科学论争:解决能源短缺问题的根本出路在哪里?

                                                        读倪维斗先生《我国能源现状与战略对策》后的几点思考 
                                                                               中科院理论物理研究所何祚庥
  
   编者按 1月25日,本报刊登了倪维斗院士所撰写的《我国能源现状与战略对策》一文。文中描述了我国能源消耗的严峻现状,指出按以往的过量消耗资源、能源和污染环境的发展模式已难以为继。同时,文章提出了节能为本、煤的现代化利用、煤基醇醚燃料的应用和车用动力、加速发展核能和充分利用可再生能源等政策建议,以破解我国能源利用所面临的难题。
  文章刊登以后,引起了广泛的社会反响。为此,本报将在“科学论争”专栏陆续刊登文章,就此问题展开深入研究和讨论,以期社会各界对这个问题有更深入的认识。今天发表的何祚庥院士的文章,是他读了倪维斗院士的文章后专门向本报投的稿,何院士在文中提出了自己的观点。
  一、倪维斗院士的主要观点
  2007年1月25日的《科技日报》,刊登了倪维斗院士所撰写的《我国的能源现状与战略对策》一文,其中包含不少真知灼见。重要之点有:对“氢能经济”的质疑;对生物质能的政策和规划“以发电为主”的导向的质疑,等等。
  倪院士令人信服地指出:“百年技术发展的历程证明,电是最最好的载能体,多种化石能源、可再生能源,核能都可以转化为电,而且对电能已经建立了基本覆盖全球、也覆盖我国国土的网络,再去建立氢的网络是绝对不可能,也没有必要的。”“我国正在迅速发展超临界、高超临界100万kW级煤电机组,用电的任务完全可以由这些现代化的大电厂来承担。用收集困难、单位体积能量密度小的生物质来发电,是逆自然而动的、不合理的安排和人力、物力、资源的浪费。”
  在我国能源即将面临的形势方面,倪院士也有很好的分析:
  倪院士认为,“总量需求将面临巨大压力。从2000年到2020年,国家规划全国GDP增长四倍,而能源消耗增长一倍,这意味着能源弹性系数应为0.5。但是最近三年,这个系数为1.3以上,即能源需求将远远大于规划。从发展趋势来看,我国工业已进入重化阶段,按世界各国发展的历史规律来看,能耗迅速增长阶段似乎不可逾越。”
    至于液体燃料却面临严重的安全问题,“我国石油对进口的依赖度将从40%%增加为50%%至60%%”,这一“能源安全如何考虑”?
  非常重要的是对8亿农民所需能源的关注:“到目前为止,有相当数量的农民没有得到良好的能源服务。”而“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,每个城镇居民人均所消耗的能源是农村人均的3.5倍。这部分份额巨大的能源应来自何处?”
  二、“煤为基础”是否是解决能源短缺问题必须长期坚持的正确路线
  但是,倪院士虽然尖锐地提出了中国能源问题。但其答案却认为解决这些问题的出路,仍然是“煤为基础”。因为,倪院士认为存在以下“几个无法改变的现实”。
  “煤现在是、将来(直到2050年或更晚)仍是我国能源的主力,虽然煤在总能源(energymix)中所占的比例会逐渐下降(从75%%下降到60%%),但总量仍会不断增加。”
  “煤用于发电的比例会越来越大,从目前的50%%增加到70%%以上”。
  “由于我国石油短缺,车用液体燃料还得从煤基替代燃料上找出路。”“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。”
  一个尖锐的问题是:如果中国未来(指直到2050年或更晚)能源的发展,只能沿着倪院士设想的“几个无法改变的现实”前进的话,那么,在2050年以后,中国所需能源将如何实现持续发展?(注:简单计算表明,在如此庞大的煤的消耗下,在2050年后即将面临煤的短缺,因为中国探明可采总储量为1500亿吨标准煤!)从2020年到2050年间,又如何解决由于煤的燃烧所造成的严重的环境污染和温室气体如二氧化碳的排放?
  正如倪院士所指出:“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、汞、颗粒物、CO2等都是由于煤炭直接燃烧所引起的。”
  “在煤的直接燃烧条件下很难解决温室气体的减排。”他还说,“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。”
  那么,这一尖锐的环境污染和温室气体排放问题,将如何解决?
  三、“以煤的气化为龙头的多联产系统”是否是解决能源短缺(包括电力和车用燃料)的最佳模式
  对于上述问题,倪院士的回答是:“煤的现代化利用”,即寄希望于建立“以煤的气化为龙头的多联产系统”,一举而解决“化工原料,液体燃料(指合成油、甲醇二甲醚)和电力”三方面的需求。但倪院士所提方案中有不少难以在短期解决的技术难题,如“大容量高温固体氧化物燃料电池的商业化”,(据所知,目前实验室试制尚未过关,尤难解决的是寿命问题。)“温室气体的捕捉和埋存”,(只有某些初步试验,其重大困难是,除了要大幅度降低捕捉成本外,更重要的是数量如此庞大,而且其体积和重量均比煤多出很多倍的CO2气体,将埋存何处,又如何能保证其不泄漏,包括在有地震的条件下仍不泄漏。)前者涉及能否“使发电效率提高到60%%—65%%”;后者就直接涉及“我国在不远的将来必然要承担‘京都议定书’所规定的可能是大幅度温室气体的减排任务”。倪院士还开列了一系列难题,并说,“这些都是需要我们下大功夫研究的问题,花费整个一代人的精力也不为过”。但是,这些难题,在技术上能顺利解决吗?在经济上能合算吗?即使技术上经济上都得以解决,那些容易开采的、可采的煤是不是也快开完了!
  更为重要的是,对煤、石油、天然气等化石能源来说,其最主要的利用方向是化工原料,而不是将它们烧掉。能源利用是可替代的,化工原料却是不可替代的。
  四、解决能源短缺的根本出路,是从现在起就要用替代能源(其中首先是可再生能源)逐步调整“煤为基础”的能源结构
  其实,胡锦涛总书记已经为中国能源之路指出了方向。2005年11月7日,胡锦涛总书记在“北京国际可再生能源大会”上致辞说:“加强可再生能源开发利用,是应对日益严重的能源和环境问题的必由之路,也是人类社会实现可持续发展的必由之路。”问题是,中国将在什么时间才走上这一“必由之路”?是从现在起就开始走向这一“必由之路”,还是要拖到“2050年或更晚一些时间”?
  倪维斗院士也提到了可再生能源的发展和利用问题,但对其未来发展能力的估计似乎不足。
  倪院士认为:“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,这个情况和欧洲的其他国家在国情上有很大区别。一些欧洲国家,他们总能耗已经不再增长(或增长很少),可再生能源的发展逐步替代目前在用的化石能源。而我国却处于总能耗急剧增长之中,单是发电设备(其中主要是燃烧的发电),每年增长的装机容量是60—80GW,超过三个长江三峡。在这个高速增长量中,可再生能源所能起的作用是很有限的,更不用说去替代原有的化石能源消耗。譬如说,按国家规划,到2020年风力发电的装机容量将达30GW(是2005年的24倍),考虑到每单位装机容量的满负荷工作时间平均只有2500小时,则30GW的风电相当于火电12GW左右,也就是2020年我国发电总装机容量950—1000GW的1.2左右。”
  倪院士对可再生能源的估计不无道理,但其中确实存在着值得商榷的地方。
  一是倪院士所讨论的“可再生能源”,“主要是风能、太阳能和生物质能”,不包括水能,而且在其“战略对策”中,也没有谈到水能。
  据报载,到2006年底,中国的电力装机是6.22亿千瓦,其中主要水能装机将至少是1.1亿千瓦以上。预计2010年的水能装机高达1.9亿千瓦,亦即平均每年将以2千万千瓦的装机速度上升!然而这并不是中国水能发展的极限。已知中国的水电资源是7亿千瓦,其中技术可开发的是5.4亿千瓦,经济可开发的是4.2亿千瓦。中国的水电技术已完全成熟,发电成本也远较火力发电低廉,(注:三峡水库上网电价是0.25元/度,然而水库的折旧年限却暂定为50年!)。为什么我们不能在15—25年内将总量达5.4亿的水电资源都开发出来?也许会在某些地区存在技术上困难,因而不经济。但是,技术是可改进的,成本也会逐渐降低的。一个科学而合理的“战略对策”还需要对可能是不甚经济的水电成本和倪院士所竭力主张的可能是相当昂贵的“大容量高温固体氧化物燃料电池”的发电成本作半定量的比较!
  二是他对风能发展未来的估计。倪院士指出,“按国家规划,到2020年风力发电装机容量达30GW,是2005年24倍”,其发电量“也就是2020年我国发电总装机容量950—1000GW的1.2%%左右”。而如果将倪院士引用的“规划”数字核算一下,可算出15年内的平均年增长率是23.6%%;如果将这一上升速度再继续15年,风电装机将高达7.2亿千瓦!所以,虽然风电在2020年以前只占1.2%%,而15年后就将成为电力结构中不可忽视的主力。
  其实,近年来,欧洲风电平均上升速度达30%%,德国是36%%,最近两三年来,法国和西班牙竟高达60%%。发改委能源部门近来对“十一五”末期所需能源给出一个新的预测,到2010年,我国电力装机容量达8.4亿,其中水电1.9亿千瓦、核电1000万千瓦、风电500万千瓦、生物质能发电550万千瓦、天然气发电3600万千瓦、煤电5.93亿千瓦。容易算出,自2005年到2010年,风电的年平均上升速度是32%%。如果在今后均保持年上升32%%的速度,到2020年,风电装机将高达0.64亿千瓦,2035年将高达40.96亿千瓦!
  当然,这一“纸上谈兵”未免过于理想化。但是,中国当前在10米高空的风电资源是10亿千瓦,将这一风电资源延伸到80米高空,(注:现代化的大风机已延伸到80—120米的高空),将高达45亿千瓦。在风电发展问题上,并不存在资源的困难。而且,最近的风电资料表明,2005年欧洲风电发电成本已下降到5欧分/度,到2020年预计将下降到3欧分/度(人民币0.3元)。
  另外,倪院士认为,中国国情和“欧洲其他国家在国情上有很大差别,一些欧洲国家,他们总能耗已经不再增加”,因而“可再生能源的发展将逐步替代目前在用的化石能源”,而“我国却处于总能耗急剧增长之中……在这个高速增长量中,可再生能源所能起的作用是很有限的,更不用说去替代原有的化石能源消耗了”。为什么在“不再增长”时期,就可以“用可再生能源取代化石能源”,而在高速增长时期,就不能用可再生能源“去替代化石能源”呢?
  三是对太阳能发电的估计。倪院士说:“太阳能光伏(PV)利用肯定是一个有十分广阔前景的方向。可惜的是近年来PV的研究虽然取得了很大成绩,但相对常规发电,单位容量价格仍高几十倍,要真正变成有份额的发电还有很长的道路要走。”由于这涉及能源技术的“未来”,对于“未来”,人们总是会出现不同意见,问题是这一“很长的道路”有多“长”?但是倪院士认为现有光伏发电成本比常规发电“高几十倍”,却是错的。据悉,在国际市场上,目前太阳能电池的发电成本为每度电0.25美元,相当于人民币2.0元。在国内市场上,光伏发电人士所呼吁的上网电价是4.0元,也就是坑口电站0.2元的上网电价的20倍,是通常火力发电0.5元的电价的8倍。最近,美国总统布什期望,“美国将在10年内将太阳能光伏发电成本下降到可以和火力发电相竞争的水平,希望美国科技界和工业界为实现这一目标而努力”。2006年12月,在一个光伏发电的研究会上,许多光伏发电专家认为中国已拥有不少能大幅度降低光伏发电成本的新技术,只要组织起来,实现“集成创新”,中国也能在10—15年内,将光伏发电成本下降到可以和火力发电相竞争的水平。问题是国家能否大力支持光伏技术及其产业的迅速发展。
  四是倪院士对太阳能热发电技术的质疑。倪院士说:“太阳能热发电虽已有各种互有优劣的方案,如槽式、碟式、塔式等,国际也已有小规模示范,有必要开展这方面的基础性研究、关键元件和技术研究,同时也可以进行小规模的示范项目。不过,从本质上说,把能量密度十分低的太阳光能用聚焦的方法把温度提高到遵循卡诺循环原理的热力机械所需的水平,是否是一个主流方向?从与自然和谐、顺从自然的角度,应该是分散能源分散用,分散能源直接提供给合适的分散用户和其所需的用能方式。我国是否要发展大规模的太阳能热发电值得深入探讨,不能因为国外有示范我们就一定要‘跟上’。”
  对此,我有不同的看法。
  太阳能的特点之一是“能量密度较低”,在太阳能资源最丰富的地区,也只是每平方米1千瓦的功率密度。太阳能另一特点是分布极其广泛,在地球任何一个角落,均有太阳能的覆盖。所以,太阳能的总量极其巨大。我曾做过一个估算,如以太阳能转化为电能的效率为15%%计算,仅面积为25万平方公里的沙漠地区,其发电总量将等价于装机为60亿千瓦的火力发电发出的电力,亦即15亿人口人均用电量4千瓦,(当前,人均用电约是450瓦)。这不仅能充分满足当代人的需要,我们的后代子孙也应该够用了。乍一看来,25万平方公里是庞大的数字,但是,中国耕地面积约是125万平方公里,这25万平方公里的沙漠,只不过是已开发的耕地面积的1/5。
  既然太阳能能量密度较低,其利用的重大方向必然是聚能。倪院士认为,从“顺从自然的角度,应该是分散能源分散用”。那么,中国的煤只集中在少数地区,为什么煤的利用却“逆自然”而运送到全国?煤的运输,有和运送距离成正比的成本问题,而光的运送成本却和距离无关,所需要的是聚光镜。而且,除目前已知的塔式、碟式、槽式等聚光镜外,最近又出现了一种在自适应光学理论指引下的价廉、物美,可能是经久、耐用,并自动跟踪的聚光镜,有可能利用这一聚光镜也能将太阳能热发电成本下降和火力发电相竞争水平。为什么这一方向就是“逆自然而动”? 
 可再生能源的重大特点是资源量极大而且永不枯竭。世界各国都拥有足够子孙万代持续利用的能源。可再生能源的开发和利用,只对环境有极小的影响,只有极小的污染的排放量。可再生能源的发展不仅能充分解决中国所迫切需要解决的能源问题,也将能完全解决在未来可能面临的污染物的减排问题。大力发展可再生能源,可能在技术实现上有一些难度,但比起“煤发电效率进一步提高”“CO2的捕捉和存放”“核发电、核废料的处理和存放”等等技术的开拓,(注:核能也将是替代能源中的一种,但不论在资源总量、技术难度,放射性废污的处理等方面,均不如可再生能源。)其难度要小得多。
  可再生能源也将对车用动力产生革命的影响。倪院士在《我国能源现状与战略对策》的长文中指出“近来纯电动车(锂离子电池)一次充电可行驶300公里”,“如果研制出200或以上瓦时/公斤的高能蓄装置,且充电方便,对汽车动力和其他可再生能源的应用将会产生革命性的影响”。事实上,我国自主开发的安全性能十分优越的锰酸锂蓄电池已实现了1800W/千克的功率密度,已完全能适应电油混合动力车(即倪院士所说的“插电plag-in”式汽车)的需要。而安全性能更好的磷酸铁锂材料已做到了160安时/公斤的容量,其相应的电池已达到100瓦时/公斤,并正在继续提高之中。所以,距倪院士所说的“革命性影响”,已是为时不远。至于锂离子蓄电池所需要的电能,就完全能来自可再生能源所发出电力。所以,车用动力的解决,也未必是由煤来制取甲醇、二甲醚、煤制油等液体燃料。需要看到的是:由煤制取液体燃料,仍然不能解决CO2的排放问题,而且资源浪费极大。用甲醇、二甲醚作为动力,还要解决车辆、污染、腐蚀、有毒等技术难题。
  五、结论
  我国必须从现在起就要大力开拓可再生能源,必须从现在起从“以煤为主”的能源结构,逐步转向“可再生能源为主”的能源结构。这才是彻底解决我国能源问题的“必由之路”。


    来源:科技日报