從吳仲華院士報(bào)告看我國(guó)能源行業(yè)40年滄海巨變

40年前，我國(guó)著名的能源技術(shù)科學(xué)家吳仲華曾經(jīng)在中央書(shū)記處舉辦的科學(xué)技術(shù)知識(shí)講座中作了一篇《中國(guó)的能源問(wèn)題及其依靠科學(xué)技術(shù)解決的途徑》報(bào)告，對(duì)當(dāng)時(shí)的能源情況、能源品質(zhì)做了詳細(xì)的分析和評(píng)價(jià)。

時(shí)隔四十年，回顧這份報(bào)告，我們既能發(fā)現(xiàn)四十年來(lái)我國(guó)能源行業(yè)所發(fā)生的巨大變化，也能認(rèn)識(shí)到即使時(shí)過(guò)多年，報(bào)告中關(guān)于節(jié)能和提效的理念在今天同樣適用?；仡櫮茉窗l(fā)展的歷史，我們不免感嘆，能源的技術(shù)迭代日新月異，而能源發(fā)展的理念卻始終如一。

01 四十年新能源發(fā)展的巨大變化

報(bào)告發(fā)布時(shí)：

報(bào)告從能流密度、開(kāi)發(fā)價(jià)格、設(shè)備價(jià)格、儲(chǔ)存、運(yùn)輸以及污染等方面對(duì)天然氣、石油、煤炭、有機(jī)物、水力和風(fēng)力、太陽(yáng)能、海洋能、地?zé)崮?/strong>、核能等能源進(jìn)行了分析評(píng)價(jià)。

從能源品質(zhì)評(píng)價(jià)來(lái)看，人們對(duì)傳統(tǒng)化石能源的評(píng)價(jià)與現(xiàn)在并沒(méi)有太大區(qū)別，而對(duì)新能源的觀念無(wú)疑是轉(zhuǎn)變最大的部分。報(bào)告中認(rèn)為，天然氣、石油、煤炭、水力、核能等常規(guī)能源在能流密度方面有巨大優(yōu)勢(shì)，其中，天然氣、石油、煤炭與核能在儲(chǔ)運(yùn)方面也有較好的經(jīng)濟(jì)性，但也存在巨大的污染問(wèn)題。

報(bào)告中提到，太陽(yáng)能和風(fēng)能的能流密度只有幾百瓦每平方米，因此能量密度極低，同時(shí)二者設(shè)備價(jià)格高昂，在當(dāng)時(shí)每千瓦平均投資達(dá)到萬(wàn)元以上。與此同時(shí)，風(fēng)能和太陽(yáng)能的儲(chǔ)存和運(yùn)輸在當(dāng)時(shí)是一片空白，基本不存在儲(chǔ)運(yùn)的可能性。

當(dāng)前現(xiàn)狀：

而在今天，人們收集風(fēng)電和光伏能量的效率已經(jīng)大幅提升，目前光伏市場(chǎng)主流的P型單晶電池所采用的PERC技術(shù)目前平均轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)能達(dá)到23%左右，未來(lái)具有巨大發(fā)展前景的HJT（異質(zhì)結(jié)）技術(shù)理論上能達(dá)到25%左右。

而且以風(fēng)電和光伏為主的新能源已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了平價(jià)上網(wǎng)，根據(jù)中國(guó)光伏協(xié)會(huì)（CPIA）發(fā)布的《中國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展線路圖（2020版）》，2020年全投資模型下的地面光伏電站在1800h、1500h、1200h、1000h的LCOE（平準(zhǔn)發(fā)電成本）分別為0.2、0.24、0.29、0.35元/kWh（分布式光伏電站為0.17、0.2、0.26、0.31元/kWh）。2021年后在大部分地區(qū)實(shí)現(xiàn)與煤電基準(zhǔn)同價(jià)，未來(lái)風(fēng)電和光伏發(fā)電成本還有進(jìn)一步下降的空間。

從裝機(jī)來(lái)看，截至2020年底，我國(guó)風(fēng)電、光伏裝機(jī)分別達(dá)到了2.81億千瓦和2.53億千瓦，雙雙位居世界第一。在我國(guó)提出碳達(dá)峰和碳中和目標(biāo)之后，風(fēng)電和光伏將會(huì)成為十四五乃至未來(lái)四十年的能源增長(zhǎng)的主體。

02 燃機(jī)效率的巨大提升

報(bào)告發(fā)布時(shí)：

報(bào)告中提到，燃料價(jià)格日益高漲，除了經(jīng)濟(jì)性的考慮之外，我國(guó)還要考慮以兩倍的能源增長(zhǎng)來(lái)支撐四倍的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)。在這種要求下必須科學(xué)的利用能源，不斷提高能效。

以燃煤和燃?xì)鉃橹鞯幕痣娛沁^(guò)去幾十年我國(guó)能源的主體，而且燃煤機(jī)組和燃?xì)鈾C(jī)組技術(shù)也取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。

燃煤機(jī)組方面，報(bào)告中顯示當(dāng)時(shí)我國(guó)以蒸汽輪機(jī)發(fā)電的火電站平均效率大約是29％。一般高參數(shù)大功率蒸汽輪機(jī)電站的發(fā)電效率可達(dá)38％，如果考慮消除污染設(shè)備的能量消耗及有些損失，效率就降低到36％以下。

當(dāng)前現(xiàn)狀：

經(jīng)過(guò)四十年的發(fā)展我國(guó)的燃煤發(fā)電技術(shù)已經(jīng)領(lǐng)先世界，期間煤電機(jī)組從300MW到600MW，再到1000MW機(jī)組，從亞臨界到超臨界和超超臨界機(jī)組，從一次再熱到二次再熱機(jī)組，我國(guó)煤電機(jī)組的效率不斷取得突破。

目前，以2020年底投運(yùn)的大唐東營(yíng)電廠為例，其鍋爐采用國(guó)內(nèi)先進(jìn)的超超臨界二次再熱塔式爐，效率能達(dá)到94.9%。由于采用世界百萬(wàn)千瓦機(jī)組的高參數(shù)、大容量、新技術(shù)，其設(shè)計(jì)供電煤耗僅為258.72克/千瓦時(shí)、廠用電率為3.88%、全廠熱效率為49.4%。

在燃?xì)鈾C(jī)組方面，國(guó)內(nèi)燃機(jī)與國(guó)際先進(jìn)水平尚有差距。燃?xì)廨啓C(jī)因?yàn)榉N類(lèi)繁多，包括航空發(fā)動(dòng)機(jī)、航改燃?xì)廨啓C(jī)、船用燃?xì)廨啓C(jī)、車(chē)輛與工業(yè)驅(qū)動(dòng)燃?xì)廨啓C(jī)以及各種微型燃?xì)廨啓C(jī)，所以制造難度很大。重型工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)屬于燃?xì)廨啓C(jī)的一種，它因?yàn)闃O高的制造工藝和技術(shù)要求被稱為制造業(yè)的皇冠。

報(bào)告發(fā)布時(shí)：

報(bào)告中提到，燃?xì)廨啓C(jī)與蒸汽輪機(jī)聯(lián)合裝置在發(fā)電上已大力發(fā)展，燃?xì)廨啓C(jī)可以耐高溫，能夠在1000℃以上的高溫下工作。它的排氣溫度為500～600℃，可以利用在余熱鍋爐中產(chǎn)生蒸汽，帶動(dòng)蒸汽輪機(jī)工作，所以熱效率高。當(dāng)時(shí)聯(lián)合循環(huán)發(fā)電效率能超過(guò)46％。

當(dāng)前現(xiàn)狀：

重型燃?xì)廨啓C(jī)經(jīng)過(guò)四十年的發(fā)展，其技術(shù)水平已經(jīng)大幅提高。目前重型燃機(jī)的主要技術(shù)水平體現(xiàn)在壓氣機(jī)壓比和透平進(jìn)口燃?xì)鉁囟冗@兩項(xiàng)指標(biāo)上，其中透平進(jìn)口溫度直接影響燃?xì)?mdash;蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的熱效率。因此，根據(jù)透平進(jìn)口燃?xì)鉁囟劝扇紮C(jī)分為E、F和H級(jí)。

其中，E級(jí)重型燃?xì)廨啓C(jī)透平進(jìn)口約1200℃，F(xiàn)級(jí)透平進(jìn)口溫度約為1400℃，目前最先進(jìn)的H級(jí)透平進(jìn)口溫度達(dá)到1430℃-1600℃。溫度越高代表技術(shù)等級(jí)越高。目前全世界最先進(jìn)的H級(jí)重型燃?xì)廨啓C(jī)單循環(huán)和聯(lián)合循環(huán)的熱效率已分別超過(guò)了40%和60%，是所有熱-功轉(zhuǎn)換發(fā)電系統(tǒng)中效率最高的發(fā)電方式。

03 儲(chǔ)能的重要性重新被認(rèn)識(shí)

報(bào)告發(fā)布時(shí)：

報(bào)告中對(duì)儲(chǔ)能的介紹并不多，而且停留在對(duì)石油、天然氣、煤炭等能源的儲(chǔ)存和運(yùn)輸水平，這并不奇怪，因?yàn)橐凿囯姵貫橹鞯膬?chǔ)能技術(shù)是近十年的新鮮產(chǎn)物，得益于新能源汽車(chē)的快速發(fā)展，儲(chǔ)能技術(shù)已經(jīng)逐漸在電力系統(tǒng)中扮演重要角色。

由于可再生能源發(fā)電先天具有間歇性和波動(dòng)性，具有可再生能源發(fā)電高占比的能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致電力系統(tǒng)面臨安全問(wèn)題，風(fēng)光發(fā)電具有的隨機(jī)性給電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行提出了新的挑戰(zhàn)。而儲(chǔ)能有望成為解決可再生能源消納的最終方案。高比例的可再生能源電網(wǎng)配置儲(chǔ)能電站，不僅可以降低棄風(fēng)棄光率，更重要的是可以平抑新能源波動(dòng)，并參與系統(tǒng)調(diào)峰調(diào)頻，增強(qiáng)電網(wǎng)的穩(wěn)定性。

當(dāng)前現(xiàn)狀：

目前，儲(chǔ)能設(shè)施成本正在不斷下降，未來(lái)有望成為新能源發(fā)電的固定配套設(shè)施。根據(jù)彭博新能源財(cái)經(jīng)（BNEF）發(fā)布的研究報(bào)告《EnergyStorageSystemCostsSurvey2020》，2020年一個(gè)完成安裝的、4小時(shí)電站級(jí)儲(chǔ)能系統(tǒng)的成本范圍為235-446美元/千瓦時(shí)。

與此同時(shí)，隨著新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)不斷壯大，大量退役后的動(dòng)力電池可以用于儲(chǔ)能設(shè)施進(jìn)行梯次利用。因此，動(dòng)力電池技術(shù)進(jìn)步和動(dòng)力電池體量增長(zhǎng)可以進(jìn)一步加速儲(chǔ)能行業(yè)成本降低。根據(jù)BNEF預(yù)測(cè)，到2030年鋰電池組的平均價(jià)格有望進(jìn)一步下降至68美元/kWh，較2020年降幅達(dá)58%，是儲(chǔ)能系統(tǒng)下降的最大驅(qū)動(dòng)力。

04 能源的重要性發(fā)生變化

報(bào)告發(fā)布時(shí)：

報(bào)告中認(rèn)為，油和天然氣是優(yōu)質(zhì)能源，在相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)期內(nèi)煤是中國(guó)的主要能源，要加強(qiáng)它的勘探與開(kāi)發(fā)，把加快煤炭的開(kāi)發(fā)擺在重要的地位。但煤油氣在開(kāi)采、運(yùn)輸、轉(zhuǎn)化與使用中都面臨不少困難，須加強(qiáng)有關(guān)煤的科技工作。電力工業(yè)要把建設(shè)重點(diǎn)逐步放在水電的開(kāi)發(fā)上，在嚴(yán)重缺能地區(qū)還要建設(shè)核電站，因地制宜地發(fā)展各種新能源。

當(dāng)前現(xiàn)狀：

經(jīng)過(guò)四十年發(fā)展，煤炭目前已經(jīng)是中國(guó)的主要能源，能源局?jǐn)?shù)據(jù)顯示2020年全國(guó)規(guī)模以上企業(yè)煤炭產(chǎn)量38.4億噸，煤電裝機(jī)達(dá)到10.8億千瓦，占總裝機(jī)容量的比重為49.1%（首次低于50%），相較于2019年的59%下降了近10%，因此煤炭消費(fèi)和煤電裝機(jī)占比已經(jīng)達(dá)到峰值，未來(lái)還將進(jìn)一步下降。

而我國(guó)石油生產(chǎn)一直保持穩(wěn)定，天然氣產(chǎn)量雖然有大幅提升，但遠(yuǎn)遠(yuǎn)無(wú)法滿足國(guó)內(nèi)油氣需求。2020年中國(guó)石油和天然氣產(chǎn)量分別達(dá)到1.95億噸、1888億立方米，進(jìn)口量分別為為5.4億噸和10166萬(wàn)噸，對(duì)外依存度達(dá)到73%和43%。

隨著我國(guó)提出碳中和目標(biāo)，我國(guó)石油消費(fèi)已經(jīng)到了峰值平臺(tái)期，天然氣由于碳排放強(qiáng)度較低未來(lái)仍然有10-15年的增長(zhǎng)期。綜合來(lái)看，從2021年到2060年實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)，新能源將逐漸成為我國(guó)的主體能源，根據(jù)我國(guó)碳中和目標(biāo)計(jì)劃，到2060年我國(guó)可再生能源占全部能源消費(fèi)的80%以上。由此可見(jiàn)，隨著對(duì)減碳和氣候問(wèn)題的重視不斷提升，可再生能源正在取代傳統(tǒng)的化石能源成為能源增量的主體。

05 GDP能耗的降低

經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和能源消費(fèi)總量在一定程度上呈現(xiàn)正相關(guān)性，經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)能夠拉動(dòng)能源消費(fèi)，而能源消費(fèi)也會(huì)支撐經(jīng)濟(jì)發(fā)展。隨著時(shí)代進(jìn)步，能源與經(jīng)濟(jì)的關(guān)系不僅體現(xiàn)在體量上，還體現(xiàn)在能源本身的結(jié)構(gòu)上。在不同時(shí)代，人類(lèi)使用的能源不同，從煤炭到油氣再到新能源，能源消費(fèi)不僅隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展而增長(zhǎng)，而且更促進(jìn)了能源結(jié)構(gòu)的改變。

萬(wàn)元國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值能源消費(fèi)量是反映能源消費(fèi)水平和節(jié)能降耗的重要指標(biāo)。根據(jù)《中國(guó)能源統(tǒng)計(jì)年鑒》（2019年版）數(shù)據(jù)，1980年萬(wàn)元國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值能源消費(fèi)量為13.14噸標(biāo)準(zhǔn)煤/萬(wàn)元（國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值按1980年可比價(jià)格計(jì)算）。2018年，萬(wàn)元國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值能源消費(fèi)量為0.56噸標(biāo)準(zhǔn)煤/萬(wàn)元（國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值按2015年可比價(jià)格計(jì)算）。由此可見(jiàn)我國(guó)萬(wàn)元國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值能源消費(fèi)量在過(guò)去四十年間下降了90%以上，而在十四五以后，我國(guó)為了實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)將更加注重萬(wàn)元國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值能源消費(fèi)量的降低和能源結(jié)構(gòu)的改善。

（張學(xué)坤 冉澤）