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中国能源科技发展战略 研究报告 国家发展和改革委员会能源研究所课题组 2004 年 4 月 I1. 促进能源科技发展是解决能源问题的重要途径 1.1 能源科技战略是国家能源战略的重要组成部分 在世界日新月异的向前发展的今天,科学技术 已经成了人类经济社会活动创新和经济增长的动力。而在能源领域,能源 科学技术对能源供应方式和使用方式的改变,对国家和地区的能源发展所产生的影响越来越大。 就中国现阶段的国情看,能源科技进步对保障 经济的长期稳定增长,对提升国家的竞争实力,对保障中国的能源安全都 具有非常重要的作用。在能源环境问题逐渐成为世界能源焦点之一的今天,通 过技术进步解决能源环境问题已是全世界的共识。例如,当今许多国家都重视 通过开发新一代能源技术期待实现向“ 低碳经济” 、“ 零排放能源 系统” 的转化。因此,在中国的国家能源战略之中纳入能源科技发展战略,符合当今世界 越来越重视科学技术的潮流,符合能源发展受技术进步驱动这一客观规律,也是对“ 科技是第一生产力” 的具体体现。 科技发展水平是一个国家综合实力的重要体现。中国已提 出在 2020 年实现 GDP 再翻两番,建设惠及十几亿人的全面小康社会的发展目标。但是由于中国人口众多、能源资源又不是很丰富,在全 面建设小康社会的过程中,必须会在满足能源供应方面面临许多困难和问题。 中国除了进一步向世界开放,寻求更多的国际能源资源支持自己的发展外,还 必须依靠自己的力量,依靠科学技术进步,降低能源需求总量、增加能源资源 的多元化和可利用资源量、减少能源生产和使用所带来的环境污染、提高能源 的可供性和安全性、开发利用后续能源等。 1.2 科技进步可显著提高能效、实现节能优先的能源发展战略 1中国能源利用率低的主要原因除了产业结构、 能源消费结构、能源管理水平普遍落后等方面的问题以外,能源开发技术 和用能技术水平低下也是主要原因。以 2000 年为例,当年中国的供电煤耗较日本高 76g/kWh,如果中国的供电煤耗也能达到日本的水平的话,当年就可节约发电用煤 7600 多万吨,相当于两个大同煤矿集团的产量(3689 万吨,2002 年)。 中国节能优先的战略中含有大量先进节能技术 的推广和研发的内容。若中国持续低技术含量发展的状况,仍然大量采用 能耗比国外高 30以上的生产技术和生产过程,不及时提高建筑的节能水平, 继续大量生产百公里油耗比世界先进水平高 20以上的汽车,中国的节能 优先战略的实施就只能是一句空话,2020 年的 能源总需求比 BAU 情 景显著降低的目标也将难以实现。 1.3 科技进步也是实现能源多元化和优质化的主要途径 随着科学技术的发展,不断修改、完善石油天 然气地质理论,石油、天然气最终可采储量随着人们认识的不断提高而不 断增加;随着新能源和可再生能源利用技术不断取得重要进展,越来越多可再 生能源和新能源逐步被人们利用。人们普遍认为新能源、可再生能源将成为 21 世纪最重要的后续能源。 面对多元化的能源战略,化石能源的高效清洁 开发利用、核电的大发展、可再生能源的规模化利用对中国掌握技术和设 备当地化制造能力均提出了更高要求,如果不加紧研发,将难以保证未来充足 、安全、优质、经济的能源供应。 1.4 科技进步可控制环境污染,保证可持续发展战略实施 2能源环境战略对能源技术提出了更高要求。能 源环境协调发展要求中国首先解决煤炭带来的污染问题,其次降低温室气 体排放。这进一步显示出了研发洁净煤技术、污染物控制技术研发的紧迫性。 环境问题作为能源体系,特别是能源技术发展的驱动力的特点越来越突出。人类对生存环境的关注往往被引导到能源 问题上,而如何开发新的能源技术已成为解决问题的关键。 1.5 科技进步可提高能源安全、提高企业效益 充足和可靠的能源供应是能源发展的根本任务,也是能源安全的基本要求。 能源技术可以在提高能源供 应安全方面发挥重要作用。对石油安全而言,新的能源技术不但能增加石油的国内供应能力 ,还能用其它液体燃料替代一部分石油。电力系统安全性的提高也需要依赖新 的电网控制理论、大电网的分析预测及建模仿真工具以及高度自动化的电网控制系统。 在中国逐渐成为“ 世界加工中心” 的大趋势下,通过技术进步降低生产过程的能源消耗,将会成为中国缓解经济发展导 致的能源需求的不断增长和能源资源不足这一矛盾的少数选择之一。对高耗能 行业的发展尤为如此。随着今后人们收入水平逐步提高,中国劳动力成本低的 优势将会逐渐丧失,能耗成本高的弱点将进一步凸现,采用先进技术降低成本的要求会更加紧迫。 科技进步的作用不仅仅限于上面几点,科技进 步对社会发展的贡献是全面性的、带动性的,它是社会发展的“ 发动机” ,是人类社会进步的主要驱动因素之一,必须予以高度重视。 2. 中国能源科技发展回顾 2.1 国家三大科研计划中的能源科技回顾 973、863、科技攻关 3在中国能源科技的发展历程中,国家高技术研究发展计划863 计划 、国家科技攻关计划攻关计划、国家重点基础研 究发展计划9 73 计划等国家级大型科研计划在很大程度上推动了能源科技的发展。 (1)国家高技术研究发展计划863 计划 国家高技术研究发展计划863 计划旨在进行重要高新技术的研究与开发。 “ 十 五” 期间,中国 863 计划能 源技术领域的立题方向有所变化,将支持范围明显拓宽,设立了洁净煤主题和后续能源技术两个主题。 在洁净煤主题中, 2002 年安排的第二批课题包括 6 个 方向,它们是1.超超临界(高效超临界)燃煤发电技术、2.IGC C 电站设计集成与动态特性、3.煤气化发电、燃(原)料联产技术、4.燃煤电站低 NOx 燃烧技术、5.煤炭直接液化关键技术、6.洁净煤新技术研究开发,新安排课题共 24 项。 在后续能源主题中,“ 十五” 期间的主攻方向为核能、风能、太阳能、生物质能、氢能、燃料电池。2002 年安排的第二批课题包括两个方向高温燃料电池技术和后续能源创新技术。其中前者旨在开发 50 kW 级天然气熔融碳酸盐燃料电池示范发电系统和 5 kW 级天然气固体氧化物燃料电池发电系统;后者突出前瞻性和创新性的后续能源技术。 从 2001 年开始,863 计划中增添了重大专项的研究项目。2001 年启动了三项 863 计划重大专项,它们是“ 电动汽车” 、 “ 高 速磁悬浮交通技术研究” 和“ 渤海大油田勘探开发关键技术” 。2 002 年起,在 863 计划的能源科技领域内部增设了重大专项研究。 2002 年设立的重大专项分别是“ 电动汽车” 、“ 高速磁悬浮交通技术研究” 、 “ 燃 气轮机” 和“ 快中子实验堆” 共 44项,其中“ 电动汽车” 专项启动 1 年来已取得了显著进展,已完成 5 个 整车功能样车的试制。 (2)国家科技攻关计划攻关计划 国家科技攻关计划的立足点是面向 国民经济建设主战场,力图解决国民经济和社会发展中带有方向性、综合性、关键 性技术问题、提高产业的技术水平。因此在技术的选择中偏重于对国民经济建 设和社会发展有重大影响的、产业关联度比较大的技术。 “ 十五” 期间,国家科技攻关计划在 国家重大项目方面设置了“ 清洁能源行动专项” 项目,对循环流化床等予以支持;“ 十五” 期间在国家重点项目方面设立了“ 可再生能源产业化开发” 、 “ 重 点耗能行业系统节能技术开发与应用示范” 项目” 、 “ 核 技术应用产业化开发” 、“ 清洁汽车行动(二期)” 、“ 合成气及天然气直接转化新技术 ” ;在引导项目中设立了“ 全甲醇(M 100)环保汽车燃烧装置开发 ” 、 “ 电动车用锂离子电池组开发 ” 等 项目,目前正在积极研究中。 (3)国家重点基础研究发展计划973 计划 国家重点基础研究发展计划973 计划旨在提供解决重大关键问题的理论依据和形成未来重大新技术的科学基础。 1998 年以 来,中国 973 计划在 能源领域共支持了 15 项重大基础科学的研究,它们的课题名称和立项时间如下1 中国电力大系统灾变防治和经济运行的重大科学问题的研究 1998、 2 煤热解、气化和高温净化过程的基础研究1999、 3 燃煤污染防治的基础研究 1999、 4 高 效 洁净能源-动力系统及热-功转换过程内部流动的研究 1999、 5 天然气、煤层气优化利用的催化基础51999、 6 大 幅 度 提 高 石 油 采 收 率 的 基 础 研 究 1999、7 加速 器驱 动 洁 净 核 能系 统 的 物 理 及 技 术 基 础 研 究 1999、 8 高 效 节 能 的 关 键 科 学 问 题 2000、 9 氢能的规模制备、储运及相关燃料电池的基础研究2000、10 低价、长寿命新型光伏电池的基础研究2000、11 高效天然气藏形成分布与凝析、低效气藏经济开发的基础研究2001、12 新 一代内燃机燃烧理论和石油燃料替代途径的基础研 究 2001、 13 燃烧源可吸入颗粒物的形成与控制技术基础研究 2002、 14 中国煤层气成藏机制及经济开采基础研究2002、15 绿 色二次电池新体系相关基础研究2002。 除了上述科研计划之外,能源科技的 发展还得到了国家自然科学基金等其它方面资金的支持,也包含着国家攀登计划等 较早时期的科研计划的贡献。总的来看,近年来 863 计划、973 计划和攻关计划的资金支持力度相对较大,在社会上的影响力也较大。 2.2 中国能源科技的成就 改革开放二十年来,在国家的大力投 入下,中国能源科技水平不断提高,特别是九十年代以来,中国能源科技的水平更迈上了新的台阶。 在勘探和开发方面,综合机械化采煤 技术达到国际先进水平,并拥有世界先进水平的年产 500 万吨以上的工作面,具备设计、施工、装备及管理千万吨级露天煤矿和大中型矿区的能力;石油工业已 形成从科学研究、勘探开发、地面工程建设到装备制造的完整体系,油田早期 注水分层开采、高含水油田稳油控水开发、聚合物驱提高采收率、复杂断块油 田滚动勘探开发等技术达到国际先进水平;原油加工技术水平也在不断提高。 6在能源转换方面,中国已经开始探讨 大规模发展煤炭直接液化制油、煤炭间接液化制油、煤炭制二甲醚、煤炭制甲醇、 生物质能源制乙醇等替代燃料的可能性,少数企业已开始建立具有一定规模的 液体替代燃料生产装置。在电力部门,中国基本掌握了亚临界 60 万千瓦火电机组、超临界 80 万千瓦和 500 千伏交直流输变电工程的设计、施工、调试及运行技术;具备了修筑 240 米双曲拱坝、1 80 米级各类大坝及施工大型抽水蓄能电站的能力;电网运行初步实现了自动化和现代化管理。 在新能源与可再生能源方面,中国已能够自行设计制造 600MW 压水堆核电站成套设备,拥有核技术力量和核燃料资源 ;风能和太阳能的利用进入新阶段,小型风力发电机在中国边疆大电网没有覆 盖的地区正广泛使用,太阳能热利用规模世界领先,太阳能热水器的性能和质 量已达到国际水平;新型动力锂离子电池和燃料电池的应用研究也取得新的进展。 在能源利用方面,中国单位 GDP 的能耗水平由 1980 年的 7.68 吨标准煤/万元下降到 2001 年的 2.58 吨标准煤/万元按 1990 年价,下降了 66,折合累计节约和少用能源近 10 亿吨标准煤。在工业用能方面,吨钢综合能耗等主要耗能产品的单耗均有不同程度的下降,钢铁单 耗下降了 42,小型合成氨单耗下降了 40,供电煤耗下降了 13,水泥熟料能耗下降了 31。在建筑用能方面,建筑节能标准的制定和实施开始得到建 设部越来越多的重视。在交通用能方面,由于车辆的快速增加导致石油需求猛 长,车辆用油问题也开始得到国家领导和社会各界的普遍关注。 在能源环境技术方面,国内已自主开发了多种低 NOx 燃 烧器用于脱氮;电厂的脱硫技术经“ 九五” 期间的消化吸收已基本成熟。 72.3 中国能源科技与世界先进水平的主要差距 虽然中国的科研水平取得了很大成绩 ,但就目前状况看,能源工业的发展为能源科技提出了很多亟待解决的问题。 在勘探开发方面,煤矿的机械化生产 技术和煤矿开采中的土地资源保护、水资源保护和废气处理技术平均水平不高,阻 碍了中国煤炭开采的大量增加;非常规油气田的勘探、开采技术还有待提高, 二次开采、三次开采技术还有待进一步完善,深水油气勘探、开采的关键技术距世界先进水平有一定差距; 在能源转换方面,对是否大规模发展 液体替代燃料、发展何种液体替代燃料尚存在较大的争议,因为无论从生产成本的 经济性上看还是使用特性上看,液体燃料仍尚未能与石油媲美;在发电技术中,100 万 kW 级的超临界/超超临界机组的国产化设计、制造技术尚未成熟;国 产循环流化床锅炉需要向超临界/超超临界方向迈进,进一步大型化到 30 万 kW、60 万 kW 甚至更高的容量等级;近年来增压流化床锅炉和整体煤气化联合 循环发电技术示范和试验进展较慢;从长远看,缺乏国产化设计、制造的大型 燃气轮机、大型气化炉已成为中国大力发展洁净煤燃烧技术的瓶颈。目前,中 国的电网结构比较薄弱,科技水平和运行水平还比较低。近 20 年来各大电力系统因失去稳定而造成的大停电事故有 100 余起,每次损失数量以亿元计。未来 20 年中,中国电力系统将实现“ 西电东送、南北联供、全国联网” 的战略格局,这对电力输配能力和电网可靠性将提出巨大的挑战。 在新能源与可再生能源方面,在核电 的发展上近期首先要解决的问题是核电堆型的确定问题,只有确定了堆型才能大力 发展,从而降低成本,从核电发展的远期看,必须加强核燃料循环系统的研究 ,同时解决大量核废料的安全处8理问题;目前风电的发电成本还未下降到能够大规模替代火电的地步,1MW 以上级大型风力发电机的设计制造急需成熟、商 业化;光伏电池的成本远未达到不接受补贴能大规模发展的水平,成本急需进 一步下降。对燃料电池来说,最重要的是在提高性能的同时降低制造成本,需 要重点发展车用的燃料电池和固定发电用的燃料电池。 在能源终端利用方面,中国在工业、 建筑和交通方面的节能潜力很大。工业方面,主要工业产品的单耗比国外高出 20-90,平均比国外高出 30;锅炉运行效率和电机拖动系统运行效率比国外 都低 20左右。达到节能设计标准的建筑占全国既有建筑面积的比重不到 0.7,单位面积采暖空调负荷为同纬度国家的 2-3 倍。各类汽车平均百公里油耗比发达国家高 20以上。 在能源环境技术方面,低N Ox燃烧器、电厂脱硫装置急需推广,对废物再资源化技术、CO2封存等新能源环境技术的研究和试验有待深入。 3. 世界能源科技回顾与发展趋势 3.1 百年能源科技发展回顾 回顾历史,百多年来,能源科技的进 步有力地支持了社会的发展和人类的进步。在这 100 年中,世界能源结构发生了巨大的变化,从前 50 年基本依赖煤炭,转向了后 50 年大幅度依赖石油,在上世纪末,天然气的比例逐渐增加,成为新兴的能源亮点。 1900 年 - 1950 年 的 阶段是新的能源科技竞相崭露头角的时代,5 0 年 代末,人类初次尝到了能源造成的污染。从 1900 年 英 国 人帕森斯研制成功1000kW 的汽轮发电机组以来,在 20 世纪的前 50 年 中,不但先后出现了110kV、220kV 输电线路,第一座热电站,第一台 10MW 汽轮发动机,第一座9抽水蓄能电站,包括第一台电动洗衣机、第一 辆汽车、第一台电冰箱、第一架飞机、甚至第一辆坦克在内的新的能源利用方式也层出不穷。20 世 纪前 50 年是煤炭主导的年代,是电力技术进入人类社会发展历史的年代,然而,1943 年的 洛 山 矶 光 化 学 烟 雾 事 件 和 1952 年 的 伦 敦大雾时间,让人们初次感受到能源利用造成的严重污染的冲击。 1950 年-1970 年,是石油大发展的时代,也是核电大发展的时代。这 20年中,人类研制了核电站、超临界火电机组、 燃气-蒸汽联合循环技术,同时,相继发现了几处大的油田包括 1958 年发现大庆油田在内。在这 20 年中,石油开始在人类社会发展中扮演越来越重要的角色,1966 年,石油在世界一次能源构成中超过煤炭居第一位。 1954 年苏联建成世界上第一座试验核电站,功率为 5MW,开创了核能这一新型能源的新纪元。三年后苏联又首创快中子增殖堆,丰富了核能的发展。 70 年代-80 年代中世界经历了 73 年和 80 年两次石油危机,还经历了 79年美国三哩岛核事故和 86 年苏联切尔诺贝利核事故,使人们的眼光转向了可再生能源,并开始重新考虑煤炭的清洁利用方式 。石油价格的飙升使世界各国第一次意识到石油危机可能对国家能源安全造成 冲击,于是各国开始大力开发节能技术和替代燃料技,促进了这两类技术的迅 速进步。两次核事故引起了人们对核能的恐惧心理,同时,1985 年英国科学家在南极上空发现的臭氧层空洞引起了人们对能源利用导致全球气候问题的首次 关注。由于煤炭、石油、核能的利用都或多或少地出现了某些问题,人类将眼光转移到了可再生能源。1 981年,联合国通过内罗毕行动纲领,决定推进新 能源和可再生能源的开发利用。美国对煤炭的利用方式进行了重新思考,1986 年提出了洁净煤技术发展计划。 1080 年代末至今,能源技术发展的 一个新的特征是,气候变化和可持续发展问题逐渐成为推动能源技术发展的驱动力。自 1988 年成立政府间气候变化专门委员会 IPCC以来,为了应对气候变化和可持续发展问题,在全球范围内对提高能源效率的技术、风电等可再生能源技术 、高效发电技术如燃气-蒸汽联合循环发电、超临界/超超临界机组、整体煤 气化联合循环等、高效脱硫脱氮技术进行了大力开发和大力推广。同时,又开始 思考煤的多联产技术、先进核能技术、氢能经济等一系列新概念、更清洁、更高效的技术。 3.2 未来 20 年世界能源科技发展展望 (1)能源科技发展的大背景 未来能源技术的发展是和未来世界能 源需求和供应情况紧密相关的。在今后 20 年 到 50 年内,世界能源需求和供应将持续上升,30 年后大约翻一番。在未来 50 年中,化石燃料不太可能让出主力 能源的位置,仍将占据重要地位,2020 年保 持在 90左右,2050 年仍将占 60-70以上。可再生能源在 2030年后逐渐进入大规模应用,2050 年可以达到 20以上。 全球气候变化问题和可持续发展问题 仍将在长期内成为能源工业发展、能源科技进步的主要驱动力,只有安全、高效、 清洁地利用好能源,大力开发不影响环境的能源技术,才能保障人类社会的可 持续发展。按照对当前技术的认知水平,在人类社会未来 20 年、50 年甚至 100 年的发展中,能源工业和能源科技进步面临的最大挑战将是如何大力开发风 能、太阳能等可再生能源、如何开发更安全的核能、如何创造性地开发对环境无影响的化石能源利用方式。 今后可预见的时期内,化石燃料,特 别是石油和天然气,将在世界能源结构中继续扮演主导能源的角色。2020 年以前将是可再生能源逐渐商业化、规模11化应用的阶段,是大规模替代化石能源的序曲 阶段。鉴于此,世界各国在常规能源方面积极探索新的用法,使其达到更加清 洁、高效、经济的目的,推进以煤气化为基础的多联产系统、高效转化利用的 分布式能源系统技术,同时考虑CO2 的 埋存问题;在可再生能源方面下 大力气降低成本、大力推广风电和 光伏电池发电,同时推进氢能和燃料电池技术,将 氢能作为新的二次能源载体使用;在核能方面逐步开始考虑重新启动核能的 开发计划,研发更经济、安全性更好的第四代核电技术和先进的核燃料循环系 统技术,并继续加强受控核聚变的研究;此外,还对未来潜在的能源进行探索。 (2)能源科技发展分类展望 下面从常规能源、当前意义下的新能 源与可再生能源、潜在的未来能源三个方面对能源科学技术的国际发展状况和未来 20 年发展展望予以简述。 1 常规能源科技发展前景展望 常规能源主要是指以煤、油、气为代 表的化石能源的相关技术和电力相关技术。煤油气方面的技术主要包括煤油气勘 探开发的技术、替代燃料技术、发电技术、输配电技术、节能技术、污染控制技术等领域。 煤炭、石油、天然气勘探开发的科学 技术在煤炭开采方面高新技术在煤炭开采中的广泛应用,改变了煤炭工业的落后面貌, 近 20 年来,以微电 子技术和信息技术为先导的世界新技术革命成果 ,迅速渗透到煤炭领域,发达国家在实现煤炭生产工艺综合机械化的基础上, 向遥控和自动化发展,发生了革命性的巨大变革,煤炭工业由过去劳动密集型 向资本密集型和技术密集型转化。在矿井开采方面,以日产万吨的超大型综 合机械化采煤工作面为核心的生产工艺,从根本上改变了矿井的面貌;机器人 与人工智能和专家系统相结合,12为采煤自动化开辟了新的途径;矿井的普遍发 展趋向为“ 一个矿井,一个采区,一个工作面” ,迅速向采煤工 作面高产高效和矿井的高度集约化生产方向发展。在露天开采方面,采用高性能大型设备 和计算机监控系统进行大规模开采,极大地提高了生产效率和经济效率。在石 油、天然气的勘探开采方面国外 24 位遥测地震仪已广泛使用,在研 36 位遥测地震仪;开始试生产多波段多分量地震勘探技术;地球物理勘探技术由勘探 逐步推进到油气田的开发技术;成像测井技术开始使用;水平井、深井等钻井 技术已经成熟,大位移钻井技术代表着现代钻井技术的最高发展水平,未来发 展目标是“ 地下钻掘机器人” 。在油气田开发方面,已形成包括老井侧钻水平 井、分散凝胶深部调驱技术在内的先进的二次采油技术系列; 形成包括碱/聚合物、碱/ 表面活性剂/聚合物化 学复合驱油技术、注气混相驱采油技术、微生物 采油技术等提高最终采收率的三次采油系列技术;形成注气混相非混相驱技术 、全三维大型水力压裂技术和水平井开采技术等低渗透油田开发系列技术;形 成水平井注蒸汽辅助泄油技术、出砂冷采技术、热水驱加化学添加剂开采技术 、火烧油层技术等稠油油田开发先进技术。海洋,特别是深水油气田的开发日 渐重要,世界记录钻井作业水深最深达 2967 米,油田作业水深最深达 1853 米。 替代燃料技术煤炭直接液化在二战 期间已在德国工业化,第一次石油危机时煤炭液化技术又开始活跃,当今最有影响力的工艺为 德国的 IGOR、美国的 HTI 和日本的 NEDOL 工艺,但目前国外还没有工业化生产厂,主要原因是由于设备造价和人工费用偏高导致生产成本偏 高,难以与石油竞争。在煤炭间接液化方面,南非 SASOL 公司是目前世界上最大的煤炭间接液化企业,年用煤 4600 万吨,合成油及化工产品产量达 770 万吨,其中油品 460 万吨。70~1380 年代第一次和第二此石油危机期间,替代 燃料技术的开发在世界范围内得到广泛支持,之后,随着石油市场趋于稳定,人 们再一次将眼光由替代燃料转回到石油本身。目前在发达国家中,煤炭的液化 制油技术已基本成熟,由于目前油价不高,煤炭液化制油成本也较难降低,因 此主要作为技术储备,较少进入商业化大规模生产。前几年,由煤化工制甲醇 燃料、由生物质制乙醇燃料作为替代液体燃料或液体燃料添加剂比较热,应用 主要以汽车用为主。近几年,煤化工制二甲醚逐渐盛行,前期的研究比较多。 试验表明,甲醇和二甲醚作为替代燃料时汽车的性能尚不能和使用油品相比, 因此世界多数大石油公司和大汽车公司认为,今后 20 年中,以汽油、柴油为燃料的汽车仍在未来液体燃料开发和使用中占主导地位。 发电技术目前,美国、欧洲等发达 国家的煤炭几乎都用于发电,当前燃煤发电的主要技术途径是采用超临界/ 超超临界机组实现燃煤电站的高效运行,以达到煤炭的高效、低污染使用的目的。目前 ,超临界参数的蒸汽轮机电站已经在主要工业化国家基本成熟,并获得了广泛 应用,其最大容量已做到了单机容量l .30 GW,最高效率达 49%。近几十年来,国外发达国家一直在努力开发以IGC C等清洁煤技术为核心的煤 炭高效洁净利用技术,经过多年的努力,煤炭高效洁净利用技术在国际上已有了长足的发展。目前最大的C FBC机组为250MW机 组 。 IGCC供 电 效 率 已 经 达 到 40~ 43,21 世 纪 初 有 望 达 到 50左 右 , 最 大 容 量 的 IGCC发 电 机 组 为 西 班 牙 的 Puretollano 300MW机 组 。 目 前IGCC比 投 资 费 用 约 为 1500/kW, 21 世 纪 初 期 有 可 能 降 为 1000~ 1100/kW。近年来的研究表明,多联产技术在同时满足“ 效率、环境、效益” 方面比IGC C等清洁煤技术更有优势,可以实现更高的煤炭 利用效率、低得多的污染物排放14特别是CO2 排放和更便宜的CO2 回收。因此,美国、欧洲、日本开始研究煤炭气化为基础的多联产系统,准备将其作为未 来能源技术的重要选择之一。美国 20 世纪末提出了Vision 21 计划,该计划认为 21 世界的电站将由化石燃料同时生产电、热、液体燃料和高附加值 的化工产品,同时实现C O2等污染物的零排放。由于采用了多联产的概念,化石燃料的 能量能够实现梯级利用,使化石能源得以高效、清洁利用。去年,美国提出了F uture Gen计划,准备 10 年 投资 10 亿 美元,建设世界上第一座以煤为原料、CO2零排放的电站。该电站的规模为 275MW,电站的产品除了电力以外还兼制氢,生产国产中产生的CO2埋存到地下。 电网技术在未来 20 年中,电力系统的自动化水平和现代化水平将持续稳步提高,同时,将对电力系统的安全性给予更多的关注。 2003 年美国、加拿大、英国、瑞典、意大利等发达国家连续出现 了几次大规模的停电事故,造成了严重的经济损失,引起世界各国对电力系统 安全性的普遍关注。例如,美国国防部和电力研究所联合资助了“ 复杂交互网络/系统创新” 项目,以探索确保电力系统安全运行的新理论和新方法。 能源终端利用技术近几十年来,终 端用能效率愈来愈受到世界各国的高度重视。在工业节能技术方面,国外的工业锅 炉普遍使用油或天然气作燃料,自动化程度高;电机拖动系统中变频器已经得 到比较普遍的应用;高耗能行业中,用能设备多采用燃料油或天然气作为原料 ,设备的规模更大,工艺路线更先进,较多地采用了余能、余压回收装置,因 此总体用能效率较高。在建筑节能方面,发达国家中建筑物本体基本达到比较 严格的节能标准,此外,零能耗/低能耗建筑的设计、新型墙体技术、热电联产 /热电冷三联产技术、绿色照明技15术等建筑节能技术的研发和应用也先于中国。 在交通节能方面,美国前几年开展的新一代汽车合作计划 PNGV 计划有力地推动了汽车用能技术的技术进步。P NGV 计划的技术目标是在不改变车体大小,安全性与售价的情况下,制造出每加仑汽油至少跑 80 英里路的汽车(100 公里耗油 3 升多)。PNGV 计划带动了美国高燃油经济性轿车的开发,但目 前的关键难点在于降低新一代汽车的造价。近年来,氢能经济的重要性逐渐上 升,美国力图用氢能汽车代替汽油汽车,大有代替 PNGV 计划的趋势。日前,开发氢能汽车成为世界各国竞争的焦点和热点。 污染控制技术在脱氮方面,目前国外火电厂控制 NOx 排放的措施可分为尾部脱氮、燃烧脱氮两类尾部脱氮初投资高 、运行费用昂贵,燃烧脱氮投资、运行费用低,但最多只能降低 50的 NOx 排放。国外低 NOx 燃烧器燃烧技术的发展已经历三代,已基本成熟。在脱硫 方面,国外开发了燃烧前、燃烧中、燃烧后脱硫三类脱硫技术,总的来看国外脱硫技术已基本成熟。 2 新能源和可再生能源科技发展前景展望 当前意义下的新能源与可再生能源主 要是指水能、核裂变能、核聚变能、风能、太阳能、地热能、潮汐能等能源,另外 ,氢能技术和燃料电池技术往往被算在新能源与可再生能源技术之列。地热能 、潮汐能等能源虽然理论资源量比较大,但可经济开发的 水能发达国家中可经济开发的水能 目前已基本开发完毕,因此水能技术已不是目前发达国家能源科技研发的重点。 核裂变核能在国际上被普遍认为是未来能够 大规模替代化石燃料的新能源。在发达国家中,核裂变发电技术已日趋成 熟,是一些先进国家的主力能源16之一。据国际原子能机构 2002 年 11 月的统计,全世界运行的核电机组已有442 台,总 装机容量 35675 万千 瓦,达到总发电装机容量的 16。2003 年 5月国际原子能机构公布数字表明,核发电装机 容量法国占总发电的 78,日本34.5,美国 20.3,占 20以上有 19 个国家,中国只占 1.4。近年来由于部分西方国家中人们的恐核思想,核电的发展 速度受到影响,但国际各界认为为了满足未来 20 年中日益增长的能源需求,开发更先进、更安全的核电机组势在必行。因此,美国提出了开发第四代核 电的设想,已选定 8 种堆型作为第四代核电技术。 核聚变聚变能是人类理想的能源,国际上有 磁约束聚变和惯性约束聚变两条技术途径进行研究,估计 2010 年前后实现点火。为了减少风险,美国计划 在 2019 年 选 择 磁约束聚变和惯性约束聚变中一种途径演示示范堆。开始商业应用要到本世纪中叶。 风电目前额定功率 1MW 的机组已经步入商品化阶段。有些风电厂商称,风力发电的成本降到 5-6 美分/ kWh,即使不考虑其环境效益,也能与气电和煤电竞争。 光伏电池目前太阳电 池效率的最高世界记录已经突破 34%,高效平板太阳能电池效率达到 2 5-2 8。世界最大的太阳能电池生产厂年产电池 36MW,价格在 3-4 美元/峰瓦,并且正在设计制造年产 500 MW 的生产线,力求使电池价格进一步降至 1 美元/峰瓦左右。目前商用光伏电池发电成本在 0.15~0.25美元/kWh 之间,届时太阳能光伏发电的成本将降至 6 美分/kWh,其价格可以与火力发电进行竞争。 氢能美国近年来设立的“自由汽车 计划”、“氢燃料计划”、“国家氢能路线图”、“氢能经济国际伙伴计划”等计 划。美国能源部提出,要通过建立氢能经济合作伙伴的方式,使得该计划参加国的消费者“可以在 2020 年以有17竞争力的价格选择购买氢能汽车,并能在住宅 附近或工作地点添加燃料”。近年来燃料电池汽车研发的一个重要动向就是燃 料使用的技术途径从使用汽油或甲醇为燃料、采用重整生成氢气转变到直接使用氢作为燃料。 燃料电池燃料电池按不同的反应原理分为磷酸型燃料电池( PAFC) 、 熔融碳酸盐燃料电池MCFC、质子交换膜燃料电池 PEMFC、固体氧化物燃料电 池SOFC等几大类。目前,磷酸型燃料电池是目前技术最成 熟、应用最广泛和商业化程度最高的燃料电池。美、日、加、欧洲 等注重投入发展磷酸型燃料电池,在国防、航天、汽车、医院、工厂、居民 区等方面已进入商业化。日本于90 年代初开发了热电联产用 200kW 磷酸型燃料电池(PAFC),发电热效率达到80%,连续运行达 5000 小时,开始批量生产。当前,熔融碳酸盐燃料电池MCFC的主要技术问题已接近解决,己接近商业化。美国 1996 年推出世界上最大的 2000kW 熔融碳酸盐燃料电池MCFC示范电站,该电站在美国 Santa Clara运行,发电效率 53.7,燃料使用天然气和液化气,单位造价 1700 美元/kW。世界知名汽车制造商参加燃料电池车辆的研制 ,这使得质子交换膜燃料电池PEMFC得到迅速发展。Plug Power 公司与 GE 合作,使 10kW 的 PEMFC 进入商业化,价格达到 750~ 1000/kW,大批量生产后,可使 PEMFC 的价格达到350/kW。固体氧化物燃料电池 SOFC主要用于固定的分布式发电或热电冷三 联产,是目前燃料电池发展的新的热点。西门子西屋制造的 100 kW SOFC 联产系统已经在荷兰运行。西门子发电部将在欧洲建造世界最大的、装机容量为250kW 的 SOFC 电厂,电厂的整体效率将超过 80。 3 未来能源技术的发展前景展望 天然气水合物天然气水合物是天然 气水合物是由天然气和水在低温久高压下形成的似冰状的白色固体物质,广泛分布 于海洋大陆坡沉积物中和陆地永久冻土地带,其天然气组分多以甲烷为主。据 乐观地估算,全球水合物的碳量为 10 万 亿吨左右,相当于全球已探明的石油、煤和天然气总碳量的总和。大陆坡沉积物中的水合物极有可能在本世纪成为煤 、石油和天然气的替代能源。目前,美、俄、日、加拿大、西班牙、挪威、英 国等已投入相当大的人力物力推进天然气水合物的资源勘探和应用开发工作。 CO2 埋存目前世界上针对CO2的埋存(Seguestratio n)有很多研究,如 把它压缩以后注入深海,注入废弃的矿井,注入 地下含水层等等。但这些方案多18是初步设想,真正实施尚需做详细的经济的、 技术的和环境的可行性分析。近年 , 在 加 拿 大 Arberta地 区 , 正 在 利 用 CO2来强化煤层气(C BM)的开采。美国准备建造一座装机容量 275 兆瓦的 电站,它是世界上第一座燃煤、无排放电站,除生产电力外,还要封存二氧化碳并提供新的氢来源,该项目在未来 10 年中将需投资 10 亿美元。将C O2埋藏与煤炭的多联产技术 的结合使得煤炭转换利用过程中的CO2浓度更大,更容易收集、统一处理。 4. 中国能源科技的发展目标、发展重点和总体发展思路 4.1 发展目标 党的十六大制定了 2020 年国内生产总值比 2000 年翻两番的宏伟目标。未来 20 年 将是中国经济水平稳步增长、综合国力和国际竞争力不断提高的过程。随着经济发展对能源需求的不断增加,中国能 源工业也将得到更大的发展,提供总量更大、质量更高的能源产品。在能源工 业大发展的时代,能源科技将获得更广阔的发展舞台。 随着中国综合国力稳步增加,中国将 有能力支持少数重点科学技术达到或赶上世界先进水平,为使中国今后成为“世界能源科技强国”打下基础。 中国能源科技的发展总体目标是力争在 2020 年时使中国的能源科技的整体水平达到 2000 年的国际先进水平,在以煤炭气化为基础的多联产、先进核能系统、可再生能源的科研水平和本地化能力上 有较大突破,达到届时世界先进水平。 4.2 发展重点 (1)选择重点的原则 在遴选中国能源科技发展重点的过程中,从中国未来 20 年经济发展对能源和能源工业发展对能源科技发展的需求出发, 充分考虑了中国与发达国家科研“起跑线”不同的现状、目前中国能源科技发 展的优势和存在的问题,按照“有所为,有所不为”、突出“战略性、前瞻 性”科学技术、应对未来能源可持续发展和国家能源安全的原则,选定了中国未来 20 年能源科技发展的 11 个重点领域。 (2)中长期能源科技发展重点 19根据上述遴选原则,在未来 20 年能源科技发展中,中国必须集中资金、人力和物力发展以下 11 项重点能源科技 高效、清洁燃煤发电系统; 先进的核能发展技术; 可大规模发展的可再生能源技术; 煤炭的高效、绿色开采技术; 先进电力系统技术; 新的油气勘探开采技术; 石油燃料的替代技术; 氢能作为二次能源的技术; 燃料电池技术; 节能领域的重要节能和提高能效技术; 能源环境污染物的控制和再资源化处理技术。 上述 11 项技术中,高效、清洁燃煤发电技术、先进核能技术、可大规模利用的可再生能源技术、煤炭的高效、绿色开采 技术和先进电力系统技术主要用于应对未来 20 年的能源供应问题。新的油气勘探开采技术和替代燃料技术主要用于应对中国未来的石油短缺问题,特别是由