低碳經(jīng)濟對能源裝備業(yè)的機遇與挑戰(zhàn)

張素心

(上海電氣(集團)總公司,上海 200002)

低碳經(jīng)濟對能源裝備業(yè)的機遇與挑戰(zhàn)

張素心

(上海電氣(集團)總公司,上海 200002)

低碳經(jīng)濟已經(jīng)成為經(jīng)濟發(fā)展的一個風向標。在探索低碳經(jīng)濟的基礎上,結合我國能源結構轉換過程中出現(xiàn)的問題,從煤電能源、核電能源、風電能源3個方面對低碳經(jīng)濟下我國能源裝備業(yè)發(fā)展中遇到的機遇與挑戰(zhàn)進行深入研究。

低碳經(jīng)濟;能源裝備;發(fā)展

Abstract：Low-carbon economy has become a symbol of economic development.Concerning the problems coming with the structural transformation of energy in our country,we analyze the opportunity and challenge that face the energy equipment industry in the low-carbon economy,ranging from coal,to nuclear and wind energy for low-carbon economy development.

Key words:low-carbon economy;energy equipment;development

2009年,國務院通過的《裝備制造業(yè)調整和振興規(guī)劃》標志著能源裝備業(yè)成為我國未來發(fā)展的戰(zhàn)略重點,進一步促進了我國能源裝備制造業(yè)的發(fā)展。我國能源裝備業(yè)的發(fā)展與我國未來經(jīng)濟發(fā)展趨勢、能源結構調整有著緊密關系。目前,我國已成為碳排放第一大國,由于碳排放的指標約束,我國經(jīng)濟發(fā)展承受著巨大壓力。未來30年,我國經(jīng)濟發(fā)展水平將進入轉型期,經(jīng)濟發(fā)展驅動力弱化,勞動力成本上升,經(jīng)濟發(fā)展的外部約束條件將不斷被強化,其中碳排放的硬約束將成為我國經(jīng)濟發(fā)展的制約因素。在哥本哈根氣候大會中,我國政府承諾:到2020年,非化石能源占一次能源比重達到15%;單位 GDP的 CO2排放在2005年基礎上下降40%～45%。為適應未來經(jīng)濟發(fā)展的需要,實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展,能源結構調整與能源技術革命將成為一個關鍵因素。

1 低碳經(jīng)濟——人類社會的重大進步

1.1 低碳經(jīng)濟內涵

低碳經(jīng)濟是指溫室氣體排放量盡可能低的經(jīng)濟發(fā)展方式,尤其是CO2這一主要溫室氣體的排放量要得到有效控制[1]。它是以低能耗、低污染、低排放為基礎的經(jīng)濟模式,或是含碳燃料所排放的CO2顯著降低的經(jīng)濟。其實質是能源高效利用、清潔利用和低碳或無碳能源開發(fā),是能源技術創(chuàng)新、制度創(chuàng)新和人類生存發(fā)展觀念的根本性轉變。

低碳經(jīng)濟以能效技術、可再生能源技術和溫室氣體減排技術的開發(fā)和運用為核心,以市場機制、制度框架和政策措施為先導,以減少化石燃料消耗和溫室氣體排放為標志,以經(jīng)濟社會與生態(tài)環(huán)境相互和諧為目標的新型發(fā)展模式,是人類社會繼農(nóng)業(yè)文明、工業(yè)文明之后的又一次重大進步。

1.2 能源結構轉換是發(fā)展低碳經(jīng)濟的關鍵

未來30年我國的能源調整趨勢主要是:降低煤炭在一次能源總量中的比重;提高動力煤在煤炭總消費量中的比重;提高電力占一次能源(或終端能源消費量)的比重。

我國正同時進行3次能源結構轉換:①以煤代薪的第一次能源結構轉換還未完成,農(nóng)村用能商品化程度偏低,全國有幾億人口正大量使用傳統(tǒng)生物質能做飯取暖。②以油氣替代煤炭的第二次能源結構轉換也未完成,2006年全球一次能源消費中煤炭占28.4%、石油天然氣占59.5%,而我國分別為70.2%和23.5%[2],煤炭的清潔利用和加工轉換將成為未來發(fā)展的關鍵。③在進行礦物能源向可再生能源轉換的第三次能源結構轉換的同時,還要解決大量燃煤排放的 SO2,NOx、顆粒等引起的區(qū)域性污染問題。而發(fā)達國家已經(jīng)完成了前兩次能源結構轉換,只要解決CO2等引起的溫室效應問題。

1.3 低碳經(jīng)濟下我國能源裝備業(yè)發(fā)展的瓶頸

1.3.1 經(jīng)濟的持續(xù)增長使得能源消耗量持續(xù)增長 1952年,我國能源消費總量僅為47 Mt標準煤,1978年達到 571 Mt標準煤,2008年達到2.85 Gt標準煤。1952—2008年我國能源消費量年均增長了7.6%[3]。同時,我國的人均能源消費量也在不斷上升,1953年人均能源消費量為0.09 t標準煤,1978年上升至0.59 t標準煤,到2008年人均能源消費量已經(jīng)達到了2.14 t標準煤[4]。

1.3.2 資源約束明顯,能源供需矛盾突出 我國資源約束主要表現(xiàn)在2個方面:①能源資源賦存分布不均衡,資源主要賦存在中、西部地區(qū)和東部海域,開采、運輸難度較大,而能源消費地區(qū)主要集中在東南沿海等經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)。②優(yōu)質能源資源相對不足,能源的供應能力難以提高。

1.3.3 能源技術裝備水平較低,管理水平相對落后,能源利用率不高 我國能源利用效率甚至低于印度,處于相當落后的水平。我國電力、鋼鐵、石化、輕紡織、化工、有色金屬等8個行業(yè)主要產(chǎn)品平均能耗是國際先進水平的140%;鋼、水泥、紙和紙板的單位產(chǎn)品綜合能耗分別是國際先進水平的121%、145%、220%;機動車油耗水平比歐洲高25%以上,是日本的120%?？傮w上,目前我國能源利用效率約為30%,比發(fā)達國家低了近10%[5]。

1.3.4 能源消費以煤為主,環(huán)境壓力加大 1953—2005年,我國煤炭消費在總能源消費中的平均比重為78.3%;2001—2007年煤炭消費量平均比重為69.1%;2008年,煤炭在能源消費總量中所占比重為68.7%。我國一次能源消費結構如表1所示[6]。因此,我國面臨著CO2排放量不斷增加的壓力,雖然碳排放量的歷史積累、人均排放等都較少,但隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展,絕對碳排放量在逐年增多。

表1 我國一次能源消費結構Tab.1 Primary energy consumption structure of China

在未來數(shù)十年,中國要保持經(jīng)濟的持續(xù)增長,并加快城市化步伐,就必須確保自己擁有充足和安全的能源,還要努力減輕這種增長對環(huán)境造成的影響。

低碳經(jīng)濟是能源消費方式、經(jīng)濟發(fā)展方式和人類生活方式的一次全新變革。低碳經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)鏈包括能源供應、能源存儲和運輸、能源消費3個方面,主要體現(xiàn)為可再生能源的技術進步、輸送方式的革命、消費領域的節(jié)能化。其技術發(fā)展方向包括減排技術、節(jié)能技術、增效技術和低碳技術。

2 低碳經(jīng)濟下的煤炭能源裝備業(yè)發(fā)展

2.1 我國燃煤發(fā)電概況

2007年我國煤炭總消費為2.7 Gt,其中發(fā)電用煤1.6 Gt;發(fā)電總裝機容量為900 GW,其中煤電占77%,約700 GW。預計2020年我國煤炭總產(chǎn)量3.5 Gt,約2.1 Gt用于發(fā)電;發(fā)電總裝機容量達1.34 TW,其中煤電約0.9 TW。

我國火力發(fā)電標準供電煤耗已由2005年的370 g下降到2008年的349 g;超超臨界供電煤耗為297 g/kW·h,到2015年全國有50%機組將采用超超臨界燃煤發(fā)電技術,每年可節(jié)煤80 Mt,CO2減排300 Mt;2020年700℃超超臨界火力發(fā)電示范機組單機發(fā)電煤耗將降低至265 g/kW·h,可進一步節(jié)煤及降低污染物排放[7-8]。

2.2 煤炭能源裝備技術的發(fā)展

2.2.1 超超臨界燃煤發(fā)電技術 該技術是一種先進、高效的發(fā)電技術,比超臨界機組的熱效率高出約4%,與常規(guī)燃煤發(fā)電機組相比優(yōu)勢就更加明顯。

我國“十一五”規(guī)劃綱要提出[9],要以大型高效環(huán)保機組為重點優(yōu)化發(fā)展火電,建設大型超超臨界電站和大型空冷電站?！熬V要”還將超超臨界火電機組列為裝備制造業(yè)振興的重點之一。而《國家中長期科技發(fā)展規(guī)劃》將能源列為優(yōu)先發(fā)展的領域,并在“煤的清潔高效開發(fā)利用、液化及多聯(lián)產(chǎn)”專題中明確提出了高參數(shù)超超臨界機組等技術。

超超臨界燃煤發(fā)電裝備發(fā)展有5個關鍵領域:①汽輪機閥門汽缸轉子鑄鍛件大型化及性能(大于3×104h)試驗,奧氏體和鎳基合金材料鍋爐管的冶煉制造工藝、性能試驗及應用技術研究;②鍋爐水冷壁設計研究、過熱器和再熱器材料的設計和選擇;③焊接轉子-奧氏體及Ni合金;④二次再熱循環(huán)-發(fā)揮壓力的效益;⑤一次再熱高超超壓力汽缸,二次再熱VHP及中壓缸設計。

超超臨界燃燒發(fā)電技術有如下優(yōu)勢[10]:①在效率上,超超臨界發(fā)電技術和整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC)發(fā)電的效率均能超過43%;②在容量上,超超臨界機組的單機容量可達到或超過1 GW,與其他潔凈煤發(fā)電技術相比,可大大降低機組的單位造價,同時滿足電力工業(yè)對大容量機組的要求;③在環(huán)保性能上,超超臨界發(fā)電技術通過達到更高的發(fā)電效率、采用高效煙氣脫硫、低NOx(包括煙氣脫硝)和除塵技術降低污染物排放量,其環(huán)保性能優(yōu)于外循環(huán)流化床(CFBC)及增壓流化床燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電(PFBC-CC)的水平;④在可靠性方面,超超臨界機組的可靠性水平最高,而IGCC與PFBC-CC的可靠性較低,CFBC居中;⑤在技術成熟度方面,超超臨界發(fā)電技術最為成熟,已達到大規(guī)模商業(yè)化應用的程度,CFBC基本成熟,PFBC-CC還尚待成熟,IGCC已接近商業(yè)化水平;⑥在技術繼承性上,與其他潔凈煤發(fā)電技術相比,超超臨界發(fā)電技術最具有技術繼承性,在設備的設計和加工制造方面可很好地利用我國現(xiàn)有的資源和基礎。

2.2.2 IGCC IGCC系統(tǒng)是將煤氣化技術和高效的聯(lián)合循環(huán)相結合的先進動力系統(tǒng)。它由煤的氣化與凈化、燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電2大部分組成。

IGCC具有如下優(yōu)勢[11]:①高效,發(fā)電凈效率可達43%～45%,較亞臨界機組高出5%～7%,與百萬超超臨界機組相當,若采用 H級燃氣輪機,效率有望達到48%～52%;②清潔,是21世紀最潔凈的煤電技術,燃料適應性廣,可清潔利用高硫煤;③節(jié)水,為同容量常規(guī)燃煤機組的1/2～2/3;④市場適應能力較強,受燃料價格波動的影響較小;⑤技術的繼承性強,天然氣聯(lián)合循環(huán)改造,多聯(lián)產(chǎn)。但是IGCC也存在著成本偏高、市場競爭力不強、技術復雜、需要積累運行經(jīng)驗、運行維護成本高等不足。

2.2.3 電氣燃氣輪機機組 燃氣輪機發(fā)電機組是繼柴油發(fā)電機組后研發(fā)的發(fā)電設備,它采用燃氣輪機作為原動力帶動交流發(fā)電機工作。國外應用較為普遍,近年來由于技術研發(fā),我國也有了很大應用。目前,我國燃氣輪機產(chǎn)業(yè)實行集中領導、產(chǎn)業(yè)化運作,主要培育3大能力:市場訂單獲得與運作能力;關鍵部件的核心制造能力;自主化設計與二次開發(fā)能力。

3 低碳經(jīng)濟下核電能源裝備業(yè)的發(fā)展

3.1 全球核電發(fā)展概況

1954年人類首次利用核能發(fā)電至今,全球核能裝機與效率、技術與安全以及公眾對核電的認識和態(tài)度,都發(fā)生著巨大的變化。2007年底,全球共有439個核電機組在31個國家或地區(qū)運行,核電總裝機達375 GW,約占電力總裝機的9.6%;全球核發(fā)電量從1965年的25.7 TW·h,上升到2007年的2.75 PW·h;按地區(qū)分,核發(fā)電量分別為歐洲44.3%、北美34.7%、亞太地區(qū)19.9%;按國家劃分,美國、法國、日本3國占全球核發(fā)電量的57%。

當然,1979年美國三哩島核電站事故及1986年前蘇聯(lián)切爾諾貝利核電站事故后,由于人們對核電事故、放射性廢料及核擴散的擔心,全球核電發(fā)展受到巨大影響[12]。

3.2 我國核電裝備技術的發(fā)展

我國核電裝備技術的發(fā)展主要有3種途徑[13]。

3.2.1 統(tǒng)一技術路線,兩步妥善銜接 ①在第3代核電技術項目批量建設前,持續(xù)推進成熟技術的核電機組,集中建設一批基于M310技術的第2代改進型核電機組;②第3代技術批量化建設將在2013—2014年間,即第一臺AP1000滿功率運行后。

3.2.2 均衡推進實施 表2為2009年底我國已建、在建及后續(xù)建設核電站統(tǒng)計。為在未來集中建設廠址,2008—2012年間,每年開工2個第2代項目4臺機組;2013—2020年,每年開工建設3個項目4～6臺機組;合計2020年運行和在建規(guī)?？蛇_100 GW。

表2 2009年底我國已建、在建及后續(xù)建設核電站統(tǒng)計Tab.2 Statistics of nuclear power plants,including those in operation by the end of 2009,and those under construction and to be built

3.2.3 批量建設第2代加項目 這些項目基本分布于沿海地區(qū),集中4個廠址,同一廠址采用同一堆型,內陸核電項目將全部選擇第3代核電技術,且在2013年后開工;2020年前將限制控股企業(yè),統(tǒng)籌協(xié)調發(fā)展,僅限于3家;2020年后根據(jù)核電行業(yè)發(fā)展狀況適當調整控股企業(yè)數(shù)量。

核電能源的碳排放接近于零,是目前相對于火電替代性最好的清潔能源之一。2020年我國核電裝機容量為75 GW。據(jù)預測,2010—2020年國內核電設備企業(yè)的市場總容量為29～3 500億元。平均每年的市場規(guī)模為350億元,其中核島為160億元,常規(guī)島為110億元。我國核電項目綜合國產(chǎn)化率有望超過80%,但大型鑄鍛件、主泵、核級泵閥等依然需要進口。

4 低碳經(jīng)濟下的風電能源裝備業(yè)的發(fā)展

4.1 風電能源發(fā)展概況

歐洲將風電的發(fā)展作為實現(xiàn)減排CO2等溫室氣體承諾的主要措施,開發(fā)風電的動力主要來自于改善環(huán)境的壓力。丹麥、德國和西班牙等都制定了比較高的風電收購電價,使風電保持了穩(wěn)定的高速增長,1996年以來年增長率超過30%,使風電成為發(fā)展最快的清潔電源。

2008年歐洲風能協(xié)會提出:2020年歐洲風力發(fā)電的目標是達到230 GW,其中海上風機為40 GW,占歐洲可再生能源發(fā)電的34%;2030年的目標為300 GW。據(jù)世界風能協(xié)會統(tǒng)計,2010年全世界風電裝機170 GW。目前,在國際石油價格不斷上漲的形勢下,許多發(fā)展中國家,如古巴等將開發(fā)風電作為能源政策的重要部分。

近海風電技術逐步發(fā)展,海岸線附近更適合大規(guī)模開發(fā)風電。2006年世界近海風電總裝機達到877 MW,其中丹麥400 MW、英國300 MW、荷蘭127 MW、愛爾蘭25 MW,2008年以來德國也進行了大規(guī)模開發(fā)。隨著近海風電場的建設,需要單機容量更大的機組[14]。

2009年全球新增風力發(fā)電裝機38 GW,比2008年凈增11 GW;累計裝機容量158 GW,同比增長了31%。預計到2010年,全球累計裝機容量達200 GW,2020年,將達到600 GW;2010年我國累計裝機容量將達40 GW,2020年達到150 GW。

2008年我國風電機組制造企業(yè)占全球的23%,2009年占到38%。據(jù)市場預測,2010年和2011年將新增風電整機裝機容量13GW和14 GW。目前國內風電整機廠家70多家、葉片廠家50多家、塔架生產(chǎn)企業(yè)近100家。我國風電的發(fā)展將增速超緩,面臨結構調整。

4.2 風電設備技術的發(fā)展

4.2.1 我國風電設備發(fā)展狀況及趨勢[15]①風電設備產(chǎn)能過剩,價格競爭激烈,企業(yè)利潤率維持下降趨勢;②對于關鍵零部件與直驅技術,其主軸軸承、控制系統(tǒng)仍是技術瓶頸,直驅技術發(fā)展?jié)撃芫薮?③由于海上風能儲量巨大,未來海上風機發(fā)展勢頭迅猛;④2015年海外風電市場將達到40 GW的規(guī)模;⑤并網(wǎng)技術與電網(wǎng)規(guī)劃滯后,有近1/3的風機閑置。

4.2.2 風電技術發(fā)展瓶頸 風力發(fā)電是一種波動性的、間隙性的電源,大規(guī)模風電機組并網(wǎng)運行后,會對局部電網(wǎng)的運行穩(wěn)定性造成一定影響。自20世紀90年代以來,風電場合理布置、并網(wǎng)技術、風電功率預測、風電場控制和風電設備性能評估等問題一直是人們研究的熱點。世界各國也已形成共識,即風能發(fā)電的電量比例不能超過總發(fā)電量的5%,在眾多發(fā)展風能的國家中,只有丹麥風力發(fā)電總量超過20%。

4.2.3 風力發(fā)電成本 風電設備的制造呈規(guī)?；⑾盗谢?、標準化趨勢發(fā)展,未來風電成本將呈下降趨勢,且下降速度將快于其他可再生能源。歐洲風電成本已由1982年的13歐分/kW·h,下降為2007年的4歐分/kW·h,25年間下降了約2.25倍;預計2010年下降至3歐分/kW·h,2020年為2.34歐分/kW·h;我國風電上網(wǎng)電價平均為0.53元/kW·h,而火電平均為0.387元/kW·h,在過去的5年內,風力發(fā)電成本下降了約20%[16]。根據(jù)麥肯錫《丹麥節(jié)能減排技術在華應用前景分析》預測,至2020年,我國風力發(fā)電成本將有可能與煤電相抗衡。

5 展 望

5.1 智能電網(wǎng)是新一代電力系統(tǒng)

智能電網(wǎng)是新一代的電力系統(tǒng),它綜合運用現(xiàn)代信息技術、現(xiàn)代控制技術、現(xiàn)代管理技術對傳統(tǒng)電力系統(tǒng)進行更新改造,全面提升電力系統(tǒng)的“清潔、安全、自愈、經(jīng)濟、優(yōu)質、互動”水平,使之成為具有“資源節(jié)約型、環(huán)境友好型、服務創(chuàng)新型、運營智能化”特征的新一代電力系統(tǒng)。

智能電網(wǎng)的4大戰(zhàn)略任務:①實現(xiàn)遠距離大容量輸電,降低線損;②提高供電可靠性,降低斷電、系統(tǒng)崩潰風險;③大規(guī)模清潔、可再生、儲能、分布式能源的接入與調控;④用戶終端的更加靈活、便利、節(jié)能和環(huán)保。

未來智能電網(wǎng)投資的6大領域包括:①發(fā)電領域——風電、光伏并網(wǎng)以及儲能項目;②輸電領域——安全監(jiān)控;③變電領域——智能化變電站;④配電領域——儲能技術、電動汽車充電和配電自動化;⑤用電領域——智能電表和用電信息采集系統(tǒng);⑥調度領域——一體化智能調度體系。

未來智能電網(wǎng)的發(fā)展空間包括:①電力輸送領域;②電網(wǎng)控制自動化領域;③新能源接入及電力電子應用領域;④智能終端電器領域。

5.2 碳捕獲與埋存技術

碳捕獲與埋存技術(CCS)可應用于發(fā)電站、石油及天然氣生產(chǎn)過程的脫碳工藝中。但在該技術被廣泛應用前必須解決2個關鍵的問題,即必須達到合理的商業(yè)成本、獲得公眾的認可。

CCS主要由3個環(huán)節(jié)構成:①CO2的捕獲,指將CO2從化石燃料燃燒產(chǎn)生的煙氣中分離出來,并將其壓縮至一定壓力;②CO2的運輸,指將分離并壓縮后的CO2通過管道或運輸工具運至存儲地;③CO2的存儲,指將運抵存儲地的CO2注入到如地下鹽水層、廢棄油氣田、煤礦等地質結構層、深海海底、海洋水柱或海床以下的地質結構中。

由于大量分散型的CO2排放源難以實現(xiàn)對碳的收集,故碳捕獲的主要目標是如化石燃料電廠、鋼鐵廠、水泥廠、煉油廠和合成氨廠等CO2的集中排放源。其中,針對電廠排放的CO2的捕獲分離系統(tǒng)主要有3類:燃燒后系統(tǒng)、富氧燃燒系統(tǒng)、燃燒前系統(tǒng)。

5.3 沒有創(chuàng)新就沒有未來

未來20年對中國經(jīng)濟和能源技術發(fā)展帶來嚴峻挑戰(zhàn)。產(chǎn)業(yè)結構調整和產(chǎn)業(yè)升級已經(jīng)刻不容緩;我國電力項目建設的周期在4年左右,經(jīng)濟增長的典型周期在9年左右。二者中間存在著一個1～3年的滯后期。我國發(fā)電設備制造業(yè)的明天將如何?其中非常重要的一點就是:沒有創(chuàng)新就沒有未來。

本文根據(jù)上海電氣(集團)總公司副總裁張素心的演講報告整理而成,未經(jīng)本人審閱。感謝上海電機學院商學院徐旭老師的整理。

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[5]中國科學院課持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略研究組.2006中國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略報告[M].北京:科學出版社,2006.

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Opportunity and Challenge for Energy Equipment Industry in Low-carbon Economy

Z HA N G S uxin
(Shanghai Electric Group,Shanghai 200002,China)

F 407.2

A

2095-0020(2010)04-0187-06

2010-06-04

張素心(1964-),男,教授級高級工程師,專業(yè)方向為發(fā)電設備制造和能源戰(zhàn)略研究,E-mail:Zhangsx@shanghai-electric.com