中國能源的未來

文 | 朱成章

作者系教授級高級工程師，政府特殊津貼獲得者

能源替換不是一蹴而就的，而是逐步完成的。第四次能源大轉換應該遵循著清潔、低碳、安全、高效的原則，解決第三次能源大轉換中存在的間歇性、不穩(wěn)定性和能源密度低的問題。

中國的未來能源是什么？最近有很多討論，比較一致的意見是可再生能源和新能源替代化石能源?？稍偕茉粗饕撬?，新能源主要指風能、太陽能，中國的非化石能源中還包括核能。其他可再生能源包括生物質能、潮汐能、地熱能等等。這就是說，未來能源是可再生能源和新能源，主要是水能、風能和太陽能，極端的說法是水電、風電和太陽能發(fā)電，都是電力，所以中國和世界未來的能源就是電力。正是出于這樣的認識，國際能源署署長說：美國成為石油、天然氣行業(yè)領導者，中國成為清潔能源和技術領先者，電力將會成為能源的未來。

但關于未來能源還有以下一些問題值得探討。

太陽能是否太孤獨了

現(xiàn)在認定的未來能源包括水能，中國是世界上水能資源最豐富的國家，中國水能資源的理論蘊藏量是6.8億千瓦，可開發(fā)水能資源5億千瓦。風力發(fā)電20億千瓦左右；中國的核能發(fā)電有的說不超過1億千瓦，有的說5億千瓦，大概都不包括快堆、聚變堆。生物質能發(fā)電、潮汐能、地熱能發(fā)電也不過幾億千瓦，在可再生能源與新能源中，數(shù)量大的是太陽能發(fā)電。所以就中國的可再生能源和新能源來說，水電、風電等很快就會開發(fā)完，最后只剩下太陽能。太陽能發(fā)電的數(shù)量很大，但未來能源僅靠太陽能一種能源來支撐，是否太孤獨了。

萬物生長靠太陽，太陽能利用要與萬物爭土地，現(xiàn)在認為太陽能利用可以用戈壁沙漠，可是現(xiàn)在提出利用“藏水入疆”改造新疆的戈壁灘成為良田，太陽能的用地就會受到限制。

太陽能是所有能源中能源密度最低的一種能源，太陽能發(fā)電是所有能源發(fā)電形式中年設備利用小時數(shù)最低的一種能源，太陽能光伏發(fā)電要5個千瓦才能頂上1個千瓦燃煤發(fā)電的發(fā)電量，太陽能發(fā)電需要較多的電網輔助服務，包括儲能設施。

所以太陽能利用的關鍵問題在于如何減輕太陽能自身的間歇性、不穩(wěn)定性給整個電力系統(tǒng)帶來的調峰壓力，以及如何解決自身的低密度特性與高密度用電需求不匹配帶來的問題。在第三次能源大轉換之前，都是由供應側來適應需求側，現(xiàn)在供應側是不變的，而需求側很難適應供應側的變化。所以這兩個問題是很難解決的，要解決好這兩個問題要花很大的代價。

第三個問題是太陽能發(fā)電的經濟性，太陽能從業(yè)者認為：隨著太陽能發(fā)電技術的進步，太陽能發(fā)電成本會低于燃煤發(fā)電成本。僅僅拿太陽能發(fā)電成本與燃煤電廠成本比，太陽能度電成本低于燃煤電廠成本是有可能的，但太陽能度電與燃煤電廠度電的質量是不同的，太陽能供電要有輔助服務，而燃煤電廠供電不需要輔助服務，太陽能電力成本加上遠距離輸電成本，再加上儲能等輔助服務成本，太陽能電力成本不可能低于燃煤電廠成本。從上面的分析可得結論是：從可獲得、環(huán)境允許、經濟合理性考慮，應當尋求新的未來能源。

自“十八大”以來，我國在能源領域有許多新的發(fā)現(xiàn)，快堆、聚變堆、干熱巖和天然氣水合物采掘利用等方面都有突出成就，這些能源都是清潔能源，都是能源密度高的能源，如果在這些領域取得突破，超越風電、太陽能發(fā)電，中國將會對世界作出更大的貢獻。

能源替換是逐步完成的

出現(xiàn)能源大轉換并不是一種能源用完了，由另一種新的能源來替代。而是一種新的更好的能源去替代原來比較差的能源，以提高能源的效率和效益，所以原來的能源還可以繼續(xù)發(fā)揮作用。也就是說，能源替換不是一蹴而就的，能源替換是逐步完成的。

世界各國的能源替換有先有后，發(fā)達國家能源替換在先，發(fā)展中國家能源替代慢。各個國家能源結構各不相同，參差不齊的能源替代還與各個國家各個地區(qū)能源資源稟賦有關，煤炭資源豐富的國家往往以煤為主，如中國、南非，中國至今沒有完成第二次能源大轉換；石油資源豐富的國家往往以石油天然氣為主，如美國、俄羅斯、沙特等；水能資源豐富的國家，往往以水電為主，如挪威、瑞典；核能資源比較容易獲得的國家往往以核電為主，如法國。

世界上已經進行了三次能源大轉換，可是到現(xiàn)在為止，薪柴、煤炭、石油、天然氣不僅沒有消亡，都以一定比例存在著，有的能源，如薪柴由于屬于可再生能源，使用薪柴并不排放二氧化碳，再次作為新能源、可再生能源重新被提倡被使用。天然氣作為化石燃料中低碳、低污染品種，被中國等有關國家加快發(fā)展以減輕污染。能源轉換是逐步完成的，過去的能源轉換如此，今后的能源轉換也必然如此。那種認為能源轉換全球齊步走，不留尾巴的思想是錯誤的，甚至一百年之后、兩百年之后，人類社會還會有薪柴、煤炭、石油、天然氣存在。因為可再生能源、新能源都轉換成電力，能源只有電力一種能源是不可能滿足人類的需求的。

在山西太原召開的2017能源地區(qū)能源轉型發(fā)展論壇上，對于能源轉型有兩種意見，一種意見認為，從中國能源稟賦來看，未來的中國能源——煤炭還是未來中國能源的主力。理由是：“中國能源使用的天然氣、核能、石油、水能都有各自的極限，風電、太陽能也不會很大，經測算，即使其他能源都被盡可能利用，仍難以滿足中國的能源需求。到2030年，中國仍有一半多的能源消耗依靠煤炭?！绷硪环N意見是：“基于煤炭消耗總量之大，即使實現(xiàn)清潔、高效利用，單位排放降低，但總量仍不容小覷，另外煤炭利用效率較低，即便現(xiàn)在最先進的技術發(fā)電效率也不過50%，因此要實現(xiàn)轉型的大目標，煤炭不能成為主要的能源支柱?！边@兩種轉型路徑，一個是從能源可能的供應量來說的，一個是從實現(xiàn)能源轉型的大目標及能源利用排放數(shù)量來說的，兩種路徑都是說了一個輪廓，很難判斷哪個可行不可行。例如第一方案，國內能源供應不足，屆時是否還允許進口，進口可再生能源和新能源之外，還允許進口石油、天然氣和核能嗎？如果進口限于可再生能源和新能源，所以難于估計。如允許進口石油、天然氣和核能，且數(shù)量不受限制那么保證供應大概不成問題，但能源安全如何考慮？第二方案實現(xiàn)能源轉型大目標，允許中國排放是多少？許多重要的不確定因素存在，確實難以定論。不過從能源替換是逐步完成的來看，2030年中國一次能源中煤炭的消費比重還在50%左右是可能的，但這僅僅是一個過程，中國一次能源煤炭消費比重達50%是不允許長期維持的，也是有道理的。

雖然中國太陽能的技術和建設速度在世界上處于領先水平，但是太陽能要作為未來替代能源的主力是有困難的，依靠太陽能要把煤炭全部替代出來，非短時間內所能完成的。持第一條路徑者認為：風電、太陽能占比也不會很大，這句話實質上否定了風電、太陽能是主力替代能源。關于能源轉型路徑的爭論，說明中國的能源轉型是一個非常艱巨的任務。持第二條路徑者，雖然否定了煤炭作為主力能源的主張，但是如何加快對煤炭的替代，也沒有什么有力的措施。依靠新能源，還是依靠石油、天然氣？石油天然氣對外的依存度已經很高，今后還能繼續(xù)提高嗎？看來有必要提出第三條路徑：開發(fā)天然氣水合物、干熱巖等真正的新能源。

如何看待棄水、棄風、棄光？

在開始有電的一百多年里，電力最初只用于照明，白天和后半夜大量棄電，能利用的電力僅僅是前半夜的照明用電。后來推廣工廠動力用電，白天動力用電，前半夜照明用電，只是后半夜無人用電。再后來工廠三班倒，白天上午、下午形成高峰，晚上工業(yè)用電和照明用電重合，形成前半夜的晚高峰，后半夜夜班少，沒有照明用電，形成低谷。這樣發(fā)電和輸配電設備利用小時逐步提高了，“棄電量”逐步減少。為了進一步提高化石能源發(fā)電設備利用小時數(shù)，又提出修建抽水蓄能電站，移峰填谷、調峰調頻、承擔備用。還有什么潛力可挖嗎？供應側的潛力挖完，又想到需求側，提出需求側管理和需求側響應。在有電的一百多年里，人們始終在需求側和供應側兩個方面想辦法，來提高供應側和需求側的效率和效益，取得了顯著的成績。

在利用化石能源發(fā)電的階段，也有“棄電”問題，套用棄水、棄風、棄光的說法，當時存在棄煤、棄油、棄氣、棄核，這是由于化石能源發(fā)電設備利用小時數(shù)可以達到7000-8000小時/年，而電力綜合負荷利用小時只能達到5000小時左右，有一部分多余電量；再由于電力特點是即發(fā)即用，電力工業(yè)滿足最大負荷的需要，當負荷處于腰荷和低谷時，就有一部分電量發(fā)不出來，所以存在“棄電”。不過當年的“棄電”與現(xiàn)在的棄水、棄風、棄光不同，前者不發(fā)、少發(fā)電可以少用煤炭、石油和天然氣，可以減少些損失；現(xiàn)在棄水、棄風和棄光則不可能節(jié)水、節(jié)風、節(jié)光。這是當年“棄電”和當前棄水、棄風、棄光的差別，但損失都是有的。

在第三次能源大轉換中，中國大力發(fā)展新能源，成為新能源和技術的領先者，同時出現(xiàn)了嚴重的棄水、棄風和棄光問題。所以近三年的全國能源工作會議，把保障油氣供應，解決可再生能源和新能源的“三棄”問題作為能源工作的兩項主要任務。2017年提出：“推進非化石能源規(guī)?；l(fā)展，圍繞實現(xiàn)‘十三五’規(guī)劃目標，著力解決棄風、棄光、棄水等突出問題。積極發(fā)展水電，穩(wěn)步發(fā)展風電，安全發(fā)展核電，大力發(fā)展太陽能，積極開發(fā)利用生物質能和地熱能。”2018年又提出：“聚焦綠色發(fā)展，著力解決綠色能源消納問題，著力推進能源結構調整戰(zhàn)略工程，統(tǒng)籌推進煤炭清潔高效利用，大力推進能源清潔發(fā)展水平?！?/p>

最近幾年國家有關部門對于消滅“三棄”是非常重視的，各有關方面也做了很大努力，但“三棄”還是一個突出問題。如四川水電棄水2012-2016年棄水量猛增分別為76億、26億、97億、102億和142億千瓦時，大家做了很大努力，2017年僅減少棄水2億千瓦時，2017年還有棄水電量140億千瓦時。2017年棄風電量419億千瓦時，2017年棄風率超過10%的地區(qū)有甘肅（棄風率33%，棄風電量92億千瓦時），新疆（棄風率29%，棄風電量133億千瓦時），吉林（棄風率21%，棄風電量23億千瓦時），內蒙古（棄風率15%，棄風電量95億千瓦時）和黑龍江（棄風率14%，棄風電量18億千瓦時）?？磥磉@個問題不是一般號召能夠解決的，涉及政策和規(guī)劃問題。

非化石能源發(fā)電的“三棄”問題，與化石能源發(fā)電的“棄電”問題，解決途徑是相同的，也需要從供應側和需求側兩個方面采取措施。但非化石能源發(fā)電“三棄”問題解決要比化石能源發(fā)電的“棄電”難度要大得多，首先非化石能源發(fā)電的可利用設備利用小時數(shù)小得多，一般水力發(fā)電約3000多小時/年，風力發(fā)電約2000多小時/年，太陽能發(fā)電約1000多小時/年，與綜合電力負荷5000小時/年差距大；其次非化石能源發(fā)電的隨機性比化石能源發(fā)電大得多。由于這兩個原因，非化石能源電力的輔助服務的投資、運行費用都要大得多，而且適應非化石能源電力輔助服務的技術、設備制造都不是很成熟。從需求側應采取的措施來看，由于非化石能源電力設備可利用小時數(shù)太低，要使電力用戶適應非化石能源電力，非化石能源電力發(fā)電時用電，非化石能源電力不發(fā)電時停止用電，則電力用戶運行時間太短，照明用戶不適應，工業(yè)用戶要用幾倍的設備和人力才能達到正常生產所能達到的產量，投資和成本都太高，并不經濟。所以，非化石能源電力供電時，解決“三棄”問題主要依靠供應側。

可再生能源和新能源電力“三棄”的情況比較特殊，為了充分利用“三棄”電能要支付比較多的輔助服務費用，考慮“三棄”直接利用的經濟性，不同地區(qū)應當允許一定比例的棄水電量，例如棄電3%～5%?！叭龡墶睌?shù)量大的省、區(qū)，要調整政策，鼓勵電網、發(fā)電廠和用戶提高消納可再生能源和新能源的積極性，要制定消納規(guī)劃，并適當控制非化石能源電力的增長。

能源轉換耗費極大

開始使用能源時，都是直接使用一次能源，隨著科學技術的發(fā)展，人們對能源的要求越來越高，對于一次能源進行深加工后，才出現(xiàn)二次能源，特別是電力的出現(xiàn)，電力的廣泛應用，能源轉換越來越頻繁。尤其以可再生能源和新能源作為替代能源之后，能源轉換的任務越來越重了。能源轉換不僅要花投資、運行費用，還會造成能源損耗。

能源轉換的種類繁多，不同的轉換類型，損耗各不相同，如燃煤電廠損耗達60%-70%，燃氣發(fā)電能源損耗50%，熱電聯(lián)產、熱電冷聯(lián)產的能源損耗可降低到20%-30%。

電力儲能的能源轉換就比較復雜，實際上電力不可能儲存，所謂電力儲存，是把電力轉換成容易儲存的能源，把它儲存起來，等到需要電力的時候再把這種能源轉換成電力。電力儲存是依賴兩次能源轉換完成的，所以能源轉換的損耗比較大。抽水蓄能是將電力變成位能儲存起來，需要用電時再將位能變成電力，損耗在30%左右。蓄電儲能是把電力通過蓄電池把電力轉換成化學能，需要用電時將化學能轉化成電能，損耗在40%左右。壓縮空氣儲能，是把電能轉換成壓縮空氣儲存，需用電時將壓縮空氣轉換成電力，損耗也在40%。

所以，凡是可以使用一次能源且環(huán)境允許的，就用一次能源，不用電力；凡是可以使用不用轉換儲存的電力的就不用儲存的電力。盡量減少能源轉換，就可以提高能源利用效率。從提高能源利用效率上考慮，也應當盡量減少風電、太陽能發(fā)電等間歇性能源的發(fā)展。

自然壟斷和行業(yè)壁壘

有人認為，“未來能源更多地取自身邊，就地利用，電網、管網的自然壟斷將被跨越；各種能源品類、能源服務高度融合發(fā)展，單一類型能源企業(yè)向綜合能源服務商轉變，能源管理模式必將對應改變，這意味著行業(yè)壁壘將被打破?？傊?，未來能源的發(fā)展將跨越自然壟斷、跨越行業(yè)壟斷，最終實現(xiàn)環(huán)境友好、均衡發(fā)展的目標?！边@席話說明，對于未來能源存在兩種觀點，一種觀點是“取自身邊，就地利用，跨越自然壟斷的電力網”，另一種觀點是“開發(fā)北極的風能、開發(fā)赤道的太陽能，建設全球綜合能源網（自然壟斷的）”。

中國有一種意見認為2030年中國的可再生能源、新能源盡最大努力開發(fā)都不夠用，那么進口外來的、由全球綜合能源網供應風電和太陽能發(fā)電是最適宜不過的，所以要跨越自然壟斷的電力網似乎不太可能。

這席話還說明，對于未來能源存在另外兩種觀點，一種觀點是：“可再生能源和新能源發(fā)電替代化石能源發(fā)電，用可再生能源、新能源發(fā)出的電力去替代化石能源消費，人類只使用一種能源—電力?！绷硪环N觀點是，“多種能源均衡發(fā)展，多能互補，產業(yè)互惠；多種能源品類、能源服務高度融合發(fā)展，向綜合能源服務商轉變?！?/p>

看來，未來能源轉型路徑不止兩條，如果第三次能源大轉換是用可再生能源和新能源替代化石能源，那么哪里來的多種能源，還有什么多能互補？有什么必要成立多種能源服務商？未來的能源是要達到清潔、低碳、安全、高效，而不是跨越自然壟斷和行業(yè)壁壘。

生物質能和電轉熱

生物質能是第一次能源大轉換中被淘汰的能源，在第三次能源大轉換中，成為與風能、太陽能并列的替代能源，生物質能可用于替代曾經替代過他的煤炭、石油、天然氣。第一次能源替代時的被替代對象，在第三次能源替代時成為替代者，這在當時是沒有預料到的。

另一個比較特殊的現(xiàn)象是，過去認為用電力去供熱。不如用一次能源直接供熱來的經濟合理、效率高。因為一次能源轉換成電力，一次能源要損耗60%-70%，即使電力轉換為熱能效率為100%，損耗還是很高的，所以一般不主張用電去供熱。用熱電廠、供熱鍋爐、供熱管網供熱就是這個道理。但是隨著科學技術的發(fā)展，采用熱泵技術，一份電力可以產生兩至四份的熱能，能效要比電爐、電鍋爐的熱效率高好幾倍，從能效上看，用熱泵供熱能效要高得多，用電供熱是好的。由于目前熱泵的投資比電鍋爐的投資高，所以還不能用熱泵替代電鍋爐。待科學技術水平進一步提高之后，熱泵的經濟性提高之后，就可以取消熱電廠、供熱鍋爐和供熱管網。

去杠桿與降電價

黨的十九大提出：“堅持去產能、去庫存、去杠桿，降成本、補短板，優(yōu)化存量資源配置，擴大優(yōu)質增量供給，實現(xiàn)供需動態(tài)平衡?！比ジ軛U與降電價是互相關聯(lián)的，如果電價低于成本，電力企業(yè)必然虧損，虧損企業(yè)必然會增加杠桿（即增加負債）；相反電價高于成本，電力企業(yè)盈利，盈利企業(yè)必然去杠桿。所以杠桿和電價有密切的關系，要去杠桿必然要提高電價，電價越高，去杠桿的力度越大；要降低電價，必然會增加杠桿，電價降得越多，杠桿也必然增加得多。

世界上一些國家以杠桿的高低作為電價漲落的依據(jù)，杠桿高，電價漲；杠桿低，電價落。這樣做的目的是為了避免電力供應的風險。

可是這幾年電力工業(yè)去杠桿進展不大，黨中央、國務院關心去杠桿，而地方關心的是電價。究其原因在于電網企業(yè)、發(fā)電企業(yè)多數(shù)是中央國有企業(yè)，地方手里電力企業(yè)少，卻使管市場、管電價，往往干擾市場、壓低電價，前幾年搞大用戶直購，行政干預降低電價，國家發(fā)改委、能源局三令五申反對干預市場，卻難以糾正。近幾年電力需求增長趨緩，供需不平衡矛盾突出，產能過剩依然存在，地方政府認為應當降低電價。如果電力企業(yè)是地方企業(yè)，地方政府就會去杠桿，合理管電價，因為電力企業(yè)負債高，風險也要地方承擔，用電企業(yè)虧損，風險也在地方。地方政府一手托兩家，兩方面都要照顧到，所以中國目前的降價是體制問題。

要想降低電價有的是辦法，城市居民生活電價低，農村居民生活電價高，實行城鄉(xiāng)居民生活電價同步，把農村居民生活電價降下來；居民生活電價低，公用事業(yè)電價高，公用事業(yè)與居民生活電價同步，公用事業(yè)電價降下來；利用大用戶直購，把大耗電工業(yè)的電價降下來；為實行“以電代煤”，把代煤用電的價格降下來，如此享電采暖用電價格供電部分收費為0.3元/千瓦時，北京市市政府補助0.1元/千瓦時，區(qū)政府補0.1元/千瓦時，最后用戶只交0.1元/千瓦時。原來居民生活用電是平均價格0.5元/千瓦時電采暖降為0.3元/千瓦時，照理這是提質論價，電采暖用的是深夜低谷電，應當降低價格，但是白天尖峰電應該提價，只降價不降價，平均電價不?！，F(xiàn)在許多地方電采暖電價比北京降得更多，但優(yōu)質電卻不提價。這幾年降價成風，電力工業(yè)去杠桿難辦了。

還有第四次能源大轉換嗎？

第一次能源大轉換是煤炭替代薪柴，第二次能源大轉換是石油、天然氣替代煤炭，第三次能源大轉換是可再生能源和新能源替代油、氣，還有第四次能源大轉換嗎？應該有。

第四次能源大轉換應該遵循著清潔、低碳、安全、高效的原則，必然要解決第三次能源大轉換中存在的間歇性、不穩(wěn)定性和能源密度低的問題。我們應當研究未來能源，特別要研究中國的未來能源。