从上海世博会看新能源科技及其产业化现状和趋势

陈 晖

(上海图书馆·上海科学技术情报研究所,上海 200031)

为了应对化石能源的枯竭和气候变暖,以风能、太阳能为代表的可再生能源成为当今各国重点发展的产业,2010年上海世博会在“城市让生活更美好”的主题下充分展现了世界各国在新能源科技及其产业化发展中做出的努力和成果,也一定程度上昭示了未来能源科技发展的新趋势。

1 上海世博会园区和展馆的新能源科技

1.1 太阳能光能利用技术得到充分展示

随着技术的进步,太阳能作为可再生的一次能源日益成为21世纪最主要的新能源之一。太阳能的利用主要包括光电(光伏)和光热两个途径,其中,光伏发电的应用规模越来越大,目前主要目标市场是住宅和商业大楼,以及所谓的太阳能光伏公园。

在上海世博会上,太阳能光伏发电和光热利用技术均得到较为充分的展示,包括中国馆、世博中心、主题馆在内的10多个场馆(表1),其建筑上均铺装了新型的太阳能组件,显示了太阳能光伏技术的进步和令人乐观的发展前景。

1.2 热泵供能技术应用凸显低碳环保理念

地热泵(GHP)技术充分地利用了地球内部温度相对恒定的特性,将它最为加热和冷却的一个来源;江水源热泵夏季通过水泵和输配管路将水体的热量传递给热泵机组,在冬季将热泵机组的热量释放到地表蓄水体中。地热泵供能和江水源热泵供能是利用低位再生能的重要技术措施,可以有效降低资源的耗散速度,也是合理利用高位能的典范,对于节能减排的意义重大。上海世博会的世博轴、世博文化中心、城市最佳实践区伦敦零碳案例馆和汉堡案例馆等均采用了江水源热泵供能技术或地热泵供能技术,展示了人类节能、低碳、环保的生活理念(表2)。

1.3 创新型能源转换技术带来新的观博体验

电力存储系统能够为消费者提供高质量、实用的电力,因此电力存储系统实际上也是清洁能源的一个重要组成部分;电力存储系统还可以改善电网的整体效率,从而减少对新建电厂的需求。另外,特别需要指出的是,电力存储技术的进步对于太阳能、风能等新能源的推广应用具有重大的促进作用,它能在一定程度上解决这些新能源的间歇性问题。上海世博会上的国家电网馆展示了“大容量城网储能钠硫电池”(表3)。钠硫储能电池具有容量大、体积小、能量储存和转换效率高、寿命长、不受地域限制等优点,非常适合电力储能,是目前最经济实用的城市电网储能方法之一。作为新型化学电源家族中的一个新成员,钠硫电池一出现就受到许多国家重视,尤其是作为固定场合下的电站储能应用,越来越显示出其优越性。这次展出的是百千瓦级的钠硫电池储能系统。

表1 上海世博园太阳能技术的展示

表2 上海世博园热泵供能技术的展示

此外,其他一些充分利用各种能源转换为电能的技术也在上海世博会上得到展示,如日本馆和城市最佳实践区的马尔默案例馆均展示了利用人力发电的技术;城市最佳实践区的大阪案例馆展示了人体热能的有效利用(表3)。这些场馆的能源转换技术给人们带来了新的体念,拓展了人们对能源有效利用的认知。

表3 上海世博园创新型能源转换技术的展示

1.4 其他新能源成为未来能源技术创新的重点

除了在世博会场馆中切实应用的上述新能源科技之外,很多场馆如葡萄牙馆、荷兰馆、巴西馆等,以及国内的部分省市馆都通过形式多样多媒体技术介绍各自在如风能、生物质能、清洁煤技术等在当前的应用状况以及未来发展的趋势,从这些场馆展示的内容可以发现,这些新能源技术将成为未来能源技术常新的重点领域。给人印象深刻的是葡萄牙馆,该馆在其“第三时刻”展区,以“葡萄牙,一个能源世界”为内容来展现该国在新能源方面所做的努力;此外,该馆通过“新能源启迪上海”的论坛介绍了葡萄牙在风电、太阳能等领域的发展现状和趋势,葡萄牙是世界上电力生产增长率最高的国家之一,目前已拥有近200个风电场和1800套建成风力发电机,到2009年装机容量已达3430 MW。

2 新能源科技发展的现状和趋势

尽管近年来世界各国加大了新能源技术开发的力度,新能源科技得到了长足进步,但是目前相对于常规能源而言,新能源仍然不具有成本优势,因此继续加大促进新能源技术进步的力度,提高新能源利用的效率、降低新能源应用的成本是今后新能源技术发展的重点。

2.1 风电领域技术发展趋势及成本优势

从世界风能产业的发展现状观察,并结合一些国家馆对各自国家风电技术进步的介绍,可以发现,随着风电技术的发展单机容量将不断增大,利用效率将不断提高,兆瓦级风机将是风机发展的主流;机组桨叶增长将具有更大的捕捉风能的能力;塔架高度上升,将进一步提高风能的捕捉效率;海上风力发电技术将成为重要的攻关项目。

随着风电技术的进步,风能应用将更具成本优势,由此促进全球风电市场快速增长,其中风电在欧洲是增长最快的电力技术。在过去20年里,风力的成本已经降低了80%,随着技术创新引起的更轻更大的涡轮机转片和更高效的发电机的出现,成本将会进一步降低[1]。

从地面到转片中心塔的高度在过去10年内持续增加,从1996年的平均39.62 m增加到2006年的83.82 m。更高的塔和更大的转片意味着更多的区域展现在风的面前,因此可以创造更多的电力,中心高度(转片中心到地面的高度)几乎等同于转片的直径,这意味着一个83.82 m的中心高度和转片直径加起来通常达到125.58 m的总高度,等于塔加上最高转片的高度。

风力涡轮机的平均发电容量也在增加,从1998年到2006年,主流涡轮机的平均容量已经增加了124%,从710 kW到1.6 MW。2006年己安装的17%的涡轮机超过2MW的容量(最大达到3MW的容量)。风力涡轮机的尺寸将持续增加,目前容量5 MW总高度超过了213.36m的型号已经开始设计。

2.2 高能源转换率是光伏技术发展的重点

近年来,围绕光电池材料、转换效率和稳定性等问题,光伏技术发展迅速,日新月异。晶体硅太阳能电池的研究重点是高效率单晶硅电池和低成本多晶硅电池;薄膜及柔性薄膜太阳能电池则主要致力于适合的新材料、新结构的研发,以提高薄膜电池的光电转化率和产业化水平。经过各国光伏工作者的不懈努力,到目前为止,晶体硅太阳电池的实验室效率达到了24.7%,大规模生产商用产品的效率为17%以上[2]。

薄膜太阳电池的材料体系包括非晶硅、铜铟镓硒(CIGS)、碲化镉(Cd Te)以及掺杂聚合物材料等,其中多晶薄膜太阳能电池CdTe和 CIGS的光伏转换效率高,实现规模化生产在成本方面也非常有竞争潜力,而非晶硅薄膜太阳电池是目前技术最成熟、商业化水平也最高的薄膜太阳能电池,非晶硅薄膜材料在理论和制备技术上都发展较为成熟,易于实现组件面积上的集成以及便于工业化大规模连续生产,特别是材料及其制造成本非常低。但是薄膜太阳能电池的缺点也比较明显,即产品光电转换效率较低,并且光伏组件的寿命不稳定难以确定;与此相比基于硅片的光电池却能在超过25年的时间里长期保持高水平的电力输出。

此外,聚光技术的研发也是光伏技术领域的重点之一。聚光技术通过采用廉价的聚光系统将太阳光会聚到面积很小的高性能光伏电池上,从而大幅度地降低系统的成本及昂贵的太阳电池材料用量。对于光伏发电,太阳电池芯片的价格决定了聚光系统中约50%～55%的成本,如果可以大幅度降低电池芯片的消耗,便可以大幅度降低系统发电成本。不过目前聚光光伏系统还存在一些关键的技术问题还没有得到完全解决,特别是聚光光伏系统需要高精度的太阳同步跟踪装置,没有平板光伏技术那么可靠,其维护费用相对也较高,另外聚光光伏系统的组件依然存在一些问题也还未完全得到解决。尽管如此,仍然有很多研究机构和公司在该领域孜孜以求地研究寻求突破。

2.3 纤维素制乙醇是生物质能研发的重点之一

近年来玉米、甘蔗等粮食的能源化在全球很多地方得以推广,但是采用粮食生产燃料导致全球粮食价格的涨价,这种与民争粮的举止引起了许多国家特别是贫困的不发达国家的非议,例如我国政府就明确表示不会发展以粮食为原料或者牺牲耕地为代价的生物质燃料,而将重点放在利用农业废弃物例如秸秆生产生物质高效燃料的研发上。

利用水解或者酶解方法分解农业废弃物的植物纤维提取燃料乙醇是目前最有发展前景的也是最合理的生物质能源利用方法,将成为生物燃料的研发重点,受到包括我国在内的世界各国的关注。美国能源部在1999年即提出,到2015年把燃料乙醇的成本降低36%,并拟定了以纤维素燃料乙醇为重点的研发方向。研究的重点包括研发转基因技术,使产纤维素酶酵母的活性比现有水平提高10倍以上;完善同步糖化发酵法(SSF)和并行糖化共发酵法(SSCF,即糖化和五碳糖、六碳糖共发酵)的技术;选育纤维素直接发酵菌菌种,用以开发直接发酵法(DMC)。日本则通过政府补助,发挥产学研的优势,积极促进纤维素制乙醇技术的发展,目前已经建立了较完善的纤维素燃料乙醇研发体系。巴西作为世界上最大的生物燃料生产国之一,也把目光瞄准了纤维素乙醇技术,巴西石油公司正在研究如何利用秸秆、稻壳和甘蔗渣等农业废弃物及林业废弃物提炼乙醇,这将使乙醇产量提高六成左右,该公司计划于2011年建设首座纤维素乙醇工厂,2015年使纤维素乙醇生产商业化。

2.4 清洁煤技术将促进煤炭的高附加值利用

煤炭是最重要的基础能源,从目前到可预见的未来,在相当长的时间内仍将是包括我国在内的很多国家的主要能源之一。但煤炭开发和利用过程产生的粉尘、煤烟、SO2和NO x等也对环境造成了非常严重的污染,因此,未来中国煤炭利用要采用高效低排技术和对环境污染的控制。从上海世博会一些场馆通过多媒体展示的情况看,煤炭洁净和高附加值利用以煤炭高效转化、清洁煤化工、低排放利用以及低阶煤的有效利用为目标,其主要科技问题包括碳氢比可调技术中的耐高温材料、高温气体净化技术;新型清洁煤的燃烧技术中的催化燃烧及反应控制问题;煤化工转化过程中产物定向转移控制问题;煤与可再生能源组合应用的过程设计与工艺集成技术;二氧化碳的捕集和储存。

2.5 电网的高效率和安全性将更为智能化

以发电、输电、配电和用电各环节的电力系统为对象,不断研发新型的电网控制技术、信息技术和管理技术,并将其有机结合,实现从发电到用电所有环节信息的智能交流,系统地优化电力生产、输送和使用,建设“安全、自动回复、经济、清洁”的智能电网系统,提供适应未来社会、经济发展需要的优质电力与服务,成为未来电网安全稳定技术发展的主要目标。智能电网的支撑技术包括了新型先进的电力电子器件、电力系统运行状况的实时检测和数据传输技术、为辅助实现上述目的的全数字实时仿真系统、超高压与特高压输电技术、灵活交流输电(flexib le AC transmission systems,FACTS)技术、大型电力设备的冷却技术和超导电力技术等。此外,可再生能源发电装机分散、发电不稳定等,为了稳定安全发电也需要发展与大电网并网耦合技术和基于先进储能的分布式电力和微型电网技术。

目前,前面所述的相关技术领域中的某些具体技术如超导电力、先进导线、储能技术等已经开始在电网中应用,但是还有更多的课题需要实现技术突破。

3 新能源科技产业化的现状及趋势

3.1 技术进步促进全球风力市场快速增长

技术进步带来的风电成本优势日渐促进全球风力市场进入快速稳步增长时期。2009年全球风能新增装机容量超过38 GW,到该年末全球风能总装机容量达到158.5 GW[3]。自2000年到2009年间,全球风能总装机容量的年均增长率达到27.8%,在各类新能源的发展中表现尤为突出。

经过多年的快速发展,风能已经成为世界能源市场中较为重要的部分,2009年仅投入应用的风力涡轮机的市场价值就达到635亿美元。风能的发展也为全球减排作出了贡献,据全球风能理事会(GWEC)的估计,158.5GW的风能装机量将可以每年提供电力341.1 TWh,每年减排CO2约1.97亿t。此外,风能产业还创造了很多新的就业岗位,目前有超过40万人在该领域实现就业,预计在不远的将来吸收的就业人数将以百万计。

3.2 光伏技术进步促进光伏产业化加速

在过去的5年间,随着光伏技术的日渐进步与成熟,太阳能光伏产业的平均年增长40%以上[4]。太阳能发电的成本也逐渐降低,相关太阳能研究机构发现,太阳能光伏发电的成本每年大约降低5%,在10%的发达国家中,太阳能光伏发电已经具备和零售电价竞争的能力,到2020年(或稍晚些)将在50%的发达国家中具备竞争力[1]。

在光伏产业化进程加快的过程中,单个光伏电站的装机规模迅速增加,2008年有超过1000家大型光伏电站建成并联网,其中欧洲有超过800家新近联网发电。在2008年新增的光伏机组中,10 MW级以上的机组总装机容量约为1GW;3 MW以上的机组装机总规模占全球年度新增装机容量的50%以上。总体来说,兆瓦级的机组占2008年总装机容量的75%以上[5]。

从大规模光伏电站建设的地域分布看,欧美在全球太阳能光伏产业中仍然处于主导地位。到2008年底,欧洲有超过1500家大型光伏电站处于营运中,美国有400家。2008年光伏电站及其装机容量增加最多的是西班牙、德国、韩国和美国(主要在加利福尼亚州)。其中西班牙有大约600家光伏电站并网,总装机容量接近2.4 GW,2009年4月,由Abengoa能源公司建造的全球最大的太阳能电站在西班牙的安达卢西亚(Andalucian)沙漠中投入运行,这座塔式太阳能电站的功率达20 MW,可保障超过11000户家庭的日常用电。到2008年底,德国和美国也都有超过120家光伏电站联网。韩国的光伏电站则以其规模在亚洲处于领先地位,2008年有数家兆瓦级的光伏电站投入营运。

晶体硅光伏电池性能稳定、光电转换效率高、使用寿命长,因此成为光伏发电技术的主流,在现已装机的太阳能发电系统中有接近90%采用了基于晶体硅光伏电池。

3.3 生物质能产业化发展依然受到重视

尽管存在粮食和能源发展之间的矛盾,欧美、巴西等国家和地区依然高度重视生物质能产业化发展,近年来全球生物质能保持快速增长。根据Clean Edge的数据[3],2009年全球生物燃料(主要指燃料乙醇和生物柴油)的产值达到449亿美元,较之于2008年的产值348亿美元增加29%。

近年来,美国和巴西在燃料乙醇方面的产能扩张尤为明显。其中美国2008年乙醇燃料的生产能力增加了123亿L,年产能为480.47亿L。比2007年增加34%;增加的燃料乙醇加工厂为31家,总数达到170家,2008年美国燃料乙醇产量达到409亿L,年增长率为38.5%。美国可再生燃料协会(RFA)认为,美国燃料乙醇近年来的快速增长主要得益于乙醇的新型生产技术以及纤维素转化技术的商业化应用。

巴西是目前世界上第二大燃料乙醇生产国。与美国采用玉米生产燃料乙醇不同,巴西主要利用甘蔗发酵生产燃料乙醇。2008年,巴西的甘蔗种植面积增加,种植品种更趋多样化,再加之良好的气候条件和增加了对燃料乙醇技术方面的投资,当年的乙醇产量接近264.5亿L,比2007年增长近40%。巴西政府除了倡导本国的消费以减轻对石油的依赖之外,还鼓励燃料乙醇的国际贸易。目前,巴西的双燃料汽车已经达到500万辆,此外巴西政府强制在汽油中添加乙醇燃料的比例从2007年7月起提高到25%,促进乙醇燃料的使用。在对外贸易方面,巴西燃料乙醇年产量的18%出口到美国、委内瑞拉、印度、韩国、瑞典和日本等国。

欧洲在生物柴油生产和应用领域保持领先,其生产原料主要是菜籽油。欧盟提出,到2020年生物柴油的使用量将占所有交通燃料的10%。为此,欧洲议会免除生物柴油90%的税收,欧洲国家对替代燃料的立法支持,并采用差别税收以及油菜自生产的补贴促进生物柴油产业发展。2008年欧盟27国生物柴油产量为775.5万t,年增长率为35.7%。德国、法国、意大利、比利时和波兰是欧洲的生物柴油生产大国,2008年这五个国家的生物柴油产量占欧盟 27国总产量的75%。

3.4 智能电网技术的应用呈现加速态势

美欧日等国家和地区对智能电网技术的应用非常积极,如美国电网的G rid2030计划提出:国家电网将由国家电力主干网、区域互联网和地方配电系统(含小型和微型电网)组成。其中国家电力主干网在全国范围内平衡供需,它将采用多项新技术,如超导电力、高压直流输电、先进导线以及支持实时运行和电力交易的信息、通信和控制技术;区域互联网分配主干网的电力,在区域电网内包含发电设备(集中电站或分布式发电),并广泛采用先进储能来平衡发电与负荷的供需不平衡,通过采集发电设备和负荷的实时信息来进行计划和运行;地方配电系统(含小型和微型电网)与区域电网相连,通过区域电网与国家主干电网相连,配电设备的潮流可根据供需双向流动,通过实时检测与信息交换实现瞬时电力市场交易。

世界上第一个“全国性”的智能电网系统项目已经于2009年2月在地中海岛国马耳他启动,马耳他和IBM达成协议,双方同意建立一个“智能公用系统”,实现该国电网和供水系统数字化。IBM及其合作伙伴将把马耳他2万个普通电表替换成互动式电表,马耳他的电厂Enem alta就能实时监控用电,并制定不同的电价来奖励节约用电的用户。该系统还包括在电网中建立一个传感器网络,与输电线、各发电站以及其他的基础设施一起提供相关数据,让电厂能更有效地进行电力分配并检测到潜在问题。IBM将会提供搜集分析数据的软件,帮助Enem alta发现机会,降低成本以及该国碳密集型发电厂的排放量。IBM马耳他项目投资约7000万欧元,预计在2012年竣工。

4 结语

2010年上海世博会为世界各国展示其文化、科技和产业发展提供一个良好的平台。在这次历时半年的展会上,当今各类新能源如太阳能、风能、生物质能、江水源热泵、大型储能电池以及智能电网等技术得到了充分的展示。从世博新能源科技的应用可以发现,太阳能、风能、生物质能以及智能电网技术已经日益完善和成熟,逐步进入产业化发展的轨道。总之,上海世博会上新能源的应用增强了人们对于摆脱化石能源依赖、改善地球环境的信息,昭示了21世纪能源技术研发与应用美好未来和努力方向。

[1] 理查德·W.阿斯普朗德.清洁能源投资[M].上海:上海财经大学出版社,2009.

[2] 滨川圭弘.太阳能光伏电池及其应用[M].北京:科学出版社,2008.

[3] G lobalW ind Energy Council(GW EC).G lobalWind 2009 Report.[EB/OL].(h ttp://www.gwec.net/)(2010).

[4] Pernick,Ron;C lint w ilder;et al.C lean Energy T rend s 2010.[EB/O L].(http://www.cleanedge.com/reports/ pdf/Trends2010.pdf)(2010.3).

[5] G lobalW ind Energy Council(GW EC).G lobalWind 2008 Report.[EB/OL].(h ttp://www.gw ec.net/)(2009).

[6] 陈晖.世界新能源产业发展动态[A],载“世界制造业重点行业发展动态(2009年版)”(第三章)[C],上海:上海科学技术文献出版社,2010,p.149-224.