我国的能源现状与某些重要战略对策

摘要：进入21世纪，中国能源面临着五大严峻挑战：能源供应紧张；液体燃料短缺；环境污染严重；温室气体排放；农村和城镇清洁能源供应等，严重制约了我国的可持续发展。我国以煤为主的能源格局仍将持续，控制能源生产和消费总量，节能减排，提高能源的综合利用效率，大力发展现代煤化工、可再生能源以及核能是我国能源发展的重要趋势。本文提出以煤气化为核心的多联产系统是我国能源发展的战略方向，各种能源（化石能源和可再生能源）都应在广义能源系统中找到“合适的位置”。

关键词：能源挑战；可持续发展；多联产；CO2减排

China’s energy challenges and some importantstrategiesNi Weidou Chen Zhen Li Zheng(State Key Lab of Power Systems, Dept of ThermalEngineering, Tsinghua BP Clean Energy Center,Tsinghua University, Beijing 100084, China)Abstract: Entering the 21st century, China is facingfive major challenges in the energy field: energy supply,shortage of liquid fuels, environmental pollution, greenhouse gas (GHG) emission and energy supply in ruralareas, which severely restrict China’s sustainabledevelopment. Coal plays the dominant role in the primaryenergy mix, the important trend of China’s energydevelopment are controlling total energy productionand consumption, energy conservation and emissionreduction, enhancing comprehensive energy efficiency,and developing modern coal chemical industry,renewable and nuclear energy. This paper put forwardthat polygeneration system based on coal gasification isthe strategic position for China’s energy development,each kind of energy should find its “appropriate” place inthe comprehensive energy system.Key words: energy challenges; sustainabledevelopment; polygeneration system; CO2 mitigation

一、面临的五个严峻的挑战

１、能源需求总量的急剧增加和能源供应的巨大压力从2000到2020年，国家原有规划全国GDP翻两番，而能源消耗翻一番，这意味着能源弹性系数应为0.5。但是最近3年，这个系数为1.3以上，即能源需求将远远大于规划。从目前的发展趋势来看，我国能源消费总量将在2010年左右超过美国，位居世界第一。我国工业已进入重化阶段（图1），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。能源消费总量的急剧增加给我国的能源供应带来了巨大的压力。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？

图1 能源强度与工业化不同时期的关系

２、液体燃料短缺

图2 我国石油的年产量和消费量1995–2007

从上图2看出，我国2007年进口原油及其成品油约1.79亿吨，对外依存度达到49%[1]，今后将继续增加，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%是由于化石能源的利用，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灾难性的后果，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，作为一个负责人的大国，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。目前，我国的CO2排放总量已接近60亿吨，实际上已为世界第一。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、8亿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，城镇居民的人均能耗是农村的3.5倍。这部分份额巨大的能源应来自何处？如何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，提高农民生活质量等，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。

二、几个无法改变的现实１、根据对能源需求和能源供应的预测，煤炭现在以至将来（直到2050年或更晚）在我国能源仍将起到主导作用，预计到2050年煤炭将占能源消费总量的50%-60%（目前为70%[1]），但总量仍会不断增加。

２ 、煤炭用于发电的比例会越来越大， 目前为50%[1]，预计到2020年，将到70%以上。这意味着燃煤电厂排放的CO2将占CO2 排放总量的60% 以上。

３、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、Hg、PM2.5-10、CO2等都是由于煤炭直接燃烧所引起的。

4、煤的直接燃烧难以解决温室气体减排问题，从电厂尾气中捕捉CO2的巨大投资和能耗难以承受。对于60万kW、100万kW的大型燃煤电厂，采用超超临界蒸汽参数的供电效率可达43%-45%。采用尾部烟气脱CO2效率将下降11个百分点，即效率为32%-34%。要得到相同的有用功，需要消耗更多的煤，从而形成恶性循环。

5、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。石油对外依存度高会引起一系列的能源安全问题。液体燃料短缺的大规模缓解只能通过煤基替代燃料（F-T合成燃料、甲醇、二甲醚等）实现, 生物柴油和玉米等纤维素合成的乙醇只能解决一小部分液体燃料短缺问题。当然，煤炭对我国来说也是稀缺资源，但相对于其它能源资源仍可“忍受”，若每年将煤炭产量的1/8用于车用液体燃料的生产，从总的能源供应角度不会带来很大的不平衡。煤基醇醚燃料的替代成为我国必然的战略方向。

6、由于我国能源消费总量的急剧增长，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，因此2020年以前再生能源不能解决我国能源的主要问题。

国家规划到2020年风力发电的装机容量将达3000万kW，准备修改的规划是1亿kW，考虑到每单位装机容量的满负荷工作时间平均只有2000小时，则1亿kW的风电相当于火电3200万kW左右，也就是2020年我国发电总装机容量14万kW的2.29%左右。太阳能热发电最多几万千瓦的示范，光伏电池，不会比风电多。生物质能可利用的农作物秸秆3亿吨标煤，可利用的森林3亿吨标煤。因此，可再生能源的总量相当有限。其高度分散性和运输困难，适宜分布式就地利用，应当首先满足广大农民采暖和炊事的需求，以及中小城镇的工业锅炉。

三、中国能源的出路除了加速发展核能与可再生能源，最重要的方面是要努力探索煤炭利用的可持续发展，以及积极发展现代化的煤炭利用技术（非直接燃烧方式）。发展以煤（或石油焦）气化为核心的多联产——通过煤（或焦炭）气化和化工反应一次通过方式实现电力、液体燃料、化工产品、供热、合成气的联产，是解决我国能源、环境、液体燃料短缺等重要问题的战略方向。图3是对我国燃煤电站装机容量的预测（2000-2007数据来源于[2]、[3]、[4]），自2000以后燃煤电站的增量增势显著，在增量中必须有相当大的比例是多联产。若按照燃煤电站的现有技术发展，将来技术路线锁定，需要花费更大的代价来扭转局面。因此，实施以煤气化为核心的多联产战略刻不容缓。

图3 我国燃煤电站装机容量预测

图4是对我国多联产系统的简单阐释。煤经气化后得到合成气（CO+H2），净化以后可用于生产化工原料、液体燃料（合成油、甲醇、二甲醚等）和电力。多联产将动力与化工过程按最优原则有机地耦合，联产高附加值液体燃料，降低了产品成本，同时简化系统，从而降低投资和运行成本，提高系统经济性和可靠性，在节能减排上有显著的效益。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”差进行适当调节，有很好的灵活性。

图4多联产系统简单阐释

多联产是综合解决我国能源问题的重要方案，可利用多种能源资源，如煤、天然气、生物质、废弃物、石油焦等，生产出多种产品，如电、热、液体燃料、化工产品等，其优势表现在：1）有助于缓解能源总量需求。多联产生产多种产品，效率提高可以减少总量需求；利用高硫煤扩展了煤炭资源。

2）有助于缓解液体燃料短缺。可以大规模地生产甲醇，二甲醚，F-T油等替代燃料，缓解和缓冲石油进口压力。

3）污染物的排放降到最低，如SO2、NOx、PM2.5-10、Hg、CO2等。在环保要求日益严格的条件下，从燃煤锅炉逐步过渡到气化炉，在不同时间段实现不同污染物的减排（如图5）。当仅仅减排SO2和NOx时，采用燃煤锅炉具有较好的经济性，若进一步要求减排Hg、PM2.5-10，甚至CO2，则煤气化多联产将在经济上更具优势。

图5气化技术在不同时间段实现污染物的减排

4）较高的能源利用效率和经济性。多联产系统具有灵活的变工况性能，这一点对电力生产尤为重要。IGCC电站的总投资约为传统燃煤发电的2倍，而多联产与独立运行的IGCC电站相比可降低成本约20%，同时效率可以提高约20%。

5）有助于解决快速城市化引起的小城镇和农村洁净能源需求：为不同天然气管道的城镇提供城市煤气；煤制DME可以作为LPG的补充或替代物，很可能是小城镇，尤其是住宅高度分散的农村地区的最终能源解决方案。

6）满足未来减排二氧化碳的需要。煤气化系统可以由较小的增加成本捕捉CO2。以600MW超临界机组和600MW的IGCC为例，从超临界机组的烟气中捕集CO2需要处理的烟气流量为1141m/s，压力为1atm；而从IGCC系统中捕集CO2需要处理的合成气流量为7m/s，压力为27.2atm。在煤气化整个工艺过程中可以捕捉高浓度、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。

多联产系统结合我国以煤为主的特殊条件，是新型工业化道路。自主创新、跨越式发展的潜力很大。目前是一个非常好的机遇，机不可失，时不再来。如果延误过渡到以气化为基础的多联产技术的时机，将会显著增加将来中国治理空气污染的成本，难以控制未来石油进口，大大增加减排温室气体的成本。兖矿集团有限公司的煤气化发电与甲醇联产系统的成功应用和示范成为我国新一代洁净煤技术自主创新的典范。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多联产示范装置，并在2020年前后有相当数量的推广。

四、重要战略对策——可再生能源与化石能源的集成利用能源资源紧张、环境污染、生态退化、全球变暖使得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流密度低、随机性大、不可控因素多。对我国而言，能源种类繁多（煤、水、油、气、核、风能等可再生能源），应当有一个和其它能源取长补短、相互配合、发挥各自优势的战略布局，而不是各提指标，“各打各的仗”，“各吹各的号”。一个国家的能源系统是一个有机整体，是一个各种不同能源的转换、输送，并且以各种不同形式或产品（交流电、直流电、高温热、低温热、机械能、化工产品等）服务于终端用户的庞大且复杂的广义总能系统。

图6广义总能系统

图6是广义总能系统简图，广义总能系统从氢碳比、压力、物质、温度等多个层次的梯级利用进行系统优化，从而实现温度对口，成分合适，物理火用（physicalexergy）和化学火用（chemical exergy）的梯级利用。在多输入、多输出系统中，每种能源必须发挥其特殊长处。

若把可再生能源当作一种有份额的一次能源“插入”到整个能源系统中，则必须根据不同可再生能源的特点来确定其在整个能源系统中的战略地位，使之各得其所，发挥长处。所以说，可再生能源利用一定要从国情，从各地区的具体情况出发，因地制宜，因应用制宜，从国家高度一定要把“合适的能源放在合适的地方”。

根据上述广义能源系统利用的原理，可再生能源必须与化石能源集成利用，如生物质和煤的混烧、太阳能加热火力发电厂的锅炉给水、风能和煤化工的集成等，均为目前可再生能源的发展找到较“合适的位置”。下面以风能和甲醇生产集成的系统为例说明广义能源系统的具体体现。

我国风力资源丰富的地区（新疆、内蒙、甘肃、宁夏等）基本是边远地区，当地负荷小，又远离负荷中心；当地的电网结构比较薄弱，容量小；风电具有随机性，不易控制和调度，大规模地接入电网必然会导致电网的不稳定；由于要接入电网，从而风机的结构和控制系统不得不复杂化，引起风电基本投资增加；且由于风电的随机性，电网必须要有相应的旋转备用电源，导致总投资增加。而这些地区的风电规划都超过10GW以上，称之为风电“三峡”。

煤基替代燃料（甲醇、二甲醚）和替代石油基塑料、纤维等是目前煤化工高速发展的动力。到2020年我国用于化工生产的煤炭将达到3-4亿吨标煤。但以甲醇生产为代表的煤化工都要排放大量的CO2（约2tCO2/t MeOH，大于3tCO2/t DME），同时煤化工也要消耗大量的水（5-10tH2O/t MeOH），我国煤炭资源丰富的地区通常水资源都非常匮乏。产生的问题是大量的CO2排放和低碳经济、气候变化不相容！

发展风力发电和现代化煤化工面临上述新的瓶颈，一方面要给大量风电找“合适”的利用方式；另一方面，要大幅度降低现代煤化工CO2排放，一定程度减少水耗，使之变为较“绿色”。根据我国能源资源的分布，上述风电丰富、准备建设风电“三峡”的地区恰好是煤炭资源丰富、准备建设大规模现代煤化工的地区。这为两者的整合提供了有利的地理条件。在这些地区，风电的规模是十几个GW，每年煤化工的甲醇产量至少上千万吨。这是机遇，也是重大挑战。为此提出风电与甲醇生产集成系统，使甲醇生产更“绿色”。

图7风电与甲醇生产集成的系统

图7所示为风电与煤基甲醇生产集成系统。与独立的煤基甲醇生产和风电系统相比，集成系统中风电非并网利用，从而可使用简化的风机和控制系统，需要增加电解装置。而独立的煤基甲醇生产和风电系统中，风电并网利用，风机和控制系统复杂，且需要化石能源提供额外的电网容量（如风机的旋转备用电源）。图7的集成系统主要思想是：（1）利用非并网风电电解水制H2和O2；（2）O2作为气化炉的气化介质，取代昂贵且高能耗的空分装置；（3）H2用来调节富碳合成气中的H2/CO至甲醇合成的最佳比例，从而大大减小变换过程，实现CO2减排。

对于集成系统，计算结果表明：实现了H2/CO和物质的梯级利用；大规模风电得到了充分合理的利用；单位甲醇生产的CO2排放大大减少，水耗量大大减少；相同煤耗条件下，产量提高约1倍；煤中大部分碳元素和电解制得的H2、O2转化到甲醇中，对环境影响达到最小。集成系统所采用的设备和技术均成熟，且在工业中广泛应用。

五、结论1）控制能源生产和消费总量势在必行。中国按以往的过度消耗资源、能源，肆无忌惮污染环境的粗放型发展模式已难以为继，能源的生产和消费需要有总量“天花板”的约束，必须果断地、迅速地走十分节约、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。

2）有序发展现代煤化工以缓解石油供应压力，保障能源安全。发展醇醚替代燃料，一定要从中国的国情出发，尤其要全盘规划和考虑我国品种各异的煤炭如何利用的问题，哪些煤种适合气化，哪些煤种适合发电，这些都需做仔细研究，把合适的煤种用在合适的位置。轻重有分、前后有序地做基础性和前瞻性的研究，自主开发和发展与醇醚替代路线相关的技术。科学地做损失和收益分析，根据实际需求逐步扩大生产规模，千万不要受国内、外炒作的影响。同时，也要制定和完善替代燃料的相关标准，保证市场的健康有序运行。

3）集成利用各种资源，提高能源综合利用的效率，实现广义能源系统的节能减排。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、化学能以及物理火用（Physical Exergy）、化学火用（ChemicalExergy）的优化梯级利用。因而，我国的工业部门一定要站在整体3E最大效益的高度，打破原来的行业界限，整体集成。

4）可再生能源的发展，尤其是大规模开发风能和太阳能，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。

参考文献

1. 中华人民共和国国家统计局编. 中国统计年鉴2008.北京：中国统计出版社，2008

2. 国家电力监管委员会. 电力监管年度报告（2007）.北京: 国家电力监督委员会，2008

3. 中国电力企业联合会. 全国电力工业统计快报（2007）. 北京: 中国电力企业联合会，2008

4. 国家电力监管委员会，国家发展和改革委员会. 2007年度关停小火电机组情况通报. 北京: 中国国家发改委，2008