科学用能与可再生能源开发(中国科学院,徐建中)

科学用能与可再生能源开发徐建中中国科学院工程热物理研究所一、世界能源形势能源在人类社会发展中的作用人类生存和发展的基本条件：物质、能量和信息推动人类社会发展：工业革命“能源危机”环境污染不能走传统的发展道路建立可持续发展的能源结构未来能源需求的特点1、总需求持续上升总量2020年比2000年增长50%以上，能源供应形势紧张在一段长时期内，化石能源仍是主要的一次能源天然气比例增加，石油减少可再生能源2030年前后大规模应用2、环境保护对能源结构影响大为减少燃煤污染，大量使用天然气、石油为减少温室气体排放，注重节能和科学用能加速可再生能源开发逐步建立可持续发展能源结构全球气候变化煤炭等化石燃料排放的温室气体造成严重环境污染《京都议定书》对发达国家提出要求：在2008～2012年间，将其温室气体的排放量从1990年的排放水平平均降低5.2%主要能源CO2排放量来源排放量（克/千瓦时）煤751～961石油726天然气428可再生能源可减少温室气体排放例如，风电每提供100万千瓦时电量，平均可减少600吨CO2排放量国际能源机构统计CO2排放量前五位的国家国家CO2排放量（％）美国20.6中国14.8俄罗斯5.7印度5.5日本4.03、高新技术对能源技术影响大新一代能源系统燃料多元化设备小型化冷热电联供与多联产网络化智能化控制环境友好循环经济注意吸取国外经验教训，避免走弯路也是跨越式发展二、能源在我国经济和社会发展中的战略地位与存在问题1、能源需求迅速增长，供需矛盾尖锐化石能源资源不丰富，人均占有量更低经济和社会发展迅速，供需缺口不断扩大，能源供应紧张从更长时期考察2020年以后，常规能源生产与能源总需求的缺口继续扩大，直到人均GDP达到10,000美元左右保证清洁、经济、充足、安全的能源供应是我国发展长期的重大瓶颈为解决这一问题，必须有新的思路和技术措施人均1万美元时的能源消耗到本世纪中叶，我国人口15—16亿人均GDP1万美元如果人均能耗4吨标煤(传统工业化国家标准）那么总能耗60—64亿吨标煤这是难以实现的！如果人均能耗3吨标煤那么总能耗45—48亿吨标煤这是有可能实现的！人均能耗3吨标煤应当是新型工业化国家的目标这是一个十分艰巨的任务，绝不是简单的“节能”所能达到的关键是科学用能2、能源结构不合理，优质液体燃料短缺到2020年，石油需进口2亿吨以上3、效率低下，浪费惊人利用率比国际水平低约十个百分点一次能源转化为电能的比例低4、环境影响更加严重，减排治污、保护生态刻不容缓大量燃煤造成严重大气污染SO2和NOx的排放细微粒子重金属燃烧化石燃料产生大量温室气体CO2减排问题5、国际竞争逐年加剧，能源安全问题突出，全球战略势在必行既利用本国资源，又利用国外资源来满足我国的能源需求立足加强国内油气勘探的基础上，实行立足国内外两种资源和两种市场并重的方针结论我国面临能源和环境双重巨大压力，是经济和社会发展的长期瓶颈，是始终必须高度重视的重大问题正确的能源发展和保护环境战略对我国至关重要确保清洁、经济、充足、安全的能源供应我国的能源战略努力推进节能和科学用能指导思想和核心抓紧化石燃料的洁净技术煤炭的多联产技术石油、天然气的勘探、开采与利用大力开发可再生能源和新能源我国应高度重视煤炭：资源有保证环保、水、安全制约，开采规模受限制石油：缺口大能源安全问题突出天然气：将有大发展水电：高速发展须十分注意环境保护核电：积极发展资源有限三、节能和科学用能提高能源利用效率，减少能源消耗，保护生态环境科学用能是实现节能的根本途径，是能源科技发展的必然结果科学用能代表先进文化的前进方向，体现先进生产力发展的要求52位院士和百余位专家联名发出科学用能的倡议书1、什么是科学用能深入研究用能系统的合理配置和用能过程中物质与能量转化的规律以及它们的应用，以提高能源利用率和减少污染，最终减少能源的消耗从系统科学角度，研究科学用能；对用能的全过程和各个环节进行分析、研究，综合得出结论；工程实现和用能的科学管理科学用能的研究内容能量和物质转化的规律用能的规划用能的系统用能的技术用能的方法用能的管理、法律与政策2、节能和科学用能的两个主战场（1）建立科学用能的理论、方法例如，对热能利用已经建立了“温度对口，梯级利用”的原理中低温余热和余压的利用（2）高耗能产业的节能与科学用能产品革新流程改进产业结构升级3、通过更新认识科学用能建筑科学用能：我国建筑能耗占总能耗的30%左右到2020年，每年新建住房20亿m2我国建筑能耗是相近气候国家的2—3倍，且污染严重与健康、舒适、智能结合，创建生态建筑建筑用能的特点65%15%14%6%采暖空调热水供应电器照明炊事除照明外，建筑物用能主要是冷和热这样一些品位较低的能源建筑科学用能的新认识冷和热这样一些品位较低的能源，其对应的温度范围比较窄，大致与可再生能源及环境能源相差不多完全可以通过热泵将可再生能源和环境能源转换为建筑物所需的冷和热尽可能利用可再生能源和环境能源这应当是建筑节能的主要方向之一建筑科学用能的技术层面制定明确的节能目标和具体指标小区或建筑群的科学用能方案针对建筑用能特点，不同形式能源的科学利用尽可能使用低品位能源可再生能源与环境能源的利用热泵的广泛采用围护结构的高性能和功能化4、通过采用新技术科学用能分布式能源系统（DES）：建在用户附近冷热电联供能量梯级利用提高能源利用率减少污染经济效益好无需变电设备和大地下管网社会效益好提高用电可靠性集中式与分布式有机结合是21世纪能源工业的重要发展方向美国能源部的目标：2010年分布式占新增发电20%适应大量应用天然气的形势对建筑节能有重要意义实现绿色建筑的技术基础DES的发展系统的基本构成：动力系统和发电机（电）整个系统的核心—微型或小型动力装置（包括燃气轮机、内燃机、燃料电池、Stirling机等）供热系统（余热回收装置，供暖、热水、通风）制冷系统（供冷、除湿）DES中冷热电三者之间的关系从获取最大的经济效益出发，建立三者之间的关系注意充分利用中低温余热，发挥环境热源与热泵的作用针对具体用户的不同需求，研究、制定适用的“个性化”方案系统集成技术能量的梯级利用电驱动热泵驱动制冷生活热水采暖排放环境低温中温高温燃料品位5、在循环经济中科学用能在工业生产中实现3R控制反应物和反应条件，清洁生产，减少污染物能量梯级利用把能量梯级利用原理扩大到化学能，能量释放与化学反应结合，尽可能减少废物和“废能”充分利用化工工程中的余热多个化工过程交叉、多领域多学科的系统集成四川省井研生态工业园区井研概况：生态农业财政贫困县盐资源：分布广、储量大、埋藏浅、盐层厚、品质好天然气资源：浅层和厚层传统盐化工：大规模、高耗能、高污染改变传统发展模式：“资源—产品—污染排放”单向直线发展循环经济总体思路：清洁生产，科学用能，资源再循环利用盐卤、天然气资源，就地增值贯彻可持续发展战略，采用环境友好技术使环境不受损害以科学用能理论为指导，提高能源利用效率，节约能源最终成为一个环境、资源、经济协调相容的生态示范工业园区清洁生产清洁生产工艺：熔态水解制碱、秸秆生物转化氯污染解决：小规模—高蛋白饲料大规模—PVC从根本上解决传统盐化工高污染、高能耗的问题，实现原料、生产过程及产品全生命周期的环境友好科学用能化学能与物理能的综合梯级利用化工/动力多联产系统高温热集成尾气供热：天然气部分氧化、熔态水解法制碱高温烟气供热：蒸发、结晶、分离、蒸汽动力中低温热集成热泵技术、中低温吸收制冷技术资源再循环盐化工/天然气化工/动力产业延伸和耦合资源的循环利用盐酸或氯气：秸秆转化、天然气基PVC二氧化碳：碳酸化工艺农业废弃物：生物转化过程废气：供热或联产动力和发电Ñλ¯¹¤ÌìÈ»Æø»¯¹¤¶¯Á¦ÂÈ»¯ÄÆ¢ÚCO2¢Ûδ·´Ó¦È¼ÁÏ¢ÙHClÌìÈ»Æø½Õ¸Ë´¿¼îËÇÁϵçÕôÆûÀäÈÈË®¼×´¼¶þ¼×ÃÑPVCÈȵ硢ÈÈ¡¢ÀäÈÈÈȵçÈÈ部分氧化分离氧氯化天然气聚合PVCCO,CO2,H2（富氢）NaCl(卤水)熔态水解碳酸化氯化催化氧化生物转化Na2CO3NaClO3HCLCl2蛋白饲料Na2OA秸杆C2=,C2三CO,CO2,H2C2=,C2三氯乙烯甲醇合成甲醇分离DME合成DMEDME精制未反应气CO,CO2,H2燃气透平蒸汽透平余热锅炉电富CO2烟气蒸发结晶甲醇``天然气化工盐化工Cl2动力热热热6、大力推进科学用能（1）实施全社会的科学用能战略进行全民节能和科学用能的宣传，倡导可持续生活方式，树立危机感调研我国能源利用情况，分析、总结节能现状清理、筛选、集成和推广现有的节能方法、技术和措施(2)抓住重点领域的科学用能对高耗能领域逐个进行分析和研究，凝练优先资助项目，力求早日突破深入分析耗能高的原因，提出科学用能的新思路和新方法引进国外先进节能技术，尽早消化吸收和国产化，并进一步提高(3)建立科学用能的新理论、新方法针对共性科技问题，进行深入、系统研究，特别是结合循环经济重视和加强基础研究，增强自主创新能力发展科学用能新思路、新系统、新理论、新方法、新技术设立专项奖励基金(4)把节能和科学用能落到实处在市场经济条件下加强节能和科学用能制定产品能耗标准，强制执行制定和完善有关法律、法规和政策修改、完善“节能法”等政府的职责宏观调控和引导四、可再生能源取之不尽的清洁能源减少污染：CO2减排、利用和储存从根本上解决能源问题的主要途径之一种类多地热能、海洋能因地制宜发展重点：太阳能、风能、生物质能大力发展可再生能源利用技术部分技术已逐渐成熟有望成为解决我国能源短缺和环境污染的重要途径发展低成本高效率利用技术把降低成本放在第一位研究、开发先进储能技术物理储能化学储能《可再生能源法》将促进我国可再生能源大发展我国可再生能源利用技术将大发展2010年发电装机容量将达6000万千瓦，年发电量约1800亿千瓦时，装机容量占全国总装机容量的10％，发电量占全国总发电量的6％2020年发电总容量将达1.27亿千瓦，年发电量约3800亿千瓦时，发电容量将全国发电总容量的12％，发电量占全国发电量的8％1、太阳能太阳能热利用技术应用普遍年增长率20%开发太阳能制冷和除湿技术开发太阳能海水淡化技术太阳能光伏技术发展迅速与建筑相结合太阳能空间发电技术太阳能热发电技术基本成熟大规模发电的主要方法成本与发电规模关系大我国有丰富的太阳能热发电资源西部地区几万平方公里面积热发电产生的电力就可满足全国2004年全年的电能消费太阳能发电成本的比较我国法向辐射太阳能资源分布不同发电方式生命周期内CO2排放比较太阳能热发电的形式（按聚光方式）碟式塔式槽式成本发展前景(美国)槽式：2012年5美分/kWh塔式：2018年4美分/kWh碟式：2025年6美分/kWh(SolarEnergyTechnologiesMulti-YearProgramPlan2003-2007,DOE2003)成本发展前景(IEA,2005)从塔式电站开始塔式太阳能热发电技术具有高温、高效、节水的能力CR：槽式70-100塔式200-1000线形50-300高参数400°C-500°C蒸汽与常规电站形式混合燃料运行在大焦比下空气可加热到1200°C，用高效率无水BRAYTON循环,建沙漠电站我国应当大力发展太阳能热发电采用经济性好的塔式和槽式包括其他改进的聚光方法为减少用水，动力采用空气透平使用复杂循环，提高发电效率开展材料方面的研究吸热涂层和反射膜加强蓄能的研究2、风能发电风能发电技术基本成熟从1993年到2003年全世界风电的年增长率为29.7%；风能发电量占总发电量的0.5%；预计到2020年将达到12%德国2010年风电占总发电量的4.2%，2050年占50%；丹麦规划2030年风电装机容量占总装机容量的45%我国规划2020年风电达到3千万千瓦与新增核能发电相当我国有丰富的风电资源初步测算：在陆地离地面10m高处，可开发储量为2.53亿kW；海上可开发储量为7.5亿kW；总计约10亿kW风机大型化要求考虑距地面50米或更高处风能资源