1 概述
能源作為人類社會進步和發展的重要物質基礎,對保障國民經濟發展和人民生活水平的不斷提高至關重要,合理的能源發展結構對促進經濟、社會和環境的協調發展作用重大。
隨著經濟的飛速發展,我國對傳統的化石能源如煤、石油、天然氣等的需求量逐步增大,但這類礦藏資源儲量有限,目前大多已瀕臨枯竭。此外,這類化石能源在使用的同時,會給我們的生存環境帶來嚴重的污染問題。從世界范圍來看,目前尚沒有一個國家能夠依靠以煤為主這種低效的能源消費結構實現現代化。因此,能源結構多元化是社會經濟發展的必然結果,建立一個高效、潔凈和持久的能源體系是一個國家(或地區)走向現代化的必然趨勢。因此,我國在發展常規化石能源的同時,應積極實施能源多元化戰略,將能源領域的重點轉向大力開發利用可再生能源和其它新能源上。
2 能源多元化戰略
隨著經濟的發展,傳統的化石能源已經瀕臨枯竭,積極開發利用可再生能源和其它新能源,是我國能源可持續發展的必由之路。
2.1 化石能源
我國是能源以煤為主的國家,根據世界能源會議資料顯示,我國煤炭資源總量居世界第三位煤炭儲量居世界第七位,而我國煤炭生產量和消費量卻位居世界第一。
以煤為主的能源結構能源效率低,通常比以油氣為主的能源效率低約8%~10%。煤炭在使用的同時,會帶來嚴重的環境污染。目前,我國SO2的排放量居世界第一位,酸雨的覆蓋面積已達國土面積的40%,其中主要集中在東部沿海城市。例如,青島市年均pH值在4.25~4.64之間,廈門年平均pH值在3.8~5.0之間。我國CO2的排放量僅次于美國,是造成全球氣候溫暖化的主要國家之一。2001年世界銀行發展報告列舉的世界污染最嚴重的20個城市中,中國占了16個,中國大氣污染造成的經濟損失已經占到GDP的3%~7%。
此外,煤炭的運輸費用過于高昂。由于我國煤炭資源集中分布在北部和西部地區,特別是山西、陜西和內蒙古西部,將是我國今后長期煤炭開發區和全國煤炭供應基地。而用煤工業發達區卻集中在東南沿海,這種資源分布與生產力不相適應的狀況,將使我國“北煤南運”和“西煤東運”的長距離輸煤格局難以改變。隨著東部經濟的高速發展,對能源的需求越來越多,煤炭生產和需求的增長率均遠遠高于煤炭運輸量的增長率,鐵路運輸的瓶頸問題將更加突出。東西南北縱橫上千公里的運輸距離,使東南沿海地區煤炭用戶的用煤成本居高不下。在華東和華南,運費和出廠價的比例接近和超過1∶1。
就目前的發展狀況來看,在今后一段相當長的時間里,煤炭仍將是我國消費的主要能源之一,為了有效解決大量使用煤炭所帶來的環境污染問題和鐵路運輸壓力問題,必須大力發展潔凈煤技術。我國的潔凈煤技術研究,雖然直到20世紀90年代初才開始起步,但是由于國家重視,研究方向明確,并投入大量資金進行相關技術的研究開發,引進技術或自主開發建設了一批示范工程,從而有效地促進了我國潔凈煤技術的發展和應用。目前重點推廣煤炭的選洗技術,提高煤炭選洗加工比例;發展坑口發電,減少運輸量和能源利用率;發展煤炭氣化和液化新技術,從根本上解決直接燃燒煤炭所帶來的環境問題。
我國是富煤缺油的國家,石油儲量僅占世界儲量的2%,而石油的儲采比僅為14.9a。因此,隨著經濟的發展,國內石油供需矛盾日益突出。我國自1993年成為純石油進口國以來,進口量逐年增加。《中國能源展望2002》預計,由于我國經濟的高速增長和交通發展的拉動,我國原油需求年均增長率為3%,石油消費的增加量主要靠進口來滿足,預計到2030年石油進口量占整個石油需求量的份額將從2001年34%增加到82%。
但我國石油儲備體系才剛剛起步,現有原油、成品油儲罐多屬生產和流通的配套設施,難以發揮儲備功能,隨著我國對進口石油依賴程度的提高,國際石油市場一旦暫時或局部供應短缺,世界油價出現異常波動,都將對我國石油供給和國民經濟的持續發展產生重大的影響和嚴重沖擊。
我國的天然氣主要集中在西部,西部地區蘊藏著非常豐富的天然氣資源,約占全國天然氣資源總量的60%。目前,我國天然氣的儲采比為49.3a。
我國實施西部大開發后,“西氣東輸”可以向東部輸氣120億m3以上。同時上海以東約400km的西湖凹陷區域,推測天然氣的蘊藏量為2000億m3。從2005年中期開始,將按商業基準每年生產10億m3的天然氣,供應給浙江省和上海等中國東部地區。
21世紀是我國天然氣大發展的世紀,隨著“西氣東輸”工程的實施、進口液化天然氣、近海氣登陸和煤層氣的開發利用,將對加速改善我國的能源結構起到重大作用。
2.2 可再生能源
我國擁有豐富的可再生能源。近20年來,我國可再生能源的開發利用有很大發展,已成為能源系統中不可缺少的組成部分。目前可開發利用的風能資源約2.53億kW,地熱資源探明儲量為31.6億t標煤,陸地接收的太陽輻射能相當于2.4萬億t標煤,生物質能、海洋能的儲量均處于世界領先地位。我國東部及其沿海、島嶼有著豐富的風能資源和海洋能資源,但至今被開發利用的不及1%,存在著巨大的開發潛力。
此外,可再生能源取之不盡、用之不竭。合理利用可再生能源,既可以減少環境污染,又可以減輕越來越大的能源短缺的壓力。
太陽能作為一種理想的綠色可再生能源,目前在全世界得到了大力的推廣和廣泛的使用,尤其是在日本,發展尤為突出。日本政府為了鼓勵太陽能的開發利用,提出了太陽能促進計劃,向太陽能發電設備生產企業提供財政資金,鼓勵家庭安裝太陽能發電設備,并打算繼續提高財政補貼額度。經過多年努力,日本的太陽能技術在全球已遙遙領先。據世界能源機構IEA的統計,2000年世界利用太陽能發電71.2萬kW,其中日本31.7萬kW,在全球太陽能發電總量中獨占45%。大力支持并推廣太陽能應用。目前,每年我國陸地接收的太陽輻射總量相當于24000億噸標煤。
此外,我國的太陽能光電即光伏發電,也是一種太陽能利用形式,技術也比較成熟,但是由于其成本較高,效率較低,目前基本沒有競爭優勢。如果太陽能光電技術上能產生新的突破,太陽能有可能會成為一個非常主要的能源。從近期看,光伏發電可以作為常規能源的補充,解決特殊應用領域,如通信、信號電源和邊遠無電地區民用生活用電需求;從遠期看,光伏發電將以分散式電源進入電力市場,并部分取代常規能源,從環境保護及能源戰略上都具有重大的意義。
太陽能光伏系統有諸多優點,但其缺點也很明顯。其優點是因不使用化石燃料而無燃料費用,且無噪聲和大氣污染、環保、可靠耐用、安全,在惡劣的環境和氣候條件下很少產生故障。在高海拔地區,隨著日照的增強光伏系統的輸出功率將增加。缺點是初期投資高,另外,系統效率低,
日照不穩定,需要儲能設備。目前,我國光伏發電的重點地區在青海、西藏、內蒙、甘肅、陜西等無電和嚴重缺電的農牧區,在這些地區已建成光伏電站40多座,其中在西藏安多縣海拔4500m處,建成了我國最大的100kW光伏電站。
風能是依靠風力發電來獲取能源的一種重要形式,風能不僅充沛和廉價,而且也是目前最有開發利用前景的一種可再生能源。目前,荷蘭、德國、丹麥、瑞典等國家都先后利用風力發電機設備的改進設計和采用新材料,成功地研制出了發電功率在1~4MW的風力發電機組。世界上15座10億瓦的風力發電機廠,10個在歐洲,丹麥風力提供了該國14%的發電量;法國北部一些地方達到15%。
我國風能資源豐富,理論儲量16億kW,實際可利用2.5億kW,有巨大的發展潛力,新疆、內蒙古、廣東、遼寧、浙江、海南、河北、甘肅、福建、山東、吉林、黑龍江都具備建設風電場的資源條件。目前,我國風電場總裝機容量僅占我國電網總容量的0.07%,電網總裝機容量為23654萬kW,風電場累計裝機容量為57700kW,容量比為0.024%,與相關電網的綜合容量比僅為0.038%,發展空間巨大。
但是,風能也有它的弊端,受環境的制約很大,尤其是我國的風能利用技術水平還很低,目前的一些風能示范系統,大部分還是采用國外的技術設備,發展受到一定的限制。
水能也是一種潔凈、無污染的可再生能源。水能的開發利用,通常是通過某種裝置,將水力轉化為機械能或電能,供人類的各種需要。我國是世界上水電資源最豐富的國家。全國理論水能蘊藏量5.92億kWh/a,技術可開發裝機容量為3.78億kW,但目前我國的水電開發率僅為15%,開發率遠低于世界水平,也落后于印度、巴西、越南等發展中國家,因此,其具有巨大的開發潛力。
開發利用水電具有一系列的優點,水電建設已有成熟的技術;水力發電成本具有競爭力和穩定性,沒有燃料費用;水能是本國自有的資源,不受國外的影響;建設水電站既可節約煤炭、石油,減少環境污染,又可兼收防洪、灌溉、航運、水產、供水、旅游、水上運動等綜合利用效益,尤其是可供在電力系統提高調峰、調頻和戰備用電源等等。建水電站對生態環境有一定影響,但處理得當是可以避免的。
生物包括動物、植物和微生物。生物質能是指生物質能源。它是太陽能的另一種形式,也是一種可再生能源,是指直接或間接地通過綠色植物的光合作用,把太陽能轉化為化學能后固定和貯藏在生物體內的能量。可作為能源加以利用的生物,主要有樹木、農作物、水生植物、農林產品加工殘余物、有機廢棄物、以及人畜糞便等。資料顯示,地球上每年通過植物所固定的太陽能產生的有機物達1800億t,相當于31022J的能量,為現實能源消費的10倍左右。
生物質能源不僅分布廣、數量大,而且它的生產轉化受氣候和地理條件影響小,是一種到處可得的再生能源。我國具有豐富的生物能資源,包括農作物秸桿、薪柴和各種有機廢物,可供發展沼氣電力。
目前,生物質能的利用主要有四種途徑,即:木質燃燒(薪柴燃燒、木質壓縮成型燃料、木油復合燃料),生物化學加工利用(厭氧發酵、乙醇發酵),熱化學利用(裂解、氣化、液化),生物培養能源(石油樹、石油草)等。但是,現在主要停留在第一種途徑上,即薪柴燃燒,利用方法落后,效率極低。這就決定了生物質能的開發利用潛力巨大,前景十分廣闊。據預測,到2050年,生物質能用量將占全球燃料直接用量的38%,全球電力的17%。
垃圾發電是生物質能的一種利用形式,是一種新能源技術。它可以將垃圾中的二次能源物質———有機可燃物轉化為熱量。焚燒處理后的灰渣呈中性、無氣味、不引發二次污染,且體積減少90%,重量減少75%。如果方法得當,1t垃圾可獲300~400kW·h電力。垃圾發電可以先將垃圾與水混合后被壓碎,變成液體,利用微生物將這些有機物質分解并釋放出氣體(65%是CH4),CH4被提純、濃縮,然后通過燃料電池發電。也可以將垃圾在高溫下焚燒和熔融,爐內溫度高達
在日本、美國、英國等國家,垃圾發電技術都相當發達,我國的垃圾發電近年來得到快速發展,東南沿海城市走在前列,如深圳、溫州、上海等城市,都陸續建立了垃圾焚燒發電廠。
地熱能是地球內部的熱能,它的總熱量是煤炭總熱量的1.7億倍,且比煤炭所造成的污染少。地熱能可用于發電、采暖、制冷、制冰、醫療、洗浴、暖棚種植、水產養殖等行業,而且可以按溫度高低,實行不同需要的“梯度”開采,綜合使用。地熱能具有熱能利用效率高,達50%~70%;開發時間短,投資相對低;可以直接使用等優點。
我國地熱資源很豐富,已探明的地熱儲量相當于4626億噸標煤,現已開發利用的僅為10萬分之一。但目前一些地熱水電站僅僅是進行試驗工作,發展比較好的只有天津等地,還有待于加強研究和技術突破。
海洋能通常指海洋中所蘊藏的可再生的自然能源,主要為潮汐能、波浪能、潮流能、海水溫差能和海水鹽差能。更廣義的海洋能還包括海洋上空的風能、海洋表面的太陽能以及海洋生物質能等。
波浪能是指海洋表面波浪所具有的動能和勢能,它是海洋能中蘊藏最豐富的一種。有人計算,1km2海面上的波浪能可以達到25萬kW的功率。目前,波浪能豐富的歐洲北海地區,其年平均波浪功率為20~40kW/m2,中國海岸大部分的年平均海浪功率密度為2~7kW/m2。波浪發電是波浪能利用的主要方式。20世紀70年代以來,日本、挪威等國波浪發電研究成果顯著,日本已經基本實現了海上浮體波浪電站向陸地小規模送電。我國波浪發電研究成績也很顯著,上海、青島、廣州和北京的五六家單位都已經開展了此項研究。
潮汐是一種世界性的海平面總期性變化的現象,由于受月亮和太陽這兩個萬有引力源的作用,海平面每晝夜有兩次漲落。據海洋學家計算,世界上潮汐能發電的資源量在10億kW以上,世界上潮汐能最大的地方是加拿大的芬地灣。我國目前可開發的潮汐能也在2000萬kW以上,是世界上建造潮汐電站最多的國家,大概有50多座。江夏電站是中國最大的潮汐電站,目前已正常運行近20年。
另外,溫差能是指因海洋中上下層水溫差異而蘊藏著的能量;而鹽差能使以化學能形態出現的一種海洋能。
2.3 其它替代能源
核能是一種安全清潔的能源。目前,世界各國都競相發展核電。如日本已建成51座核反應堆,是繼美國(104座)和法國(55座)之后的世界第三個核能利用大國,核電已達日本電力供應總量的35%。我國東部已建成的核電站有浙江秦山和廣東大亞灣,目前正在建設秦山二期和三期、廣東嶺澳、江蘇田灣等核電站。2000年核發電量為167萬kW。2003年,我國核發電量創歷史最高水平,達到619萬kW,比2000年增長270%。目前,在建的江蘇田灣核電工程進展順利,1號機組將于2004年投入商業運行。同時,我國有關科研機構還正在積極研究開發先進壓水堆、快中子增殖堆等先進反應堆,必將促進未來核電的發展。
目前,核能是一些發達國家重要的替代能源,在我國的開發還很不足,僅占全國發電量的1.2%。由于我國蘊藏著豐富的鈾資源,因此,正積極發展核電事業,力爭到2020年使核電裝機達到4000萬kW,占全部發電量的比例將提高到4%。
氫能也是利用新技術開發的二次能源。隨著全世界對日益嚴重的氣候變暖的重視和環保意識的增強,氫能以其安全、清潔的優點,開辟了廣闊的應用市場。
目前,豐田、福特等世界著名汽車廠商都開發了氫燃料發動機,以減輕排氣污染,預期排放的碳僅是常規內燃機的30%,造成的大氣污染僅為常規內燃機的5%。美、歐、日、法也開始在飛機上用氫,液態氫的溫度是-253℃,試用證明雙發動機飛機使用液態氫,已經很安全,提供的能量是汽油的3倍。
燃料電池是利用新技術開發的二次能源,其使用氫或天然氣為燃料,利用觸媒,讓氫和氧平穩地發生反應變成水,同時產生電流。它排放的有害氣體極少;它沒有運動機械,直接產生電流,噪音小;燃料電池可以分散地配置于耗電區內,避免了長途輸電。由于燃料電池具有這些優點,因此它受到世界各國的重視和青睞。當年登月成功的阿波羅號,便是采用燃料電池來供應電力和飲水的。
不過,燃料電池所需的觸媒是貴金屬,成本較高,科學家們正致力于解決這個問題。據專家預測,不久的將來,燃料電池的功率可達到數萬千瓦甚至數十萬千瓦。
甲烷水合物又叫天然氣水合物,是一種新發現的能源,目前還沒有得到廣泛利用,但是它的儲量非常大。據預測,目前全世界有甲烷水合物儲量約25000萬億m3,其蘊藏的能量是全球石油、天然氣和煤炭總和的兩倍,將來有可能成為主要的替代能源。日本附近海域的甲烷水合物占全球總儲量的很小一部分,據估計,有4萬億~20萬億m3。我國南海海底初步發現存有這樣的物質。
目前,甲烷水合物的開發利用還存在諸多困難。首先是采集難,甲烷水合物是甲烷氣體和水分子的結晶形態,只在低溫、高壓環境下存在,往往存在于北極永凍土層或海底沉積物中。其次,當人們將其采集到海面時,這種冰凍的結晶體即會融解、氣化,瞬間變得無影無蹤,因此,如何“捕捉”逃逸的甲烷氣體是開發利用的關鍵。再者,如何為冰凍的氣田加溫,如何在極深的海底鉆探,以及如何保持鉆頭潤滑等,都是各國科學家不得不面臨的問題。
除了以上介紹的可再生能源及新能源之外,目前我國還大力推動生物液體燃料、超導能、光能等其它替代能源的開發。
3 結束語
能源是現代社會和經濟發展的動力,是人類生命存在和繁衍的生命線。傳統化石能源的逐步耗竭,使能源危機已逐步逼近。中國21世紀的能源工業將是能源資源利用與環境保護可持續發展的改造型新工業,因此,合理調整能源結構,大力開發可再生能源和其它新能源,走多元化潔凈能源發展道路,是我國社會可持續發展的必由之路。
