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中國能源一體化

2009年05月12日
作者:倪維斗(清華大學熱能工程系教授,中國工程院院士)

圖片來源:LHOON進入21世紀,中國能源面臨著五大嚴峻挑戰:能源需求總量的急劇增加和能源供應的巨大壓力、液體燃料短缺、環境污染嚴重、溫室氣體排放、8億農民及快速城鎮化所需的清潔能源供應,這五大挑戰嚴重制約了中國的可持續發展。因此,能源戰略、能源科技、能源政策都應以解決以上五點為出發點。 

從中長期來看,中國能源有以下幾個無法改變的事實。煤的開採和直接燃燒已引起嚴重的生態和環境污染問題,70%-80%以上的SO2NOXHgPM2.5-10CO2都是由於煤炭直接燃燒所引起的。但根據對能源需求和能源供應的預測,煤炭現在以至將來(直到2050 年或更晚)仍將在中國能源消費中起主導作用,預計到2050 年煤炭將占中國能源消費總量的50%-60%(目前為70%),但總量不會低於20億噸標準煤。並且,煤炭用於發電的比例會越來越大,目前為50%,預計到2020 年將達到70%以上。這意味著燃煤電廠排放的CO2將占中國CO2排放總量的60%以上,而從燃煤電廠尾氣中捕捉CO2成本高昂 

面對能源資源緊張、環境污染、生態退化、全球變暖等日益緊迫的危機,大力發展可再生能源,尤其是大規模風力發電是中國能源系統的重要發展趨勢之一。 

從數量上而言,中國風能資源較豐富。據估計,風能資源經濟可開發量中,陸上610kW,海上12kW。中國規劃到2020年風力發電總裝機容量將達3000kW準備修改的規劃是2020年風電總裝機容量達到1kW考慮到每單位裝機容量的滿負荷工作時間平均只有2000小時,則1kW的風電相當於火電3200kW左右,占2020年中國發電總裝機容量14kW2.29%左右。太陽能熱發電最多幾萬千瓦的示範,光伏發電不會比風電多。生物質能可利用的農作物秸稈折合3億噸標煤,可利用的森林折合3億噸標煤。 

由於中國能源消費總量的急劇增長,單是發電設備(其中主要是燃煤的發電),每年增長的裝機容量是60~80GW超過3個長江三峽。在這個高速增長量中,可再生能源所能起的作用是很有限的,更不用說去替代原有的化石能源消耗。因此,可再生能源在2020年以前很難在總能源平衡中佔有一定分量的比例,也就是說,2020年以前,可再生能源不能解決中國能源的主要問題。必須從中國的現實出發,在一次能源以煤為主的情況下,構建能源、經濟、環境整體化的可持續發展的能源系統。 

可再生能源的根本特點是能流密度低、隨機性大、不可控因素多。對中國而言,能源種類繁多(煤、石油、天然氣、核能、水能、風能等),應當有一個能讓各種能源取長補短、相互配合、發揮各自優勢的戰略佈局,而不是各提指標,「各打各的仗」,「各吹各的號」。一個國家的能源系統是一個有機整體,是一個各種不同能源的轉換、輸送,並且以各種不同形式或產品服務於終端用戶的龐大且複雜的廣義總能系統。在多種能源輸入、多種產品輸出的廣義總能系統中,每種能源必須發揮其特殊長處。若把可再生能源當作一種有份額的一次能源「插入」到整個能源系統中,則必須根據不同可再生能源的特點,從而確定其在整個能源系統中的戰略地位,使之各得其所,發揮長處。因此,可再生能源利用一定要從國情,從各地區的具體情況出發,因地制宜,因應用制宜,從國家高度把「合適的能源放在合適的地方」。 

根據上述廣義能源系統利用的原理,可再生能源應當與化石能源集成利用,如生物質和煤的混燒發電、太陽能集熱器+熱泵+天然氣(建築能源供應)、太陽能加熱火力發電廠的鍋爐給水、大規模風場+燃氣輪機或壓縮空氣蓄能、風能和煤化工的集成等,均是目前可再生能源發展中的「合適的位置」。 

中國風力資源豐富的地區(新疆、內蒙、甘肅、寧夏等)基本是邊遠地區,當地用電負荷小,又遠離負荷中心。而這些地區的風電規劃都超過10 GW 以上(被稱為風電「三峽」)。當地的電網結構比較薄弱,容量小;風電具有隨機性,不易控制和調度,大規模地接入電網必然會導致電網的不穩定;如果要接入電網,風機的結構和控制系統將不得不複雜化,引起風電基本投資增加;且由於風電的隨機性,電網必須要有相應的旋轉備用電源,從而導致總投資增加。目前,電網已成為制約風電發展的一大瓶頸。 

另一方面,中國石油短缺,對外依存度高又會引起一系列的能源安全問題,液體燃料短缺的大規模緩解只能通過煤基替代燃料如甲醇、二甲醚等實現,生物柴油和玉米等纖維素合成的乙醇只能解決一小部分問題。當然,煤炭對中國來說也是稀缺資源,但相對於其他能源資源,煤炭仍較為「豐富」,若每年將煤炭產量的1/8用於車用液體燃料的生產,從總的能源供應角度看,將不會帶來很大的不平衡。所以煤基替代燃料(甲醇、二甲醚)和替代石油基塑膠、纖維等是目前煤化工高速發展的動力。到2020 年中國用於化工生產的煤炭將達到34億噸標煤。但以甲醇生產為代表的煤化工都要排放大量的CO2同時煤化工也要消耗大量的水,中國煤炭資源豐富的地區通常水資源都非常匱乏。產生的問題是大量的CO2 排放,這和發展低碳經濟、應對氣候變化不相容。 

由於大規模風電的發展已成為必然趨勢,而風電的上網問題是目前的一大難題;煤化工的發展面臨著CO2放的巨大壓力。現實要求,一方面要給大量風電找合適」的利用方式;另一方面,要大幅度降低現代煤化工CO2排放,使之變得更「綠色」。 

根據中國能源資源的分佈特點,上述風電豐富、準備建設風電「三峽」的地區恰好是煤炭資源豐富、準備建設大規模現代煤化工的地區。在這些地區,風電的規模是十幾個GW,每年煤化工的甲醇產量至少上千萬噸。資源在地理上的耦合為風電和煤化工的集成利用提供了有利的條件。這是機遇,也是重大挑戰。為此可以發展風電與甲醇生產集成系統,使甲醇生產更「綠色」。 

在中國規劃的具有大型煤化工基地的省市,如內蒙、寧夏、陝西、甘肅等,已提出年產千萬噸的煤制甲醇專案和建設風電「三峽」的宏偉計畫。若不認真整體規劃,各行其是,這些專案將會成為一個大量排放溫室氣體、大量消耗水資源,與生態、可持續發展不能相容的工業群體,從長遠來看,將長期影響中國能源、環境和生態的發展。 

因而從現在開始,有必要按照各地區的具體情況,認真研究多種能源的集成優化配置,從示範到商業化再到大規模化,總體規劃、分步實施。否則一旦風能、煤等各種資源在大能源基地沒有整合,導致技術路線鎖定,形成行業壁壘,幾十年內都很難改變。這將導致新型、高效的能源系統很難推進和發展,節能減排困難重重。

本文轉載自「中外對話」網站,原發表日期2009511

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