1 概述
能源作为人类社会进步和发展的重要物质基础,对保障国民经济发展和人民生活水平的不断提高至关重要,合理的能源发展结构对促进经济、社会和环境的协调发展作用重大。
随着经济的飞速发展,我国对传统的化石能源如煤、石油、天然气等的需求量逐步增大,但这类矿藏资源储量有限,目前大多已濒临枯竭。此外,这类化石能源在使用的同时,会给我们的生存环境带来严重的污染问题。从世界范围来看,目前尚没有一个国家能够依靠以煤为主这种低效的能源消费结构实现现代化。因此,能源结构多元化是社会经济发展的必然结果,建立一个高效、洁净和持久的能源体系是一个国家(或地区)走向现代化的必然趋势。因此,我国在发展常规化石能源的同时,应积极实施能源多元化战略,将能源领域的重点转向大力开发利用可再生能源和其它新能源上。
2 能源多元化战略
随着经济的发展,传统的化石能源已经濒临枯竭,积极开发利用可再生能源和其它新能源,是我国能源可持续发展的必由之路。
2.1 化石能源
我国是能源以煤为主的国家,根据世界能源会议资料显示,我国煤炭资源总量居世界第三位煤炭储量居世界第七位,而我国煤炭生产量和消费量却位居世界第一。
以煤为主的能源结构能源效率低,通常比以油气为主的能源效率低约8%~10%。煤炭在使用的同时,会带来严重的环境污染。目前,我国SO2的排放量居世界第一位,酸雨的覆盖面积已达国土面积的40%,其中主要集中在东部沿海城市。例如,青岛市年均pH值在4.25~4.64之间,厦门年平均pH值在3.8~5.0之间。我国CO2的排放量仅次于美国,是造成全球气候温暖化的主要国家之一。2001年世界银行发展报告列举的世界污染最严重的20个城市中,中国占了16个,中国大气污染造成的经济损失已经占到GDP的3%~7%。
此外,煤炭的运输费用过于高昂。由于我国煤炭资源集中分布在北部和西部地区,特别是山西、陕西和内蒙古西部,将是我国今后长期煤炭开发区和全国煤炭供应基地。而用煤工业发达区却集中在东南沿海,这种资源分布与生产力不相适应的状况,将使我国“北煤南运”和“西煤东运”的长距离输煤格局难以改变。随着东部经济的高速发展,对能源的需求越来越多,煤炭生产和需求的增长率均远远高于煤炭运输量的增长率,铁路运输的瓶颈问题将更加突出。东西南北纵横上千公里的运输距离,使东南沿海地区煤炭用户的用煤成本居高不下。在华东和华南,运费和出厂价的比例接近和超过1∶1。
就目前的发展状况来看,在今后一段相当长的时间里,煤炭仍将是我国消费的主要能源之一,为了有效解决大量使用煤炭所带来的环境污染问题和铁路运输压力问题,必须大力发展洁净煤技术。我国的洁净煤技术研究,虽然直到20世纪90年代初才开始起步,但是由于国家重视,研究方向明确,并投入大量资金进行相关技术的研究开发,引进技术或自主开发建设了一批示范工程,从而有效地促进了我国洁净煤技术的发展和应用。目前重点推广煤炭的选洗技术,提高煤炭选洗加工比例;发展坑口发电,减少运输量和能源利用率;发展煤炭气化和液化新技术,从根本上解决直接燃烧煤炭所带来的环境问题。
我国是富煤缺油的国家,石油储量仅占世界储量的2%,而石油的储采比仅为14.9a。因此,随着经济的发展,国内石油供需矛盾日益突出。我国自1993年成为纯石油进口国以来,进口量逐年增加。《中国能源展望2002》预计,由于我国经济的高速增长和交通发展的拉动,我国原油需求年均增长率为3%,石油消费的增加量主要靠进口来满足,预计到2030年石油进口量占整个石油需求量的份额将从2001年34%增加到82%。
但我国石油储备体系才刚刚起步,现有原油、成品油储罐多属生产和流通的配套设施,难以发挥储备功能,随着我国对进口石油依赖程度的提高,国际石油市场一旦暂时或局部供应短缺,世界油价出现异常波动,都将对我国石油供给和国民经济的持续发展产生重大的影响和严重冲击。
我国的天然气主要集中在西部,西部地区蕴藏着非常丰富的天然气资源,约占全国天然气资源总量的60%。目前,我国天然气的储采比为49.3a。
我国实施西部大开发后,“西气东输”可以向东部输气120亿m3以上。同时上海以东约400km的西湖凹陷区域,推测天然气的蕴藏量为2000亿m3。从2005年中期开始,将按商业基准每年生产10亿m3的天然气,供应给浙江省和上海等中国东部地区。
21世纪是我国天然气大发展的世纪,随着“西气东输”工程的实施、进口液化天然气、近海气登陆和煤层气的开发利用,将对加速改善我国的能源结构起到重大作用。
2.2 可再生能源
我国拥有丰富的可再生能源。近20年来,我国可再生能源的开发利用有很大发展,已成为能源系统中不可缺少的组成部分。目前可开发利用的风能资源约2.53亿kW,地热资源探明储量为31.6亿t标煤,陆地接收的太阳辐射能相当于2.4万亿t标煤,生物质能、海洋能的储量均处于世界领先地位。我国东部及其沿海、岛屿有着丰富的风能资源和海洋能资源,但至今被开发利用的不及1%,存在着巨大的开发潜力。
此外,可再生能源取之不尽、用之不竭。合理利用可再生能源,既可以减少环境污染,又可以减轻越来越大的能源短缺的压力。
太阳能作为一种理想的绿色可再生能源,目前在全世界得到了大力的推广和广泛的使用,尤其是在日本,发展尤为突出。日本政府为了鼓励太阳能的开发利用,提出了太阳能促进计划,向太阳能发电设备生产企业提供财政资金,鼓励家庭安装太阳能发电设备,并打算继续提高财政补贴额度。经过多年努力,日本的太阳能技术在全球已遥遥领先。据世界能源机构IEA的统计,2000年世界利用太阳能发电71.2万kW,其中日本31.7万kW,在全球太阳能发电总量中独占45%。大力支持并推广太阳能应用。目前,每年我国陆地接收的太阳辐射总量相当于24000亿吨标煤。
此外,我国的太阳能光电即光伏发电,也是一种太阳能利用形式,技术也比较成熟,但是由于其成本较高,效率较低,目前基本没有竞争优势。如果太阳能光电技术上能产生新的突破,太阳能有可能会成为一个非常主要的能源。从近期看,光伏发电可以作为常规能源的补充,解决特殊应用领域,如通信、信号电源和边远无电地区民用生活用电需求;从远期看,光伏发电将以分散式电源进入电力市场,并部分取代常规能源,从环境保护及能源战略上都具有重大的意义。
太阳能光伏系统有诸多优点,但其缺点也很明显。其优点是因不使用化石燃料而无燃料费用,且无噪声和大气污染、环保、可靠耐用、安全,在恶劣的环境和气候条件下很少产生故障。在高海拔地区,随着日照的增强光伏系统的输出功率将增加。缺点是初期投资高,另外,系统效率低,
日照不稳定,需要储能设备。目前,我国光伏发电的重点地区在青海、西藏、内蒙、甘肃、陕西等无电和严重缺电的农牧区,在这些地区已建成光伏电站40多座,其中在西藏安多县海拔4500m处,建成了我国最大的100kW光伏电站。
风能是依靠风力发电来获取能源的一种重要形式,风能不仅充沛和廉价,而且也是目前最有开发利用前景的一种可再生能源。目前,荷兰、德国、丹麦、瑞典等国家都先后利用风力发电机设备的改进设计和采用新材料,成功地研制出了发电功率在1~4MW的风力发电机组。世界上15座10亿瓦的风力发电机厂,10个在欧洲,丹麦风力提供了该国14%的发电量;法国北部一些地方达到15%。
我国风能资源丰富,理论储量16亿kW,实际可利用2.5亿kW,有巨大的发展潜力,新疆、内蒙古、广东、辽宁、浙江、海南、河北、甘肃、福建、山东、吉林、黑龙江都具备建设风电场的资源条件。目前,我国风电场总装机容量仅占我国电网总容量的0.07%,电网总装机容量为23654万kW,风电场累计装机容量为57700kW,容量比为0.024%,与相关电网的综合容量比仅为0.038%,发展空间巨大。
但是,风能也有它的弊端,受环境的制约很大,尤其是我国的风能利用技术水平还很低,目前的一些风能示范系统,大部分还是采用国外的技术设备,发展受到一定的限制。
水能也是一种洁净、无污染的可再生能源。水能的开发利用,通常是通过某种装置,将水力转化为机械能或电能,供人类的各种需要。我国是世界上水电资源最丰富的国家。全国理论水能蕴藏量5.92亿kWh/a,技术可开发装机容量为3.78亿kW,但目前我国的水电开发率仅为15%,开发率远低于世界水平,也落后于印度、巴西、越南等发展中国家,因此,其具有巨大的开发潜力。
开发利用水电具有一系列的优点,水电建设已有成熟的技术;水力发电成本具有竞争力和稳定性,没有燃料费用;水能是本国自有的资源,不受国外的影响;建设水电站既可节约煤炭、石油,减少环境污染,又可兼收防洪、灌溉、航运、水产、供水、旅游、水上运动等综合利用效益,尤其是可供在电力系统提高调峰、调频和战备用电源等等。建水电站对生态环境有一定影响,但处理得当是可以避免的。
生物包括动物、植物和微生物。生物质能是指生物质能源。它是太阳能的另一种形式,也是一种可再生能源,是指直接或间接地通过绿色植物的光合作用,把太阳能转化为化学能后固定和贮藏在生物体内的能量。可作为能源加以利用的生物,主要有树木、农作物、水生植物、农林产品加工残余物、有机废弃物、以及人畜粪便等。资料显示,地球上每年通过植物所固定的太阳能产生的有机物达1800亿t,相当于31022J的能量,为现实能源消费的10倍左右。
生物质能源不仅分布广、数量大,而且它的生产转化受气候和地理条件影响小,是一种到处可得的再生能源。我国具有丰富的生物能资源,包括农作物秸杆、薪柴和各种有机废物,可供发展沼气电力。
目前,生物质能的利用主要有四种途径,即:木质燃烧(薪柴燃烧、木质压缩成型燃料、木油复合燃料),生物化学加工利用(厌氧发酵、乙醇发酵),热化学利用(裂解、气化、液化),生物培养能源(石油树、石油草)等。但是,现在主要停留在第一种途径上,即薪柴燃烧,利用方法落后,效率极低。这就决定了生物质能的开发利用潜力巨大,前景十分广阔。据预测,到2050年,生物质能用量将占全球燃料直接用量的38%,全球电力的17%。
垃圾发电是生物质能的一种利用形式,是一种新能源技术。它可以将垃圾中的二次能源物质———有机可燃物转化为热量。焚烧处理后的灰渣呈中性、无气味、不引发二次污染,且体积减少90%,重量减少75%。如果方法得当,1t垃圾可获300~400kW·h电力。垃圾发电可以先将垃圾与水混合后被压碎,变成液体,利用微生物将这些有机物质分解并释放出气体(65%是CH4),CH4被提纯、浓缩,然后通过燃料电池发电。也可以将垃圾在高温下焚烧和熔融,炉内温度高达
在日本、美国、英国等国家,垃圾发电技术都相当发达,我国的垃圾发电近年来得到快速发展,东南沿海城市走在前列,如深圳、温州、上海等城市,都陆续建立了垃圾焚烧发电厂。
地热能是地球内部的热能,它的总热量是煤炭总热量的1.7亿倍,且比煤炭所造成的污染少。地热能可用于发电、采暖、制冷、制冰、医疗、洗浴、暖棚种植、水产养殖等行业,而且可以按温度高低,实行不同需要的“梯度”开采,综合使用。地热能具有热能利用效率高,达50%~70%;开发时间短,投资相对低;可以直接使用等优点。
我国地热资源很丰富,已探明的地热储量相当于4626亿吨标煤,现已开发利用的仅为10万分之一。但目前一些地热水电站仅仅是进行试验工作,发展比较好的只有天津等地,还有待于加强研究和技术突破。
海洋能通常指海洋中所蕴藏的可再生的自然能源,主要为潮汐能、波浪能、潮流能、海水温差能和海水盐差能。更广义的海洋能还包括海洋上空的风能、海洋表面的太阳能以及海洋生物质能等。
波浪能是指海洋表面波浪所具有的动能和势能,它是海洋能中蕴藏最丰富的一种。有人计算,1km2海面上的波浪能可以达到25万kW的功率。目前,波浪能丰富的欧洲北海地区,其年平均波浪功率为20~40kW/m2,中国海岸大部分的年平均海浪功率密度为2~7kW/m2。波浪发电是波浪能利用的主要方式。20世纪70年代以来,日本、挪威等国波浪发电研究成果显著,日本已经基本实现了海上浮体波浪电站向陆地小规模送电。我国波浪发电研究成绩也很显著,上海、青岛、广州和北京的五六家单位都已经开展了此项研究。
潮汐是一种世界性的海平面总期性变化的现象,由于受月亮和太阳这两个万有引力源的作用,海平面每昼夜有两次涨落。据海洋学家计算,世界上潮汐能发电的资源量在10亿kW以上,世界上潮汐能最大的地方是加拿大的芬地湾。我国目前可开发的潮汐能也在2000万kW以上,是世界上建造潮汐电站最多的国家,大概有50多座。江夏电站是中国最大的潮汐电站,目前已正常运行近20年。
另外,温差能是指因海洋中上下层水温差异而蕴藏着的能量;而盐差能使以化学能形态出现的一种海洋能。
2.3 其它替代能源
核能是一种安全清洁的能源。目前,世界各国都竞相发展核电。如日本已建成51座核反应堆,是继美国(104座)和法国(55座)之后的世界第三个核能利用大国,核电已达日本电力供应总量的35%。我国东部已建成的核电站有浙江秦山和广东大亚湾,目前正在建设秦山二期和三期、广东岭澳、江苏田湾等核电站。2000年核发电量为167万kW。2003年,我国核发电量创历史最高水平,达到619万kW,比2000年增长270%。目前,在建的江苏田湾核电工程进展顺利,1号机组将于2004年投入商业运行。同时,我国有关科研机构还正在积极研究开发先进压水堆、快中子增殖堆等先进反应堆,必将促进未来核电的发展。
目前,核能是一些发达国家重要的替代能源,在我国的开发还很不足,仅占全国发电量的1.2%。由于我国蕴藏着丰富的铀资源,因此,正积极发展核电事业,力争到2020年使核电装机达到4000万kW,占全部发电量的比例将提高到4%。
氢能也是利用新技术开发的二次能源。随着全世界对日益严重的气候变暖的重视和环保意识的增强,氢能以其安全、清洁的优点,开辟了广阔的应用市场。
目前,丰田、福特等世界著名汽车厂商都开发了氢燃料发动机,以减轻排气污染,预期排放的碳仅是常规内燃机的30%,造成的大气污染仅为常规内燃机的5%。美、欧、日、法也开始在飞机上用氢,液态氢的温度是-253℃,试用证明双发动机飞机使用液态氢,已经很安全,提供的能量是汽油的3倍。
燃料电池是利用新技术开发的二次能源,其使用氢或天然气为燃料,利用触媒,让氢和氧平稳地发生反应变成水,同时产生电流。它排放的有害气体极少;它没有运动机械,直接产生电流,噪音小;燃料电池可以分散地配置于耗电区内,避免了长途输电。由于燃料电池具有这些优点,因此它受到世界各国的重视和青睐。当年登月成功的阿波罗号,便是采用燃料电池来供应电力和饮水的。
不过,燃料电池所需的触媒是贵金属,成本较高,科学家们正致力于解决这个问题。据专家预测,不久的将来,燃料电池的功率可达到数万千瓦甚至数十万千瓦。
甲烷水合物又叫天然气水合物,是一种新发现的能源,目前还没有得到广泛利用,但是它的储量非常大。据预测,目前全世界有甲烷水合物储量约25000万亿m3,其蕴藏的能量是全球石油、天然气和煤炭总和的两倍,将来有可能成为主要的替代能源。日本附近海域的甲烷水合物占全球总储量的很小一部分,据估计,有4万亿~20万亿m3。我国南海海底初步发现存有这样的物质。
目前,甲烷水合物的开发利用还存在诸多困难。首先是采集难,甲烷水合物是甲烷气体和水分子的结晶形态,只在低温、高压环境下存在,往往存在于北极永冻土层或海底沉积物中。其次,当人们将其采集到海面时,这种冰冻的结晶体即会融解、气化,瞬间变得无影无踪,因此,如何“捕捉”逃逸的甲烷气体是开发利用的关键。再者,如何为冰冻的气田加温,如何在极深的海底钻探,以及如何保持钻头润滑等,都是各国科学家不得不面临的问题。
除了以上介绍的可再生能源及新能源之外,目前我国还大力推动生物液体燃料、超导能、光能等其它替代能源的开发。
3 结束语
能源是现代社会和经济发展的动力,是人类生命存在和繁衍的生命线。传统化石能源的逐步耗竭,使能源危机已逐步逼近。中国21世纪的能源工业将是能源资源利用与环境保护可持续发展的改造型新工业,因此,合理调整能源结构,大力开发可再生能源和其它新能源,走多元化洁净能源发展道路,是我国社会可持续发展的必由之路。
