中国会不会走向“半个”工业化——对我国“减排”问题的若干战略思考
Will China Travel Half Way on the Road of Industrialization?——Some Strategic Considerations on the Issue of "Emission Reduction" in China
Will China Travel Half Way on the Road of Industrialization?——Some Strategic Considerations on the Issue of "Emission Reduction" in China
作者
何祚庥(中国科学院理论物理研究所)
中文关键词
工业化;节能减排;水能;风能;太阳能
英文关键词
industrialization;energy conservation and emission reduction;hydro energy;wind energy;solar energy
中文摘要
文章对"到2020年中国的一次能源需求量是44亿吨标准煤"的预测值提出了质疑。为满足2020年能源需求,同时又要实现单位GDP减排40%—45%CO2的硬约束,必须采取超强措施大力发展水能、风能、太阳能等可再生能源,并提出了各项具体建议。
英文摘要
In this paper the author has raised a query on the predicted value that "the total energy consumption demand in China in 2020 is about 4.4 billion tons of standard coal." In fact,in order to meet the demand of energy of the whole country and at the same time to realize the hard constraint to reduce the CO2 emission per GDP by 40% to 45% starting from 2005 to 2020,super-strong measures must be adopted to energetically develop and use the renewable energy,such as the solar energy,the wind energy,the hydro energy,and the bio energy.Various concrete suggestions to develop all kinds of renewable energy are presented.
这里用了一个似乎“很不合理”的标题,中国的工业化怎么会“半途而废”!?但如果研究一下我国能源发展态势以及节能减排数字,就不得不使我们提出中国会不会走向“半个”工业化的质疑!
据2010年1月6日《人民日报》第18版刊登的“权威论坛”的报道:国家发展和改革委员会解振华副主任说,“到2020年……中国的一次能源需求量仍将高达44亿吨标准煤左右”,因而“届时中国非化石能源的总消费需达到6.6亿吨标准煤(注:也就是非化石能源占一次能源的比例是6.6亿÷44亿=15%),将比2005年增加5亿吨标准煤,单位GDP的能源消耗将在‘十一五’期间降低20%的基础上,需进一步下降30%左右”。“权威论坛”还报道说,这是“长达两年的时间,召开几十次论证会议,征求十几个部门和上百位专家的意见,经过研究和反复科学论证形成”的结果。
问题是:到2008年,中国一次能源的消费已高达29.1亿吨标准煤,而12年后的一次能源“仅需”增长44.0-29.1=14.9亿吨标准煤!这“可能”吗?这一“预言”可靠吗?自2001年以来,中国的能源预言家们,已多次“过低”预测“明年”的能源、电力的需求量。仅仅由于金融危机的来临,才“似乎”证实了他们的“预言”。2009年底,中国经济才开始走出“V”型经济的谷底,南方各大城市就又一次“拉闸限电”,发出电煤、天然气短缺的呼声,雪灾会影响“几天”电煤的运送,天然气管道当然是畅通无阻,但也出现短缺!
估计中国未来的GDP仍将以年均8%—9%的速度上升。中国的一次能源却将以 -1=1.035 -1=3.5%的速度上升。其相应的能源消费弹性系数将是=0.44或=0.39!我们不知道历史上有哪一个大国在走上工业化,尤其是走上重型工业化进程时,会出现如此低的能耗?!中国未来可能是15亿人的大国,比8个“G8”国家的总人口还要多6—7个亿。中国的工业化将是史无前例的工业化。中国现约有9亿农民,中国工业化的实现,至少要有80%即7.2亿以上的农民走上城市化。一个严峻、现实而又必须科学、准确地回答的问题,中国当前的工业化,是处在前期、中期,还是后期?据“权威论坛”报道,某专家称:“我国正处于工业化进程的中后期,工业的快速发展对能源需求较大”。问题是:中国现在的工业化进程,从2008—2020年,能否用“中后期”一词来概括?!中国的能源需求“较大”,是否即等同于到2020年将需求44亿吨标准煤!
下面是我们所测算的有关未来能源需求和减排CO2的几个数字。
1 一个宏伟的“减排”的目标
2009年9月22日,胡锦涛主席在联合国气候变化峰会开幕式上发表了题为“携手应对气候变化挑战”的讲话,宣布中国将大力推行节能减排技术,“到2020年,中国非化石能源将占一次能源的15%”。2009年11月25日,国务院常务会议又公布了中国碳减排目标——“到2020年,中国单位GDP的CO2排放量比2005年下降40%—45%。”这两者均是极其宏伟的奋斗目标!
其实,这一减少CO2排放的行动,早在2005年已开始推行。“十一五”规划纲要曾明确提出“十一五”期间单位国内生产总值能耗降低20%左右,主要污染物排放总量减少10%的约束性指标。“主要污染物”一词并不包含CO2,但是,单位GDP能耗的降低,已意味着CO2的相对排放量将同比下降。
据2009年12月1日《经济日报》报道,由于一系列政策措施的落实,使我国节能减排取得明显成效。据统计,“2006年全国单位GDP能耗下降1.79%,2007年下降4.04%,2008年下降4.59%,2009年上半年已完成3.35%,预计全年将达到5%左右。”“目前累计完成降低能耗13%,已减排CO2量达8亿吨。”(注:新公布的第二次经济普查说,“2008年全国单位GDP能耗比上年下降5.2%,”但累计下降“比2005下降12.45%。”这一普查数和“报道”有小小不一致,这里仍取老数字。)《经济日报》还报道说,如果“十一五”期间单位GDP下降20%的总体目标如期实现,减排CO2将达15亿吨。
同一天的《经济日报》还给出一个“单位GDP能耗逐年降低”的示意图:
社会公众更希望知道,“如果‘十一五’期间单位GDP能耗下降20%的总目标”确能“如期实现”,那么2010年“节能”的任务有多大?简单计算表明:0.80=(1-0.0179) × (1-0.0404) ×(1-0.0459) ×(1-0.05) ×(1-2010年单位GDP节能的百分比),所以,“2010年单位GDP节能的百分比”=6.375%。2010年的单位GDP必须节能或减排CO2“达”6.375%之多,这不是一个容易实现的数字。2009年之所以顺利实现减排5%,部分原因是出现了金融危机,很多企业大幅度削减了能源需求。比较现实一点的数字,是2010年仍减排5.0%。如果这一目标确能实现,那么2010年将比2005年减排[1-0.80×]=1-0.8117=18.83%。虽然这一数字较“减排CO2”20%的目标有一些距离,但仍然是一项重大的成就。
2 一个更为艰巨的任务
这个更为艰巨的任务是,到2020年单位GDP的CO2比2005年排放量减少40%—45%。社会公众更关注的是,怎样实现这一目标,实现这一目标年均CO2的相对排放量是多少?
简单计算表明:如果2020年比2005年减排40%;2010年能比2005年减排18.83%,那么自2010年单位GDP的CO2年平均减少的排放量=[1-]=2.977%;如果2020比2005减排45%,则=[1-]=3.818%。乍一看来,这两个数字均小于5%,也小于“十一五”期间年平均减排4.36%的要求,似乎不难做到。不然!这两个数字均是相对量,而更需关注的是2020年CO2减排的绝对量。这涉及中国未来发展的11年,从2009—2020年中国GDP的上升速度,可能出现两种前景:①以年均8%的速度上升;②以年均9%的速度上升。2008年中国的GDP是31.40万亿元。如以年均8%的速度上升,2020年的GDP将是31.40×(1.08)12=31.40×2.52=79.07万亿元;如以年9%的平均速度上升,将是31.40×(1.09)12=31.40×2.81=88.32万亿元。
对于中国未来能源的需求,也历来有两种观点。①中国能源界长期所持观点,即中国未来将实现GDP翻两番,而能源翻一番,亦即能源消费弹性系数等于0.50;②我更赞成的是如下说法,江泽民同志在“对中国能源问题的思考”的文中所说:“一个国家处于工业化前期和中期时,能源消费通常经历一段快速增长期,能源消费上升速度和国民经济增长速度之比,或又称为能源消费弹性系数一般大于1;到了工业化后期或后工业化时期,能源消费弹性系数才有可能小于1。”有大量事实支持江泽民同志提出的,中国正处于工业化前期、中期和未来能源需求消费弹性系数应取为1的论断1。
下面仅提供由从国家统计局摘出的2000—2007年能源消费弹性系数和电力消费弹性系数的简表(表1),来说明未来能源消费弹性系数大体是1.0。
简表中的GDP用的是不变价格,数值比当年价为低,但相应的电力消费弹性系数均大于1,能源消费弹性系数也在“1”左右。一般来说,能源消费弹性系数和电力弹性系数呈正比,但统计数据却表现出较大的涨落,这难以理解!由于电力消费总量易于统计,也比较可靠,所以在估计未来11年的发展时,以取能源消费弹性系数为1.0,比较符合客观实际。很难设想,未来如果不采取超强且不惜工本的“节能”措施,这一能源或电力消费弹性系数会大幅度小于1.0。
2008年,中国能源的消费总量是29.1亿吨标准煤。未来中国,如果GDP以8%的速率上升,而能源消费弹性系数为1.0,2020年的能源消费量,将是29.1×2.52=73.33亿吨标准煤;如以9%的速度上升,将是29.1×2.81=81.77亿吨标准煤!如果未来中国按照已宣布的“减排”速度“节能”,将出现下列4种可能的能源的削减。
按照不同GDP上升速度和不同的单位GDP减排率,到2020年相应的“碳”减排数量=2020年按弹性系数为1.0的碳排放量-2008年碳排放量×(1+GDP上升率)12
×(1-年均减排率)12。将各有关数字代入上式,将是(表2):
总之,2020年将要求“年”减少能耗22
—30亿吨标准煤!折合CO2(按每吨标准煤折合2.40吨CO2计),其“年”减排额高达22×2.40=52.8亿吨和30×2.40=72.0亿吨!
这将是“惊人”的“减排”数字!
3 怎样通过“超强”节能减排
我们将怎样通过“超强”节能,来实现量达52.8亿—72.0亿吨的CO2的减排?办法有3条:①大规模退耕还林、植树造林,增加碳的积蓄量;②大幅度采用先进节能技术,大幅度淘汰低效益,高耗能、高排放的落后产能;③大力调整能源结构,大力加速发展可再生能源和新能源。
2009年12月18日,温家宝总理在哥本哈根气候大会做了重要讲话,讲话说:“中国是世界人工造林面积最大的国家。……2003—2008年森林面积净增2 054万公顷,森林蓄积量净增11.23亿立方米。目前人工造林面积达5 400万公顷,居世界第一。”“中国是近年来节能减排力度最大的国家。……2006—2008年共淘汰低能效的炼铁产能6 059万吨、炼钢产能4 347万吨、水泥产能1.4亿吨、焦炭产能6 445万吨。”“中国是新能源和可再生能源增长速度最快的国家。……2005—2008年,可再生能源增长51%,年均增长14.7%。2008年可再生能源利用量达到2.5亿吨标准煤。农村有3 050万户用上沼气,相当于少排放CO2 4 900多万吨。水电装机容量、核电在建规模、太阳能热水器集热面积和光伏发电产量均居世界第一位。”
这一系列“超强”节能措施确实取得了成效。温总理指出:“截至今年(2009)上半年,中国单位GDP能耗比2005年降低13%,相当于少排放8亿吨CO2。”但是,8亿吨相对于2020年必须减排53亿—72亿吨的目标就是很小的数字了。
在诸多措施中,最为有力的措施,是“关、停、并、转”低效益、高耗能、高排放的企业。问题是:在我国已连续5年大规模淘汰落后产能的情况下,今后的10年中我国还有多少“剩余”落后产能可供淘汰?举例来说,据2009年12月28日《经济日报》报道:“截至2009年底,全国累计关停小火电
5 545万千瓦,提前一年半实现了‘十一五’关停5 000万千瓦小火电机组的任务,每年可节约原煤6 404万吨,减少CO2排放1.28亿吨,”“2010年要继续推进电力工业‘上大压小’,全国计划关停小火电机组1 000万千瓦”,“目前20万千瓦以下的纯凝火电机组还有8 000万千瓦。”不难设想,这些应关闭的小火电均将陆续关闭。但如以减排的1.28亿的CO2÷2.40,可折合年减排5 300万吨标准煤计,所有这些应关闭的火电机组关闭后,年节约53 00万×(5 000+1 000+
8 000)/5 545=13 381.4万吨标准煤,仅占2020年所需减排量的1/20—1/30!
另一项有力措施,是大规模推进节能技术。举一个例子,我国目前每度电在2005年的平均能耗是360克标准煤,我国新研发建成的超、超临界发电站,每度电能耗是300克标准煤,下降了1/6。我国2008年有火力发电装机约6.0亿千瓦,年发电约45 000亿度电,以每度电消耗360克标准煤计,年消耗约16.2亿吨标准煤;姑且认为“可能”全改为超、超临界发电站,最多也不过节约了16.2×=2.7亿吨标准煤。
我们当然十分赞成大力增加植树造林以增加碳汇。但2003年,已知“我国森林面积覆盖率已高达18.2%,2004年我国森林‘净’吸了约5亿吨CO2当量,占2004年温室气体排放量的8%。”所以,即使森林覆盖率再增加1倍(能否做到?!)也不过再“净”吸收2.08亿吨的碳或5亿吨的CO2。
但是,从2005—2008年,在我国采取了“超强”节能措施的3年后,毕竟已如温总理讲话所指出的,“相当于少排放8亿吨CO2”,或已实现碳减排8 ÷2.40=3.33亿吨标准煤。有理由认为这类“超强”节能措施,还会继续坚持下去。总之,如果继续对各类化石能源的能耗实施各种“超强”节能措施,从2008—2020年,有可能在已做到减排8亿吨CO2的基础上,再乘上因子5(注:自2005—2008年已推行“超强”节能3年,今后还要陆续推行12年,所以在估算到2020年“碳”减排时,将乘上因子5),亦即今后12年通过“超强”节能措施减排约8×5÷2.4=16.7亿吨标准煤。估计未来仅采取上述措施,将难以实现如此巨大的减排指标,但有望实现11亿的碳减排。因而可将2020年要求“年”减少能耗22亿—30亿吨标准煤的数字,下降到仅要求减排11亿—19亿吨标准煤。但这仍是十分巨大的“减排”数字!
所以,为要实现2020年减排80亿—110亿吨CO2的目标,除大力采取各种“超强”节能措施外,还必须采取“超强”减排行动。其唯一的可能,是大力调整能源结构,大力发展非化石能源,包括核能、水能、生物质能、风能和太阳能。
4 我国应采取怎样的“超强”减排行动
我国将怎样采取“超强”减排行动,大力调整能源结构,最大限度地发展“核能+可再生能源”,进一步减排11亿—19亿吨的“碳”排量?
(1)大幅度调整化石能源消费结构。也就是尽可能大幅度进口天然气、石油,以取代煤。有可能做到再减排1亿—2亿吨标准煤。当然我国自身也应大力增产天然气,开采可能含80%的甲烷的煤层气、页岩气,也许还可开采在青藏高原的可燃冰。
(2)大力发展核能和可再生能源发电。这是当前技术上较成熟,也是最有效地实现大规模减排,同时又能充分满足不断增长的电力需求的现实途径。其具体措施是:
(a)大力发展水能,将经济可开发的约4.0亿千瓦的水能全部开发出来。根据现有水能发电数据,每千瓦装机平均年发电
3 400小时(注:这是依据现有水电装机和年发电量算出的数字,有些人采用5 000小时,这不准确!),4.0亿千瓦将年发电13 600亿度电。现有火力发电平均煤耗是0.36公斤/度电(注:有些人计算水能发电节煤量是0.5公斤/度电,这过高估计了水能减排的能力!),因而4亿千瓦的水能,将年减排4.896亿吨标准煤。这将是一个不小的数字!问题是现在仅规划开发3.2亿千瓦,只能减排3.917亿吨标准煤。
(b)大力发展核能,力争发电达0.75亿千瓦(注:这不是很容易达到的数字,我国现掌握的天然铀储量仅能支撑0.50亿千瓦核电站运转40年,需进口和新发现天然铀矿以补充其差额。但直到现在,未见拟议中的协定正式签署。我们还要看到另一种补救的办法,即在压水堆中放置少量钍棒,有可能取代浓缩铀,多燃烧18%的核燃料。)。一个正常运行的核电站,有望年发电7 000小时,0.75亿千瓦的核电站将年发电5 250亿度电,相当于减排“碳”1.89亿吨标准煤。
(c)大力发展风能,力争风能装机1亿千瓦(注:这是风能界提出的装机的预期值,但这一数字并不为电网认同,认为接受如此巨大的“垃圾电”上网,将冲击电网的稳定。)。由于风能每千瓦装机年平均仅发电
2 000小时,所以1亿千瓦的风能仅相当于减排0.72亿标准煤。
(d)大力发展太阳能。按现有太阳能光伏发电发展规划,其装机将是3 000万千瓦的峰值功率,即为0.30亿千瓦。平均年发电420亿度电,相当于年减排0.15亿吨标准煤。由于平板式光伏发电技术,从晶体硅到光伏组件的生产,往往耗费不少电能,一般认为其运转寿命可长达25年,有望在2年的时间回收所损耗的电能,所以,实际上减排量是0.15 ×(1-)亿=0.139亿吨标准煤。这其实是微不足道的数字。
(e)我支持发展生物质能。但要看到生物质能存在转化效率低(注:光伏电池的太阳能转化效率为15%—20%,生物质能一般只有0.2%),浪费土地,消耗大量水资源和成本高的问题。我也支持发展生物质能发电。但要看到当前没有廉价有经济效益的发电方式,而且看不到价格下降的空间,只能作为弥补太阳能、风能发电所固有的间隙性缺点的补充电源。
将上述所有“核能+可再生能源”发电,同时又实现“减排”的数字加起来,共计年节约6.5亿—7.5亿吨标准煤!这一数字不仅距“减排”11亿—19亿吨标准煤的要求相差甚远,甚而连2020年“非化石能源占一次能源15%”的要求也不能满足(注:7.5亿/0.15将等于50亿标准煤,而6.5/0.15仅等于43.5亿吨标准煤;而按我们的估算,如果GDP以8%—9%的速度上升,在实行“超强”节能措施后的能源需求,最少也要62亿—71亿吨标准煤)!
但是,大力调整能源结构,大力发展“核能+可再生能源”发电,已可能将年减排11亿—19亿标准煤的要求,下降到再要求减排4亿—10亿吨标准煤。问题是如何进一步大力加强用可再生能源实施减排的力度。
5 我国将怎样弥补达4亿—10亿吨碳
排放的缺额
其必须大幅度调整现有规划。
(1)将经济可开发的水能资源都开发出来。这将比仅开发经济可开发的80%,再减少1.0亿吨煤的排放量。当前发展水电的困难,是极端环保人士、极端生态保护人士的干扰。其实,我国水电的开发水平,远低于发达国家的开发水平。我国有7亿千瓦的水能资源,技术可开发的是5.4亿千瓦,经济可开发的是4亿千瓦,将经济可开发的4亿千瓦全部开发出来,才占全部水能资源的=57%!有什么必要在经济可开发的水能的区域,设占地过大的保护区?
(2)力争风能装机达2亿千瓦。据2010年1月5日《经济日报》报道:中央气象局发布,“我国陆上离地面50米高度达到3级以上风能资源的潜在开发量约23.8亿千瓦;我国5—25米水深线以内近海区域、海平面以上50米高可装机容量约2亿千瓦。”所以,风能资源不成问题。难点仍在于“风电场与送出电网建设不同步,目前全国有1/3风机处于空转状态。”缓解这一“空转状态”最有效的办法是大力推进智能电网的建设。缓解这一“空转状态”的另一办法,是发展非并网,直接利用直流电的技术。当前矿山、工厂、农村以及南水北调工程中,有许多机械加工作业,如矿石、燃煤的粉碎,桔杆的切割、压制成型,水的提升、运送,不定时的电解工业……,完全可以用风能发出的“随机”直流电取代。这一技术的发展,将完全可能将风能装机从1亿上升到2亿千瓦,可再多减排0.72亿吨标准煤。而且,风力发电成本中有30%是来自并网发电,大力发展风电的非并网应用,也是降成本的有效途径。
当前存在的问题是,对于非并网风电的直接利用,缺少政策性鼓励。
(3)采取特殊措施,大力发展太阳能光伏发电,尤其是价廉而物美的“第三代”太阳能光伏发电,“聚光+跟踪+太阳能炼硅+高效聚光晶体硅光电池”的技术。力争到2020年,太阳能光伏发电装机峰值功率也达2亿千瓦。
当前,年发电1 400小时和以25年使用寿命计算的平板不跟踪的光伏发电成本下降到1.0元/度电。而“4倍聚光+跟踪”的光伏发电成本,已下降到0.50元/度电。据2009年12月22日《能源导报》报道:上海电力学院太阳能研究所赵春江所长,在自家阁楼上做了“家庭光伏发电厂”的试验。这一家庭发电装机的峰值功率是3KW,优化倾角是25度,平均年发电1 024.4度,故障率小于0.3%。而如果每3KW的安装费是8万元(由于这是试验,赵春江教授共用了26.2万元,现在按市价可降到8万元),可算出其25年收回成本的电价是1.05元/度电,而上海电价是0.62元/度电。现在全国约有100亿m2屋顶面积,“4倍聚光+跟踪”的光伏发电技术可做到50W/m2的峰值功率。100亿m2的屋顶面积的一半,将至少能安装峰值功率为2—2.5千瓦的装机。如果每千瓦的装机平均年发电1 400小时(注:上海太阳能属三类地区,年平均发电
1 000小时,如加上“跟踪”,可发电1 400小时,在二类地区加上跟踪,可发电2 000小时),2.5亿千瓦的装机,将年发电0.35万亿度电。如以每度电减排0.36公斤标准煤计,将实现年减排1.25亿吨标准煤。
当然,更为重要的是,地处大西北的河西走廊、青藏高原等地区,其太阳能资源十分丰富,属一类地区,是建造大型光伏电站的最佳场所。中国能源问题的最终解决,取决于政府将以何种规模、速度,在这一区域建设几亿千瓦甚而是几十亿千瓦“超大型”的光伏电站。现在以25年计的“4倍聚光+跟踪+太阳能炼硅”的光伏发电成本,已下降到0.5元/度电,其单位千瓦的售价已下降到2万元/千瓦。已有大量中间试验证明这一“4倍聚光+跟踪”的光伏发电新技术,不仅已做到1块光电池顶3.3块用,能比不跟踪的平板光伏电池多发电30%—40%,而且在恶劣气候的沙漠地区,能正常可靠地运行,历经狂风、暴雨、冰雹、猛晒、骤冷、沙尘爆的考验,而安然无恙。尤妙的是,其聚光漏斗的覆盖面,能自动避免沙尘、霜雪的积累,不需人工清洗。其最重要的成就是研发了廉价、高效而又均匀的散热片。实测证明,加上散热片后的4倍聚光条件下的光电池里硅片的温度,比未聚光的平板式光电池硅片的温度还要低若干度,而愈是在狂风大作时,所发电量就愈多!所以,这一散热片有效地缓解了最为困扰平板光电池,影响其使用寿命的“热岛”效应。这一新技术的发展,不仅能保证光漏斗使用25年,还有可能在进一步的发展中,大幅度延长光漏斗中光伏电池的使用寿命,使光伏发电机组的使用寿命,由通常的25年,延伸到40年!
现在需要进一步解决的技术问题是:如何在走向自动化、规模化、效益化的大工业的实践中,进一步降低成本,增加发电量,充分发掘这一新技术的潜力。估计在未来的3—5年间,这一“聚光+跟踪”的转盘+“太阳能炼硅”+“高效聚光”晶体硅光电池的新技术路线,将在世界范围内获得迅猛发展。完全可能在不远的将来,将光伏发电成本下降到0.2—0.3元/度电。
也许有人认为上述建设2亿—4亿千瓦的光伏电站的设想太不现实!不然!2007年,由于中国政府对风能曾给予了优惠上网电价, 2006年中国的风能装机由2.604百万千瓦,猛升到6.050百万千瓦,增长率达132%。如果到2010年底光伏发电装机是500兆瓦,今后连续10年以132%的速率上升,到2020年将是0.5亿瓦(1+1.32)10=
2.26亿千瓦。
关键在于中国政府给光伏发电多少优惠上网电价。
我们为什么主张中国政府对太阳能发电给予优惠的上网电价?其实,在2020年以前,即使中国政府采取特殊优惠政策,上述2亿—4亿千瓦的设想,充其量也仅限于“年减排1.25亿—2.50亿吨标准煤”。虽然这一数字也相当重要,但远比不上水能所贡献的碳减排。如果看到当前世界各国都正在采取强有力措施,大力推进光伏发电,我们也必须迎接时代,不能落后太多!在不久前哥本哈根气候大会上,某些国家联合发布了一个报告。其中宣称:欧盟的太阳能产业机构制定的发展目标是,到2020年,光伏发电累计装机达3.9亿千瓦,投资达1.29万亿欧元,平均每千瓦投资3 308欧元/千瓦;美国的发展目标是,到2020年,光伏发电累计装机达3.5亿千瓦,投资达1.1万亿美元,平均每千瓦投资3 143美元/千瓦……,也就是世界各发达大国,纷纷走向光伏发电的大国。而如果再看到2020“后”,我国将面临要求中国大力减排“碳排放”的“绝对量”的“强大的呼声”;到那时,唯一能大量满足中国能源需求,同时又不排放碳的能源供应,就只有太阳能发电和太阳能供热了。
我们必须“未雨绸缪”!
总的来说,光伏发电约为中国的火力发电0.33元/度电的发电成本3倍。如果未来的火力发电厂将征收“碳”排放费,按欧盟现有“碳”贸易价格,或按法国即将开征的“碳”排放税,每度电发电成本还将增加0.22元/度电。而随着“碳”资源税的开征,市场需求的旺盛,火力发电成本还将不断上升。很可能,在不远的将来,光伏发电成本仅略高于火力发电,是火力发电成本的1.5—2倍。我国现就有不少“缺电”或电价十分高昂的地区。有些地区因地处穷乡僻壤,或没有电网,或电网供电有限;有些地区的公路、高速公路远离电网,但又需要路灯照明;有些地区因煤价、油价甚高,因而发电成本极高;有些地区因昼、夜用电量悬殊,其峰谷比可高达3.3∶1,其峰电电价甚而高达1.2—1.6元/度电;有些地区气候过分炎热,夏季空调用电猛增。各城市都存在一些“奢侈”性用电项目。应出台政策规定这些“奢侈”项目,必须应用价格较高的太阳能发电。所以,太阳能光伏发电有经济效益的市场并不小。
太阳能的资源总量远胜于风能总量。在960万平方公里的祖国大地上,年接收的太阳能高达1.7万亿吨标准煤,是我国当前年消费的一次能源的600倍。太阳能在单位面积所产生的电能也10倍于风能。太阳能所固有的昼夜供电、供能间隙性也比风能小得多,其发电高峰期,也就是用电高峰期。而发电成本,在不远的将来,就将下降到和风能持平,甚至远低于风能发电的成本。所以,人类的未来,必定是太阳能时代。
将上述各种“大力”发展水能、风能、太阳能发电的措施,“加”起来,有可能再减排3亿—4亿吨标准煤;实现4亿—10亿吨的碳排放的缺额,减少到仅需再弥补1亿—7亿吨的碳排放的缺额。由于上述在10年内“生效”的各种“核能+水能+风能+太阳能”的发电能力,“几乎”已“面临极限”。这就迫使我们必须转变思路,不是用“发电”来实现“减排”,而是转到用“供热”来实现减排,也就是必须大力发展太阳能供热。
6 一个亟待开拓的领域——大规模利
用废热供热、太阳能供热和太阳能
联合供电供热
我国人均CO2排放量,已略高于世界人均值;但我国人均用能、人均用电却远低于世界人均值。原因在于我国是用煤供热,用煤发电。正如已故吴仲华院士所指出,热能利用领域里的“大浪费”,是高品位的“热”,移作低品位的“用”,煤可以炼钢,可以发电,但却用作22℃—26℃的室温供暖。解决这一“大浪费”的重要途径是大量利用废热供热,大量利用太阳能供热。但是,热能的输运,尤其是长距离输运,是尚未解决的世界性难题。我支持大力发展廉价的适用于不同温度范围的,被称为“超导”传热的“热管”技术,但也要看到这类技术在输运距离上的局限性。我也支持大力发展利用废热的另一途径,低温发电技术,但最多只能到卡诺循环所赋与的热力学效率,投资效益比不可能很高。据2010年1月5日《人民日报》,东北电网火电机组“有40%火电机组供热,供热机组比例全国最高”。我们当然赞成充分利用火电机组的余热供热,问题是用热单位距供热单位有多远?!
为进一步实现单位GDP的减少“碳”排放40%—45%,尤其是减排45%(因为这需要进一步减少7亿吨的“碳”排放),就必须大力发展太阳能供热,以取代煤供热。
在CO2减排问题上,用太阳能取代煤供热,比起用太阳能发代煤发电有更高的CO2的减排效率。当前光伏发电的转化率一般约是18%,在计算每度电等价的“碳”减排量时,用的是通常火力发电约36%的热电转化率,折合成每度电可减排0.36公斤的标准煤。但如果是用太阳能来取代煤供热,其“不计及热损失”的“相同装置”的集光量将等于集热量,在折算成碳减排时,是光伏发电减排量的2倍,亦即有=2,或者说,发展太阳能供热,能更有效地实现碳减排。
但是,近20年来,太阳能供热技术并没有什么重要进展,太阳能供热成本,一直居高不下。中国在太阳能供热有一个小小的成就,这就是清华大学殷志强教授研究和发展的“太阳能选择性吸收涂层”,其大幅度提高了太阳能吸收率,显著地降低了热发射率,从而大幅度降低了太阳能热水器的供热成本。目前我国太阳能热水器的保有量已发展到约1.1亿m2,每台热水器平均占屋面2.2m2,以15年寿命估计的每台热水器所供应的热水,等价于节约0.3吨标准煤,1.1亿m2的保有量,相当于年节约1 500万吨标准煤。当前我国每千人仅拥有85m2的面积,欧洲的发达国家已高达每千人700—900 m2的面积。如果发展到5.5亿m2,将年节约0.75亿吨标准煤。如果发展到11亿m2,将年节约1.5亿吨标准煤。
为什么我国每千人拥有集热面积仅为发达国家的1/10?重要原因是:我国研制的热水器仅能供应50℃—70℃的热水,其供热价格相对于居民可承受的消费水准仍嫌较高。我国生产的太阳能热水器在屋顶出口的供热价格约为0.25元/度热,由“屋顶”输运到“室内”,其热量损失率可达40%以上,实际上的供热价格上升到0.40元/度热,而上海市居民用电为0.60元/度电。冬季的热损失尤为严重。如果要解决冬季供暖,夏季供冷,就要求太阳能集热器产生120℃—180℃的热能。工农业更需要高达150℃—450℃的水蒸汽。
当前急需出台支持研发中温太阳能供热技术,太阳能供热和建筑交通用能、工农业用能一体化的激励政策,大幅度用太阳能供热取代建筑、交通、工、农业里的煤供热。
随着我国工业化的进展,广大农村和边远地区将出现大幅度增加人均用能的超强需求。现有农用供煤,远不能满足即将到来的超强需要。解决这一问题的唯一最佳方案,是大力发展分布式供能、供电。这就需要大力发展太阳能、风能、小水电、生物质能,“四位一体”的综合供能、供电技术,同时也就大幅度实现了碳减排。由于这涉及“多种”供能技术的综合,不是某一技术专家所能胜任的,需要采取特殊措施,才能有效地推进这一重大的待开拓的能源新领域。
现已有呼声,呼吁大力发展分布式能源系统,理由是其一次能源利用率可高达60%—80%。问题是呼吁者却主张用天然气或煤来解决分布式能源的供应!如果分布式能源系统所需供能要由远方输运到广大农村和边远地区,这一分布式能源,其运费将占成本的大部分,还能有什么优越性?!
还有一个尚未引起普遍重视,但具有极大经济效益、社会效益的新领域。用太阳能、风能大量从盐湖、海洋取得淡水。我国华北、西北地区严重干旱、南水北调投资极大,而且水量不足。所以,用可再生能源淡化海水,淡化盐湖,也是亟待开拓的新领域。
7 没有结论的结论
在给出上述测算的数字后,这里只能给出一个“没有”结论的“结论”,只能给出一个所测算数字的简表(表3):
必须看到,要做到“2020年中国非化石能源将占一次能源的15%”,“2020年,中国单位GDP的CO2排放量比2005年下降40%—45%”,是一个非常艰巨的任务!!!这一任务能否如期“实现”,将取决于中国政府选择什么样的发展模式,采取什么样的政策,包括经济政策、能源政策、发展科技教育……等政策。
我们认为,中国在2020年以前,应尽可能高速大幅度增加一次能源的消费量,力争高速、大幅度增加中国的“人均用能”(注:我国人均用能现还不到世界人均用能的平均值),到了2020年“后”,未来中国恐将不得不走向CO2的绝对量的减排,那时将有足够的“余量”应对来自国际社会要求绝对量减排的强大的压力!
致谢 感谢中科院院士工作局牛强同志提供的有价值数据和协助进行的计算。此外,本文初稿在2月24日的《科学时报》刊出后,承陈俊武院士指出,每吨标准煤的CO2的排放量应折合2.40吨,因而此文又重新做了修订,并向陈俊武院士表示感谢。
