中国电力工业深刻变革发展阻力因素重重

     我国电源结构不合理，直接导致了一次能源特别是煤炭资源消耗过大，高碳排放和环境状况恶化。截至2008年底，我国火电装机占总装机容量的75.9%（主要是燃煤机组），发电量比例更是高达81%。煤炭的大量开采严重消耗了本已十分紧缺的煤炭资源、土地资源和水资源，大量的煤炭燃烧则加剧了污染物的高排放。在各类一次能源中，单位热量含碳量从高到低依次是：木材（110）、煤炭（97）、石油（73）、天然气（56），我国以煤为主的能源结构，导致了二氧化碳等污染物排放水平居高不下。2006年，电力行业排放的二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物、烟尘分别占到全国总排放量的40%、53%、50%和42%左右。目前，我国二氧化硫排放量居世界首位，温室气体（包括二氧化碳、甲烷、氧化亚氮等）排放总量也即将超过美国排世界第一位。有关研究表明，我国环境污染带来的经济和生态破坏损失大约相当于当年GDP的7%-20%。

    科学观测表明，地球大气中二氧化碳的浓度已从工业革命前的280ppm（280毫升/立方米）上升到了2008年的386ppm（图1），远远超过了过去65万年自然因素引起的变化范围。全球平均气温也在近百年内升高了0.74℃，特别是近30年来升温明显（图2）。研究表明，人类活动对全球气候变暖的影响超过90%。很多科学家将400-450ppm设为大气中二氧化碳的浓度上限（也有乐观者认为是550ppm，有悲观者认为是350ppm），以避免“不可逆转的灾难性后果”。

    近年来，世界地缘政治更加凸显出资源政治的特点，而气候变化也已经从自然科学问题，逐渐上升为全球关注的重大发展问题和政治问题。虽然目前我国人均温室气体排放远低于发达国家，但总量巨大。根据《京都议定书》，中国作为发展中国家在2012年以前不必承诺减排义务，但后《京都议定书》时代的国际合作机制谈判正处于关键时期。今年12月将在哥本哈根召开联合国气候变化大会，届时各方将就2012年后如何应对气候变化问题达成新的协议。中国目前在世界经济、政治中的地位与影响与日俱增，而能否在保持经济较快发展的同时有效减排温室气体，承担应有的责任，正越来越成为备受国际社会关注的焦点，并将承受越来越大的国际压力。

    图1：150年间大气中二氧化碳浓度变化

    资料来源：江泽民《中国能源问题研究》

    图2：近百年全球气温变化

    资料来源：江泽民《中国能源问题研究》

    中美两国居全球温室气体排放前两位，其应对气候变化的态度与措施格外引人瞩目。美国2010财政年度预算案提出，到2020年和2050年，美国的温室气体排放量分别比2005年减少14%和83%，污染排放许可将在奥巴马首个任期结束的前一年，即2012年开始出售。

    2005年美国二氧化碳排放57.8亿吨，如果减排目标能够实现，美国2050年二氧化碳排放量将只有9.8亿吨。而根据表3，2050年中国二氧化碳排放量在基准情景下为127.2亿吨，低碳情景下88.3亿吨，强化低碳情景下51.2亿吨。即便在强化低碳情景下，中国的人均碳排放也将比美国高出近50%[注5]。届时，后京都议定书时代的中国将无可避免地面临巨大的减排压力。电力行业作为我国温室气体的主要排放大户，必须承担起相应的减排责任。

    困境三：电力工业传统技术路线面临挑战。

    纵观一部人类能源消耗的历史，从火的发现使用一直到工业革命前的100多万年间，人类都是生活在绿色、生态、与大自然和谐相处的环境中，人类祖先依靠可再生能源已经生存了数百万年。但仅仅诞生在200多年前的工业革命迅速改变了这一切。伴随着人类能源消耗的大幅增加，生态环境也随之在这个拐点上陡然急剧恶化，乃至全球气温上升，大气层出现臭氧洞，人类自身的生存环境出现重大危机。

    工业革命的伟大成就，是通过不断的技术进步把人类改造物质世界的能力几乎发挥到了极致——沿着更大、更快、更高、更强的技术路线——一直走到了核裂变、核聚变。从电力工业来看，其基础原理和技术一直沿用工业革命以来的架构，没有出现革命性的突破。发电机、变压器参数越来越高、体积越来越大、重量越来越重，连风力发电机也已达到数百吨；输电线路、电缆直径越来越粗、电压越来越高、容量越来越大、距离越来越长。当一条又一条、越来越多的截面达上万平方米（宽、高各为几十至上百米）、长度逾千公里的巨大高压电磁走廊在大地上纵横捭阖、呼啸而过的时候，我们不能不忧心忡忡地感到困惑：电力工业沿着这条技术路线还将走多远？！由此带来的严重的资源、环境、运输以及安全等方面的困境，究竟如何得到根本解决？

    事实上，我们今天已经生活在一个由金属基础构造向非金属基础构造变迁的时代，而且这些基础构造的趋势是重量逐渐减轻，占用空间逐渐减小。随着电子领域金属电极真空管被硅基半导体取代，通信领域铜导体被玻基光纤取代，制造、建筑领域的钢铁材料越来越广泛地被碳纤维取代，可以预见，在电力领域陶基高温超导材料将有可能取代铜、铝、钢材，成为电缆、电动机、发电机、变压器等设备的主要材料，从而使得电力设备的体积、重量以及损耗都将超乎想象地大大减小。与此同时，分布式能源（包括常规能源如燃气轮机发电和新能源分布式发电）越来越广泛的应用，也将从根本上改变传统的集中式发电和大规模传输的模式，从而对常规电网的结构、智能化程度、运行与调度方式等等带来巨大的挑战。

    事实证明，电力工业的变革不可避免，变革刻不容缓。当前正在经历的世界金融危机，为能源变革提供了重要契机。历史经验表明，全球经济危机往往催生重大科技创新突破和科技革命。人类的智慧发展到今天，应当更有远见卓识来选择新的变革方向，而选择的依据必然是人类可持续发展的客观现实需要。因此，能源领域的变革将最有可能为新一轮技术革命带来突破。同时，能源变革还将有效拉动新材料、加工制造、IT等相关产业的发展，成为应对当前金融危机，带动经济走出低迷、实现增长的新引擎。目前中国与世界主要国家在新能源、高温超导等相关领域尚未形成较大差距，有些方面还处于领先地位，如果我们能够及时把握战略机遇，加大创新力度，率先取得突破，必将能为我国在今后低碳经济下的发展奠定重要基础，从而在21世纪全球竞争中赢得巨大优势。

    在把握能源变革机遇方面，美国总统奥巴马的结构性能源新政对我们颇有启示。应当看到，新能源技术与碳排放交易是发达国家抢占未来低碳经济制高点的重要战略组合。如果发达国家在新能源利用、碳减排技术上取得绝对优势，同时在全球推行碳排放交易，并成为新规则的制定者，那么包括中国在内的发展中国家未来的发展将受到严重制约：要么购买碳排放量，要么购买新能源或碳减排技术。中国无论如何选择，都将受制于人，从而在国际分工中继续扮演低端与廉价的角色。

    令人忧虑的是，面对上述困境，我国电力工业至今还缺乏对未来发展方向和技术路线的战略定位以及整体性规划设计。而如果继续沿着惯性轨迹发展下去，由于电源结构和能耗水平等制约，其资源和环境状况均将难以为继。况且，目前的电力等能源价格机制也不能反映资源稀缺性程度、环境外部性成本和市场供求关系。应当说，我们在战略上尚未做好应对困境的准备。战略规划上的落后是根本性的落后，是输在起跑线上的落后。未来二十年是我国极为重要的战略机遇期，作为最重要二次能源的电力工业，必须尽快做出科学的战略选择。

    笔者认为，我国电力乃至能源发展的唯一选择就是走低碳经济之路，一方面最大限度地提高能源特别是不可再生能源的终端利用效率，另一方面大力开发利用新能源，寻找满足我国能源需求的终极解决途径。为此，必须从能源安全和国家利益的高度出发，尽快明确我国整个能源体系低碳导向的战略方向，制定切实可行的规划，大力推进能源变革。当前尤须把拉动经济增长与能源变革有机结合起来。电力行业作为能源行业的重要领域，应当以科学发展观为指导，从国家和民族利益的高度出发，刻不容缓地主动推进能源变革，促进电力工业并带动整个国民经济实现科学发展。对此我们必须有清醒的认识，并纳入国家规划予以保证，为后化石能源时代的到来未雨绸缪，及早谋划。

    [注5]预计2050年中国人口14.6亿，美国人口咨询局预计2050年美国人口4.14亿。

    [注6]太阳能发电系统夜晚不能发电，阴雨天出力降低，所以需要在全球不同地方按时区配置若干太阳能发电厂，然后把这些发电厂连接成网，如此这个全球能源系统就可以24小时不间断发电、供电，这就是用太阳能电池和超导电缆装备成的全球能源网的概念。由于要在全球范围内配置电力资源，输电距离很长，容量很大，常规输电线路损耗过高，占用土地面积过大，所以必须采用高温超电缆连接。

    电源发展的战略选择：新能源与分布式电源

    1、开发利用新能源

    应当指出，我国以煤为主的能源资源禀赋，决定了我国以煤为主的电源结构还将持续相当一段时期，而且电网结构也应与此相适应，例如，我国能源资源与负荷中心分布不均衡的特点，决定了西电东送的资源配置格局将会长期存在。但是，从现在开始，必须按照低碳经济的要求，对煤电采取优化发展的策略，一方面严格贯彻国家“上大压小”方针，关停小火电，代之以采用超临界、超超临界以及洁净煤发电（如IGCC）等先进技术的大型高效机组，或因地制宜发展热电联产，在发电侧大力提高能效并降低污染物排放；另一方面，必须在电源结构上做出新的战略选择，即在新增装机中尽可能控制煤电装机。按照麦肯锡公司和中科院可持续发展战略研究组的估算，2030年我国煤电装机在减排情景和强化低碳情景下分别为5.5亿千瓦和6.25亿千瓦（表5），这是我国资源与环境状况所决定的硬约束。但是，截至2008年底，我国煤电装机已经达到了6亿千瓦。所以，从发展低碳经济考虑，必须建立新的约束条件，使得今后20年我国煤电装机总量尽量稳定在6亿千瓦左右的水平或略高一点，而主要对煤电机组的结构进行大力调整，在新增电力装机中更多采用太阳能、风能、水电、核电等可再生能源。与此同时，在电源总量稳定和结构调整的情况下，应当从战略规划的高度逐步对长距离、大规模、高参数输电线路加以必要的控制。

    如前所述，全球石油、天然气、铀的储量只够开采40-80年，煤炭虽然可以开采130多年，但过多使用会加剧恶化生态环境。所以，石油、天然气、煤炭以及核能等资源都具有过渡性质，不是人类赖以持续生存发展的终极能源。现在看来，人类的终极能源可能是太阳能及其衍生的风能、水能，不仅取之不尽，用之不竭，而且仅排放极少的二氧化碳（图3），是发展低碳经济、实现永续发展的唯一选择。

    CO2排放量（克-CO2/千瓦时）

    （资料来源：OHM，2004年11月）

    图3：各种发电技术二氧化碳排放量对比

    （1）太阳能

    我国太阳能资源非常丰富。太阳能年辐射量超过60亿焦耳/平方米，每年地表接收的太阳能相当于17000亿吨标准煤的能量，具有良好的太阳能利用条件。可以根据太阳能资源分布条件，采取小规模分散式或大规模集中式两种不同的利用方式。

    太阳能分布式利用的前景广阔。目前我国大约有40亿平方米的建筑物屋顶面积，另有约10亿平方米的南立面可以利用，如果有20%安装太阳能电池，按每平方米太阳能电池发电能力100瓦计算，则可以安装1亿千瓦。按照中国城市化发展进程，2050年之前新建房屋面积预计不低于现有面积，如果50%的面积安装使用太阳能屋顶，则又可以安装2-3亿千瓦。目前，我国城镇居民对“太阳能屋顶”的认识程度不高，因此必须由政府加大政策力度大力推行，而且考虑到该方式直接向客户供电等因素，可以由电网企业实施。例如，笔者在荷兰考察过的ENECOENERGIE能源公司1MW太阳能小区，其屋顶太阳能一体化建筑构件全部由该能源公司投资并拥有产权，同时负责运行维护。由于统一规划建设，最大限度保持了小区的美观，并有助于节约成本。最近，美国加利福尼亚州政府通过了一项大规模的太阳能开发项目，于未来５年内在加州150处商业大厦的屋顶上安装太阳能光伏电池，投资额将达8.75亿美元。该项目就是由电网企业南加州爱迪生公司负责实施的。此外，爱迪生公司还将在加州其它商业大厦的屋顶上安装太阳能设备。

    太阳能发电的集中式利用，目前的应用主要是在沙漠、荒滩等地区建立大规模太阳能发电站。如1984年12月，美国在莫赫夫沙漠地区建成了第一个大型太阳能发电站，发电功率达1.38万千瓦，随后又相继建成了７套太阳能发电系统，总发电功率达20万千瓦。据了解，我国已经筹划在甘肃敦煌、西藏拉萨(或阿里)、内蒙古、甘肃、新疆以及云南石林等地选择荒漠、戈壁、荒滩等空闲土地，建设大型太阳能电站示范项目。笔者作一大胆测算：如果每平方米太阳能电池组件发电能力为100瓦，太阳能电池面积按总占用土地面积的一半计算，则20平方公里土地面积内布置的太阳能电池阵列的发电能力可达100万千瓦。我国沙漠总面积约130万平方公里，按照上述标准，如果利用沙漠面积的5%即6.5万平方公里装设太阳能电池阵列，则发电装机容量可达32亿千瓦，按年满发时间1000小时计算，则年发电量可达32000亿千瓦时，接近2008年我国全年发电量（34334亿千瓦时）。尽管理论测算并不等于实际应用，但由此可以理解太阳能利用对可持续发展的重大意义是毋庸置疑的。为此，日本专家曾提出著名的“GENESIS工程”概念，即建立“装备太阳能电池和超导电缆的全球能源网络”的构想，并认为这是目前作为工程师解决人类终极能源需求唯一能够建议的可行方案。

    当前，还应高度关注太阳能薄膜发电技术的推广应用。相比于晶体硅光伏电池，薄膜硅电池虽然光电转化效率较低，但其成本也低，而且在高温、弱光环境中的发电性能更优，尤其是透光性强，用于农业大棚不仅可以发电，而且能够有效改善动植物生长环境，对发展现代农业具有重要意义，在较发达地区的城郊和农村具有十分广阔的应用前景。如果建在城市郊区，可以直接接入城乡配电网，避免了长距离输电。按照现有技术水平，每亩地可以装设薄膜太阳能电池不低于20千瓦，我国城市郊区耕地总面积约4.7亿亩，如果用1亿亩装设薄膜太阳能大棚，则总装机容量可达20亿千瓦。按照年等效发电时间1000小时计算，可以生产20000亿千瓦时电量，相当于2008年全国发电量的近六成。

    （2）风能

    我国的风能资源也非常丰富，潜力巨大。按照国家发改委《全国风能资源评价技术规定》估算，我国陆地上离地面10米高度处的风能资源理论储量约为43亿千瓦，技术可开发量约为3.8亿千瓦。中科院地理所估算我国近海10公里范围内10米高的风能资源超过19亿千瓦。所以，我国风电装机达到亿瓦级完全有资源保障。风能的集中利用是在风能富集地区建设具有一定规模的风电场，分布式利用则主要是用于为分散式建筑供电，尤其对解决老少边穷地区的无电户用电具有重要意义。

    我国风能资源丰富但季节分布不均匀,一般春、秋和冬季丰富，夏季贫乏，而我国水能资源夏季为丰水季节，冬季、春季是枯水季节，风能与水能的季节分布高度互补。所以，大规模发展风电可以在一定程度上弥补我国水电冬春两季枯水期电力电量之不足。

    我国风能资源丰富的地区主要是东南沿海及附近岛屿以及“三北”（东北、华北、西北）地区。另外，内陆也有个别风能资源丰富点，近海风能资源也非常丰富，这些地区距离负荷中心并不遥远。分省来看，风能分布比较丰富的主要有内蒙古、新疆、河北、吉林、辽宁、黑龙江、山东、江苏、福建和广东等。笔者认为，当前应优先考虑开发距离电力负荷中心较近的沿海及其岛屿地区以及近海的风能资源，即年风功率密度在200瓦/平方米以上的山东、江苏、上海、浙江、福建、广东、广西和海南等省（市）沿海近10公里宽的地带，以及东部沿海水深5-20米的海域。

    我国风能、太阳能资源分布与用电负荷分布存在着地域不对称的特点。东部地区用电负荷密集，珠三角、长三角以及环渤海地区集中了全国70%左右的用电负荷，而中西部地区太阳能、风能资源丰富。由于这些地区的电网结构普遍薄弱，大规模开发太阳能、风能，会受到电网送出能力不足的制约，这一方面可以通过在当地发展高耗能产业等措施，就地消纳部分电量；另一方面还需加强电网建设予以支持，这与后文将要提到的高温超导技术密切相关。