低碳经济对能源装备业的机遇与挑战

张素心

(上海电气(集团)总公司,上海 200002)

低碳经济对能源装备业的机遇与挑战

张素心

(上海电气(集团)总公司,上海 200002)

低碳经济已经成为经济发展的一个风向标。在探索低碳经济的基础上,结合我国能源结构转换过程中出现的问题,从煤电能源、核电能源、风电能源3个方面对低碳经济下我国能源装备业发展中遇到的机遇与挑战进行深入研究。

低碳经济;能源装备;发展

Abstract：Low-carbon economy has become a symbol of economic development.Concerning the problems coming with the structural transformation of energy in our country,we analyze the opportunity and challenge that face the energy equipment industry in the low-carbon economy,ranging from coal,to nuclear and wind energy for low-carbon economy development.

Key words:low-carbon economy;energy equipment;development

2009年,国务院通过的《装备制造业调整和振兴规划》标志着能源装备业成为我国未来发展的战略重点,进一步促进了我国能源装备制造业的发展。我国能源装备业的发展与我国未来经济发展趋势、能源结构调整有着紧密关系。目前,我国已成为碳排放第一大国,由于碳排放的指标约束,我国经济发展承受着巨大压力。未来30年,我国经济发展水平将进入转型期,经济发展驱动力弱化,劳动力成本上升,经济发展的外部约束条件将不断被强化,其中碳排放的硬约束将成为我国经济发展的制约因素。在哥本哈根气候大会中,我国政府承诺:到2020年,非化石能源占一次能源比重达到15%;单位 GDP的 CO2排放在2005年基础上下降40%～45%。为适应未来经济发展的需要,实现可持续发展,能源结构调整与能源技术革命将成为一个关键因素。

1 低碳经济——人类社会的重大进步

1.1 低碳经济内涵

低碳经济是指温室气体排放量尽可能低的经济发展方式,尤其是CO2这一主要温室气体的排放量要得到有效控制[1]。它是以低能耗、低污染、低排放为基础的经济模式,或是含碳燃料所排放的CO2显著降低的经济。其实质是能源高效利用、清洁利用和低碳或无碳能源开发,是能源技术创新、制度创新和人类生存发展观念的根本性转变。

低碳经济以能效技术、可再生能源技术和温室气体减排技术的开发和运用为核心,以市场机制、制度框架和政策措施为先导,以减少化石燃料消耗和温室气体排放为标志,以经济社会与生态环境相互和谐为目标的新型发展模式,是人类社会继农业文明、工业文明之后的又一次重大进步。

1.2 能源结构转换是发展低碳经济的关键

未来30年我国的能源调整趋势主要是:降低煤炭在一次能源总量中的比重;提高动力煤在煤炭总消费量中的比重;提高电力占一次能源(或终端能源消费量)的比重。

我国正同时进行3次能源结构转换:①以煤代薪的第一次能源结构转换还未完成,农村用能商品化程度偏低,全国有几亿人口正大量使用传统生物质能做饭取暖。②以油气替代煤炭的第二次能源结构转换也未完成,2006年全球一次能源消费中煤炭占28.4%、石油天然气占59.5%,而我国分别为70.2%和23.5%[2],煤炭的清洁利用和加工转换将成为未来发展的关键。③在进行矿物能源向可再生能源转换的第三次能源结构转换的同时,还要解决大量燃煤排放的 SO2,NOx、颗粒等引起的区域性污染问题。而发达国家已经完成了前两次能源结构转换,只要解决CO2等引起的温室效应问题。

1.3 低碳经济下我国能源装备业发展的瓶颈

1.3.1 经济的持续增长使得能源消耗量持续增长 1952年,我国能源消费总量仅为47 Mt标准煤,1978年达到 571 Mt标准煤,2008年达到2.85 Gt标准煤。1952—2008年我国能源消费量年均增长了7.6%[3]。同时,我国的人均能源消费量也在不断上升,1953年人均能源消费量为0.09 t标准煤,1978年上升至0.59 t标准煤,到2008年人均能源消费量已经达到了2.14 t标准煤[4]。

1.3.2 资源约束明显,能源供需矛盾突出 我国资源约束主要表现在2个方面:①能源资源赋存分布不均衡,资源主要赋存在中、西部地区和东部海域,开采、运输难度较大,而能源消费地区主要集中在东南沿海等经济发达地区。②优质能源资源相对不足,能源的供应能力难以提高。

1.3.3 能源技术装备水平较低,管理水平相对落后,能源利用率不高 我国能源利用效率甚至低于印度,处于相当落后的水平。我国电力、钢铁、石化、轻纺织、化工、有色金属等8个行业主要产品平均能耗是国际先进水平的140%;钢、水泥、纸和纸板的单位产品综合能耗分别是国际先进水平的121%、145%、220%;机动车油耗水平比欧洲高25%以上,是日本的120%。总体上,目前我国能源利用效率约为30%,比发达国家低了近10%[5]。

1.3.4 能源消费以煤为主,环境压力加大 1953—2005年,我国煤炭消费在总能源消费中的平均比重为78.3%;2001—2007年煤炭消费量平均比重为69.1%;2008年,煤炭在能源消费总量中所占比重为68.7%。我国一次能源消费结构如表1所示[6]。因此,我国面临着CO2排放量不断增加的压力,虽然碳排放量的历史积累、人均排放等都较少,但随着我国经济的快速发展,绝对碳排放量在逐年增多。

表1 我国一次能源消费结构Tab.1 Primary energy consumption structure of China

在未来数十年,中国要保持经济的持续增长,并加快城市化步伐,就必须确保自己拥有充足和安全的能源,还要努力减轻这种增长对环境造成的影响。

低碳经济是能源消费方式、经济发展方式和人类生活方式的一次全新变革。低碳经济产业链包括能源供应、能源存储和运输、能源消费3个方面,主要体现为可再生能源的技术进步、输送方式的革命、消费领域的节能化。其技术发展方向包括减排技术、节能技术、增效技术和低碳技术。

2 低碳经济下的煤炭能源装备业发展

2.1 我国燃煤发电概况

2007年我国煤炭总消费为2.7 Gt,其中发电用煤1.6 Gt;发电总装机容量为900 GW,其中煤电占77%,约700 GW。预计2020年我国煤炭总产量3.5 Gt,约2.1 Gt用于发电;发电总装机容量达1.34 TW,其中煤电约0.9 TW。

我国火力发电标准供电煤耗已由2005年的370 g下降到2008年的349 g;超超临界供电煤耗为297 g/kW·h,到2015年全国有50%机组将采用超超临界燃煤发电技术,每年可节煤80 Mt,CO2减排300 Mt;2020年700℃超超临界火力发电示范机组单机发电煤耗将降低至265 g/kW·h,可进一步节煤及降低污染物排放[7-8]。

2.2 煤炭能源装备技术的发展

2.2.1 超超临界燃煤发电技术 该技术是一种先进、高效的发电技术,比超临界机组的热效率高出约4%,与常规燃煤发电机组相比优势就更加明显。

我国“十一五”规划纲要提出[9],要以大型高效环保机组为重点优化发展火电,建设大型超超临界电站和大型空冷电站。“纲要”还将超超临界火电机组列为装备制造业振兴的重点之一。而《国家中长期科技发展规划》将能源列为优先发展的领域,并在“煤的清洁高效开发利用、液化及多联产”专题中明确提出了高参数超超临界机组等技术。

超超临界燃煤发电装备发展有5个关键领域:①汽轮机阀门汽缸转子铸锻件大型化及性能(大于3×104h)试验,奥氏体和镍基合金材料锅炉管的冶炼制造工艺、性能试验及应用技术研究;②锅炉水冷壁设计研究、过热器和再热器材料的设计和选择;③焊接转子-奥氏体及Ni合金;④二次再热循环-发挥压力的效益;⑤一次再热高超超压力汽缸,二次再热VHP及中压缸设计。

超超临界燃烧发电技术有如下优势[10]:①在效率上,超超临界发电技术和整体煤气化联合循环(IGCC)发电的效率均能超过43%;②在容量上,超超临界机组的单机容量可达到或超过1 GW,与其他洁净煤发电技术相比,可大大降低机组的单位造价,同时满足电力工业对大容量机组的要求;③在环保性能上,超超临界发电技术通过达到更高的发电效率、采用高效烟气脱硫、低NOx(包括烟气脱硝)和除尘技术降低污染物排放量,其环保性能优于外循环流化床(CFBC)及增压流化床燃气-蒸汽联合循环发电(PFBC-CC)的水平;④在可靠性方面,超超临界机组的可靠性水平最高,而IGCC与PFBC-CC的可靠性较低,CFBC居中;⑤在技术成熟度方面,超超临界发电技术最为成熟,已达到大规模商业化应用的程度,CFBC基本成熟,PFBC-CC还尚待成熟,IGCC已接近商业化水平;⑥在技术继承性上,与其他洁净煤发电技术相比,超超临界发电技术最具有技术继承性,在设备的设计和加工制造方面可很好地利用我国现有的资源和基础。

2.2.2 IGCC IGCC系统是将煤气化技术和高效的联合循环相结合的先进动力系统。它由煤的气化与净化、燃气-蒸汽联合循环发电2大部分组成。

IGCC具有如下优势[11]:①高效,发电净效率可达43%～45%,较亚临界机组高出5%～7%,与百万超超临界机组相当,若采用 H级燃气轮机,效率有望达到48%～52%;②清洁,是21世纪最洁净的煤电技术,燃料适应性广,可清洁利用高硫煤;③节水,为同容量常规燃煤机组的1/2～2/3;④市场适应能力较强,受燃料价格波动的影响较小;⑤技术的继承性强,天然气联合循环改造,多联产。但是IGCC也存在着成本偏高、市场竞争力不强、技术复杂、需要积累运行经验、运行维护成本高等不足。

2.2.3 电气燃气轮机机组 燃气轮机发电机组是继柴油发电机组后研发的发电设备,它采用燃气轮机作为原动力带动交流发电机工作。国外应用较为普遍,近年来由于技术研发,我国也有了很大应用。目前,我国燃气轮机产业实行集中领导、产业化运作,主要培育3大能力:市场订单获得与运作能力;关键部件的核心制造能力;自主化设计与二次开发能力。

3 低碳经济下核电能源装备业的发展

3.1 全球核电发展概况

1954年人类首次利用核能发电至今,全球核能装机与效率、技术与安全以及公众对核电的认识和态度,都发生着巨大的变化。2007年底,全球共有439个核电机组在31个国家或地区运行,核电总装机达375 GW,约占电力总装机的9.6%;全球核发电量从1965年的25.7 TW·h,上升到2007年的2.75 PW·h;按地区分,核发电量分别为欧洲44.3%、北美34.7%、亚太地区19.9%;按国家划分,美国、法国、日本3国占全球核发电量的57%。

当然,1979年美国三哩岛核电站事故及1986年前苏联切尔诺贝利核电站事故后,由于人们对核电事故、放射性废料及核扩散的担心,全球核电发展受到巨大影响[12]。

3.2 我国核电装备技术的发展

我国核电装备技术的发展主要有3种途径[13]。

3.2.1 统一技术路线,两步妥善衔接 ①在第3代核电技术项目批量建设前,持续推进成熟技术的核电机组,集中建设一批基于M310技术的第2代改进型核电机组;②第3代技术批量化建设将在2013—2014年间,即第一台AP1000满功率运行后。

3.2.2 均衡推进实施 表2为2009年底我国已建、在建及后续建设核电站统计。为在未来集中建设厂址,2008—2012年间,每年开工2个第2代项目4台机组;2013—2020年,每年开工建设3个项目4～6台机组;合计2020年运行和在建规模可达100 GW。

表2 2009年底我国已建、在建及后续建设核电站统计Tab.2 Statistics of nuclear power plants,including those in operation by the end of 2009,and those under construction and to be built

3.2.3 批量建设第2代加项目 这些项目基本分布于沿海地区,集中4个厂址,同一厂址采用同一堆型,内陆核电项目将全部选择第3代核电技术,且在2013年后开工;2020年前将限制控股企业,统筹协调发展,仅限于3家;2020年后根据核电行业发展状况适当调整控股企业数量。

核电能源的碳排放接近于零,是目前相对于火电替代性最好的清洁能源之一。2020年我国核电装机容量为75 GW。据预测,2010—2020年国内核电设备企业的市场总容量为29～3 500亿元。平均每年的市场规模为350亿元,其中核岛为160亿元,常规岛为110亿元。我国核电项目综合国产化率有望超过80%,但大型铸锻件、主泵、核级泵阀等依然需要进口。

4 低碳经济下的风电能源装备业的发展

4.1 风电能源发展概况

欧洲将风电的发展作为实现减排CO2等温室气体承诺的主要措施,开发风电的动力主要来自于改善环境的压力。丹麦、德国和西班牙等都制定了比较高的风电收购电价,使风电保持了稳定的高速增长,1996年以来年增长率超过30%,使风电成为发展最快的清洁电源。

2008年欧洲风能协会提出:2020年欧洲风力发电的目标是达到230 GW,其中海上风机为40 GW,占欧洲可再生能源发电的34%;2030年的目标为300 GW。据世界风能协会统计,2010年全世界风电装机170 GW。目前,在国际石油价格不断上涨的形势下,许多发展中国家,如古巴等将开发风电作为能源政策的重要部分。

近海风电技术逐步发展,海岸线附近更适合大规模开发风电。2006年世界近海风电总装机达到877 MW,其中丹麦400 MW、英国300 MW、荷兰127 MW、爱尔兰25 MW,2008年以来德国也进行了大规模开发。随着近海风电场的建设,需要单机容量更大的机组[14]。

2009年全球新增风力发电装机38 GW,比2008年净增11 GW;累计装机容量158 GW,同比增长了31%。预计到2010年,全球累计装机容量达200 GW,2020年,将达到600 GW;2010年我国累计装机容量将达40 GW,2020年达到150 GW。

2008年我国风电机组制造企业占全球的23%,2009年占到38%。据市场预测,2010年和2011年将新增风电整机装机容量13GW和14 GW。目前国内风电整机厂家70多家、叶片厂家50多家、塔架生产企业近100家。我国风电的发展将增速超缓,面临结构调整。

4.2 风电设备技术的发展

4.2.1 我国风电设备发展状况及趋势[15]①风电设备产能过剩,价格竞争激烈,企业利润率维持下降趋势;②对于关键零部件与直驱技术,其主轴轴承、控制系统仍是技术瓶颈,直驱技术发展潜能巨大;③由于海上风能储量巨大,未来海上风机发展势头迅猛;④2015年海外风电市场将达到40 GW的规模;⑤并网技术与电网规划滞后,有近1/3的风机闲置。

4.2.2 风电技术发展瓶颈 风力发电是一种波动性的、间隙性的电源,大规模风电机组并网运行后,会对局部电网的运行稳定性造成一定影响。自20世纪90年代以来,风电场合理布置、并网技术、风电功率预测、风电场控制和风电设备性能评估等问题一直是人们研究的热点。世界各国也已形成共识,即风能发电的电量比例不能超过总发电量的5%,在众多发展风能的国家中,只有丹麦风力发电总量超过20%。

4.2.3 风力发电成本 风电设备的制造呈规模化、系列化、标准化趋势发展,未来风电成本将呈下降趋势,且下降速度将快于其他可再生能源。欧洲风电成本已由1982年的13欧分/kW·h,下降为2007年的4欧分/kW·h,25年间下降了约2.25倍;预计2010年下降至3欧分/kW·h,2020年为2.34欧分/kW·h;我国风电上网电价平均为0.53元/kW·h,而火电平均为0.387元/kW·h,在过去的5年内,风力发电成本下降了约20%[16]。根据麦肯锡《丹麦节能减排技术在华应用前景分析》预测,至2020年,我国风力发电成本将有可能与煤电相抗衡。

5 展 望

5.1 智能电网是新一代电力系统

智能电网是新一代的电力系统,它综合运用现代信息技术、现代控制技术、现代管理技术对传统电力系统进行更新改造,全面提升电力系统的“清洁、安全、自愈、经济、优质、互动”水平,使之成为具有“资源节约型、环境友好型、服务创新型、运营智能化”特征的新一代电力系统。

智能电网的4大战略任务:①实现远距离大容量输电,降低线损;②提高供电可靠性,降低断电、系统崩溃风险;③大规模清洁、可再生、储能、分布式能源的接入与调控;④用户终端的更加灵活、便利、节能和环保。

未来智能电网投资的6大领域包括:①发电领域——风电、光伏并网以及储能项目;②输电领域——安全监控;③变电领域——智能化变电站;④配电领域——储能技术、电动汽车充电和配电自动化;⑤用电领域——智能电表和用电信息采集系统;⑥调度领域——一体化智能调度体系。

未来智能电网的发展空间包括:①电力输送领域;②电网控制自动化领域;③新能源接入及电力电子应用领域;④智能终端电器领域。

5.2 碳捕获与埋存技术

碳捕获与埋存技术(CCS)可应用于发电站、石油及天然气生产过程的脱碳工艺中。但在该技术被广泛应用前必须解决2个关键的问题,即必须达到合理的商业成本、获得公众的认可。

CCS主要由3个环节构成:①CO2的捕获,指将CO2从化石燃料燃烧产生的烟气中分离出来,并将其压缩至一定压力;②CO2的运输,指将分离并压缩后的CO2通过管道或运输工具运至存储地;③CO2的存储,指将运抵存储地的CO2注入到如地下盐水层、废弃油气田、煤矿等地质结构层、深海海底、海洋水柱或海床以下的地质结构中。

由于大量分散型的CO2排放源难以实现对碳的收集,故碳捕获的主要目标是如化石燃料电厂、钢铁厂、水泥厂、炼油厂和合成氨厂等CO2的集中排放源。其中,针对电厂排放的CO2的捕获分离系统主要有3类:燃烧后系统、富氧燃烧系统、燃烧前系统。

5.3 没有创新就没有未来

未来20年对中国经济和能源技术发展带来严峻挑战。产业结构调整和产业升级已经刻不容缓;我国电力项目建设的周期在4年左右,经济增长的典型周期在9年左右。二者中间存在着一个1～3年的滞后期。我国发电设备制造业的明天将如何?其中非常重要的一点就是:没有创新就没有未来。

本文根据上海电气(集团)总公司副总裁张素心的演讲报告整理而成,未经本人审阅。感谢上海电机学院商学院徐旭老师的整理。

[1]全球低碳经济发展进入重要分水岭[EB/OL].(2009-12-01).http://www.zgqxb.com.cn/xwbb/200912/t20091201_2570.htm.

[2]田书华.煤炭行业研究报告[EB/OL].(2010-05-14)[2010-05-25].http://wenku.baidu.com/view/0d4a8d1ffc4ffe473368ab24.html.

[3]1949—2009见证 ·中国能源 60年[EB/OL].(2009-09-29)[2010-05-25].http://www.365jn.cn/HTML/28/200909/4044.htm.

[4]中国科学院广州分院,广东省科学院办公室.陈勇在“岭南大讲坛”上纵论“公众如何应对低碳经济时代的来临”[EB/OL].(2009-12-30)[2010-05-25].http://www.gzb.cas.cn/lyxx/200912/t20091230_2720098.html.

[5]中国科学院课持续发展战略研究组.2006中国可持续发展战略报告[M].北京:科学出版社,2006.

[6]中国一次能源消费结构占能源消费总量的比重[N].第一财经日报,2008-04-09(B2).

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[9]中华人民共和国国民经济和社会发展第十一个五年规划纲要[EB/OL].(2006-03-16)[2010-05-25].http://www.gov.cn/ztzl/2006-03/16/content_228841.htm.

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[16]新能源的明天有多美?[EB/OL].(2008-08-25)[2010-05-25].http://www.wefweb.com/news/2008824/1006034155_2.shtml.

Opportunity and Challenge for Energy Equipment Industry in Low-carbon Economy

Z HA N G S uxin
(Shanghai Electric Group,Shanghai 200002,China)

F 407.2

A

2095-0020(2010)04-0187-06

2010-06-04

张素心(1964-),男,教授级高级工程师,专业方向为发电设备制造和能源战略研究,E-mail:Zhangsx@shanghai-electric.com