201412-中国能源系统的战略思考-倪维斗-讲座.

中国能源系统的战略思考清华大学热能工程系教授中国工程院院士倪维斗2014年12月提纲一、能源与环境形势严峻二、煤炭清洁高效转化2习近平同志最近强调：能源安全是关系国家经济社会发展的全局性、战略性问题，对国家繁荣发展、人民生活改善、社会长治久安至关重要。面对能源供需格局的新变化、国际能源发展新趋势，保障国家能源安全，必须推进能源生产和消费革命。——要立足国内建立多元供应体系，大力推进煤炭清洁高效利用，着力发展非煤能源，形成煤、油、气、核、新能源、可再生能源等多轮驱动的能源供应体系。——推动能源技术革命，带动产业升级。以绿色低碳为方向，分类推动技术创新、产业创新、商业模式创新，把能源技术及其关联产业培养成带动我国产业升级的新增长点。3能源与环境形势严峻全世界，尤其是中国，能源和环境问题日趋严重中国在这个问题上实际上已被逼到“墙角”，是“矛头”的指向气候变化：中国每年排放CO2已达95亿吨(BP世界能源统计2014，该数据与中国官方数据相比偏高)，贡献率达27%，为世界第一能源安全：现状堪忧，尤其是石油用量的不断增长，国产石油最多2亿吨/年，对外依存度已达59.0%（中国能源统计年鉴2013）。美国却从前几年的60%下降到28%（IEA世界能源展望2013），不久美国页岩气将出口。我国汽车生产量全世界第一，还要持续。利比亚、南苏丹、尼日利亚、缅甸（伊洛瓦底江）……到处被挤压。4能源与环境形势严峻PM2.5——是一个非常大且复杂的问题，来源非常广泛，主要是化石能源（煤、汽油和柴油）的燃烧。我国炼油工艺和设备需要大改革。煤焦油中的多环芳烃进入油品，有机污染物与雾霾等。据研究，PM2.5的形成过程中NOx和VOC是主要驱动力。我国官员和全体人民是否有强烈的危机感？我国是否对此做好了临战准备？5如何在2011~2050年间用好1000~1200亿吨标煤051015202519902000201020202030可再生能源水电核电天然气石油煤十亿吨标准煤数据来源：BP2030世界能源展望，2011世界一次能源消费预测6在世界一次能源消费中的比重0%10%20%30%40%50%19902000201020202030煤石油天然气核电水电可再生能源数据来源：BP2030世界能源展望，20117全球能源消费产生的二氧化碳排放量051015202530354019902005201020102030天然气石油煤数据来源：BP2030世界能源展望，2011十亿吨二氧化碳8Thefutureofcleanenergyisdirtycoal920102020203020402050010203040506070煤石油天然气核电可再生能源亿tce2010202020302050一次能源消费总量(108tce/a)32.54555652010–2050累计煤炭消费≈1000亿吨标煤一次能源消费预测Δ=1.25Δ=1.0Δ=0.5两个要点：1.煤仍为主力能源2.2013年我国人均能源消费量约为2.6tce/a，远低于美、德、法、日等国3.预计2030年我国人均能源消费量4tce/a（预计人口14亿）10数据来源：工程院中国能源中长期（2030、2050）发展战略研究，2011CO2排放20102020203020402050020406080100120煤石油天然气CO2排放/亿吨CO2排放峰值出现时间203020352040峰值（亿吨CO2/年）8090100在2030年后大幅度减排CO2主要还是靠煤的清洁低碳利用！11数据来源：工程院中国能源中长期（2030、2050）发展战略研究，2011201020202030204020500246810121416水电风电太阳能生物质能其它亿tce中国可再生能源的发展趋势6亿吨标煤占总量45亿吨标煤的13.3%12数据来源：工程院中国能源中长期（2030、2050）发展战略研究，2011应对全球气候变化，国际上可能留给中国的CO2排放空间已经非常小——应及早主动应对而不是被动减排若要将未来全球温升控制在2~3摄氏度，2050年全球CO2排放需要比1990年减少50%左右，只能排放104亿吨(1990年208亿吨)，这也就是届时全球CO2排放的总空间。即使发达国家承诺减排其中80%，发展中国家整体上也需要比2005年减排36%。中国正处于CO2排放的上升期，面临国际上对我国CO2排放峰值出现时间和绝对值的要求（譬如2030年80亿吨，2035年90亿吨，2040年100亿吨等），在已经大力强化节能和发展核能和可再生能源的条件下，未来在碳减排上仍将处于被动状态。关键是我们把CO2减排真正看做自己和国际上的需要，还是国际上对我国发展的制约？是否真心想减排？13不可改变的事实煤现在是、将来仍是我国能源的主力。66.6%50%煤炭是中国最重要的能源，生产和消费的数量大、比重高，短期内难以替代。煤用于发电的比例将越来越大。从目前的49.8%上升到70%以上，绝对量的增加更大。煤的直接燃烧已引起严重的环境污染。70%~80%以上的SO2，NOX，汞，颗粒物，CO2等。煤的直接燃烧很难解决温室气体减排问题。数据来源：现状来自中国能源统计年鉴，201314不可改变的事实根据我国探明的化石能源储量，煤炭占94%的资源特点，以煤为主的能源格局在相当长的一段时间内还会持续。以煤为主的可持续发展的出路在于高效清洁利用（包括CCS）。2012年我国煤炭消费36.7亿吨（13年概略为37.5亿吨）（包括进口2.9亿吨），其中用于发电（含热电联产）为18.3亿吨，仅占总消费量的49.8%。2012年世界煤炭消费中用于发电的比例约为53.5%，更低于美国98%和德国89%的水平。数据来源：现状来自中国能源统计年鉴，2013；使用标煤计数15煤炭清洁高效转化的途径先进的燃煤发电技术进一步提高能效，减少排放例如：上海外高桥第三发电厂IGCC煤基多联产能源系统技术系统过程集成，物质和能量多维度梯级利用甲醇电多联产系统煤“拔头”提质??16I.上海外高桥第三发电厂的先进指标原世界运行效率最高的丹麦Nordjylland电厂3号411MW两次再热、低温海水冷却机组，2009年供电煤耗（不含供热）286.08克/千瓦时（净效率42.93%），平均发电负荷率89%。折合75%负荷率下的供电煤耗288.48克/千瓦时。27027227427627828028228428628820082009201020112012287.44282.16279.39276.02276.14供电煤耗（克/千瓦时）运行年份平均负荷率75%75%74%81%77%年平均运行供电煤耗（含脱硫、脱硝）全国发电平均煤耗330gce/kWh17现在的实际运行性能在全年平均负荷率为75-81%的条件下，其实际全年平均供电煤耗（包括脱硫和脱硝）276gce/kWh，折算到额定负荷下的供电煤耗为264gce/kWh全年平均实际供电效率（包括脱硫和脱硝）为44.5%如果将全年平均实际供电效率折算至设计工况，则供电效率应为46.5%排放浓度粉尘排放：11.63mg/m3；二氧化硫SO2：17.71mg/m3；氮氧化物NOx：27.25mg/m3厂用电率（额定负荷）：2.0%两年来被迫停机率：0已达到气体燃料的排放指标18创新和优化对外三厂的供电效率的改善年份20082009201020112012实际供电效率（包括脱硫和脱硝），%42.7343.5343.9744.5044.40实际供电煤耗（包括脱硫和脱硝），gce/kWh287.44282.16279.39276.02276.14年平均负荷率，%7575748177根本问题是CO2的捕捉与处理，这是外三模式所不能处理的问题。19自主产权成果：高低位分轴布置的汽轮发电机组技术特点：采用高低位方式布置双轴、二次中间再热发电机组，将高压汽轮机、第一中压汽轮机和第一发电轴系高位布置在紧靠锅炉的位置；第二中压汽轮机、低压汽轮机和第二发电机等低位布置在常规汽轮机房。技术优点：有效缩短高温高压蒸汽管道长度，节省大量高温高压管道；大大降低主蒸汽和再热蒸汽的压力损失。20自主产权成果：高低位分轴布置的汽轮发电机组1350MW、二次再热、超超临界机组高低位分轴布置汽轮发电机组设计参数：额定功率：1350MW主蒸汽流量：3229T/h，最大3416T/h主蒸汽压力/一次/二次再热蒸汽压力：30MPa/9.17MPa/2.25MPa主蒸汽温度/一次/二次再热蒸汽温度：600℃/610℃/620℃冷却水温：19℃21自主产权成果：高低位分轴布置的汽轮发电机组（续）技术目标：在成熟的600oC参数下，目标为能耗指标发电效率50.75%发电净效率（含脱硫、脱硝）48.92%供电标准煤耗251g/KWh环保指标SO2排放浓度≦15mg/m3NOX排放浓度≦20mg/m3烟尘排放浓度≦5mg/m322燃煤超超临界蒸汽电站（USC）不一定是煤高效利用的唯一重点方向欧盟AD700计划（37.5MPa/700℃/720℃，η=52~55%），此工作自1998年在欧盟国家已开展了10余年，至今未商业化使用大量昂贵的合金材料，其根本原因在于锅炉是外燃式，高温烟气要通过管壁来加热工质。我国28MPa、600℃超超临界参数锅炉所用的材料P91、P92主要靠进口，1000MW级机组锅炉成本约5亿，其中2.5亿用于进口材料。目前已运行的超超临界锅炉已发生过热器蒸汽侧管道较严重的腐蚀问题，其机理不明。若要进一步提高蒸汽温度（如720℃或以上）和相应压力，在材料方面会有更高的要求，这种高级合金的每单位装机所用数量是相对比较大的，材料的价格是一大关键。23燃煤超超临界蒸汽电站（USC）不一定是煤高效利用的唯一重点方向煤直接燃烧，从烟气里收集CO2代价很大烟气中CO2浓度低（浓度大约13~14%，70~80%都是氮气）、压力低、处理的烟气体积流量大，因而能耗大（分离和再生过程均是耗能的）按目前的技术，CO2捕捉和埋存使整个燃煤发电效率降低11个百分点，投资将增加1倍。原来发电效率是45%，则加上CO2捕捉、埋存环节会降为34%。随着环保要求越来越高，尾部烟气所需脱除的污染物标准越来越严，除SO2、NOX、Hg、PM2.5，进一步还有CO2（在直接燃烧条件下脱除要耗费较大能源和成本）燃煤超超临界蒸汽发电从技术、经济（价格）、常规污染物的脱除、CO2减排上都具有一定先天性的缺陷24各种典型捕碳发电系统捕碳前后的效率（捕碳率为90%，NETL）36.839.138.239.341.139.124.927.232.831.73229.3051015202530354045SubPCSCPCTexacoE-GasShellSCPC发电机组净发电效率（HHV%）不捕碳捕碳燃烧后捕集燃烧前捕集富氧燃烧捕集SubPC亚临界煤粉锅炉发电机组SCPC超临界煤粉锅炉发电机组Texaco采用Texaco水煤浆气化炉+激冷流程的IGCC发电机组E-Gas采用CoP水煤浆气化炉+激冷流程的IGCC发电机组Shell采用Shell干煤粉气化炉+废锅流程的IGCC发电机组25各种典型捕碳发电系统捕碳前后的发电机组单位投资成本（捕碳率为90%，NETL）1549157518131733197715752895287023902431266816600500100015002000250030003500SubPCSCPCTexacoE-GasShellSCPC发电机组单位投资成本（美元/kW）不捕碳捕碳燃烧后捕集燃烧前捕集富氧燃烧捕集SubPC亚临界煤粉锅炉发电机组SCPC超临界煤粉锅炉发电机组Texaco采用Texaco水煤浆气化炉+激冷流程的IGCC发电机组E-Gas采用CoP水煤浆气化炉+激冷流程的IGCC发电机组Shell采用Shell干煤粉气化炉+废锅流程的IGCC发电机组26各种典型捕碳发电系统捕碳前后的单