源区:一类为太阳能资源丰富区,全年日照为 3200~3300h,年辐射量大于6300MJ/m2 (相当于215kg标准 煤燃烧的热量),主要包括甘肃、宁夏、新疆南部、青海和西藏 等地。以西藏西部为最高,全年日照达2900~3400h,年辐射 量7000~8000MJ/m2,仅次于撒哈拉沙漠;二类为太阳能资源 较丰富区,全年日照为3000~3200h,年辐射量5400~6300 MJ/m2 (相当于185~215kg标准燃煤的热量),主要包括新疆 北部、内蒙古南部、晋冀北部、京津、西藏东南部;三类为太阳 能资源中等区,全年日照为1400~3000h,年辐射量为4600~ 5400MJ/m2 (相当于157~185kg标准燃煤的热量),主要包括 东北、陕北、甘晋豫冀鲁东南部、江浙皖赣闽、两湖、两广、云 南、海南和台湾等广大地区;四类是太阳能资源较差地区, 全年日照为1000~1400h,年辐射量低于4600MJ/m2 (不足 157kg标准燃煤的热量),主要包括渝川贵等地,但也相当于 欧洲多数地区。中国地表年辐射总量约为5×1016 MJ,相当于 17060亿t标煤燃烧的热值,约为2013年中国一次能耗的350 倍(图 4)。

图 4 中国各地区太阳能资源的分布

中国一、二、三类太阳能资源区约占国土面积的2/3,既 有西部大片荒漠,适合建造规模太阳能电站的一类光照地 区,又有地处人口和负荷密集的中东部二、三类光照地区,可 发展分布式太阳能光电、光热利用。随着大气污染治理取得 成效,各地单位面积的年辐射量将会有所上升。中国太阳能 开发利用有十分广阔的前景。

风是由于地面各处受太阳辐照后气温变化和水蒸气含 量不同造成气压差异而引起空气流动的自然现象,是太阳能 转化而来的空气动能。其资源量取决于风能密度和可利用 的年累计时数。风能密度是指单位迎风面积的风能功率,它 与风速的三次方和空气密度成正比。据估计到达地球的太 阳能中大约只有2%转化为风能,但总量仍十分可观。全球 的风能资源约为2.74×109 MW,其中可利用资源为2×107 MW,约是全球可开发水力资源的10倍。中国风能资源理论 储量32.26亿kW,陆上可开发资源2.53亿kW,近海可利用风 能7.5亿kW,约为可开发水力资源的2倍。

风能(windenergy)资源密度低、风向和强度随时间变化, 受地理地形影响较大,分布也很不匀衡。图 5为美国航空航 天局(NASA)2004年发布的全球1983年7月至1993年6月的 风速分布。风能资源多集中在沿海和开阔大陆的收缩地带, 如美国阿拉斯加州、加利福尼亚州北部沿岸、北欧、俄罗斯东 部沿海、澳大利亚和阿根廷南部沿海等。

图 5 1983—1993年全球风速分布

中国内蒙、新疆和甘肃、华北、东北风能资源也很丰富, 东南沿海、海南和台湾的风力资源也很具开发潜力。东南沿 海及附近岛屿的风能密度可达300W/m2以上,3~20m/s风速 年累计时数超过6000h。内陆风能资源最好的是内蒙至新 疆一带,风能密度也在200~300W/m2,3~20m/s风速年累计 达5000~6000h(图 6)。风能是储量巨大,技术比较成熟,开 发成本较低的清洁可再生能源。

图 6 中国全年风速大于3m/s的小时风力分布

水能(hydroenergy)包括转化利用水的势能和动能,也是 由太阳能转化而来。水力资源分布受水文、气候、地貌等条 件限制。广义水能资源包括河流水能及潮汐、波浪、洋流能 等;狭义水能资源指开发利用最为成熟的河流水能。全球理 论水能资源蕴藏量6.8亿kW,每年可开发提供41.3万亿kW·h 电能,其中技术可开发水能资源为11.75万亿kW·h/年。中国 地势西高东低,多数地处东亚季风带,雨量充沛,河流纵横、落差巨大,水能资源丰富,资源总量为6.76亿kW,年可发电 量为5.92万亿kW·h;技术可开发装机容量为5.42亿kW,年 可发电量为2.47万亿kW·h,居世界首位。但中国人均水力 资源并不富裕,时空分布也不均衡,多集中在中西部,与负荷 需求不相匹配(图 7)。经济相对落后的西部云贵川渝桂、陕 甘宁青藏新等省区约占全国水力资源总量的82.5%,特别是 西南云贵川藏渝地区占70%;其次是中部的蒙晋豫、鄂湘皖 赣等省区占10%;而经济发达、用电负荷集中的东北和中东 部京津冀鲁、江浙沪粤闽琼等省市仅占7.5%;由于季风气候 特点,多数河流年内、年际径流分布不均,丰枯季节径流量悬 殊,需建水库调节。

图 7 中国水能资源分布

生物质能源(biomass energy)是太阳能经光合作用转化 为化学能形式贮存在生物质中的能量(图 8)。生物质具有多 样性、低污染、分布广、可再生特点,除了直接燃烧外,生物质 还可以通过多种技术途径转化为固体、液体、气体燃料。生 物质在使用过程中几乎不产生SO2,燃烧产生的CO2仅相当于 其光合作用时所吸收的。因此可认为,生物质能的碳排放增 量为零,是一种清洁低碳、可再生的替代能源。广义的生物 质包括所有的植物、微生物和以植物、微生物为食物的动物及其生产的废弃物,如农作物、农林业废弃物、人畜粪便、工 业有机废水、城乡餐厨垃圾等。地球上每年经光合作用产生 的物质有2×1011 t,其蕴含的能量相当于世界年消耗能源量的 10~20倍,但目前的利用率不到3%。据世界自然基金会 (WWF)预计,全球生物质能源潜在可利用量达350EJ/年,约 合82.12亿t 油当量,相当于2013年全球能源消耗量的 64%。中国是13亿人口的农业大国,生物质能资源丰富,但 中国人均土地和水资源紧缺,大规模开发利用生物质资源, 必然引发与农业争水、争地,与人畜争粮,以及秸杆还田等矛 盾。重点应放在农林、工业、城乡废弃物、陈化粮转化利用 等。据国家发展和改革委员会2007年发布的《可再生能源中 长期发展规划》统计,目前中国生物质资源的转换潜力约3.5 亿t油当量,今后随着造林面积扩大和经济社会发展,生物质 资源转换潜力可达至7亿t油当量。

图 8 光合作用形成生物质资源

煤(coal)是远在3亿多年至几千万年前的古生代、中生代 和新生代时期的大量植物残骸经埋藏、化学物理变化形成 的。首先是植物在沼泽、湖泊或浅海中不断繁殖、死亡、分 解、聚积成泥炭,泥炭在地质变化中被脱水、压实,并逐渐被黏土、砂石等掺合形成褐煤,随后随着地壳下沉,在地热和静 压作用下进一步脱水、脱羧、脱烷、脱氧、缩聚等物理化学变 化转变为烟煤和无烟煤。煤的主要成分是C,并含H、O、N、 S、P和灰份。与油气资源相比,煤炭分布更为广泛。据英国 石油公司(BP)估计,全球煤炭总储量约为9842亿t,主要集中 在美国、俄罗斯、中国、澳大利亚、印度、南非、乌克兰、哈萨克 斯坦、波兰、巴西等国(图 9)。预计可供开采120年。但粗放 燃煤被公认是酸雨、粉尘、雾霾和温室气体排放的主要源头。

图 9 全球煤炭资源分布

根据美国化学家瓦拉斯(Walace)定义,石油(petroleum) 是除煤炭外一切天然碳氢化合物(包括气体、液体和固体)及 其混合物的统称。有机成因理论认为,石油和天然气是由远 古时代海洋或湖泊中的低等水生生物和植物等遗体因被迅 速埋藏而免遭细菌分解,在适宜的温度压力条件下,经过漫 长的地质年代沉积演变形成的。生成油气藏大约需要不到 100万年(注:无机成因说认为,石油和天然气是在地下深处 高温、高压条件下由无机碳和氢经化学作用生成。但石油勘 探实践表明,世界上99%以上的油气田分布在富含有机质的 沉积岩区,含有工业油流的火成岩、变质岩也多与沉积岩毗 邻,油源都是由附近沉积岩中的石油运移而来。无机成因说 也无法解释石油中存在的某些生物源碳氢化合物特有的旋 光性标志。因此迄今未得到普遍认同)。据美国Oil & Gas Journal 2013年发布的报告统计,全球探明石油储量为 2252.76亿t,天然气探明储量近199万亿m3 ,全球油气藏分布 也很不均衡(图 10)。按目前开采速度大约可开采60~80年。

图 10 图 10

近20年来,随着传统天然气资源减少,页岩油气、砂岩致 密油气、天然气水合物等非常规油气资源开发逐渐受到重视 (图 11)。据美国能源信息署(EIA)2013年评估,全球页岩油 技术可采资源量为456.94亿t,主要分布在北美、中亚、中东、 中国、拉美、北非、东欧等国家和地区。油砂油可采资源量达 4000亿t,相当于常规油气资源可采储量的68%,加拿大、俄 罗斯、委内瑞拉、美国和中国资源丰富,其中加拿大艾伯塔省 最多,约占45.8%。

图 11 全球常规油气和非常规天然气资源储量比例

页岩气(shale gas)是蕴藏于富有机质的泥页岩及其夹层 中,以吸附和游离状态为主要存在方式的非常规天然气,成 分以甲烷为主。页岩气多分布在盆地内厚度较大、分布广的 烃源页岩地层中。页岩气开采比传统天然气困难,全球页岩 气等非常规天然气资源量约2338.2万亿m3,为常规天然气资 源4.56倍。其中页岩气约456万亿m3,相当于煤层气和致密 气(tight gas,指渗透率较小的砂岩地层中的天然气)的总和。 据美国能源信息署、EP评估,全球页岩气主要分布在北美、亚 洲、太平洋地区与拉美(图 12),北美与中国约占45%。煤层 气资源量260万亿m3,主要分布在俄罗斯、加拿大、中国、美国 和澳大利亚等国。致密气资源量约为209.72万亿m3,各大洲 均有分布。中国非常规油气资源非常丰富,2000m以浅的煤 层气资源量约为36.8万亿m3,页岩气资源量36.1万亿m3,致 密气资源量33万亿m3,油砂油远景资源量100亿t,页岩油资 源储量476亿t,总量可观。

图 12 全球页岩气分布

天然气水合物(natural gas hydrate)是由水和天然气在中 高压和低温条件下混合组成的类冰笼形结晶化合物。因其外观像冰遇火即可燃烧,又被称作“可燃冰”。它的组成可用 M·nH2O来表示,M代表水合物中的天然气分子,n为水合指 数。其天然气的成分为CH4、C2H6、C3H8、C4H10等同系物及 CO2、N2、H2S等。1单位体积的天然气水合物分解最多可产生 164单位体积的甲烷气,其能量密度是常规天然气的2~5倍, 是煤的10倍。根据地质调查,天然气水合物主要分布在聚合 大陆边缘大陆坡、被动大陆边缘大陆坡、海山、内陆海及边缘 海的深水盆地和海底扩张盆地等构造中。除在高纬度永久 冻土带地区发现的天然气水合物之外,绝大部分分布在水深 300~500m以下的海底,主要附存于陆坡、岛屿和盆地表层 的沉积物或沉积岩中,也可以散布于洋底以颗粒状存在,资 源量是陆地的100倍以上。但资源分散开采比较困难,是未 来的一种重要能源。据美国和苏联相关研究,世界陆地天然 气水合物资源为2.83×1015m3,海洋为8.5×1016 m3,是常规天然 气储存量的上千倍(图 13)。据测算,中国南海天然气水合物 的资源量为700亿t油当量,约相当中国陆上油、气探明资源 总量的1/2。

图 13 全球天然气水合物分布

综上所述,除核能与深部地热能以外,太阳能、水能、风 能、生物质能、浅表地热与空气热能等都是“今天”的太阳能, 是清洁低碳的可再生能源;而煤、石油、天然气、页岩气、天然 气水合物等常规或非常规化石能资源,归根结蒂都源自“昨 天”的太阳能转化存储。工业革命至今还不到300年,人类就 用掉了植物几亿年吸收太阳能转化埋藏于深部的化石能源, 它们总究是有限和不可再生的,也是大气污染和温室气体排 放的主要源头。人类应该更有效地直接或间接利用“今天” 和“明天”的清洁、可再生的太阳能资源。

2 能源利用简史

能源是人类生存、生活与社会文明发展的基础。每一次 能源利用技术与能源产业的变革,都促进和标志着人类生存 发展方式和社会文明的进化。回顾数千年能源利用史,能源 消费结构经历了数次变革:历时几千年的农耕社会主要利用 薪柴为主的生物质能源;18世纪蒸汽机与工作机器的发明与 应用,引发第一次工业革命,使人类进入煤炭时代;19世纪以 来,电机电器、汽轮机、内燃机、汽车、飞机的发明应用,石化工业和高分子聚合材料的兴起,使人类进入了电气化和石油 天然气时代;60年前开始的半导体、IC、计算机、核能的开发 利用,以及循环流化床、超临界、超超临界、蒸汽燃气联合循 环等技术发展,使人类进入了以高效火电、水电、核电为三大 能源支柱,电子化、信息化为特征的电子信息与核能时代;21 世纪以来网络、云计算、大数据、智能制造、能源技术快速进 步,全球气候变化倍受关注,日本福岛核灾难引发的对核电 的再思考,生态环境的巨大压力及严重的雾霾天气,全球能 源需求快速增长、能源安全凸显等,使人们更加关注清洁低 碳、可再生能源和智能电网的发展,人类进入了知识网络经 济和着力构建以清洁安全、多样化、智能化、分布式、可再生 为特征的绿色低碳、可持续能源体系的新时代。

人类对煤的认识利用可追溯到数千年前。中国是世界 上采煤用煤最早的国家之一,大约在春秋末(BC500年)便开 始用燃煤,西汉(BC206—25年)开始采煤炼铁。唐朝开始炼 焦,至宋代已是“汴京数百万家尽仰石炭(煤),无一家燃薪 者”。明朝的科技名著《天工开物》列专门章节记述煤的性 状、用途和开采方法。但由于农耕生产力水平局限,薪柴仍 是主要能源。18世纪60年代英国首先引发工业革命,煤炭大 规模开采利用。19世纪中叶,煤炭已占居一次能源的主导地 位,实现了能源结构第一次变革。煤炭分布广泛、储存量大, 开发和利用比较容易,但发热量和燃烧效率较低,输送和使 用不便,煤燃烧产生的灰渣、粉尘、SO2、NOx、微细颗粒等造成 酸雨、水污染、大气霧霾等严重环境污染,危害健康。1952年 12月发生的伦敦雾霾灾难,曾导致12000人死亡。

石油和天然气发热量高,开采运输使用方便,污染物和 碳排放比煤炭低,是高质量的化石能源(燃烧发生同样热量 的天然气、原油、标煤产生的二氧化碳比例约为2∶3∶5),也是 近代有机合成化工的重要原料。世界上最早有关石油的文 字记载,见于中国东汉史学家班固(32—92)所著的《汉书》, 其中记叙“高奴有洧水可燃”(在今陕西延长一带,洧水是今 延河的支流)。北宋科学家沈括(1031—1095)在《梦溪笔谈》 中指出:“鹿延境内有石油,旧说高奴县出脂水。”清道光十五 年(1835年)在四川自贡阮家坝开凿成功1001.42m的燊海 井,日自喷卤水14m3,天然气4800~8000m3。1859年,美国 石油钻探家E. L.狄拉克(Edwin L. Drake,1819—1880)在宾 夕法尼亚州泰特斯维尔附近钻出第一口油井产出工业油流, 开启了近代石油工业的序幕(图 14)。

图 14 对认识石油的价值做出突出贡献的学者

1876年,德 国 工 程 师N.奥 托(Nicolaus Otto,1832— 1891)创制了四冲程循环内燃机,1895年德国工程师R. C. K. 狄塞尔(Rudolf Christian Karl Diesel,1858—1913)创制了第 一台柴油发动机,1886年德国人K. F.奔驰(Karl Friedrich Benz,1844—1929)发明了单缸发动机的世界上第一辆汽车 (图 15)。1903年12月17日,莱 特 兄 弟(Orville Wright, 1871—1948;Wilbur Wright,1867—1912)进行了人类历史上 首次有动力、载人、可操纵飞机的持续飞行。1914年,美国福 特汽车公司建成汽车装配线,实现了汽车工业史上的首次流 水线生产,1927年福特T型车销售已至1500万辆。20世纪 20年代前欧洲在航空业占领先地位,以后美国逐渐领先, 1930年美国航空客流已超过41.7万人次。1917年,美国新泽 西标准油公司采用炼厂气中的丙烯合成异丙醇,标志着石油 化工诞生。1919年,美国联合碳化物公司开发出以乙烷、丙 烷为原料高温裂解制乙烯技术,随后德国林德公司实现了从 裂解气中分离乙烯,1920年建立第一家乙烯工厂。20世纪30 年代初,在德国化学家H.施陶丁格(Hermann Staudinger, 1881—1965)、苏 联 化 学 家H. H.谢 苗 诺 夫(Николaй НиколaевичСемёнов,1896—1986)等提出的聚合物高分子 化学和聚合链式反应理论的指导下,高分子化工聚合材料大 量涌现,他们也因此分别获得1953年、1956年诺贝尔化学奖 (图 16)。由于汽车、航空、石化工业的巨大需求,促进了石油 生产增长。

图 15 促进石油动力技术发展的著名工程师

图 16 激发石油工业化应用的著名科学家

第二次世界大战结束后,由于中东石油的开发,石油采 炼技术进步和煤炭成本上升,石油的比较优势更加突显。廉 价石油促进了世界经济快速发展,20世纪60年代以来石化工业更是异军突起,一些工业化国家能源政策开始趋油弃煤。 1966年石油、天然气超越煤炭成为主导能源,世界能源结构 实现了第二次变革。

20世纪70年代以来发生了两次石油危机。为走出石油 危机,首先是通过科技和管理创新,提高能源利用效率、调整 产业结构。20世纪70年代后期后,一些工业化国家已逐渐做 到经济增长,能耗不增,甚至反略有下降。

第二是积极发展可替代能源。美、德、日、法等国,都在 水电、核能开发方面加大了投入。由于核能是一种安全高 效、清洁低碳、经济上有竞争力的能源,受到重视。1942年, E.费米(Enrica Fermi,1901—1954)在芝加哥大学建成世界上 第一座核反应堆,首次成功实现了链式反应(图 17);1954年 苏联建成世界上第一座5MW实验性石墨沸水核电机组、 1957年美国建成60MW原型压水堆核电站,后经历了数次技 术升级,提升了安全性、经济性,至今核电已发展到第三代。

图 17 E.费米(a)及其领导设计的世界上第一座核反 应堆(b)

1966—1980年,世界共建成242个核电机组投入运行。 据国际原子能机构(IAEA)统计,至2013年底,全球共有425 台核电机组在运行,总装机容量3.75亿kW,约占全球发电量 的16%,有18个国家和地区的核电比重超过20%,法国占比最高达75.2%。在建机组70个,中国、美国占50%(图 18)。

图 18 世界核电站分布

第三是煤炭重新受到重视,尤其是中国、印度、澳大利亚 和南非等发展迅速,成为煤炭生产大国。清洁煤技术、超超 临界、IGCC、先进材料、信息技术等使煤炭开采利用技术与产 业进步巨大,生产率成倍提高,成本下降,安全状况、效率和 排放水平大为改善,2000年世界煤炭产量达48.8亿t,比1976 年增加了50%。能源结构发生第三次转变,即向以油气、煤、 核能和水能等多元结构转变。电力作为二次能源,火电、水 电、核电成为三大支柱。

石油危机也促进了可再生能源的发展。从20世纪70年 代开始,尤其是进入21世纪以来,可再生能源已成为各国实 施可持续发展的重要选择,列为能源发展战略的重要方面, 一些国家通过立法促进可再生能源发展,技术不断创新,成 本持续下降。美国可再生能源协会(ACORE)评估美国的发 电规模与价值走势(图 19)表明,除传统水能外,风能、太阳 能、生物质能、浅表地热等新型可再生能源快速发展,在能源 结构中比例逐年上升,逐渐成为替代化石燃料的一种很有希 望的清洁能源。在这方面欧盟居领先地位(图 20)。

图 19 1952—2012年美国主要 能源发电规模与价格走势

图 20 2003—2013年全球电力能源结构及可再生能源占比

过去15年内,各国还致力开发非常规油气资源(包括煤 层气(瓦斯)、油砂矿、油页岩、页岩气、可燃冰等)。美国提出 了页岩气革命。2000年美国页岩气仅占天然气总产量的 1%,因为水平钻井、水压裂等技术的进展,到2013年页岩气 所占比重已近40%。据美国能源情报署预测,到2035年美 国46%的天然气供给将来自页岩气,页岩气将使美国可实现 天然气自给有余,这将影响世界油气供应乃至全球经济政治 格局。据中国社会科学院世界经济与政治研究所发布的《世 界能源中国展望(2013—2014)》估测,中国非常规天然气产 量比重目前已占39%,2020年将上升到60%以上,2035年将 进一步上升到72%。

1990—1997年,联合国政府间气候变化专门委员会 (IPCC)连续发表 4个关于全球气候变化的评估报告,认为全 球气温上升很可能是由于工业化以来人类活动导致的温气体排放造成的(图 21)。所有的化石能源燃烧过程中均排 放CO2,其中煤含碳量最高,石油次之,天然气较低。自工业 革命以来,大气中CO2含量增加了25%,远超过去16万年的 历史纪录,而且尚无减缓的迹象。进入21世纪以来,生态环 境保护和全球气候变化更加受到重视,绿色低碳、可持续发 展成为全球发展的共同理念。今后二三十年将是人类从化 石能源为主时代向清洁低碳、可持续能源过渡的历史时期。

图 21 近千余年全球气候变化

改革开放以来,中国能源消费需求快速增长,能源利用 效率显著提高,单位GDP能耗大幅下降;尤其是进入21世纪 以来,水电、核能、风能、太阳能等清洁、可再生能源快速发 展,能源结构逐步优化。2013年中国能源消费和发电装机容 均超过美国,可再生能源产能与增长速度均列世界首位。超 超临界火力发电、核电、超大型水电站工程及成套设备、超超 高压交、直流输变电系统、智能电网等自主创新与工程成套 能力进入世界先进行列。但中国能源利用效率仍然较低,单 位GDP能耗是世界平均的2.5倍,是工业发达国家的4~8倍, 节能减排潜力巨大;中国一次能源中燃煤占近70%,对大气、 水、土壤环境污染严重;油气对外依赖度逐年攀升至58%和 32%;风能、太阳能、生物质能发展应用尚有体制、政策、技术 瓶颈需要突破。中国能源结构调整优化的任务紧迫而艰巨 (图 22)。

图 22 中国与世界能源结构比较
3 清洁、可再生能源的发展潜力和未来

进入21世纪以来,全球人口经济持续增长、新兴发展中 国家快速崛起,世界能源需求增长强劲,油气资源竞争激烈, 价格持续高位波动,生态环境压力增大,全球气候变化倍受 关注;ICT、ET、MT、BT等正孕育着新的突破,绿色低碳、可持 续发展成为人类文明持续繁荣的科学理性选择。人类已经 进入了知识网络时代,作为人类现代文明基石与动力的能源 也正面临新的变革。未来二三十年,将是能源生产消费方式 和能源结构调整变革的关键时期。人们将致力构建绿色低 碳、高效智能、多样共享的可持续能源体系。风、光、生物质、 地热、海洋等可再生能源将快速增长,至2035年形成天然气、 石油、煤炭、核能、可再生能源为5大支柱的新格局(图 23)。

图 23 全球一次能源消费结构变化趋势

到21世纪中叶,可再生能源将超越化石能源+核能,成为 一次能源的主体,化石能源开发利用将更趋高效低碳。由于 传统油气资源日趋紧缺,人们注重非常规油气资源开发、煤 的清洁利用,发展以安全可靠、高效低碳、包容协调、负荷适 应、优质服务为目标的智能电网。根据BP2014年报告预测, 到2035年,全球能源消费将比2013年增加41%(图 24),年 均增长1.5%,其中95%将来自新兴经济体,增速略低于前25 年的速度,能源强度下降的主要原因是技术与管理创新、能 效持续提高,中国产业结构调整、发展方式转变取得成效。

图 24 全球GDP与一次能源消耗及结构变化(*除水电外,包括 生物燃料)

展望未来,在全球竞争中能效将继续提高,能源供给增 量中可再生能源、非常规天然气将占主要部份,至2035年可 再生能源(除水电外)在一次能源消费结构中将超越核能和 水能(图 24)。欧洲可再生能源占发电比例将超30%继续领 跑全球,中国将继续保持可再生能源装机总量和增长最快的 国家(图 25)。

图 25 全球可再生能源增长

据BP预测,因页岩气革命,美国将实现能源自给,而中 国、欧洲等将突破资源地质和技术困难,实现非常规天然气 增长。受日本福岛核灾难影响,德国、瑞士、意大利等欧洲国 家将先后弃核,日本对重启核能争论而不定,OECD国家核能 将维持总量大体持平,新兴经济体国家将成为核能发展主体 (图 26)。由于汽车保有量以每年千万辆计速度增长及石化 工业持续增长,中国、印度油气进口依存度将继续上升。全 球CO2排放将增长29%,多数将来自新兴经济体,中国将继续 保持全球最大排放国,随着能源强度下降及天然气、可再生 能源在一次能源消费中比例上升,碳排放增长将有所放缓 (图 27)。

图 26 全球清洁、可再生能源增长走势

图 27 碳排放增速放缓

尽管世界各能源组织对未来能源增长和结构调整的预 测数据各有不同(图 28),但大趋势一致:能源消费增长主要来自新兴经济体,供给增长主要来自风能、太阳能等可再生 能源和页岩气等非常规天然气,煤炭在一次能源中的比重将 显著下降。2050年清洁、可再生能源所占的比重将达到 65%,至21世纪末将达至80%以上,其中风能、太阳能占比将 可能分别达到45%、75%。页岩气、天然气水合物等非常规 能源将继续高效开发利用,但油、气燃料在一次能源中的地 位将逐步被可再生能源转化而来的氢能代替,21世纪中叶人 类将迎来“清洁、可再生能源时代”(图 23)。各国也将真正进 入能源自主自立的新时代。

图 28 各能源组织对2010—2035年能源消费结构的预测

在中国,党的十八大确立了2020年在转变经济发展方式 取得重大进展,在发展平衡性、协调性、可持续性明显增强的 基础上,实现国内生产总值和城乡居民人均收入比2010年翻 一番,全面建成小康社会,到21世纪中叶新中国成立100周 年时,基本实现现代化的目标。强调要推动能源生产和消费 革命,控制能源消费总量,加强节能降耗,支持节能低碳产业 和新能源、可再生能源发展,确保国家能源安全。要以解决 损害群众健康突出环境问题为重点,强化水、大气、土壤等污 染防治。坚持共同但有区别的责任原则、公平原则、各自能 力原则,同国际社会一道积极应对全球气候变化。要更加自 觉地珍爱自然,更加积极地保护生态,努力走向社会主义生 态文明新时代。

能源不仅是保障中国经济安全和持续繁荣、社会文明进 步的重要基础,能源结构和生产消费水平也直接关系到人民 生活品质和生态环境保护修复。从总体来看,中国能源发展 存在需求巨大、增长快速、结构失衡、效率偏低、污染严重等 矛盾,是中国经济社会持续健康发展的制约因素。我们必须 清醒地认识这些问题和挑战,必须抓住世界新科技革命和能 源结构调整的机遇,转变观念,求真务实,开拓创新,自主自 立,走出一条符合国情的绿色低碳、智能安全的可持续发展 能源之路。也是保障国家能源安全的必然要求。在坚持节 能增效放在首位的同时,大力发展可再生能源是必然选择, 使之到2020年占一次能源消费的比重达到15%,2035年达 至30%。今后10~15年中国仍将是可再生能源发电总量增 幅最大的国家,增长量可能超过欧盟、美国和日本增量之和。

一是创新发展太阳能。按照《可再生能源发展“十二五” 规划》提出的目标,未来5年内中国太阳能屋顶电站装机规模将达现有规模的10倍。中国光伏产业技术水平进一步提升, 产品成本将持续下降,国际竞争力不断增强,核心技术不断 取得突破,生产工艺持续优化,过去10年转化效率以年均 0.5%的速度递增,规模生产稳定性逐步提高。目前,中国单 晶和多晶硅电池产业化转化效率已分别达到18.5%和 17.3%,一线光伏企业已分别达到20%、18%以上。薄膜电池 (硅基、CIGS、CdTe、GaAs等)的转换效率达到6%~8%,有望以 年均1%~1.5%的速率提升,5年内有望达16%~18%,其功率 衰退问题已得到解决。薄膜电池重量轻、材料消耗少,弱光 转化率高,在阴天也能发电,而受到重视。多结化合物太阳 能电池(GaInP/GaAs/Ge)光电转换效率可达41%,理论极限 可达至70%,聚光光热转换效率可达至80%。2013年中国新 增光伏装机达12GW,同比增长232%,接近欧盟新增光伏装 机总量。彭博新能源财经评估的全球光伏装机情况见图 29

图 29 2011—2013年全球光伏装机增量十强

至2013年底,中国累计光伏装机已达19GW。2014年中 国计划安装量为14GW(地面光伏电站6GW、分布式光伏电 站8GW),到2020年光伏装机容量将达到30GW,占发电装 机总量比达1.83%。2030年将达100~200GW,将占比4.3%~ 8.6%。www.solarzoom.com发布的数据表明,2009—2012年, 中国一线晶硅光伏企业组件制造成本下降了50%以上,降至 0.59美元/W,今后3年将致力于再下降30%至42美分/W (图 30)。

图 30 2009—2015年中国光伏组件成本

2013年中国太阳能热水器保有量为31000万m2,同比增 长20.3%,占全球64%,而排名后9位的国家总和也不过 23%。太阳能热水器为提高人民生活质量,替代煤电消费、节能减排做出了贡献。随着中高温太阳能热水器的开发以 及太阳能与建筑一体化技术日益完善,太阳能热水器不再局 限于提供热水,正逐步向取暖、制冷、烘干和工业应用拓展, 市场潜力巨大。2008年起全球光热发电快速发展,以年均 49.7%速率增长,至2013年底全球累计装机容量4663MW, 中国累计装机容量21MW。人们已开始致力研发光伏、光热 融合组件,不但能使太阳能转换利用总效率达至80%以上, 而且能更好地满足用户对电、热(冷)能利用的综合需求,在 分布式太阳能应用领域发展潜力巨大。

二是大力发展风能。风力发电是当前成本相对最低、技 术相对成熟且最具规模化发展潜力的可再生能源。尤其是 在当前治理雾霾和减排温室气体的严峻形势下,中国能源结 构调整需要提速,风能等可再生能源的发展目标需要重新评 估和提高,才有可能在替代化石能源进程中发挥更大作用。 风电技术发展已由传统双馈型风机逐步转向直流驱动型,采 用可调叶片和新型复合材料叶片等,为适应海上风电需要, 单机功率更大,由1.5~4MW增至6~8MW。产品质量可靠, 发电成本稳中有降,已低于油电与核电,接近煤电,欧盟对海 上风电继续给予约合3.5欧分/kW·h的启动补贴。2013年全 球风电新增装机35GW。中国新增装机16.1GW,新增并网 14.5GW。至2013年全国累计并网容量77.16GW,发电量 134.9TW·h,约占年总发电量的2.5%,已超越核电成为第三 大电力来源。在快速发展陆上风电的同时,中国海上风电也 取得了突破性进展,至2013年底,全国海上风电项目累计核 准建设规模约2.22GW,建成390MW,主要分布于江苏、上 海、浙江。未来15年中国风能仍将以年均新增装机18~20 GW的速度发展,到2020年可望实现总装机量200~320 GW。但由于技术与体制原因,2009、2010年以来有大量风能 装机因不能并网而弃风,在采取了政策和技术措施后,弃风现 象已逐年改善,但2013年全国“弃风”损失仍达16.2TW·h,形 势依然严峻(图 31)。光风贮互补、消纳利用、并网输电、风电 设备制造等成为风能创新发展和投资的热点。

图 31 2008—2013年中国风能年新增装机容量与并网容量

三是继续开发水能。2013年中国新增水电装机近2993 万kW,水电总裝机超过2.8亿kW,开发程度已达48%。中国 不但是世界水电装机第一大国,也是世界上在水电建规模最 大、发展速度最快的国家。中国已全面掌握80~100万kW等级水力发电机组和千万kW等级超大水电站工程建设先进技 术。未来应在依据国家、区域经济社会和电力发展规划,扎 实做好待建电站的水文、地质、生态,选址、移民等综合评估 和科学论证的基础上、加快西部大中型水电站建设、中东部 中小型水电站和抽水蓄能电站建设。到2020年,全国水电总 装机容量可达4.2亿kW,其中常规水电装机容量3.5亿kW, 抽水蓄能电站装机容量7000万kW,水力资源开发率达80%。

四是因地制宜发展生物质能。当前在世界能源消耗中, 生物质能约占总能耗的14%,在发展中国家可占35%以上。 美国、巴西等国生物质能源利用已具相当规模,2013年美国 生物质能源占一次能源消费的比例已超过4%。巴西生物源 乙醇燃料已占该国汽车燃料的50%以上。国际自然基金会 2011年2月发布的《能源报告》认为,到2050年全球将有60% 的工业燃料和工业供热都将采用生物质能源。中国生物质 能资源丰富,现阶段可开发利用资源主要为生物质废弃物, 包括农林业废弃物、禽畜人粪便、工业有机废弃物和城市固 体有机垃圾、工业有机废水、餐厨废弃物和城乡生活污水 等。生物质能源传统技术也比较成熟,“十二五”期间,将通 过合理布局生物质发电项目、推广应用生物质成型燃料、稳 步发展非粮生物液体燃料、积极推进生物质气化工程,到 2020年,中国生物质发电总装机容量达到3000万kW,生物质 固体成型燃料年利用量达到5000万t,3亿农村居民生活燃气 主要使用沼气,年利用量达到440亿m3,生物燃料乙醇年利用 量达到1000万t,生物柴油年利用量达到200万t。预计2050 年中国生物质发电量可达到5900亿kW·h,占当年能源需求 总量的4%以上。生物燃油将替代30%石油消费。生物源燃 料动力发电机还可以在高比光、风能接入的局域电网中发挥 调节稳定作用。

五是积极发展氢能。氢能是21世纪最具发展潜力的二 次清洁能源。氢燃烧的热当量,约为汽油的3倍,酒精的3.9 倍,焦炭的4.5倍。燃烧的产物只是水,是最清洁的能源。氢 既可以燃烧产生热能,在热力发动机中转变机械功,也可以 用于燃料电池转化为电能,可以替代汽油、柴油、天然气等液 体和气体燃料,而只需对现有内燃机、燃汽轮机稍加改装即 可使用。氢资源丰富,可以由水制取,演绎自然物质的循环 持续利用。如把海水中的氢全部提取出来,将是地球上所有 化石燃料热量的9000倍。如果用太阳能、风能制氢,就等于 把无穷无尽的、分散的太阳能、风能转变成了高度集约、可分 配、可移动使用的清洁能源,意义不言而喻。太阳能、风能制 氢的方法有太阳能热分解水制氢、太阳能、风能发电电解水 制氢、阳光催化光解水制氢、太阳能生物制氢等。1970年,美 国通用汽车公司技术研究中心提出“氢经济”概念。20世纪 70年代以来,世界上许多国家和地区广泛开展了氢能研究。 氢能技术在美国、日本、欧盟等国家和地区已进入系统实施 阶段。美国政府已明确提出氢计划。20世纪90年代中期以 来,为应对大气污染、全球气候变化,对零排放交通工具、替 代石油进口的需要,储存可再生电能供应的需求等增加了氢能的吸引力。中国对氢能的研究与发展可以追溯到20世纪 60年代初,为发展航天事业,发展火箭燃料的液氢的生产、发 展氢氧燃料电池。将氢作为能源载体和新的能源系统发展, 是从20世纪70年代开始的。氢能技术已被列入中国《(能源 领域)科技发展规划》。

六是在确保安全的基础上高效发展核电。作为一种安 全可靠、清洁低碳的能源,核能已被越来越多的国家所接受 和采用。半个多世纪以来,根据能源市场的需求发展,以提 升安全性、经济性、燃料利用率以及防止核扩散为目标,发展 出诸如压水堆、沸水堆、重水堆、气冷堆、石墨水冷堆、快中子 堆等多种堆型。通过技术改进升级,经济性、安全性不断提 升,目前正在运行的核电站绝大部分属“第二代”核电,累计 已取得超过13000堆年安全运行经验,业绩良好。其中压水 堆是主力堆型,约占装机总量的65%。20世纪90年代起美 国、欧洲等开始发展有更高安全性和经济性、机组额定功率 1000~1500MWe、可利用因子>87%、换料周期18~24月、电站 寿命更长、建设周期较短、能与联合循环的天然气电厂竞争、 技术更先进的第三代核电系统(以美国西屋公司非能动先进 压水堆AP1000、欧洲先进压水堆EPR为代表),经近20年努 力,技术已趋成熟。中国引进的美国非能动AP1000及法国 EPR都属于第三代核电系统,在引进消化吸收的基础上再创 新形成了中国CAP-1000,并已成为全球第三代核电站在建 规模最大的国家。更加前瞻的研究还有致力提升核燃料利 用率的混合堆研究、本征安全新堆型研发,钍基反应堆研发、 可控聚变反应堆技术的发展探索等。据国际原子能机构预 测,到2030年全球的核电装机容量至少增加40%。1979年 美国发生三里岛核电站事故、1986年苏联发生切尔诺贝利核 电站事故、2011年日本发生福岛核电站事故后,公众要求进 一步提高核电的安全性,核电安全标准将进一步提升。中国 确定了“在确保安全的基础上高效发展核电”的方针,规划至 2020年核电容量将达到40GW,占当时电力总容量约4%。 2030年,总装机容量达到2亿kW,核电装机容量占10%, 2050年核电占总装机容量的16%,成为列可再生能源之后最 大的清洁能源。

未来中国清洁、可再生能源的发展战略大致可分为3个 发展阶段:第一阶段,到2020年,风能、太阳能、生物质能、地 热能等新兴可再生能源技术初步达到商业化水平,清洁、可 再生能源占一次能源总量的20%以上;第二阶段,到2035年, 风能、太阳能、生物质能、地热能等新兴可再生能源技术基本 实现商业化,清洁、可再生能源占一次能源总量的30%以上; 第三阶段是全面实现可再生能源的商业化,大规模替代化石 能源,到2050年清洁、可再生能源在能源消费总量中达到 50%以上。

4 启示

人类正走向绿色低碳、智能安全的可持续能源时代。未 来二三十年将是人类从工业化以来,以规模化、集中式化石能源为特征的不可持续能源时代转变为以分布式、多样化、 绿色低碳、智能安全的可持续能源体系的关键历史时期。光 伏、光热、风能、水电、生物质、地热、海洋能等可再生能源将 发挥主体作用,核能等其他清洁能源为补充,非常规电力、天 然气、氢能将成为交通运载工具新的动力源。

这一发展的科学本质是“减碳趋氢”。它不仅是人类能 源技术与工程产业进化史上的又一次大变革,也有赖于物 理、化学、生物学、材料科学的进展,而且更需要信息网络、大 数据、云计算、先进制造、智能电网、贮能与控制、交通与运载 等技术创新与变革,需要产品与装备的创新设计、生产与生 活方式、能源生产利用、经营服务和商业模式的创新。

鉴于能源是人类现代文明的基石与动力,可再生能源带 来的能源结构、能源自主供应和能源本征安全格局的变革, 将推进人类生存发展方式的变革,全球经济、政治格局的变 革,将有利于促进国际关系和人类社会向民主自由、公平公 正、共创分享、绿色低碳、科学包容、自主安全、可持续文明 发展。

以信息网络、大数据、云计算、智能制造、清洁可再生能 源、分布式智能电网、普惠公共与商业与服务为特征的知识 网络时代,创新人才、创新环境、创新文化、创新能力更成为 个人、企业、国家、民族生存发展和竞争合作能力的基础与核 心,信息网络和分布式再生能源体系将为个人和企业、为地 区和国家创造更加公平公正共创分享的创新创业和发展环 境,有利于能源应用技术与产业创新如同网络创新那样充分 涌现,有利于共同创造一个和平和谐、创新合作、持续繁荣的 世界。

能源发展战略目标和路径的选择,不仅事关国家经济安 全、竞争力和可持续发展能力,而且事关生态环境源头治理与修复,关系人民健康、生活品质和社会公平。我们必须从 发展观念、能源战略、能源体制、产业政策、创新驱动等方面 更积极主动地改革创新。抓住以信息网络、智能制造、能源 革命为核心的世界新产业革命和人类文明形态转型与中华 民族复兴进程历史交汇的新机遇,从跟踪模仿、平行追赶,走 向创新驱动、跨越引领,从经济大国、制造大国转变为坚持绿 色低碳发展,能源资源自主自立的经济强国、创造强国。为 在2020年全面建成社会主义小康社会,2050年基本实现现代 化,进而实现中华民族伟大复兴的中国梦,提供坚实基础。

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