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风能发电
风能发电是可再生能源领域中技术最成熟、最具商业化发展前景的发电方式之一。全球风能理事会今年2月发布的报告指出,2011年全球风力发电设备的安装量为41GW(1GW为10亿瓦),比2010年增加了21个百分点,全球的安装总量达到238GW。此外,全球75%的国家安装了商用风力发电项目,且这些国家中的22%,安装量还超过了1GW。
风力发电机组由风轮、发电机和风能塔三部分组成。其发电原理是利用风力带动风车叶片旋转,再透过增速机将旋转的速度提升来促使发电机发电。目前全球最大风力涡轮机的发电容量为7.5兆瓦,而大多数涡轮机的容量为1.5到2兆瓦。近年来涡轮机、叶片和变速箱等领域的巨大技术进步,以及风能塔高度的不断增高,使风能发电成本也不断降低。
海上风力发电是风电的一个新增长点。目前全球海上风电装机容量为100万千瓦,欧盟风能协会预测到2020年风电装机容量将达到1.8亿千瓦,其中海上风电约为8000万千瓦。英国的塔奈特海上风力发电场是目前全球最大的海上风力发电场,它由100多座巨型涡轮机组成,发电总量最高可达3兆瓦。
海上风力发电具有风力资源丰富、风速稳定、对环境负面影响较少等优点,但对风机质量和可靠性要求很高。海上风电机组必须能够承受海上强风、腐蚀和波浪冲击等恶劣环境,其基础结构复杂,技术难度和建设成本都很高。此外,海上风电场的运行和维护费用也很高,如风电机组需要采取防腐处理等特别措施,也需要设计、安装特殊的维修装置,这些都会导致发电成本的增加。目前在海上风电场的总投资中,基础结构占15%到25%,而陆上风电场仅为5%到10%。因此,发展低成本的海上风电基础结构是降低其成本的主要途径。据世界风能协会预测,2020年海上风机的造价将降低40%以上,发电成本也可同幅下降。
低碳化技术(CCS和CCUS)
为保证全球能够继续使用化石燃料发电,在未来数十年内必须大幅降低发电厂等主要二氧化碳排放源的排放量。一方面,需要进一步提高热力效率改善成本效益,合理地采用热电联产和废热利用等途径;另一方面,必须对煤炭和天然气电厂及其他大规模的二氧化碳排放源(如水泥厂等)采用碳捕获和封存技术(CCS)。
CCS是指通过碳捕捉技术,将工业和某些能源产业所生产的二氧化碳分离出来,再通过碳储存手段,将其输送并封存到海底或地下等与大气隔绝的地方。碳捕获和封存分为三个阶段:捕获阶段,从电力生产、工业生产和燃料处理过程中分离、收集二氧化碳,并将其净化和压缩。目前采用的方法是燃烧后捕获、燃烧前捕获和富氧燃烧捕获;运输阶段,将收集到的二氧化碳通过管道和船只等运输到封存地;封存阶段,主要采用地质封存、海洋封存和化学封存三种方式。
目前CCS技术仍处于试验阶段,因其成本过高而难以大规模推广。据麦肯锡咨询公司估计,捕获和处理二氧化碳的成本大约为每吨75到115美元,与开发风能、太阳能等可再生能源的成本相比并不具备竞争优势。此外,由于被捕获的二氧化碳缺乏良好的工业应用,封存是碳捕捉的最终路径。CCS技术的普及与二氧化碳的排放价格也密切相关,当二氧化碳价格为每吨25到30美元时,CCS技术的推广速度将会加快。2012年5月,由欧盟资助的目前世界最大的碳捕获和封存示范工程在挪威建成,其总投资为10亿美元,设计能力为年捕获二氧化碳10万吨。
如果利用CCS技术将现有煤焚电厂进行技术改造,可以捕获其二氧化碳排放量的90%,但所需费用相当于重新建造一座电厂。此外,发电厂生产的电力将有20%到40%被用于二氧化碳的分离、压缩和输送。因此,只有那些最具有超临界或超超临界机组的发电厂采用这种技术才比较合算。全球知名的埃森哲咨询公司曾对配备碳捕获和封存设备的发电场的成本进行预估,结果显示到2020年,将现有电厂翻新配备碳捕获设备并将捕获的碳加以封存,将使每度电的成本增加约3美分,使其成本增加为8美分左右,接近于2015年风力发电和2050年太阳能发电的预估价格。由于碳捕获和封存的成本仍高于国际上的碳交易价格,而配备碳捕获与封存设备将使燃煤发电厂的成本提高,因此除非政府提供补助,或开征高额碳税以增加厂商的经济诱因,否则碳捕获与封存尚难以产生具有利润的商业模式。
基于此,开发碳捕获、利用和封存技术(CCUS),探索利用二氧化碳进行油气增产和地热增产的相关技术途径,将成为一个具有吸引力的方向。研究人员可以利用高清晰仿真模拟技术来研究先进的CCS和CCUS,以减少小规模示范性工程向大型实用化系统转化过程中的风险,加快工业界采用这些技术的进程。
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