從吳仲華院士報告看我國能源行業(yè)40年滄海巨變

40年前，我國著(zhù)名的能源技術(shù)科學(xué)家吳仲華曾經(jīng)在中央書(shū)記處舉辦的科學(xué)技術(shù)知識講座中作了一篇《中國的能源問(wèn)題及其依靠科學(xué)技術(shù)解決的途徑》報告，對當時(shí)的能源情況、能源品質(zhì)做了詳細的分析和評價(jià)。

時(shí)隔四十年，回顧這份報告，我們既能發(fā)現四十年來(lái)我國能源行業(yè)所發(fā)生的巨大變化，也能認識到即使時(shí)過(guò)多年，報告中關(guān)于節能和提效的理念在今天同樣適用?；仡櫮茉窗l(fā)展的歷史，我們不免感嘆，能源的技術(shù)迭代日新月異，而能源發(fā)展的理念卻始終如一。

01 四十年新能源發(fā)展的巨大變化

報告發(fā)布時(shí)：

報告從能流密度、開(kāi)發(fā)價(jià)格、設備價(jià)格、儲存、運輸以及污染等方面對天然氣、石油、煤炭、有機物、水力和風(fēng)力、太陽(yáng)能、海洋能、地熱能、核能等能源進(jìn)行了分析評價(jià)。

從能源品質(zhì)評價(jià)來(lái)看，人們對傳統化石能源的評價(jià)與現在并沒(méi)有太大區別，而對新能源的觀(guān)念無(wú)疑是轉變最大的部分。報告中認為，天然氣、石油、煤炭、水力、核能等常規能源在能流密度方面有巨大優(yōu)勢，其中，天然氣、石油、煤炭與核能在儲運方面也有較好的經(jīng)濟性，但也存在巨大的污染問(wèn)題。

報告中提到，太陽(yáng)能和風(fēng)能的能流密度只有幾百瓦每平方米，因此能量密度極低，同時(shí)二者設備價(jià)格高昂，在當時(shí)每千瓦平均投資達到萬(wàn)元以上。與此同時(shí)，風(fēng)能和太陽(yáng)能的儲存和運輸在當時(shí)是一片空白，基本不存在儲運的可能性。

當前現狀：

而在今天，人們收集風(fēng)電和光伏能量的效率已經(jīng)大幅提升，目前光伏市場(chǎng)主流的P型單晶電池所采用的PERC技術(shù)目前平均轉換效率已經(jīng)能達到23%左右，未來(lái)具有巨大發(fā)展前景的HJT（異質(zhì)結）技術(shù)理論上能達到25%左右。

而且以風(fēng)電和光伏為主的新能源已經(jīng)實(shí)現了平價(jià)上網(wǎng)，根據中國光伏協(xié)會(huì )（CPIA）發(fā)布的《中國光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展線(xiàn)路圖（2020版）》，2020年全投資模型下的地面光伏電站在1800h、1500h、1200h、1000h的LCOE（平準發(fā)電成本）分別為0.2、0.24、0.29、0.35元/kWh（分布式光伏電站為0.17、0.2、0.26、0.31元/kWh）。2021年后在大部分地區實(shí)現與煤電基準同價(jià)，未來(lái)風(fēng)電和光伏發(fā)電成本還有進(jìn)一步下降的空間。

從裝機來(lái)看，截至2020年底，我國風(fēng)電、光伏裝機分別達到了2.81億千瓦和2.53億千瓦，雙雙位居世界第一。在我國提出碳達峰和碳中和目標之后，風(fēng)電和光伏將會(huì )成為十四五乃至未來(lái)四十年的能源增長(cháng)的主體。

02 燃機效率的巨大提升

報告發(fā)布時(shí)：

報告中提到，燃料價(jià)格日益高漲，除了經(jīng)濟性的考慮之外，我國還要考慮以?xún)杀兜哪茉丛鲩L(cháng)來(lái)支撐四倍的經(jīng)濟增長(cháng)。在這種要求下必須科學(xué)的利用能源，不斷提高能效。

以燃煤和燃氣為主的火電是過(guò)去幾十年我國能源的主體，而且燃煤機組和燃氣機組技術(shù)也取得了長(cháng)足的進(jìn)步。

燃煤機組方面，報告中顯示當時(shí)我國以蒸汽輪機發(fā)電的火電站平均效率大約是29％。一般高參數大功率蒸汽輪機電站的發(fā)電效率可達38％，如果考慮消除污染設備的能量消耗及有些損失，效率就降低到36％以下。

當前現狀：

經(jīng)過(guò)四十年的發(fā)展我國的燃煤發(fā)電技術(shù)已經(jīng)領(lǐng)先世界，期間煤電機組從300MW到600MW，再到1000MW機組，從亞臨界到超臨界和超超臨界機組，從一次再熱到二次再熱機組，我國煤電機組的效率不斷取得突破。

目前，以2020年底投運的大唐東營(yíng)電廠(chǎng)為例，其鍋爐采用國內先進(jìn)的超超臨界二次再熱塔式爐，效率能達到94.9%。由于采用世界百萬(wàn)千瓦機組的高參數、大容量、新技術(shù)，其設計供電煤耗僅為258.72克/千瓦時(shí)、廠(chǎng)用電率為3.88%、全廠(chǎng)熱效率為49.4%。

在燃氣機組方面，國內燃機與國際先進(jìn)水平尚有差距。燃氣輪機因為種類(lèi)繁多，包括航空發(fā)動(dòng)機、航改燃氣輪機、船用燃氣輪機、車(chē)輛與工業(yè)驅動(dòng)燃氣輪機以及各種微型燃氣輪機，所以制造難度很大。重型工業(yè)燃氣輪機屬于燃氣輪機的一種，它因為極高的制造工藝和技術(shù)要求被稱(chēng)為制造業(yè)的皇冠。

報告發(fā)布時(shí)：

報告中提到，燃氣輪機與蒸汽輪機聯(lián)合裝置在發(fā)電上已大力發(fā)展，燃氣輪機可以耐高溫，能夠在1000℃以上的高溫下工作。它的排氣溫度為500～600℃，可以利用在余熱鍋爐中產(chǎn)生蒸汽，帶動(dòng)蒸汽輪機工作，所以熱效率高。當時(shí)聯(lián)合循環(huán)發(fā)電效率能超過(guò)46％。

當前現狀：

重型燃氣輪機經(jīng)過(guò)四十年的發(fā)展，其技術(shù)水平已經(jīng)大幅提高。目前重型燃機的主要技術(shù)水平體現在壓氣機壓比和透平進(jìn)口燃氣溫度這兩項指標上，其中透平進(jìn)口溫度直接影響燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組的熱效率。因此，根據透平進(jìn)口燃氣溫度吧燃機分為E、F和H級。

其中，E級重型燃氣輪機透平進(jìn)口約1200℃，F級透平進(jìn)口溫度約為1400℃，目前最先進(jìn)的H級透平進(jìn)口溫度達到1430℃-1600℃。溫度越高代表技術(shù)等級越高。目前全世界最先進(jìn)的H級重型燃氣輪機單循環(huán)和聯(lián)合循環(huán)的熱效率已分別超過(guò)了40%和60%，是所有熱-功轉換發(fā)電系統中效率最高的發(fā)電方式。

03 儲能的重要性重新被認識

報告發(fā)布時(shí)：

報告中對儲能的介紹并不多，而且停留在對石油、天然氣、煤炭等能源的儲存和運輸水平，這并不奇怪，因為以鋰電池為主的儲能技術(shù)是近十年的新鮮產(chǎn)物，得益于新能源汽車(chē)的快速發(fā)展，儲能技術(shù)已經(jīng)逐漸在電力系統中扮演重要角色。

由于可再生能源發(fā)電先天具有間歇性和波動(dòng)性，具有可再生能源發(fā)電高占比的能源結構轉型勢必會(huì )導致電力系統面臨安全問(wèn)題，風(fēng)光發(fā)電具有的隨機性給電網(wǎng)穩定運行提出了新的挑戰。而儲能有望成為解決可再生能源消納的最終方案。高比例的可再生能源電網(wǎng)配置儲能電站，不僅可以降低棄風(fēng)棄光率，更重要的是可以平抑新能源波動(dòng)，并參與系統調峰調頻，增強電網(wǎng)的穩定性。

當前現狀：

目前，儲能設施成本正在不斷下降，未來(lái)有望成為新能源發(fā)電的固定配套設施。根據彭博新能源財經(jīng)（BNEF）發(fā)布的研究報告《EnergyStorageSystemCostsSurvey2020》，2020年一個(gè)完成安裝的、4小時(shí)電站級儲能系統的成本范圍為235-446美元/千瓦時(shí)。

與此同時(shí)，隨著(zhù)新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)不斷壯大，大量退役后的動(dòng)力電池可以用于儲能設施進(jìn)行梯次利用。因此，動(dòng)力電池技術(shù)進(jìn)步和動(dòng)力電池體量增長(cháng)可以進(jìn)一步加速儲能行業(yè)成本降低。根據BNEF預測，到2030年鋰電池組的平均價(jià)格有望進(jìn)一步下降至68美元/kWh，較2020年降幅達58%，是儲能系統下降的最大驅動(dòng)力。

04 能源的重要性發(fā)生變化

報告發(fā)布時(shí)：

報告中認為，油和天然氣是優(yōu)質(zhì)能源，在相當長(cháng)一段時(shí)期內煤是中國的主要能源，要加強它的勘探與開(kāi)發(fā)，把加快煤炭的開(kāi)發(fā)擺在重要的地位。但煤油氣在開(kāi)采、運輸、轉化與使用中都面臨不少困難，須加強有關(guān)煤的科技工作。電力工業(yè)要把建設重點(diǎn)逐步放在水電的開(kāi)發(fā)上，在嚴重缺能地區還要建設核電站，因地制宜地發(fā)展各種新能源。

當前現狀：

經(jīng)過(guò)四十年發(fā)展，煤炭目前已經(jīng)是中國的主要能源，能源局數據顯示2020年全國規模以上企業(yè)煤炭產(chǎn)量38.4億噸，煤電裝機達到10.8億千瓦，占總裝機容量的比重為49.1%（首次低于50%），相較于2019年的59%下降了近10%，因此煤炭消費和煤電裝機占比已經(jīng)達到峰值，未來(lái)還將進(jìn)一步下降。

而我國石油生產(chǎn)一直保持穩定，天然氣產(chǎn)量雖然有大幅提升，但遠遠無(wú)法滿(mǎn)足國內油氣需求。2020年中國石油和天然氣產(chǎn)量分別達到1.95億噸、1888億立方米，進(jìn)口量分別為為5.4億噸和10166萬(wàn)噸，對外依存度達到73%和43%。

隨著(zhù)我國提出碳中和目標，我國石油消費已經(jīng)到了峰值平臺期，天然氣由于碳排放強度較低未來(lái)仍然有10-15年的增長(cháng)期。綜合來(lái)看，從2021年到2060年實(shí)現碳中和目標，新能源將逐漸成為我國的主體能源，根據我國碳中和目標計劃，到2060年我國可再生能源占全部能源消費的80%以上。由此可見(jiàn)，隨著(zhù)對減碳和氣候問(wèn)題的重視不斷提升，可再生能源正在取代傳統的化石能源成為能源增量的主體。

05 GDP能耗的降低

經(jīng)濟的發(fā)展和能源消費總量在一定程度上呈現正相關(guān)性，經(jīng)濟的增長(cháng)能夠拉動(dòng)能源消費，而能源消費也會(huì )支撐經(jīng)濟發(fā)展。隨著(zhù)時(shí)代進(jìn)步，能源與經(jīng)濟的關(guān)系不僅體現在體量上，還體現在能源本身的結構上。在不同時(shí)代，人類(lèi)使用的能源不同，從煤炭到油氣再到新能源，能源消費不僅隨著(zhù)經(jīng)濟的發(fā)展而增長(cháng)，而且更促進(jìn)了能源結構的改變。

萬(wàn)元國內生產(chǎn)總值能源消費量是反映能源消費水平和節能降耗的重要指標。根據《中國能源統計年鑒》（2019年版）數據，1980年萬(wàn)元國內生產(chǎn)總值能源消費量為13.14噸標準煤/萬(wàn)元（國內生產(chǎn)總值按1980年可比價(jià)格計算）。2018年，萬(wàn)元國內生產(chǎn)總值能源消費量為0.56噸標準煤/萬(wàn)元（國內生產(chǎn)總值按2015年可比價(jià)格計算）。由此可見(jiàn)我國萬(wàn)元國內生產(chǎn)總值能源消費量在過(guò)去四十年間下降了90%以上，而在十四五以后，我國為了實(shí)現碳中和目標將更加注重萬(wàn)元國內生產(chǎn)總值能源消費量的降低和能源結構的改善。

（張學(xué)坤 冉澤）