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可再生能源科技發展方向及對我國能源格局影響

發布時間:2018-12-04   |  所屬分類:工業設計:論文發表  |  瀏覽:  |  加入收藏

  CO2排放量與化石能源消費高度相關,我國以煤為主的能源結構導致生態環境和應對氣候變化面臨巨大挑戰。推動能源生產和消費革命是“十三五”以及今后較長時期我國能源發展的中心任務,隨著可再生能源科學技術研發與產業化進程不斷加快,將極大改變我國現有能源格局。雖然我國在可再生能源科技和產業發展方面取得了顯著成績,但創新性、基礎性研究薄弱問題仍然突出。低成本、穩定性是可再生能源技術發展的總體方向,隨著高效環保太陽能發電技術、先進風力發電技術等可再生能源技術進步,可再生能源的競爭力將持續提升,未來在整體能源體系中的作用將大幅增強,推動形成清潔低碳的能源格局。

能源與節能

  《能源與節能》介紹國內外石油、天然氣、煤炭、煤層氣、電力、風能、太陽能、生物質能等能源的開發與節能新技術;推廣節能減排、節能環保的典型經驗;促進國內外能源與節能領域的技術交流;服務國內外能源與節能事業可持續發展。熱忱歡迎朋友們踴躍投稿!

  生態環境和氣候變化問題深刻影響著人類經濟社會的可持續發展,是國際社會共同面臨的重大挑戰。我國CO2排放量與化石能源消費高度相關(見表1),2015年我國能源消費總量為45億噸標準煤,是世界最大的能源消費國。由于煤炭占我國能源消費總量的64%,我國當年103億噸的CO2排放量占全球總排放量的29%[1]。當前不合理的能源利用方式和能源消費結構將會使環境問題更加突出,嚴重影響我國的經濟可持續發展[2-4]。據《BP能源展望2030》預測,未來煤炭所占比重下降,天然氣比重略有增加,可再生能源開始大規模進入市場,到2050年,世界將形成以清潔能源為主的世界能源格局。因此,開展可再生能源科技發展方向及其對我國能源格局影響研究,對于加快推進以能源結構轉型與低碳高效發展的能源供給側改革具有重要意義。

  1 我國能源科技總體概況

  近年來,我國能源科技發展迅速,通過自主創新以及大規模技術引進和消化吸收、再創新等方式,在不同能源領域能源科技水平均得以大幅度提升,部分已經達到國際先進水平,技術創新能力持續增強。煤炭清潔高效轉化與利用技術取得重要突破,燃煤發電效率持續提升,煤化工方面已擁有煤制油、甲醇制烯烴等自主知識產權的關鍵技術,以燃機排放標準作為參考的超低排放技術成為燃煤發電污染物控制和治理的方向[5-7];油氣科技在油氣油藏勘探理論技術、老油田精細注水與化學驅提高采收率技術等方面走在世界前列,深水油氣、致密氣、頁巖氣、致密油的勘探開發技術取得重大進展[8-9];核能科技掌握了第三代核電技術的大部分核心關鍵技術,開發了具有自主知識產權的大型先進壓水堆機型[10];風電科技在大型風機葉片設計和制造方面已經躋身世界領先[11];在特高壓/柔性輸電、大電網穩定控制與優化調度、可再生能源發電等技術領域取得豐碩成果,電動汽車、分布式電源/儲能、節能等新興技術領域取得了較大突破[12-14]。但與此同時,我國能源科技發展仍面臨諸多問題,先進煤炭利用技術亟需進一步研發、示范推廣,非常規油氣開發、智能電網發展仍存在關鍵技術制約,可再生能源方面自主創新的核心技術不足,特別是光伏電池、太陽能光熱發電、地熱能發電等核心技術裝備仍然在很大程度上要依賴國外進口,仍需圍繞能源勘探開發、加工轉換、利用工藝、設備、制造等領域,有序推進能源技術創新與體制機制創新[15]。

  2 可再生能源科技發展現狀與趨勢

  低成本、穩定性是可再生能源技術發展的總體方向。隨著可再生能源技術的不斷進步,可再生能源的競爭力不斷加強,未來在整體能源體系中的作用將逐步展現。

  2.1 世界可再生能源科技發展趨勢

  美國發布的《清潔電力計劃》最終方案提出,到2030年清潔能源的比例將提高到28%;日本制定的《能源基本計劃》提出,到2030年可再生能源將滿足日本大約24%的能源需求;德國的新能源計劃提出,到2020年可再生能源發電量應占德國電力消耗總量的35%,到2030年這一比例應達到50%,到2050年則應提高到80%;澳大利亞通過可再生能源目標(RET)法案,提出到2020年實現20%的電力來自可再生能源;歐盟提出,2020年總的能源消費中,可再生能源占20%。到2020年生物質燃料將代替20% 的化石燃料。

  全球可再生能源技術研發和裝備制造水平取得重大進步,技術研發向大型化、高效低成本方向發展。太陽能光伏晶體硅太陽電池由于其效率不斷提升、成本不斷下降,預計在未來十年內量產光電轉換效率也從目前的18%上升到22%,其成本更是下降超過80%;太陽能熱發電技術正向大容量、高參數、長周期儲熱方向發展,預計到2030年,太陽能熱發電成本將降至6美分/kWh;未來世界生物質能源科技將在生物質液體燃料和生物質發電、以及能源植物選育等方面實現突破性進展。風電機組單機容量向大型化發展,海上風電場向大型化發展、向深海發展,正在研發漂浮式海上風電機組基礎,以適應深海風電場建設需求;地熱發電的增強型地熱系統有望取得突破,包括干熱巖及其它非常規地熱資源在內的總發電量將增強;海洋能向建造大型潮差電站、潮流和波浪發電站裝置群、新型發電技術研發以及綜合利用方向發展;水電主要集中亞洲、非洲和南美洲等地區,我國將是世界焦點,規模化的水電調節作用愈加突顯,水電與其他能源互聯將是未來研究重點。氫能將研發高效可再生能源制氫、安全便利的儲氫技術,開發燃料電池電動汽車等用氫技術。

  2.2 我國可再生能源科技發展趨勢

  我國在可再生能源科技發展方面取得了顯著成績,但與國際先進水平相比仍然明顯落后。技術研發和創新能力主要面臨的問題在于創新性、基礎性研究薄弱,基本處于跟蹤模仿狀態。針對上述國際上可再生能源科技發展總體態勢,未來我國急需在以下幾個方面縮小與國外先進水平的差距,同時爭取創新性突破:

  1) 積極開發新型、高效的太陽電池技術、光伏環保型功能材料技術、耦合收集、儲能、發電于一體的光伏材料系統關鍵技術,推動全產業鏈科技創新,從而進一步降低成本以提高我國光伏產業的核心競爭力;太陽能熱發電的光聚光器現階段還未有完整的設計理論,需主要圍繞提高發電效率、提高發電連續性研究系統集成技術、降低太陽場成本、建設產業發展支撐體系、推進我國太陽能熱發電技術向高參數、高效率、基本電力負荷方向發展。積極開發新型透光、光控、保溫、儲熱等建筑材料,強化與建筑功能、材料、結構、美學設計相互結合,以推進太陽能建筑技術的工業化發展;

  2) 生物質能源科技在高品位生物質能源化工技術、先進發電技術、先進生物氣制備工藝與裝備、成型燃料規模化生產及熱轉化工藝和裝備、規模化能源植物選育與轉化等方面應盡快縮與小世界先進水平的差距;

  3) 風電部分技術已達到國際先進水平,但在未來應該在風電葉片技術、大型發電機組、低風速風電機組、與風能資源匹配的風電場技術以及高空型風力發電等領域取得更大的突破;

  4) 增強型地熱示范已在歐美形成了30多年的現場試驗,我國雖已開展理論和模擬研究,與國外先進水平還有較大差距,應盡快開展相關工程科技研發;

  5) 我國的一些海洋能發電技術在國際上達到先進水平,急需研建海洋能發電與海水淡化一體化示范工程,開展實海況試驗,為我國南海的開發建設發揮重要作用;

  6) 水電針對“西電東送”大規模遠距離水電輸送,急需開展大電網平臺下特高壓直流水電大規模消納和調峰基礎性問題;

  7) 可再生能源制氫主要攻克可再生能源大規模電解水制氫技術,尤其是固體氧化物電解池(SOEC)高溫電解水制氫技術,即可解決可再生能源的大規模利用,又可實現氫的無碳化利用問題。

  3 可再生能源科技發展方向

  3.1 高效環保太陽能發電技術

  太陽能發電技術主要是光伏發電和光熱發電。光伏產業未來仍將向高效低成本發展,如尋找與太陽光譜匹配的新型光電轉換材料,以提升光子轉換成電子的效率和能量利用率;研究工藝過程中的新型環保材料,以解決現有生產工藝過程中的污染問題。

  1) 高效率(>25%)晶體硅太陽電池技術和新型高效(>20%)薄膜太陽電池技術。目前,規模化生產的晶體硅太陽能電池效率大部分在20%以下,預計到5年后的規模化生產晶體硅太陽電池轉化效率在22%以上。因此我國應加快對高效(>25%)晶硅太陽電池的結構設計及工藝技術的基礎研究和產業化關鍵技術研發,并加快對高效晶硅太陽電池檢測技術研究,為今后工業化大生產作技術準備;薄膜太陽電池正朝著基于化合物半導體材料和有機金屬鹵化物鈣鈦礦材料的兩個方向發展,我國應加速化合物薄膜太陽電池和鈣鈦礦太陽電池的基礎研究和產業化關鍵技術研發,同時加快將具有特殊物理效應的新型材料應用到薄膜太陽電池上,獲得高效(>20%)低成本的薄膜太陽電池并實現產業化。

  2) 帶有大容量儲熱的太陽能熱發電系統集成技術。儲熱容量達到15小時的太陽能熱發電站,系統的日發電時數可達24小時,加快太陽能儲熱技術的研究,實現相變儲熱材料,高化學和物理穩定性的儲熱技術。儲熱系統與太陽能集熱器的互補發電方法。

  3) 高效率聚光器及聚光場設計、氣體為傳熱流體的太陽能熱發電和大容量儲熱的太陽能熱發電等技術。提出新一代高效聚光器的設計方法,突破約束聚光過程效率提高的瓶頸,將目前的聚光場年效率從63%提高到約72%。從而提高太陽能熱發電系統效率降低發電成本;采用超臨界二氧化碳和壓縮氣體為吸熱器傳熱流體的第三代太陽能熱發電技術,進一步提高發電效率、降低電價;加快發展大容量儲熱材料和傳熱儲熱發電關鍵技術研發,為今后大容量儲熱的光熱發電技術的推廣應用作技術準備。

  4) 高效可靠智能化新能源建筑一體化技術。依靠建筑外立面、屋面和窗體的太陽能設備收集太陽能,并轉換為電、熱和冷,供建筑本體使用,建筑的墻體和地面可儲存熱能供夜間使用,低谷時段電力制冰蓄冰則可解決夏季制冷問題,生產的能源可通過智能控制手段有序在建筑內部分配和向電網供應。技術包括,高可靠性性太陽能光伏屋面、窗體、墻面,太陽能直流空調,太陽能直流制冰機,輕質大熱容墻體材料,建筑能量生產消納綜合控制系統以及太陽能建筑采暖技術(跨季節儲熱技術、被動太陽能建筑技術)等。

  3.2 先進風力發電技術

  降低全生命周期的度電成本是規模化風力發電技術進步的主要方向。未來5~10年主要發展大型、高可靠性、高效和適應我國風能特點的風力發電技術,重點開展大型風電機組關鍵技術、低風速風力發電技術、高效風電場設計與運維技術和高空型風力發電技術。

  1) 風電機組大型化關鍵技術。開發10MW級大型增速永磁同步風電機組關鍵技術,重點研究整機設計技術、中高速傳動技術、中高速同步發電機、全功率變流技術、控制技術等;開展10MW級直驅永磁風電機組關鍵技術包括:整機設計、超大型葉片的氣動及結構設計、雙氣隙模塊化的永磁電機、中壓全功率變流器、整機載荷控制、環境適應性等技術,為大型陸地風電場和海上風電場建設做好技術儲備;開發10MW級雙饋增速型風電機組關鍵技術,包括:整機設計技術、高速傳動技術、高速發電機、變流技術、控制技術等。

  2) 低風速風電機組關鍵技術。近年低風速地區風電開發加速,我國應啟動3MW級以上低速型風電機組關鍵技術的開發。包括:大直徑風輪(單位千瓦掃掠面積大于4.5平方米)、獨立變槳控制、風速風向提前預測、超高塔架(高于100米)、特殊運輸方法(分段葉片、空間結構塔架等)。

  3) 高效風電場設計與運維技術。該技術作為實現風電項目全生命周期效益的必要支撐技術,其關鍵技術為:精細化風能資源評估技術、高效風電場流場模擬技術、智能化風電場優化運行技術、海上風電場設計、建設、運行和維護技術、發電機組狀態診斷與健康管理技術、高精度風電場功率預測及不確定性分析技術、基于互聯網+和大數據技術的智能風電場技術等。

  4) 高空型風力發電技術。美國已經研究高空發電多年,并已開發出多種類型的高空型風力發電裝置進行試驗,我國在此領域的研究還是空白。我國應當啟動開發高空型風力發電機組相關技術,針對高空飛行、電力傳輸、控制系統、運行維護等方面探索性研究開發。

  4 可再生能源科技創新對能源格局影響

  推動能源生產和消費革命是“十三五”以及今后較長時期我國能源發展的中心任務,科技是引發和支撐能源革命的關鍵。傳統化石能源近期在整個能源應用中的作用還無法完全替代,還需要繼續通過發展傳統化石能源清潔高效開發利用技術,切實降低煤炭、石油等化石能源消耗總量及其在能源結構中的比重,實現“高碳能源減量革命”。隨著可再生能源技術的快速發展與規模化應用,需要加大替代能源在總體能源體系中的貢獻,提高其在能源結構中的比重,推進“清潔能源增量革命”。未來5~10年以及更長時間,重大能源科技創新將不斷催生能源生產和利用方式的深刻變革,進而對我國現有能源格局造成顯著影響。

  1) 能源供給結構將顯著優化。伴隨可再生能源開發技術的不斷突破和大規模應用,能源供應體系將進一步完善,現代能源體系初步建立,國家能源安全保障得到加強。同時,我國煤炭開采量在未來5~10年將達到峰值,常規石油產量能基本保持穩定,非常規油氣開發、煤化工替代油品和生物燃料將成為發展亮點,形成一定替代規模,影響我國油氣供給格局。

  2) 能源布局更加合理,產業競爭力持續增強。未來5~10年,我國可再生能源的競爭力將顯著增強。風電成本會進一步降低到與常規能源發電相持平的水平,將建成完善的風電產業鏈,掌握先進風電機組整體設計能力,形成海上風電設備制造、工程施工能力;太陽能光伏發電供電成本會逐步降低到與常規能源發電技術相當的水平。屆時我國能源布局將發生深刻變化,能源市場化改革取得突破,能源新技術及關聯產業有望發展為新的經濟增長點,產業國際競爭力將顯著增強。

  3) 清潔低碳能源格局逐步形成。隨著可再生能源在我國能源生產和消費結構中所占比例將逐步上升,將發揮更大的雙重節能減排作用。一方面,可再生能源的利用節省化石能源,減少化石能源利用過程中的污染排放;另一方面,可再生能源利用本身具有清潔環保性,對環境影響小,加上可再生能源利用技術的突破性進步,其全生命周期溫室氣體排放和污染物排放將更低,相比化石能源發揮更加明顯的環境保護作用。能源產業將逐步實現能源清潔化、低碳化發展,為支撐實現2030年碳排放達峰目標提供有力支撐。

  5 結論和建議

  伴隨我國經濟進入“新常態”,傳統能源產業的轉型升級將提速,能源新技術研發與產業化進程將不斷加快,頁巖油氣、太陽能光伏發電、風力發電、生物質能源、智能電網、大規模儲能等關鍵核心技術的連續突破,將發展出新的朝陽產業集群和新的經濟增長點。國內外能源發展形勢,為控制能源消費總量,優化能源結構,保障能源安全,實現傳統化石能源清潔高效利用以及非常規油氣、核能和可再生能源規模化發展,推進能源科技創新和能源技術革命進程,提供了難得的歷史機遇。

  建議精準布局能源科技發展方向,堅持化石能源清潔高效利用與非化石能源規模化的并行發展。以若干重大能源科技創新工程為牽引,推動能源產業轉型升級和能源新技術的研發與產業化,同時加快實施可再生能源集成創新重大科技示范工程。

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