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          中國電力工業深刻變革發展阻力因素重重

          中國電力工業深刻變革發展阻力因素重重
            困境:資源消耗過大,環境嚴重惡化,面臨巨大的溫室氣體減排壓力。
               我國電源結構不合理,直接導致了一次能源特別是煤炭資源消耗過大,高碳排放和環境狀況惡化。截至2008年底,我國火電裝機占總裝機容量的75.9%(主要是燃煤機組),發電量比例更是高達81%。煤炭的大量開采嚴重消耗了本已十分緊缺的煤炭資源、土地資源和水資源,大量的煤炭燃燒則加劇了污染物的高排放。在各類一次能源中,單位熱量含碳量從高到低依次是:木材(110)、煤炭(97)、石油(73)、天然氣(56),我國以煤為主的能源結構,導致了二氧化碳等污染物排放水平居高不下。2006年,電力行業排放的二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物、煙塵分別占到全國總排放量的40%、53%、50%和42%左右。目前,我國二氧化硫排放量居世界首位,溫室氣體(包括二氧化碳、甲烷、氧化亞氮等)排放總量也即將超過美國排世界第一位。有關研究表明,我國環境污染帶來的經濟和生態破壞損失大約相當于當年GDP的7%-20%。
              科學觀測表明,地球大氣中二氧化碳的濃度已從工業革命前的280ppm(280毫升/立方米)上升到了2008年的386ppm(圖1),遠遠超過了過去65萬年自然因素引起的變化范圍。全球平均氣溫也在近百年內升高了0.74℃,特別是近30年來升溫明顯(圖2)。研究表明,人類活動對全球氣候變暖的影響超過90%。很多科學家將400-450ppm設為大氣中二氧化碳的濃度上限(也有樂觀者認為是550ppm,有悲觀者認為是350ppm),以避免“不可逆轉的災難性后果”。
              近年來,世界地緣政治更加凸顯出資源政治的特點,而氣候變化也已經從自然科學問題,逐漸上升為全球關注的重大發展問題和政治問題。雖然目前我國人均溫室氣體排放遠低于發達國家,但總量巨大。根據《京都議定書》,中國作為發展中國家在2012年以前不必承諾減排義務,但后《京都議定書》時代的國際合作機制談判正處于關鍵時期。今年12月將在哥本哈根召開聯合國氣候變化大會,屆時各方將就2012年后如何應對氣候變化問題達成新的協議。中國目前在世界經濟、政治中的地位與影響與日俱增,而能否在保持經濟較快發展的同時有效減排溫室氣體,承擔應有的責任,正越來越成為備受國際社會關注的焦點,并將承受越來越大的國際壓力。
              圖1:150年間大氣中二氧化碳濃度變化
              資料來源:江澤民《中國能源問題研究》
              圖2:近百年全球氣溫變化
              資料來源:江澤民《中國能源問題研究》
              中美兩國居全球溫室氣體排放前兩位,其應對氣候變化的態度與措施格外引人矚目。美國2010財政年度預算案提出,到2020年和2050年,美國的溫室氣體排放量分別比2005年減少14%和83%,污染排放許可將在奧巴馬首個任期結束的前一年,即2012年開始出售。
              2005年美國二氧化碳排放57.8億噸,如果減排目標能夠實現,美國2050年二氧化碳排放量將只有9.8億噸。而根據表3,2050年中國二氧化碳排放量在基準情景下為127.2億噸,低碳情景下88.3億噸,強化低碳情景下51.2億噸。即便在強化低碳情景下,中國的人均碳排放也將比美國高出近50%[注5]。屆時,后京都議定書時代的中國將無可避免地面臨巨大的減排壓力。電力行業作為我國溫室氣體的主要排放大戶,必須承擔起相應的減排責任。
              困境三:電力工業傳統技術路線面臨挑戰。
              縱觀一部人類能源消耗的歷史,從火的發現使用一直到工業革命前的100多萬年間,人類都是生活在綠色、生態、與大自然和諧相處的環境中,人類祖先依靠可再生能源已經生存了數百萬年。但僅僅誕生在200多年前的工業革命迅速改變了這一切。伴隨著人類能源消耗的大幅增加,生態環境也隨之在這個拐點上陡然急劇惡化,乃至全球氣溫上升,大氣層出現臭氧洞,人類自身的生存環境出現重大危機。
              工業革命的偉大成就,是通過不斷的技術進步把人類改造物質世界的能力幾乎發揮到了極致——沿著更大、更快、更高、更強的技術路線——一直走到了核裂變、核聚變。從電力工業來看,其基礎原理和技術一直沿用工業革命以來的架構,沒有出現革命性的突破。發電機、變壓器參數越來越高、體積越來越大、重量越來越重,連風力發電機也已達到數百噸;輸電線路、電纜直徑越來越粗、電壓越來越高、容量越來越大、距離越來越長。當一條又一條、越來越多的截面達上萬平方米(寬、高各為幾十至上百米)、長度逾千公里的巨大高壓電磁走廊在大地上縱橫捭闔、呼嘯而過的時候,我們不能不憂心忡忡地感到困惑:電力工業沿著這條技術路線還將走多遠?!由此帶來的嚴重的資源、環境、運輸以及安全等方面的困境,究竟如何得到根本解決?
              事實上,我們今天已經生活在一個由金屬基礎構造向非金屬基礎構造變遷的時代,而且這些基礎構造的趨勢是重量逐漸減輕,占用空間逐漸減小。隨著電子領域金屬電極真空管被硅基半導體取代,通信領域銅導體被;饫w取代,制造、建筑領域的鋼鐵材料越來越廣泛地被碳纖維取代,可以預見,在電力領域陶基高溫超導材料將有可能取代銅、鋁、鋼材,成為電纜、電動機、發電機、變壓器等設備的主要材料,從而使得電力設備的體積、重量以及損耗都將超乎想象地大大減小。與此同時,分布式能源(包括常規能源如燃氣輪機發電和新能源分布式發電)越來越廣泛的應用,也將從根本上改變傳統的集中式發電和大規模傳輸的模式,從而對常規電網的結構、智能化程度、運行與調度方式等等帶來巨大的挑戰。
              事實證明,電力工業的變革不可避免,變革刻不容緩。當前正在經歷的世界金融危機,為能源變革提供了重要契機。歷史經驗表明,全球經濟危機往往催生重大科技創新突破和科技革命。人類的智慧發展到今天,應當更有遠見卓識來選擇新的變革方向,而選擇的依據必然是人類可持續發展的客觀現實需要。因此,能源領域的變革將最有可能為新一輪技術革命帶來突破。同時,能源變革還將有效拉動新材料、加工制造、IT等相關產業的發展,成為應對當前金融危機,帶動經濟走出低迷、實現增長的新引擎。目前中國與世界主要國家在新能源、高溫超導等相關領域尚未形成較大差距,有些方面還處于領先地位,如果我們能夠及時把握戰略機遇,加大創新力度,率先取得突破,必將能為我國在今后低碳經濟下的發展奠定重要基礎,從而在21世紀全球競爭中贏得巨大優勢。
              在把握能源變革機遇方面,美國總統奧巴馬的結構性能源新政對我們頗有啟示。應當看到,新能源技術與碳排放交易是發達國家搶占未來低碳經濟制高點的重要戰略組合。如果發達國家在新能源利用、碳減排技術上取得絕對優勢,同時在全球推行碳排放交易,并成為新規則的制定者,那么包括中國在內的發展中國家未來的發展將受到嚴重制約:要么購買碳排放量,要么購買新能源或碳減排技術。中國無論如何選擇,都將受制于人,從而在國際分工中繼續扮演低端與廉價的角色。
              令人憂慮的是,面對上述困境,我國電力工業至今還缺乏對未來發展方向和技術路線的戰略定位以及整體性規劃設計。而如果繼續沿著慣性軌跡發展下去,由于電源結構和能耗水平等制約,其資源和環境狀況均將難以為繼。況且,目前的電力等能源價格機制也不能反映資源稀缺性程度、環境外部性成本和市場供求關系。應當說,我們在戰略上尚未做好應對困境的準備。戰略規劃上的落后是根本性的落后,是輸在起跑線上的落后。未來二十年是我國極為重要的戰略機遇期,作為最重要二次能源的電力工業,必須盡快做出科學的戰略選擇。
              筆者認為,我國電力乃至能源發展的唯一選擇就是走低碳經濟之路,一方面最大限度地提高能源特別是不可再生能源的終端利用效率,另一方面大力開發利用新能源,尋找滿足我國能源需求的終極解決途徑。為此,必須從能源安全和國家利益的高度出發,盡快明確我國整個能源體系低碳導向的戰略方向,制定切實可行的規劃,大力推進能源變革。當前尤須把拉動經濟增長與能源變革有機結合起來。電力行業作為能源行業的重要領域,應當以科學發展觀為指導,從國家和民族利益的高度出發,刻不容緩地主動推進能源變革,促進電力工業并帶動整個國民經濟實現科學發展。對此我們必須有清醒的認識,并納入國家規劃予以保證,為后化石能源時代的到來未雨綢繆,及早謀劃。
              [注5]預計2050年中國人口14.6億,美國人口咨詢局預計2050年美國人口4.14億。
              [注6]太陽能發電系統夜晚不能發電,陰雨天出力降低,所以需要在全球不同地方按時區配置若干太陽能發電廠,然后把這些發電廠連接成網,如此這個全球能源系統就可以24小時不間斷發電、供電,這就是用太陽能電池和超導電纜裝備成的全球能源網的概念。由于要在全球范圍內配置電力資源,輸電距離很長,容量很大,常規輸電線路損耗過高,占用土地面積過大,所以必須采用高溫超電纜連接。
              電源發展的戰略選擇:新能源與分布式電源
              1、開發利用新能源
              應當指出,我國以煤為主的能源資源稟賦,決定了我國以煤為主的電源結構還將持續相當一段時期,而且電網結構也應與此相適應,例如,我國能源資源與負荷中心分布不均衡的特點,決定了西電東送的資源配置格局將會長期存在。但是,從現在開始,必須按照低碳經濟的要求,對煤電采取優化發展的策略,一方面嚴格貫徹國家“上大壓小”方針,關停小火電,代之以采用超臨界、超超臨界以及潔凈煤發電(如IGCC)等先進技術的大型高效機組,或因地制宜發展熱電聯產,在發電側大力提高能效并降低污染物排放;另一方面,必須在電源結構上做出新的戰略選擇,即在新增裝機中盡可能控制煤電裝機。按照麥肯錫公司和中科院可持續發展戰略研究組的估算,2030年我國煤電裝機在減排情景和強化低碳情景下分別為5.5億千瓦和6.25億千瓦(表5),這是我國資源與環境狀況所決定的硬約束。但是,截至2008年底,我國煤電裝機已經達到了6億千瓦。所以,從發展低碳經濟考慮,必須建立新的約束條件,使得今后20年我國煤電裝機總量盡量穩定在6億千瓦左右的水平或略高一點,而主要對煤電機組的結構進行大力調整,在新增電力裝機中更多采用太陽能、風能、水電、核電等可再生能源。與此同時,在電源總量穩定和結構調整的情況下,應當從戰略規劃的高度逐步對長距離、大規模、高參數輸電線路加以必要的控制。
              如前所述,全球石油、天然氣、鈾的儲量只夠開采40-80年,煤炭雖然可以開采130多年,但過多使用會加劇惡化生態環境。所以,石油、天然氣、煤炭以及核能等資源都具有過渡性質,不是人類賴以持續生存發展的終極能源,F在看來,人類的終極能源可能是太陽能及其衍生的風能、水能,不僅取之不盡,用之不竭,而且僅排放極少的二氧化碳(圖3),是發展低碳經濟、實現永續發展的唯一選擇。
              
              CO2排放量(克-CO2/千瓦時)
              (資料來源:OHM,2004年11月)
              圖3:各種發電技術二氧化碳排放量對比
              (1)太陽能
              我國太陽能資源非常豐富。太陽能年輻射量超過60億焦耳/平方米,每年地表接收的太陽能相當于17000億噸標準煤的能量,具有良好的太陽能利用條件?梢愿鶕柲苜Y源分布條件,采取小規模分散式或大規模集中式兩種不同的利用方式。
              太陽能分布式利用的前景廣闊。目前我國大約有40億平方米的建筑物屋頂面積,另有約10億平方米的南立面可以利用,如果有20%安裝太陽能電池,按每平方米太陽能電池發電能力100瓦計算,則可以安裝1億千瓦。按照中國城市化發展進程,2050年之前新建房屋面積預計不低于現有面積,如果50%的面積安裝使用太陽能屋頂,則又可以安裝2-3億千瓦。目前,我國城鎮居民對“太陽能屋頂”的認識程度不高,因此必須由政府加大政策力度大力推行,而且考慮到該方式直接向客戶供電等因素,可以由電網企業實施。例如,筆者在荷蘭考察過的ENECOENERGIE能源公司1MW太陽能小區,其屋頂太陽能一體化建筑構件全部由該能源公司投資并擁有產權,同時負責運行維護。由于統一規劃建設,最大限度保持了小區的美觀,并有助于節約成本。最近,美國加利福尼亞州政府通過了一項大規模的太陽能開發項目,于未來5年內在加州150處商業大廈的屋頂上安裝太陽能光伏電池,投資額將達8.75億美元。該項目就是由電網企業南加州愛迪生公司負責實施的。此外,愛迪生公司還將在加州其它商業大廈的屋頂上安裝太陽能設備。
              太陽能發電的集中式利用,目前的應用主要是在沙漠、荒灘等地區建立大規模太陽能發電站。如1984年12月,美國在莫赫夫沙漠地區建成了第一個大型太陽能發電站,發電功率達1.38萬千瓦,隨后又相繼建成了7套太陽能發電系統,總發電功率達20萬千瓦。據了解,我國已經籌劃在甘肅敦煌、西藏拉薩(或阿里)、內蒙古、甘肅、新疆以及云南石林等地選擇荒漠、戈壁、荒灘等空閑土地,建設大型太陽能電站示范項目。筆者作一大膽測算:如果每平方米太陽能電池組件發電能力為100瓦,太陽能電池面積按總占用土地面積的一半計算,則20平方公里土地面積內布置的太陽能電池陣列的發電能力可達100萬千瓦。我國沙漠總面積約130萬平方公里,按照上述標準,如果利用沙漠面積的5%即6.5萬平方公里裝設太陽能電池陣列,則發電裝機容量可達32億千瓦,按年滿發時間1000小時計算,則年發電量可達32000億千瓦時,接近2008年我國全年發電量(34334億千瓦時)。盡管理論測算并不等于實際應用,但由此可以理解太陽能利用對可持續發展的重大意義是毋庸置疑的。為此,日本專家曾提出著名的“GENESIS工程”概念,即建立“裝備太陽能電池和超導電纜的全球能源網絡”的構想,并認為這是目前作為工程師解決人類終極能源需求唯一能夠建議的可行方案。
              當前,還應高度關注太陽能薄膜發電技術的推廣應用。相比于晶體硅光伏電池,薄膜硅電池雖然光電轉化效率較低,但其成本也低,而且在高溫、弱光環境中的發電性能更優,尤其是透光性強,用于農業大棚不僅可以發電,而且能夠有效改善動植物生長環境,對發展現代農業具有重要意義,在較發達地區的城郊和農村具有十分廣闊的應用前景。如果建在城市郊區,可以直接接入城鄉配電網,避免了長距離輸電。按照現有技術水平,每畝地可以裝設薄膜太陽能電池不低于20千瓦,我國城市郊區耕地總面積約4.7億畝,如果用1億畝裝設薄膜太陽能大棚,則總裝機容量可達20億千瓦。按照年等效發電時間1000小時計算,可以生產20000億千瓦時電量,相當于2008年全國發電量的近六成。
              (2)風能
              我國的風能資源也非常豐富,潛力巨大。按照國家發改委《全國風能資源評價技術規定》估算,我國陸地上離地面10米高度處的風能資源理論儲量約為43億千瓦,技術可開發量約為3.8億千瓦。中科院地理所估算我國近海10公里范圍內10米高的風能資源超過19億千瓦。所以,我國風電裝機達到億瓦級完全有資源保障。風能的集中利用是在風能富集地區建設具有一定規模的風電場,分布式利用則主要是用于為分散式建筑供電,尤其對解決老少邊窮地區的無電戶用電具有重要意義。
              我國風能資源豐富但季節分布不均勻,一般春、秋和冬季豐富,夏季貧乏,而我國水能資源夏季為豐水季節,冬季、春季是枯水季節,風能與水能的季節分布高度互補。所以,大規模發展風電可以在一定程度上彌補我國水電冬春兩季枯水期電力電量之不足。
              我國風能資源豐富的地區主要是東南沿海及附近島嶼以及“三北”(東北、華北、西北)地區。另外,內陸也有個別風能資源豐富點,近海風能資源也非常豐富,這些地區距離負荷中心并不遙遠。分省來看,風能分布比較豐富的主要有內蒙古、新疆、河北、吉林、遼寧、黑龍江、山東、江蘇、福建和廣東等。筆者認為,當前應優先考慮開發距離電力負荷中心較近的沿海及其島嶼地區以及近海的風能資源,即年風功率密度在200瓦/平方米以上的山東、江蘇、上海、浙江、福建、廣東、廣西和海南等。ㄊ校┭睾=10公里寬的地帶,以及東部沿海水深5-20米的海域。
              我國風能、太陽能資源分布與用電負荷分布存在著地域不對稱的特點。東部地區用電負荷密集,珠三角、長三角以及環渤海地區集中了全國70%左右的用電負荷,而中西部地區太陽能、風能資源豐富。由于這些地區的電網結構普遍薄弱,大規模開發太陽能、風能,會受到電網送出能力不足的制約,這一方面可以通過在當地發展高耗能產業等措施,就地消納部分電量;另一方面還需加強電網建設予以支持,這與后文將要提到的高溫超導技術密切相關。
          日期:2009/7/21 閱讀:8522次
           
           
           

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