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      谢克昌院士:面向2035年我国能源发展的思考与建议

      2023/1/5 10:13:13       

        2035 年前是我国基本实现社会主义现代化的关键时期,能源高质量发展是支撑经济社会可持续发展的先决条件,应立足基本国情和所处发展阶段,在保障能源安全供应的前提下推进能源清洁低碳转型。

        中国工程院谢克昌院士在中国工程院院刊《中国工程科学》2022年第6期发表《面向2035年我国能源发展的思考与建议》一文。文章从能源总量、能源结构、综合能效、能源科技、体制机制、能源安全六方面阐述了我国能源发展现状,重点分析了未来一段时期内能源发展的关键问题,涵盖煤炭兜底保障作用、能源消费增量的可再生能源替代、油气供给安全、核电发展立足自主、氢能和储能全产业链规模化发展等。着眼2035 年能源领域高质量发展,提出了能源革命,碳达峰、碳中和4 个阶段的战略目标。研究建议,各环节全面落实节能优先方针,继续实施煤炭清洁高效低碳利用,站位全局谋划和推动可再生能源成为未来能源供应增量的主体,加快低碳转型并统筹构建多能互补能源系统。

        一、前言

        党的二十大报告提出,到2035年,我国要广泛形成绿色生产生活方式,碳排放量达峰后稳中有降,生态环境基本好转,美丽中国目标基本实现。立足国情,实现能源高质量发展,是建设美丽中国、提升经济社会发展水平的关键环节。在有效保障能源安全供应的前提下,结合实现碳达峰、碳中和(“双碳”)目标任务,有序推进全国能源市场建设,这是国家总体要求。以煤为主体能源是基本国情,需要立足所处发展阶段,审慎研判国际形势,加强煤炭清洁高效利用,增强新能源的安全可靠替代性,推进储能、氢能等绿色低碳技术研发应用。加快新型电力系统和清洁低碳、安全高效能源体系建设,尽快建成能源强国,确保能源供应安全。

        根据国家“十四五”规划纲要,2035年是我国基本实现社会主义现代化的重要时间节点,因而开展面向2035年的能源发展战略研究是学术热点和社会关注点。本文着眼2035年前我国能源综合发展课题,系统梳理氢能、储能、核能、煤炭、可再生能源、油气等的进展与趋势,提出能源领域发展目标以及就如何实现此目标而展开的初步思考,可为推动能源革命、确保能源供应、推进低碳转型等方面的技术和管理研究提供启发与参考。

        二、我国能源发展基本情况

        (一)建成世界上规模领先的能源生产与消费体系

        在能源生产方面,2021年煤炭、原油、天然气产量分别为4?.13×109 t、1?.99×108 t、2?.076×1011 m3;发电装机容量为2?.377×109 kW,年发电量为8?.5×1012 kW·h。装机容量实现了快速增长,总体规模位居世界首位。在能源消费方面,2021年一次能源消费总量为5?.24×109 tce,连续多年成为世界最大的能源消费国,煤炭、可再生能源(如水电、风电、太阳能发电)消费国。但在人均用能强度方面,虽然近20年我国累计增幅约为300%,但距离发达国家仍有不小差距,2021年仅为美国的1/3、德国和日本的2/3。

        (二)能源结构优化且清洁低碳转型步伐加快

        能源结构不断优化,新能源在“十三五”时期得到快速发展,通过“三去一降一补”逐步淘汰落后产能并增加优质产能,稳步提升能源清洁低碳化水平。同时,伴随着火电、煤化工产业的优化升级以及新能源产业的发展壮大,能源消费结构优化取得突破,清洁低碳转型步伐稳健。其中,非化石能源装机占比由2015年的35%提升至2021年的47%,非化石能源发电占比由2015年的27%提升至2020年的34?.6%,非化石能源消费占比由2015年的12%提升至2020年的16?.5%;煤炭消费占比持续下降,由2015年的64%下降至2021年的56%,完成了能源发展“十三五”规划目标。

        (三)能源资源综合利用水平显著提升

        稳步推进“提质增效”攻关工作,改善了能源资源综合利用水平。单位国内生产总值能耗由2015年的0?.62 tce/万元下降到2021年的0?.46 tce/万元,但仍为世界平均水平的1?.4倍左右。大型煤矿的原煤生产综合能耗为0?.0 104 tce/t,下降了12个百分点;煤矸石及低热值煤综合利用发电装机量为4?.3×107 kW,年利用煤矸石约1?.5×108 t。矿井水综合利用率、煤矸石综合利用处置率、土地复垦率分别为79%、73%、57?.5%。煤电机组性能提升明显,火电厂供电标准煤耗为302?.5 g/kW·h。可再生能源保持了较高的利用率水平,2021年水能利用率为98?.8%,风能利用率为96?.9%,太阳能利用率为97?.9%,“三弃”电量显著减少。

        (四)能源科技自主创新能力稳步增强

        能源技术自主创新能力、装备国产化水平进展较快,在部分方向达到了国际先进水平。当前,已建立了较为完备的清洁能源装备制造产业链,覆盖了水电、核电、风电、太阳能发电;成功研制了单机容量为1×106 kW的水电机组、单机容量超过1×104 kW风电机组,打破了光伏电池转换效率的世界纪录。建成若干座应用先进三代技术的核电站,在新一代核电、小型堆等核能利用技术方面取得突破。油气勘探开发技术能力持续增强,低渗原油及稠油高效开发、新一代复合化学驱油等技术达到世界先进水平,页岩油气勘探开发技术与装备水平大幅提升,天然气水合物试采取得成功。大型矿井建设、特厚煤层综放开采、煤与瓦斯共采、燃煤超低排放发电、高效煤粉型工业锅炉、现代煤化工技术等达到或接近世界先进水平,主要煤机装备、大型粉煤气化技术实现了国产化。

        (五)有利于市场发展活力的体制机制基本成型

        国家能源体制机制改革进入了“深水区”,重点能源领域和关键环节的市场化改革持续深化,如油气体制改革全面启动,电力体制改革积极推进。逐步构建了布局合理、竞争有效的能源市场,完善了主要由市场供需来决定的能源价格形成机制,使得市场在配置资源方面的作用更为突出。① 油气勘探开发市场有序放开,油气管网运营机制改革取得关键进展;实现了管输和销售业务分离,《关于深化石油天然气体制改革的若干意见》(2017年)实施成效显著。② 全国统一的电力市场体系正在建设,以中长期交易为“压舱石”、辅助服务市场为“稳定器”、现货试点为“试验田”的电力市场体系初步显现。③ 能源领域“放管服”改革取得成效,“十三五”时期取消和下放的审批事项占比为72%。

        (六)能源自主保障能力增强但油气供给形势趋紧

        立足国内、补齐短板、多元保障、强化储备,持续完善“产供销储”体系,建成了较为完备的油气政府储备、企业社会责任储备。截至2020年年底,9个国家石油储备基地、14个亿吨级煤炭生产基地、9个大型煤电基地、9个大型风电基地建成或处于在建状态。实施煤制油化工科技攻关,形成了具有自主知识产权的煤气化、煤直接液化、煤间接液化等成套工艺技术,装备国产化率超过98%。2021年,煤制油产能为9?.31×106 t,煤制气产能为6?.125×109 m3;传统油气替代的技术储备与产能储备作用初步显现,参与国际油气谈判的平衡筹码效应逐步增强。然而,油气对外依存度持续攀高,油气供给安全问题值得关注,外部因素导致的能源安全形势趋紧。

        三、我国能源发展趋势研判

        (一)突出煤炭兜底保障作用并开展煤炭清洁高效低碳开发利用

        能源资源禀赋决定了煤炭的基础性地位,煤炭是能源安全保障的“压舱石”“稳定器”。在我国已探明的一次能源资源储量中,油气等资源占比约为6%,而煤炭占比约为94%。这说明,煤炭是自主保障最可靠的能源类型,因而长期坚持煤炭清洁高效与可持续开发利用是应有之义。

        我国煤炭工程技术具备了一定的国际竞争优势,为产业升级、高质量“走出去”创造了基础条件。然而,煤炭开发依然存在一些突出问题,不利于提高煤炭绿色、安全、可持续开发水平。着眼未来,开展智慧煤矿建设和智能化开采应用,实施资源综合利用与生态保护,驱动煤炭产业创新升级;引导煤炭行业在加强主业的同时进行多元化发展,提高优质产能与革新产品类别并重。

        我国一半以上的煤炭用于发电,近年来随着新能源开发规模的增长,燃煤发电占总发电量的比重持续下降,但燃煤发电在未来相当长时期内仍是电力供应的主力;燃煤发电除继续承担保障电力供应的主体责任外,还将为可再生能源大比例消纳提供灵活调峰服务。在开展节能、应用灵活性、供热等方面技术改造的基础上,推动燃煤发电朝着高参数、大容量、智能化方向发展,侧重新型动力循环系统、智能燃煤发电等技术研发,促进电力装备技术升级、发电用能结构转型。

        煤炭清洁高效转化利用取得重大进展,具有自主知识产权的煤气化、煤直接液化、煤制烯烃、煤间接液化等技术开展了大规模的工业化应用,可替代石油消耗约3×107 t/a,成为保障能源安全的新战略路径。着眼未来,提高煤化工产业大型化、园区化、基地化建设水平,结合资源禀赋条件,有序开展陕西榆林、内蒙古鄂尔多斯、宁夏宁东、新疆北部地区的大型现代煤化工基地建设。

        目前,煤炭清洁(绿色)转型进展较快,煤炭作为清洁能源进行应用态势良好。然而,煤炭的高碳属性决定了行业低碳转型发展任重道远,突破碳捕集利用与封存(CCUS)技术和经济瓶颈是未来应用的关键之处。

        (二)因地制宜发展可再生能源并使之成为能源供应增量的主体

        近年来,我国可再生能源技术进步迅速、成本下降明显,与化石能源的经济性差距逐步缩小,在部分应用方向初步具备了市场竞争力。随着关键技术革新、产业规模壮大,可再生能源在能源结构中的占比将持续提升,逐步由补充能源转化为能源增量主体。在大力发展可再生能源的同时,需提前规划退役期间的无害化处理和循环利用。

        水电开发仍有潜力,但水电待开发区域施工条件复杂、建造技术难度大,综合建设成本难以下降。水电技术未来发展需着力优化水电站规划、设计和建设,合理减少项目土建工程量,减轻对生态系统的干扰和社会生活的影响。

        风电发展迅速,但局部地区仍存在“弃风”问题。未来应进行风电场的高效开发利用,大幅增加风电比重。持续开发“三北”大型风电基地、东南沿海海上风电基地、东 / 中部地区分散式风电,通过技术创新降低成本并增强竞争力,提高风电在能源生产和消费中的占比。

        光伏装机量增长迅猛、布局持续优化,仍局部存在“弃光”问题。未来应坚持集中式与分布式开发并重策略,集中建设新疆、青海、内蒙古、西藏等省份的大型太阳能基地,而东 / 中部地区以分布式为主。

        生物质能利用形式多样,相应发电初具规模,但燃料成本偏高等问题较为明显。加强顶层设计并进行系统规划,将生物质能技术应用与美丽乡村建设、精准扶贫等国家重大任务紧密结合。

        地热与海洋能资源丰富、潜力较大,但因开发难度大而发展缓慢。因地制宜进行开发利用,重点突破干热岩地热提取等技术;针对海洋能开发利用由单一能种向多能互补、综合利用转变的发展趋势,重点关注波浪能、潮汐能的开发。

        (三)加强油气勘探开发力度以保障油气供给安全

        我国石油对外依存度将长期保持高位,安全供应面临挑战;陆海油气开发制约、进口通道单一、工程科技滞后于国际前沿、开发扶持政策不完善等现实制约因素突出。

        天然气需求持续上升,需要关注“增储上产”。2021年,天然气探明储量为8?.4×1012 m3,产量为2?.076×1011 m3,而消费量已超3×1011 m3。天然气探明程度低,通过常规气老区稳产、新区建产才能保持产量稳定增长;非常规天然气则依赖页岩气、深层煤层气开发以支持规模效益上产。

        着眼未来,加强油气勘探开发技术研发,构建开放灵活的油气安全保障体系。创新理论并深化认知,带动新领域拓展、战略接替区准备、重大区带与战略目标落实,支持油气勘探持续取得突破。合理增强国内油气的勘探开发力度,力争实现非常规油气的规模经济开发。继续开展战略储备库、天然气基础设施建设,增强应急保障能力。

        (四)立足自主发展核电并以技术创新提升竞争力

        我国核电稳健发展,但发电量占比依然不高。2021年,我国商业运行核电机组为53台,装机容量为5?.326×107 kW,居世界第三位;在建核电机组为16台,装机容量为1?.75×107 kW,居世界第一位。相比主要核能利用国家,我国核电总装机容量并不低,但在全国发电总量中的占比仅为5%。

        核电事业起步较晚,但具有后发优势。早期的核电技术及核心装备多为引进,目前以“华龙一号”“国和一号”为代表的第三代核电机组成功实现商业化应用,国产化率超过85%,体现了最高核安全标准。核电产业发展还存在一些短板,特殊材料、核测仪表、核安全级仪控设备、核安全级数字化控制系统等亟待攻克。

        先进核能开发的重点是加强基础研究。第四代核电机组、可控核聚变的开发研究,涉及材料、工艺、测控等基础性科学技术问题,开展相关基础研究需要大科学装置和平台。乏燃料后处理也是完善核燃料闭式循环的关键内容。

        (五)发展氢能产业并尽快实现全产业链贯通与规模化应用

        氢能是清洁能源和工业原料,绿氢在“双碳”过程中将起到重要作用。形成了包括“制 ? 储 ? 运 ? 加 ? 用”在内的氢能产业链,但产业布局缺乏统筹、各地规划趋同;资金、技术创新等资源配置不够合理,重复建设现象已有显现,膜电极、电堆及系统等方面的产能过剩。与此同时,氢能产业的部分关键材料、核心零部件、装备依赖进口,技术自主化率不高。

        近年来,我国积极开展氢能技术自主创新与产业化,技术成果转化应用效果显现,但与国际先进水平相比仍有差距。当前应用的氢气多由流程工业内部的高碳流程制取,大规模可再生能源制氢工作还未展开。大电流密度条件下制氢的电解槽能耗问题,氢气温和条件液态化规模储备、高密度存储、长距离 / 大规模运输、低成本快速加注技术等仍需突破;对于氢燃料电池相关的催化剂、碳纸、智能制造装备等,关键技术亟需提升。绿氢制备项目多处于研发示范阶段,提高效率、降低成本、规模化生产尚需时日。

        (六)以电化学储能为重点实现规模化储能

        储能规模化发展势头初显,但产业发展整体质量亟待提升。2021年,已投运的储能项目装机容量为4?.61×107 kW,标志着从商业化初期转入了规模化发展的新阶段;但储能发展的长效机制、标准体系、技术成本等均需及时补充或完善。

        近年来,抽水蓄能以外的新型储能技术发展迅速,尤其是电化学储能取得长足进步,但储能安全性问题未能缓解;压缩空气、液流电池等长时储能技术进入了商业化初期,飞轮储能、钠离子电池等技术逐步开展了规模化示范。改善储能系统的运行效率,提高装置循环寿命,降低综合生产成本,开展本征安全与能源管理,在促进储能产业规模化发展的基础上推动可再生能源的大规模、高质量应用。

        四、我国能源发展目标

        坚持系统观念,改变既有思维,通盘谋划并切实推动能源革命,积极开展能源低碳转型,确保能源供应安全,实现高质量发展。通过研究和论证,我国能源革命、“双碳”行动可按4个阶段进行推动。

        ① 2021—2030年为能源领域变革期,处于碳排量放达峰阶段,年排放量不超过1?.1×1010 t CO2;一次能源消费量达峰,年消费量约为6×109 tce;非化石能源成为能源需求增量的主体,在终端能源消费中的占比达到25%。

        ② 2031—2035年为现代能源体系养成期,属于碳排放量稳中趋降阶段,年排放量不超过1×1010 t CO2;一次能源消费量略有下降,非化石能源在终端能源消费中的占比约为28%。

        ③ 2036—2050年为能源革命定型期,进入碳排放量大幅减少阶段,国内生产总值增长与能源脱钩。

        ④ 2051—2060年为碳中和阶段,努力争取2060年前实现碳中和。

        能源革命和实现“双碳”目标都是渐进过程,二者紧密关联;最终构建现代能源体系,完全实现能源领域“需求合理化、开发绿色化、供应多元化、调配智能化、利用高效化”,建成能源强国。在上述过程中,保障能源安全既是前提又是基础,还需全面协调经济、社会、环境、气候等多方面关系。立足以煤为主的基本国情,运用系统思维,稳妥处理近中期与中远期、存量脱碳与增量引导、战略方向与现实基础的辩证联系。“富煤”是相对而言的,开展资源和产能储备,释放优质产能,同步划定煤炭产能“红线”;在新能源具备安全可靠替代条件的基础上,传统能源逐步退出,支持实现能源绿色低碳转型。

        五、我国能源发展建议

        (一)各环节全面落实节能优先方针

        节能是“第一能源”。国家能源安全新战略提出:推动能源消费革命,抑制不合理能源消费,控制能源消费总量,落实节能优先方针,将节能贯穿于经济社会发展的全过程和各领域;调整产业结构,重视城镇化节能,形成能源节约型社会。我国当前的能耗强度依然偏高,如果能耗强度下降到世界平均水平,可节能量约为1?.58×109 tce,减少排放近4×109 t CO2。以系统节能为切入点,以重点工业、居民生活用能为突破口,实行先进能效标准,建成能源节约型社会。

        牢固树立系统节能理念,全面提高能源利用效率;积极调整产能结构、优化工艺路线,加强能源计量管理和优化运行,实现能耗大幅降低。科学论证并精准制定建筑节能标准,实施建筑能效提升工程;控制城镇建筑规模,完善建筑节能标准体系,促进可再生能源利用与建筑结构的有机融合。规划全民节能行动,引导全社会形成绿色低碳生活方式与消费模式;抑制不合理能源消费,逐步实现节约用能从外部约束到自觉行动的转变。

        (二)继续实施煤炭清洁高效低碳利用

        能源资源约束趋于紧张,调整结构、提高能效、减少碳排放、保障能源安全等矛盾交织。加强煤炭清洁高效低碳利用,切实发挥煤炭的兜底保障作用,确保能源发展主动权。加强能源领域战略性前沿技术、重大应用技术研发,开展以清洁低碳、安全高效为核心的煤炭清洁高效与低碳利用技术创新,将目前依靠需求拉动的“被动式”创新逐步转向由技术积累 / 需求拉动双重推动、主 / 被动相结合的创新模式。

        提升煤炭行业的集约化、高效化、智能化发展水平,科学保护煤炭资源,严格限制散煤利用,全面提升煤炭加工利用的集中度和清洁性。建立煤电、煤化工发展的准入及退出机制,淘汰落后产能,驱动煤电的集约化、高参数、大容量、清洁化、智能化发展;有序发展煤基新材料、碳材料,引导现代煤化工的高端化、清洁化、低碳化发展,实现煤炭由单一的燃料属性向燃料 / 原料并举转变。开展大规模(百万吨级 / 年)碳捕获与封存(CCS)/CCUS关键技术研发和工程示范建设,发布综合配套政策,推进CCS/CCUS的碳减排量核实研究并纳入碳市场认证交易。

        (三)站位全局谋划并推动可再生能源成为未来能源供应增量的主体

        可再生能源快速发展并成为能源供应增量的主体已是共识。然而,传统能源的逐步退出需建立在新能源安全可靠替代的基础上,能源降碳与能源安全不可偏废。可再生能源发展需采取系统观念并进行全局谋划。在可再生能源技术发展、逐步替代化石能源的过程中,应科学规划并算清“经济账”,即技术与经济考量相结合,全面反映能源系统的经济性。若过早就不合理、不成熟的可再生能源开发利用技术进行产业化,可能引发技术路线、经济投资的“锁定”效应,将不利于能源发展全局。

        制定可再生能源中长期发展专项规划,科学统筹并有序推进可再生能源行业发展。协调发展新能源产业构成,解决大规模新能源接入可能带来的电力安全与稳定性挑战;引导“风光水储氢”产业模式创新,构建电源侧储能、电网储能、需求侧响应协调发展机制,开展跨季节热储能技术与工程示范。完善可再生能源补贴退坡制度设计,提升可再生能源补贴的精准性和有效性。

        (四)加快低碳转型并统筹构建多能互补能源系统

        我国积极参与全球气候治理,得到了国际社会的认可,然而能源系统中的消费持续增长、高碳品类占比高、碳排放规模大、低碳转型难度大等问题是客观存在的。能源系统实现碳中和任务艰巨,应革新能源技术、创新能源业态,在加快低碳转型的过程中寻找发展机遇,推动能源更好、更快、更绿色发展。化石能源、非化石能源耦合互补的能源系统是未来经济可行的能源发展模式。随着新能源装机规模进一步扩大,电力系统的边际成本将明显增加,保障电力系统调峰、调频需求的辅助成本占比也将大幅提高,近零碳排放的化石能源利用(配以CCUS技术)将成为平衡和兜底组合的重要形式。

        能源安全事关经济社会发展全局,保障能源系统安全稳定运行是近中期能源转型的首要前提。结合当前形势及近中期演变,能源需要“靠得住、用得起、能作主”,应系统谋划能源供应的充足性、可靠性、价格可承受性、稳定性;尤其是大规模、高比例可再生能源接入电力系统后,更要考虑各类不确定性事件的潜在影响,发挥煤炭等化石能源在保障能源安全底线方面的关键作用。化石能源的减量及退出充分论证,避免过程冒进,确保能源系统以安全可靠、经济可行的方式满足经济社会发展需求;有关成本分摊安排需有可实现性,以支撑“双碳”战略目标的稳健实现。

        在有关能源政策规划的编制过程中,突出能源供给与运行安全的重要性,针对性制定政策法规。加强新能源与传统化石能源协同开发利用模式研究,特别是强化能源电力、能源化工、能源冶金等零碳排放技术及工艺模式研发,支持新能源制氢(绿氢)、(煤)化工耦合制取零碳排放化工品、绿氢直接还原炼铁工艺等应用技术研究与工程示范。加快构建新型电力系统,统筹煤电与新能源发电,支持新能源发电逐步成为电力供应主体,兼顾电力安全稳定运行和系统平稳转型。加强“油气煤”国家储备、安全灵活的智能电网与能源互联网等重大工程建设,切实把握能源安全保障底线。


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