可再生能源科技发展方向及对我国能源格局影响

2017-09-03彭北桦

安徽理工大学学报·自然科学版 2017年5期

彭北桦

摘要：CO2排放量与化石能源消费高度相关，我国以煤为主的能源结构导致生态环境和应对气候变化面临巨大挑战。推动能源生产和消费革命是“十三五”以及今后较长时期我国能源发展的中心任务，随着可再生能源科学技术研发与产业化进程不断加快，将极大改变我国现有能源格局。虽然我国在可再生能源科技和产業发展方面取得了显著成绩，但创新性、基础性研究薄弱问题仍然突出。低成本、稳定性是可再生能源技术发展的总体方向，随着高效环保太阳能发电技术、先进风力发电技术等可再生能源技术进步，可再生能源的竞争力将持续提升，未来在整体能源体系中的作用将大幅增强，推动形成清洁低碳的能源格局。

关键词：可再生能源；科技发展方向；我国能源格局

中图分类号： TK01 文献标志码：A

文章编号：1672-1098（2017）05-0082-05

Abstract：CO2 emission is highly correlated to the consumption of fossil fuels， and Chinas coal-dominated energy structure has caused great challenges to ecological environment and climate change. Therefore， promoting energy production and consumption revolution is the central task of the energy development in China during the period of “the 13th Five-year Plan” and for the long time thereafter， which will greatly change the existing energy structure in our country with the research & development and the accelerating industrialization of renewable energy science and technology. Although China has made remarkable achievements in the related areas， the limitations in innovation and basic research are still serious. Low cost and stability are the overall direction of renewable energy technology development. The renewable energy technology progresses， such as solar power technology with high efficiency and environmental protection and advanced wind power generation technology， would continue to improve the competitiveness of the renewable energy. And in the whole future energy system， the renewable energy technology will play a much greater role and will greatly promote to form the clean and low-carbon energy structure.

Key words：renewable energy； the direction of science and technology development； Chinas energy structure

生态环境和气候变化问题深刻影响着人类经济社会的可持续发展，是国际社会共同面临的重大挑战。我国CO2排放量与化石能源消费高度相关（见表1），2015年我国能源消费总量为45亿吨标准煤，是世界最大的能源消费国。由于煤炭占我国能源消费总量的64%，我国当年103亿吨的CO2排放量占全球总排放量的29%[1]。当前不合理的能源利用方式和能源消费结构将会使环境问题更加突出，严重影响我国的经济可持续发展[2-4]。据《BP能源展望2030》预测，未来煤炭所占比重下降，天然气比重略有增加，可再生能源开始大规模进入市场，到2050年，世界将形成以清洁能源为主的世界能源格局。因此，开展可再生能源科技发展方向及其对我国能源格局影响研究，对于加快推进以能源结构转型与低碳高效发展的能源供给侧改革具有重要意义。

1 我国能源科技总体概况

近年来，我国能源科技发展迅速，通过自主创新以及大规模技术引进和消化吸收、再创新等方式，在不同能源领域能源科技水平均得以大幅度提升，部分已经达到国际先进水平，技术创新能力持续增强。煤炭清洁高效转化与利用技术取得重要突破，燃煤发电效率持续提升，煤化工方面已拥有煤制油、甲醇制烯烃等自主知识产权的关键技术，以燃机排放标准作为参考的超低排放技术成为燃煤发电污染物控制和治理的方向[5-7]；油气科技在油气油藏勘探理论技术、老油田精细注水与化学驱提高采收率技术等方面走在世界前列，深水油气、致密气、页岩气、致密油的勘探开发技术取得重大进展[8-9]；核能科技掌握了第三代核电技术的大部分核心关键技术，开发了具有自主知识产权的大型先进压水堆机型[10]；风电科技在大型风机叶片设计和制造方面已经跻身世界领先[11]；在特高压/柔性输电、大电网稳定控制与优化调度、可再生能源发电等技术领域取得丰硕成果，电动汽车、分布式电源/储能、节能等新兴技术领域取得了较大突破[12-14]。但与此同时，我国能源科技发展仍面临诸多问题，先进煤炭利用技术亟需进一步研发、示范推广，非常规油气开发、智能电网发展仍存在关键技术制约，可再生能源方面自主创新的核心技术不足，特别是光伏电池、太阳能光热发电、地热能发电等核心技术装备仍然在很大程度上要依赖国外进口，仍需围绕能源勘探开发、加工转换、利用工艺、设备、制造等领域，有序推进能源技术创新与体制机制创新[15]。

2 可再生能源科技发展现状与趋势

低成本、稳定性是可再生能源技术发展的总体方向。随着可再生能源技术的不断进步，可再生能源的竞争力不断加强，未来在整体能源体系中的作用将逐步展现。

2.1 世界可再生能源科技发展趋势

美国发布的《清洁电力计划》最终方案提出，到2030年清洁能源的比例将提高到28%；日本制定的《能源基本计划》提出，到2030年可再生能源将满足日本大约24%的能源需求；德国的新能源计划提出，到2020年可再生能源发电量应占德国电力消耗总量的35%，到2030年这一比例应达到50%，到2050年则应提高到80%；澳大利亚通过可再生能源目标（RET）法案，提出到2020年实现20%的电力来自可再生能源；欧盟提出，2020年总的能源消费中，可再生能源占20%。到2020年生物质燃料将代替20% 的化石燃料。

全球可再生能源技术研发和装备制造水平取得重大進步，技术研发向大型化、高效低成本方向发展。太阳能光伏晶体硅太阳电池由于其效率不断提升、成本不断下降，预计在未来十年内量产光电转换效率也从目前的18%上升到22%，其成本更是下降超过80%；太阳能热发电技术正向大容量、高参数、长周期储热方向发展，预计到2030年，太阳能热发电成本将降至6美分/kWh；未来世界生物质能源科技将在生物质液体燃料和生物质发电、以及能源植物选育等方面实现突破性进展。风电机组单机容量向大型化发展，海上风电场向大型化发展、向深海发展，正在研发漂浮式海上风电机组基础，以适应深海风电场建设需求；地热发电的增强型地热系统有望取得突破，包括干热岩及其它非常规地热资源在内的总发电量将增强；海洋能向建造大型潮差电站、潮流和波浪发电站装置群、新型发电技术研发以及综合利用方向发展；水电主要集中亚洲、非洲和南美洲等地区，我国将是世界焦点，规模化的水电调节作用愈加突显，水电与其他能源互联将是未来研究重点。氢能将研发高效可再生能源制氢、安全便利的储氢技术，开发燃料电池电动汽车等用氢技术。

2.2 我国可再生能源科技发展趋势

我国在可再生能源科技发展方面取得了显著成绩，但与国际先进水平相比仍然明显落后。技术研发和创新能力主要面临的问题在于创新性、基础性研究薄弱，基本处于跟踪模仿状态。针对上述国际上可再生能源科技发展总体态势，未来我国急需在以下几个方面缩小与国外先进水平的差距，同时争取创新性突破：

1）积极开发新型、高效的太阳电池技术、光伏环保型功能材料技术、耦合收集、储能、发电于一体的光伏材料系统关键技术，推动全产业链科技创新，从而进一步降低成本以提高我国光伏产业的核心竞争力；太阳能热发电的光聚光器现阶段还未有完整的设计理论，需主要围绕提高发电效率、提高发电连续性研究系统集成技术、降低太阳场成本、建设产业发展支撑体系、推进我国太阳能热发电技术向高参数、高效率、基本电力负荷方向发展。积极开发新型透光、光控、保温、储热等建筑材料，强化与建筑功能、材料、结构、美学设计相互结合，以推进太阳能建筑技术的工业化发展；

2）生物质能源科技在高品位生物质能源化工技术、先进发电技术、先进生物气制备工艺与装备、成型燃料规模化生产及热转化工艺和装备、规模化能源植物选育与转化等方面应尽快缩与小世界先进水平的差距；

3）风电部分技术已达到国际先进水平，但在未来应该在风电叶片技术、大型发电机组、低风速风电机组、与风能资源匹配的风电场技术以及高空型风力发电等领域取得更大的突破；

4）增强型地热示范已在欧美形成了30多年的现场试验，我国虽已开展理论和模拟研究，与国外先进水平还有较大差距，应尽快开展相关工程科技研发；

5）我国的一些海洋能发电技术在国际上达到先进水平，急需研建海洋能发电与海水淡化一体化示范工程，开展实海况试验，为我国南海的开发建设发挥重要作用；

6）水电针对“西电东送”大规模远距离水电输送，急需开展大电网平台下特高压直流水电大规模消纳和调峰基础性问题；

7）可再生能源制氢主要攻克可再生能源大规模电解水制氢技术，尤其是固体氧化物电解池（SOEC）高温电解水制氢技术，即可解决可再生能源的大规模利用，又可实现氢的无碳化利用问题。

3 可再生能源科技发展方向

3.1 高效环保太阳能发电技术

太阳能发电技术主要是光伏发电和光热发电。光伏产业未来仍将向高效低成本发展，如寻找与太阳光谱匹配的新型光电转换材料，以提升光子转换成电子的效率和能量利用率；研究工艺过程中的新型环保材料，以解决现有生产工艺过程中的污染问题。

1）高效率（>25%）晶体硅太阳电池技术和新型高效（>20%）薄膜太阳电池技术。目前，规模化生产的晶体硅太阳能电池效率大部分在20%以下，预计到5年后的规模化生产晶体硅太阳电池转化效率在22%以上。因此我国应加快对高效（>25%）晶硅太阳电池的结构设计及工艺技术的基础研究和产业化关键技术研发，并加快对高效晶硅太阳电池检测技术研究，为今后工业化大生产作技术准备；薄膜太阳电池正朝着基于化合物半导体材料和有机金属卤化物钙钛矿材料的两个方向发展，我国应加速化合物薄膜太阳电池和钙钛矿太阳电池的基础研究和产业化关键技术研发，同时加快将具有特殊物理效应的新型材料应用到薄膜太阳电池上，获得高效（>20%）低成本的薄膜太阳电池并实现产业化。

2）带有大容量储热的太阳能热发电系统集成技术。储热容量达到15小时的太阳能热发电站，系统的日发电时数可达24小时，加快太阳能储热技术的研究，实现相变储热材料，高化学和物理稳定性的储热技术。储热系统与太阳能集热器的互补发电方法。

3）高效率聚光器及聚光场设计、气体为传热流体的太阳能热发电和大容量储热的太阳能热发电等技术。提出新一代高效聚光器的设计方法，突破约束聚光过程效率提高的瓶颈，将目前的聚光场年效率从63%提高到约72%。从而提高太阳能热发电系统效率降低发电成本；采用超临界二氧化碳和压缩气体为吸热器传热流体的第三代太阳能热发电技术，进一步提高发电效率、降低电价；加快发展大容量储热材料和传热储热发电关键技术研发，为今后大容量储热的光热发电技术的推广应用作技术准备。

4）高效可靠智能化新能源建筑一体化技术。依靠建筑外立面、屋面和窗体的太阳能设备收集太阳能，并转换为电、热和冷，供建筑本体使用，建筑的墙体和地面可储存热能供夜间使用，低谷时段电力制冰蓄冰则可解决夏季制冷问题，生产的能源可通过智能控制手段有序在建筑内部分配和向电网供应。技术包括，高可靠性性太阳能光伏屋面、窗体、墙面，太阳能直流空调，太阳能直流制冰机，轻质大热容墙体材料，建筑能量生产消纳综合控制系统以及太阳能建筑采暖技术（跨季节储热技术、被动太阳能建筑技术）等。

3.2 先进风力发电技术

降低全生命周期的度电成本是规模化风力发电技术进步的主要方向。未来5～10年主要发展大型、高可靠性、高效和适应我国风能特点的风力发电技术，重点开展大型风电机组关键技术、低风速风力发电技术、高效风电场设计与运维技术和高空型风力发电技术。

1）风电机组大型化关键技术。开发10MW级大型增速永磁同步风电机组关键技术，重点研究整机设计技术、中高速传动技术、中高速同步发电机、全功率变流技术、控制技术等；开展10MW级直驱永磁风电机组关键技术包括：整机设计、超大型叶片的气动及结构设计、双气隙模块化的永磁电机、中压全功率变流器、整机载荷控制、环境适应性等技术，为大型陆地风电场和海上风电场建设做好技术储备；开发10MW级双馈增速型风电机组关键技术，包括：整机设计技术、高速传动技术、高速发电机、变流技术、控制技术等。

2）低风速风电机组关键技术。近年低风速地区风电开发加速，我国应启动3MW级以上低速型风电机组关键技术的开发。包括：大直径风轮（单位千瓦扫掠面积大于4.5平方米）、独立变桨控制、风速风向提前预测、超高塔架（高于100米）、特殊运输方法（分段叶片、空间结构塔架等）。

3）高效风电场设计与运维技术。该技术作为实现风电项目全生命周期效益的必要支撑技术，其关键技术为：精细化风能资源评估技术、高效风电场流场模拟技术、智能化风电场优化运行技术、海上风电场设计、建设、运行和维护技术、发电机组状态诊断与健康管理技术、高精度风电场功率预测及不确定性分析技术、基于互联网和大数据技术的智能风电场技术等。

4）高空型风力发电技术。美国已经研究高空发电多年，并已开发出多种类型的高空型风力发电装置进行试验，我国在此领域的研究还是空白。我国应当启动开发高空型风力发电机组相关技术，针对高空飞行、电力传输、控制系统、运行维护等方面探索性研究开发。

4 可再生能源科技创新对能源格局影响

推动能源生产和消费革命是“十三五”以及今后较长时期我国能源发展的中心任务，科技是引发和支撑能源革命的关键。传统化石能源近期在整个能源应用中的作用还无法完全替代，还需要继续通过发展传统化石能源清洁高效开发利用技术，切实降低煤炭、石油等化石能源消耗总量及其在能源结构中的比重，实现“高碳能源减量革命”。随着可再生能源技术的快速发展与规模化应用，需要加大替代能源在总体能源体系中的贡献，提高其在能源结构中的比重，推进“清洁能源增量革命”。未来5～10年以及更长时间，重大能源科技创新将不断催生能源生产和利用方式的深刻变革，进而对我国现有能源格局造成显著影响。

1）能源供给结构将显著优化。伴随可再生能源开发技术的不断突破和大规模应用，能源供应体系将进一步完善，现代能源体系初步建立，国家能源安全保障得到加强。同时，我国煤炭开采量在未来5～10年将达到峰值，常规石油产量能基本保持稳定，非常规油气开发、煤化工替代油品和生物燃料将成为发展亮点，形成一定替代规模，影响我国油气供给格局。

2）能源布局更加合理，产业竞争力持续增强。未来5～10年，我国可再生能源的竞争力将显著增强。风电成本会进一步降低到与常规能源发电相持平的水平，将建成完善的风电产业链，掌握先进风电机组整体设计能力，形成海上风电设备制造、工程施工能力；太阳能光伏发电供电成本会逐步降低到与常规能源发电技术相当的水平。届时我国能源布局将发生深刻变化，能源市场化改革取得突破，能源新技术及关联产业有望发展为新的经济增长点，产业国际竞争力将显著增强。

3）清潔低碳能源格局逐步形成。随着可再生能源在我国能源生产和消费结构中所占比例将逐步上升，将发挥更大的双重节能减排作用。一方面，可再生能源的利用节省化石能源，减少化石能源利用过程中的污染排放；另一方面，可再生能源利用本身具有清洁环保性，对环境影响小，加上可再生能源利用技术的突破性进步，其全生命周期温室气体排放和污染物排放将更低，相比化石能源发挥更加明显的环境保护作用。能源产业将逐步实现能源清洁化、低碳化发展，为支撑实现2030年碳排放达峰目标提供有力支撑。

5 结论和建议

伴随我国经济进入“新常态”，传统能源产业的转型升级将提速，能源新技术研发与产业化进程将不断加快，页岩油气、太阳能光伏发电、风力发电、生物质能源、智能电网、大规模储能等关键核心技术的连续突破，将发展出新的朝阳产业集群和新的经济增长点。国内外能源发展形势，为控制能源消费总量，优化能源结构，保障能源安全，实现传统化石能源清洁高效利用以及非常规油气、核能和可再生能源规模化发展，推进能源科技创新和能源技术革命进程，提供了难得的历史机遇。

建议精准布局能源科技发展方向，坚持化石能源清洁高效利用与非化石能源规模化的并行发展。以若干重大能源科技创新工程为牵引，推动能源产业转型升级和能源新技术的研发与产业化，同时加快实施可再生能源集成创新重大科技示范工程。