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发展低碳能源与创新低碳技术*

2011-11-07项新耀东北石油大学分校

石油石化节能 2011年1期
关键词:含碳量高碳大气

项新耀(东北石油大学分校)

发展低碳能源与创新低碳技术*

项新耀(东北石油大学分校)

高碳燃料大规模使用过程中产生的巨量CO2排放,导致大气中CO2浓度快速增加,全球气温升高,危及人类生存安全。发展低碳能源成为实施CO2减排的重大举措。在探讨低碳燃料的界定方法,构建CO2排放体系的基础上,提出了广义低碳能源概念。为加快实施低碳能源战略,拟确立发展低碳用能理论与创新低碳技术并举的原则,并对低碳技术的创新原则、项目分类以及能源转型初始期拟选创新项目做了全面阐述。

CO2排放 低碳能源 低碳用能理论 低碳技术创新

自2003年英国政府发表能源白皮书《我们能源的未来:创造低碳经济》[1]以来,“低碳经济”以及其他冠以“低碳”的词汇以罕见的高频数见诸于众多媒体,尤以“低碳能源”、“低碳能源技术”引人注目。什么是低碳能源,又何以界定?低碳技术与其有何关联,又如何创新?本文从高碳燃料消费,CO2排放引发气候危机,低碳能源概念与低碳技术创新等方面进行阐述和回答。

1 高碳燃料消费与CO2排放

1.1 高碳燃料与CO2排放

近百年来,化石燃料一直在整个能源消费中处于主导地位。表1给出近15 a全球能源消费结构状况。可以看出,近15 a来高碳化石燃料消耗量在能源消耗总量中占九成以上,且一直居高不下;燃料总耗量与化石燃料份额同步增长,导致巨量CO2排放(表2)。表2说明,近15 a来人均CO2排放量均呈递增趋势,同时全球人口也以1.5%的年增长率增加,导致CO2排放量以年均1.9%的速度快速增长。

表1 1990—2005年世界能源消费结构

表2 1990—2005年全球燃料消耗量与CO2排放量

1.2 大气CO2浓度增长态势

CO2是《京都议定书》确认的6种温室气体之一。尽管CO2的温室效应并非最强,但对全球升温的影响却最大,约为55%[3]。两次工业革命前后大气CO2浓度的增长情况见表3。

表3表明,大气中CO2浓度的增长具有明显的阶段特征:第一次工业革命中期之前,CO2浓度维持在2.80×10-4,为正常稳定阶段;第一次工业革命中期至第二次工业革命后期,年均增长率仅0.06%,为缓慢增长期;第二次工业革命后,进入快速增长期,年均增长率是其前100 a的4倍。近年来大气CO2浓度更有加速增长之势,见表4。

表4数据表明,近10 a来大气中的CO2浓度年均增长数是上个世纪年均的2.5倍,增长率高达2倍,呈现显著的加速增长趋势。

表3 1700—2000年大气CO2浓度(MCO2)

表4 2000—2009年大气中CO2浓度(MCO2)[5]

百年来CO2浓度的快速增长,特别是近10 a来的加速增长,导致全球气温显著升高,过去50 a中每10 a上升大约0.13℃,1998~2007年成为自有气象记录以来最热的10 a[6]。

2 低碳能源与CO2减排

2.1 “低碳燃料”界定方法探讨

何谓“低碳燃料”?目前尚无统一说法。鉴于碳燃料生成的CO2量取决于其含碳量的大小,故有“低碳能源是一种含碳分子量少或没有碳分子结构的能源”一说。界定含碳量的常规方法,是按单位质量或单位容积燃料所含的碳质量来区分。各种常用燃料的含碳质量及相应产生的CO2量见表5。

表5数据表明,按1 kg燃料含碳量计,柴油、汽油含碳量最高,原煤、甲醇含碳量最低,天然气处于中位。显然,天然气、原煤的序位为“错位”,其原因是忽略了燃料发热量这个重要因素。本文提出以单位发热量来计量燃料的含碳量,以消除以单位质量燃料计量含碳量的缺陷。以1 GJ发热量为单位的燃料含碳量Cgq及排序见表6。

表6 以1GJ发热量为单位的燃料含碳量及生成CO2量

据表6,单位发热量的含碳量原煤、柴油最高,天然气最低,这样的排序应该是比较科学合理的。鉴于各种燃料除原煤外Cgq为15~20 kg,拟取Cgq≥18 kg的定为高碳燃料,Cgq≤16 kg的定为低碳燃料。据此,只有天然气为低碳燃料,液化石油气也较接近,其余燃料均属高碳燃料,原煤可谓特高碳燃料。按表6数据,天然气要比原煤减排35%,比汽油减排23%,可见低碳燃料确有减排CO2的显著效果。

2.2 低碳能源概念与CO2减排体系

严格地说,以一次能源而论,低碳能源即是低碳燃料类能源,但是这种狭义的“低碳能源”概念,会给CO2减排带来负面影响。

从构建完整、科学的CO2减排体系考虑,有必要提出一个广义低碳能源概念。

应该看到,在相当长的一个时期里,积极推进低碳燃料替代高碳燃料,无疑是CO2减排体系之主

表5 常用碳基燃料含碳量及燃烧生成CO2量

体。然而从更为有效减排考虑,仅以能源自身的含碳量作为界定低碳能源的依据,难免造成减排体系的缺失,还可能引起某种误导。

电能当是“零碳”能源,但“火电”是以碳基燃料燃烧等能量转换形式来获得电能的。若取电的折标煤系数0.4 kg/(kW·h),即为取得1 kW·h电能,相应地需排放0.997 kg的CO2。

对非能量类的物质,同样也需考察其是否与碳能源发生关联。如耗能工质水,其当量能源值为0.085 7 kg/t[8],即为获得1 t工质水,需消耗相当于0.085 7 kg标煤的能量,相应地要排放0.214 kg CO2。

从全面减排考虑,应将与碳能源相关联的非碳类能源或能量及耗能工质,即所谓碳关联物一并纳入CO2减排体系。

此外还需注意,“低碳替代高碳”及“控用碳关联物”,二者均属被动式减排举措。能源转型意味着要发展核电,开发利用可再生能源,甚至探索宇宙天体能等“零碳能源”,这才是实施战略性主动式减排的根本途径。

为此,从最大限度地减排考虑,应确立被动与主动减排并举的原则,使“碳减排”、“碳关联”和“零碳能源”三者结合起来,以构建一个科学完整的CO2减排体系,暂称之为“三维减排体系”。

所谓广义低碳能源概念,就是以低碳燃料能源与“三维减排体系”做框架的概念性能源。提出低碳能源概念,不仅可以扩大减排技术领域,拓宽减排举措空间,还可以形成“疏而不漏”的减排网络,使减排更赋实效,更具前瞻性,更有生命力。

3 推进用能理论发展与创新低碳能源技术

3.1 能源转型对经典用能理论的挑战

近两个世纪里,高碳能源一直处于能源领域的“霸主”地位,热能与热动力利用始终是用能体系的重心。由此产生的用能理论,也是以热能的有效利用为主要目标,以热力学两大定律、传热学三个基本规律为基础的所谓“2+3”理论框架。诚然,以热利用为基础的用能理论,在推进人类科学合理用能、助力经济社会发展中确实发挥过巨大作用。然而低碳能源时代的到来,现行用能理论将面临新的挑战。

挑战之一,能源主体由“高碳”向“低碳”及“零碳”转移,能量主轴由单一“热变电”向多元化产电模式转变,必将对现有用能基础理论产生冲击和影响。首先,“2+3”理论框架与低碳能源及多元化能源结构体系渐显某些缺失,甚至重要缺失,亟须做一些理论框架的调整,以及主体内容的补充完善。其次,对现行用能学科的学科体系、相关学科的教学大纲及内容,也应作出必要的调整。

挑战之二,能源转型实践中会提出一系列新课题,诸如碳能源直接转变为电能的理论,生物质能转换为应用能的机理,非电类能量的储存和传输原理等,这些课题已非经典用能理论所能涵盖或轻易解决,而是要从新的科学视角、以新的理论思维,对能量形态的转换机理、能量传输的基本原理等基础性课题展开研究,尽快取得一批适应能源转型需要的新成果,为创新低碳能源技术提供坚实的理论基础。

3.2 实施能源转型的关键——创新低碳能源技术

3.2.1 低碳能源技术创新的内涵与要求

现行用能技术显著滞后于能源转型进程,这是因为几乎所有常规用能技术都是在以高碳能源为主体的历史条件下产生的。当然这些技术成熟可靠,也不乏先进配套,但离实施低碳能源所需的技术要求相差甚远。

低碳能源技术创新内涵之一,需对现行用能技术实施整体更新换代,而不是对常规用能技术做个别升级或修补改版,这是因为低碳与高碳在能源结构、设备配置、评价体系等方面均有显著差别的缘故;内涵之二,低碳能源技术创新涉及低碳能源生产、传输、应用等所有环节,创新成果应是低碳技术的系列成果,而非若干单体创新成果的简单加和。换言之,低碳能源技术应是一个由新的技术元素组成的高水准的能源技术体系。

3.2.2 低碳能源技术的创新原则与分类

低碳能源技术的创新是能源领域一项巨大的系统工程,技术涉及面广,耗资耗力巨大,欲确保创新项目筛选科学、定位准确,需综合考虑创新技术难度、减排效果预测、资金投入能力,相关创新成果的积累等因素,制定一个兼顾科学性、经济性、可行性的创新原则。建议将低碳能源技术创新项目分做4类:

第一类:创新空间大、减碳效果显著、成功概率高的项目,此类项目创新周期短、减排见效快。

第二类:创新难度较大、减排技术含量高、相关创新成果有一定积累的项目,此类项目能以适当的投入、适中的创新周期获取优秀的创新成果,较快地取得显著的减排实效。

第三类:创新难度大、资金人力投入多、创新周期长的关键性技术项目,项目一旦取得重大技术突破,即可获得巨大的减排实效,有助于开拓零碳能源新局面。

第四类:对减排技术升级换代有重大作用的基础研究项目,虽然创新难度极高,创新周期相当长,但所获成果将成为新一代用能技术的支撑和基础。

3.3 能源转型初始期拟选创新项目

未来近5~10 a是能源转型的初始期,其能源态势具有以下特点:

◇全球能源消费呈现向低碳转化趋势,但以碳能源为主体的结构并无实质性变化;

◇新能源和可再生能源产业有了很大发展,但在能源消费结构中仍处于辅助地位;

◇全球CO2人均排放量缓慢下降,但排放总量仍呈低速增长趋势。

鉴于以上特点,并考虑全球经济社会及科技发展进程、国家地区能源科技差异等因素,提出以下拟选低碳技术创新参考项目。

3.3.1 普及型快捷类提高能效创新项目

2006年耗能量高于4.4×105t当量油的国家或地区的能耗、能效统计见表7。可以看出,有54%的统计国单位产值能耗高于平均值,能效低于平均值10个百分点的耗能量占总耗量的1/3,可见,能效确有很大的提升空间。倘若将低于平均值的能效提高15个百分点,一年即可少消耗3.3×108t当量油,按碳能源份额90%计,约可减排7.4×108t CO2,减排效果巨大。此类项目的优势在于,企业规模不限,单项投资较少,减排见效快,理当列为低碳创新技术项目之首选。

3.3.2 以创新手段推进核电类发展项目

核电有三大优势:技术成熟、单机功率超大;不排放CO2、燃料运输量极小(仅为煤电的0.01%);燃料铀储量可供200 a以上。劣势是核废料处理依然麻烦,通常用的深埋法并非绝对安全。投资巨大是制约核电发展的主要瓶颈,故目前主要为发达国家采用,在总电量中仅占14%。低碳减排的呼声为核电提供了难得的发展机遇。

核电项目的技术创新点,一是研发核废料处理新技术,以求绝对安全;二是创新核燃料提炼新工艺,以降低成本。此外,还需创新发展模式,以突破投资制约瓶颈,例如由核技术强国为发展中国家提供资金和技术,受援国则以碳交易所得预以偿还等。可以期望,加快发展核电必将取得大幅削减碳燃料耗量和减排CO2的显著效果。

3.3.3 创新大气CO2捕获技术项目

人类在积极实施减排的同时,CO2仍在源源不断地排放,且在相当长的时期里,排放量总是高于减排量,致使大气中的CO2量越积越多,这就是CO2排放的累积效应。大气CO2浓度有两个警戒值:一个是气温升高引起海平面上升威胁许多海岸地区的值,4.5×10-4;另一个是科学家们按照“星球边界”概念提出的“人类活动排放的二氧化碳边界阈值”,3.5×10-4[9]。如今CO2浓度已达3.87×10-4,超过了安全界限。即使取4.5×10-4,按“近年来,大气中CO2浓度以每年3×10-6递增”的速率[10],30多年后也会触及安全界限。人类欲摆脱气候安全危机,就得捕获已排入大气中的CO2。某些企业对捕获烟气中CO2已取得成果,但由于大气中CO2的浓度比烟气低得多,又漫散于自由空间,迫切需要创新大气CO2捕获技术,与之相关的还有CO2封存以及利用技术。该类项目应是转型初始期内最富创新、最具应用价值的减排重大专项。

3.3.4 可再生能源直接转换电能技术创新项目

电能是集高品质、无污染又最便于使用于一体的优质能量。当“碳变电”渐将告别人类,而“核电”又迟早要枯竭,未来可能为产电之主源的唯有可再生能源,其中又首推光伏发电和风电,二者均为不排放CO2、无其他污染、取之不尽的理想能

表7 2006年41国单位产值能耗(Eg)

源。但在转型初始期,光伏电、风电在总电量中的份额都不足10%。究其原因,光伏发电主要受制于光电转换效率不高(一般小于15%),地面光伏单机功率受限,发电成本明显高于煤电、水电等因素。风电虽渐具市场竞争力,但因决定产电量的风力风向多变,影响电网的稳定性,成为并网一大障碍。

为此,在转型初始期的光伏发电、风电,应明确关键技术突破重于规模扩张的原则,以技术创新攻克关键技术为重点,推动系统配置全面升级,为光伏、风电的大规模发展创造条件。

4 结束语

当今,低碳经济、低碳社会的认知度明显高于低碳能源和低碳技术。其实前者皆由后者发展、延伸而来。由低碳能源与技术演变为低碳经济以致低碳社会,反映了经济社会与科学技术的互动机制及其发展规律。就二者关系来说,低碳能源无疑是构建低碳经济的核心组成,而低碳技术则是发展低碳能源的关键要素。

从发展的角度看,低碳能源颇有引发一场产业革命之势,低碳技术亦将借创新之力推动能源技术整体的转型升级。须知,凡此种种皆由地球气候危机与CO2减排引发。

附言:学术界对CO2排放是否为气温上升的主因颇有争议。本文只是基于CO2确系温室气体,气温逐年升高、CO2排放趋强、大气CO2浓度增大三者同步的事实而论。

[1]Our energy future-creating a low carbon economy.Energy White Paper.TSO,UK,2003.

[2]中国国家统计局:国际统计数据(1995—2009).http://www.stats.gov.cn/tjsj/qtsj/gjsj/.

[3][2010-08-05].http://www.baike.baidu.com/view/31 85.htm.

[4][2010-11-27].http://www.lvearth.com/dqhb/article/d09071401.asp.

[5][2010-11-06].NOAA CO2Publication Date(1958-2009).http://www.360doc.com/Content…shtml.

[6]WMO.2007年新闻公报.[2008-06-11].www.sznews.com/epaper/szwb/content/.

[7][2010-09-29].http://www.baike.baidu.com/view/2997656.htm.

[8]GB2589-2008.综合能耗计算通则[S].北京:中国标准出版社,2008.

[9]段红霞.国际低碳发展的趋势和中国气候政策的选择[J].国际问题研究,2010(1):62-68.

[10][2004-04-09].http://www.envir.gov.cn/info/2004/4/49056.htm.

Developing Low Carbon Energy and Innovating Low Carbon Technologies

Xiang Xinyao

CO2emission,Low carbon energy,Low carbon energy apply theory,Novel low carbon technology

10.3969/j.issn.2095-1493.2011.01.013

2010-12-10)

项新耀,1961年毕业于南京工学院(今东南大学)动力系,同年就教于东北石油学院,教授,主要从事能源理论及节能技术研究工作。

*本文中的“低碳技术”专指低碳能源技术,而非泛意的低碳技术。

The great emission of CO2from the huge scale of high carbon fuel process leads to the rapid increasing of CO2concentration in atmosphere and globe temperature high,which threatens human life safety.In the base of low carbon fuel classification method discussion and CO2emission system configration,low carbon energy concept is proposed.In order to implement low carbon energy strategy rapidly,the discipline of developing low carbon energy apply theory and creating low carbon technologies is expected to be established.Innovation discipline of low carbon technology,project catalogue,and Innovation project of original energy conversion period have been stated here.

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