可再生能源科技發(fā)展方向及對我國能源格局影響

彭北樺

摘 要：CO2排放量與化石能源消費高度相關，我國以煤為主的能源結構導致生態(tài)環(huán)境和應對氣候變化面臨巨大挑戰(zhàn)。推動能源生產(chǎn)和消費革命是“十三五”以及今后較長時期我國能源發(fā)展的中心任務，隨著可再生能源科學技術研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化進程不斷加快，將極大改變我國現(xiàn)有能源格局。雖然我國在可再生能源科技和產(chǎn)業(yè)發(fā)展方面取得了顯著成績，但創(chuàng)新性、基礎性研究薄弱問題仍然突出。低成本、穩(wěn)定性是可再生能源技術發(fā)展的總體方向，隨著高效環(huán)保太陽能發(fā)電技術、先進風力發(fā)電技術等可再生能源技術進步，可再生能源的競爭力將持續(xù)提升，未來在整體能源體系中的作用將大幅增強，推動形成清潔低碳的能源格局。

關鍵詞：可再生能源；科技發(fā)展方向；我國能源格局

中圖分類號： TK01 文獻標志碼：A

文章編號：1672-1098（2017）05-0082-05

Abstract：CO2 emission is highly correlated to the consumption of fossil fuels， and Chinas coal-dominated energy structure has caused great challenges to ecological environment and climate change. Therefore， promoting energy production and consumption revolution is the central task of the energy development in China during the period of “the 13th Five-year Plan” and for the long time thereafter， which will greatly change the existing energy structure in our country with the research & development and the accelerating industrialization of renewable energy science and technology. Although China has made remarkable achievements in the related areas， the limitations in innovation and basic research are still serious. Low cost and stability are the overall direction of renewable energy technology development. The renewable energy technology progresses， such as solar power technology with high efficiency and environmental protection and advanced wind power generation technology， would continue to improve the competitiveness of the renewable energy. And in the whole future energy system， the renewable energy technology will play a much greater role and will greatly promote to form the clean and low-carbon energy structure.

Key words：renewable energy； the direction of science and technology development； Chinas energy structure

生態(tài)環(huán)境和氣候變化問題深刻影響著人類經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展，是國際社會共同面臨的重大挑戰(zhàn)。我國CO2排放量與化石能源消費高度相關（見表1），2015年我國能源消費總量為45億噸標準煤，是世界最大的能源消費國。由于煤炭占我國能源消費總量的64%，我國當年103億噸的CO2排放量占全球總排放量的29%[1]。當前不合理的能源利用方式和能源消費結構將會使環(huán)境問題更加突出，嚴重影響我國的經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展[2-4]。據(jù)《BP能源展望2030》預測，未來煤炭所占比重下降，天然氣比重略有增加，可再生能源開始大規(guī)模進入市場，到2050年，世界將形成以清潔能源為主的世界能源格局。因此，開展可再生能源科技發(fā)展方向及其對我國能源格局影響研究，對于加快推進以能源結構轉型與低碳高效發(fā)展的能源供給側改革具有重要意義。

1 我國能源科技總體概況

近年來，我國能源科技發(fā)展迅速，通過自主創(chuàng)新以及大規(guī)模技術引進和消化吸收、再創(chuàng)新等方式，在不同能源領域能源科技水平均得以大幅度提升，部分已經(jīng)達到國際先進水平，技術創(chuàng)新能力持續(xù)增強。煤炭清潔高效轉化與利用技術取得重要突破，燃煤發(fā)電效率持續(xù)提升，煤化工方面已擁有煤制油、甲醇制烯烴等自主知識產(chǎn)權的關鍵技術，以燃機排放標準作為參考的超低排放技術成為燃煤發(fā)電污染物控制和治理的方向[5-7]；油氣科技在油氣油藏勘探理論技術、老油田精細注水與化學驅提高采收率技術等方面走在世界前列，深水油氣、致密氣、頁巖氣、致密油的勘探開發(fā)技術取得重大進展[8-9]；核能科技掌握了第三代核電技術的大部分核心關鍵技術，開發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權的大型先進壓水堆機型[10]；風電科技在大型風機葉片設計和制造方面已經(jīng)躋身世界領先[11]；在特高壓/柔性輸電、大電網(wǎng)穩(wěn)定控制與優(yōu)化調度、可再生能源發(fā)電等技術領域取得豐碩成果，電動汽車、分布式電源/儲能、節(jié)能等新興技術領域取得了較大突破[12-14]。但與此同時，我國能源科技發(fā)展仍面臨諸多問題，先進煤炭利用技術亟需進一步研發(fā)、示范推廣，非常規(guī)油氣開發(fā)、智能電網(wǎng)發(fā)展仍存在關鍵技術制約，可再生能源方面自主創(chuàng)新的核心技術不足，特別是光伏電池、太陽能光熱發(fā)電、地熱能發(fā)電等核心技術裝備仍然在很大程度上要依賴國外進口，仍需圍繞能源勘探開發(fā)、加工轉換、利用工藝、設備、制造等領域，有序推進能源技術創(chuàng)新與體制機制創(chuàng)新[15]。

2 可再生能源科技發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

低成本、穩(wěn)定性是可再生能源技術發(fā)展的總體方向。隨著可再生能源技術的不斷進步，可再生能源的競爭力不斷加強，未來在整體能源體系中的作用將逐步展現(xiàn)。

2.1 世界可再生能源科技發(fā)展趨勢

美國發(fā)布的《清潔電力計劃》最終方案提出，到2030年清潔能源的比例將提高到28%；日本制定的《能源基本計劃》提出，到2030年可再生能源將滿足日本大約24%的能源需求；德國的新能源計劃提出，到2020年可再生能源發(fā)電量應占德國電力消耗總量的35%，到2030年這一比例應達到50%，到2050年則應提高到80%；澳大利亞通過可再生能源目標（RET）法案，提出到2020年實現(xiàn)20%的電力來自可再生能源；歐盟提出，2020年總的能源消費中，可再生能源占20%。到2020年生物質燃料將代替20% 的化石燃料。

全球可再生能源技術研發(fā)和裝備制造水平取得重大進步，技術研發(fā)向大型化、高效低成本方向發(fā)展。太陽能光伏晶體硅太陽電池由于其效率不斷提升、成本不斷下降，預計在未來十年內量產(chǎn)光電轉換效率也從目前的18%上升到22%，其成本更是下降超過80%；太陽能熱發(fā)電技術正向大容量、高參數(shù)、長周期儲熱方向發(fā)展，預計到2030年，太陽能熱發(fā)電成本將降至6美分/kWh；未來世界生物質能源科技將在生物質液體燃料和生物質發(fā)電、以及能源植物選育等方面實現(xiàn)突破性進展。風電機組單機容量向大型化發(fā)展，海上風電場向大型化發(fā)展、向深海發(fā)展，正在研發(fā)漂浮式海上風電機組基礎，以適應深海風電場建設需求；地熱發(fā)電的增強型地熱系統(tǒng)有望取得突破，包括干熱巖及其它非常規(guī)地熱資源在內的總發(fā)電量將增強；海洋能向建造大型潮差電站、潮流和波浪發(fā)電站裝置群、新型發(fā)電技術研發(fā)以及綜合利用方向發(fā)展；水電主要集中亞洲、非洲和南美洲等地區(qū)，我國將是世界焦點，規(guī)?；乃娬{節(jié)作用愈加突顯，水電與其他能源互聯(lián)將是未來研究重點。氫能將研發(fā)高效可再生能源制氫、安全便利的儲氫技術，開發(fā)燃料電池電動汽車等用氫技術。

2.2 我國可再生能源科技發(fā)展趨勢

我國在可再生能源科技發(fā)展方面取得了顯著成績，但與國際先進水平相比仍然明顯落后。技術研發(fā)和創(chuàng)新能力主要面臨的問題在于創(chuàng)新性、基礎性研究薄弱，基本處于跟蹤模仿狀態(tài)。針對上述國際上可再生能源科技發(fā)展總體態(tài)勢，未來我國急需在以下幾個方面縮小與國外先進水平的差距，同時爭取創(chuàng)新性突破：

1） 積極開發(fā)新型、高效的太陽電池技術、光伏環(huán)保型功能材料技術、耦合收集、儲能、發(fā)電于一體的光伏材料系統(tǒng)關鍵技術，推動全產(chǎn)業(yè)鏈科技創(chuàng)新，從而進一步降低成本以提高我國光伏產(chǎn)業(yè)的核心競爭力；太陽能熱發(fā)電的光聚光器現(xiàn)階段還未有完整的設計理論，需主要圍繞提高發(fā)電效率、提高發(fā)電連續(xù)性研究系統(tǒng)集成技術、降低太陽場成本、建設產(chǎn)業(yè)發(fā)展支撐體系、推進我國太陽能熱發(fā)電技術向高參數(shù)、高效率、基本電力負荷方向發(fā)展。積極開發(fā)新型透光、光控、保溫、儲熱等建筑材料，強化與建筑功能、材料、結構、美學設計相互結合，以推進太陽能建筑技術的工業(yè)化發(fā)展；

2） 生物質能源科技在高品位生物質能源化工技術、先進發(fā)電技術、先進生物氣制備工藝與裝備、成型燃料規(guī)?；a(chǎn)及熱轉化工藝和裝備、規(guī)模化能源植物選育與轉化等方面應盡快縮與小世界先進水平的差距；

3） 風電部分技術已達到國際先進水平，但在未來應該在風電葉片技術、大型發(fā)電機組、低風速風電機組、與風能資源匹配的風電場技術以及高空型風力發(fā)電等領域取得更大的突破；

4） 增強型地熱示范已在歐美形成了30多年的現(xiàn)場試驗，我國雖已開展理論和模擬研究，與國外先進水平還有較大差距，應盡快開展相關工程科技研發(fā)；

5） 我國的一些海洋能發(fā)電技術在國際上達到先進水平，急需研建海洋能發(fā)電與海水淡化一體化示范工程，開展實海況試驗，為我國南海的開發(fā)建設發(fā)揮重要作用；

6） 水電針對“西電東送”大規(guī)模遠距離水電輸送，急需開展大電網(wǎng)平臺下特高壓直流水電大規(guī)模消納和調峰基礎性問題；

7） 可再生能源制氫主要攻克可再生能源大規(guī)模電解水制氫技術，尤其是固體氧化物電解池（SOEC）高溫電解水制氫技術，即可解決可再生能源的大規(guī)模利用，又可實現(xiàn)氫的無碳化利用問題。

3 可再生能源科技發(fā)展方向

3.1 高效環(huán)保太陽能發(fā)電技術

太陽能發(fā)電技術主要是光伏發(fā)電和光熱發(fā)電。光伏產(chǎn)業(yè)未來仍將向高效低成本發(fā)展，如尋找與太陽光譜匹配的新型光電轉換材料，以提升光子轉換成電子的效率和能量利用率；研究工藝過程中的新型環(huán)保材料，以解決現(xiàn)有生產(chǎn)工藝過程中的污染問題。

1） 高效率（>25%）晶體硅太陽電池技術和新型高效（>20%）薄膜太陽電池技術。目前，規(guī)?；a(chǎn)的晶體硅太陽能電池效率大部分在20%以下，預計到5年后的規(guī)?；a(chǎn)晶體硅太陽電池轉化效率在22%以上。因此我國應加快對高效（>25%）晶硅太陽電池的結構設計及工藝技術的基礎研究和產(chǎn)業(yè)化關鍵技術研發(fā)，并加快對高效晶硅太陽電池檢測技術研究，為今后工業(yè)化大生產(chǎn)作技術準備；薄膜太陽電池正朝著基于化合物半導體材料和有機金屬鹵化物鈣鈦礦材料的兩個方向發(fā)展，我國應加速化合物薄膜太陽電池和鈣鈦礦太陽電池的基礎研究和產(chǎn)業(yè)化關鍵技術研發(fā)，同時加快將具有特殊物理效應的新型材料應用到薄膜太陽電池上，獲得高效（>20%）低成本的薄膜太陽電池并實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。

2） 帶有大容量儲熱的太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)集成技術。儲熱容量達到15小時的太陽能熱發(fā)電站，系統(tǒng)的日發(fā)電時數(shù)可達24小時，加快太陽能儲熱技術的研究，實現(xiàn)相變儲熱材料，高化學和物理穩(wěn)定性的儲熱技術。儲熱系統(tǒng)與太陽能集熱器的互補發(fā)電方法。

3） 高效率聚光器及聚光場設計、氣體為傳熱流體的太陽能熱發(fā)電和大容量儲熱的太陽能熱發(fā)電等技術。提出新一代高效聚光器的設計方法，突破約束聚光過程效率提高的瓶頸，將目前的聚光場年效率從63%提高到約72%。從而提高太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)效率降低發(fā)電成本；采用超臨界二氧化碳和壓縮氣體為吸熱器傳熱流體的第三代太陽能熱發(fā)電技術，進一步提高發(fā)電效率、降低電價；加快發(fā)展大容量儲熱材料和傳熱儲熱發(fā)電關鍵技術研發(fā)，為今后大容量儲熱的光熱發(fā)電技術的推廣應用作技術準備。

4） 高效可靠智能化新能源建筑一體化技術。依靠建筑外立面、屋面和窗體的太陽能設備收集太陽能，并轉換為電、熱和冷，供建筑本體使用，建筑的墻體和地面可儲存熱能供夜間使用，低谷時段電力制冰蓄冰則可解決夏季制冷問題，生產(chǎn)的能源可通過智能控制手段有序在建筑內部分配和向電網(wǎng)供應。技術包括，高可靠性性太陽能光伏屋面、窗體、墻面，太陽能直流空調，太陽能直流制冰機，輕質大熱容墻體材料，建筑能量生產(chǎn)消納綜合控制系統(tǒng)以及太陽能建筑采暖技術（跨季節(jié)儲熱技術、被動太陽能建筑技術）等。

3.2 先進風力發(fā)電技術

降低全生命周期的度電成本是規(guī)模化風力發(fā)電技術進步的主要方向。未來5～10年主要發(fā)展大型、高可靠性、高效和適應我國風能特點的風力發(fā)電技術，重點開展大型風電機組關鍵技術、低風速風力發(fā)電技術、高效風電場設計與運維技術和高空型風力發(fā)電技術。

1） 風電機組大型化關鍵技術。開發(fā)10MW級大型增速永磁同步風電機組關鍵技術，重點研究整機設計技術、中高速傳動技術、中高速同步發(fā)電機、全功率變流技術、控制技術等；開展10MW級直驅永磁風電機組關鍵技術包括：整機設計、超大型葉片的氣動及結構設計、雙氣隙模塊化的永磁電機、中壓全功率變流器、整機載荷控制、環(huán)境適應性等技術，為大型陸地風電場和海上風電場建設做好技術儲備；開發(fā)10MW級雙饋增速型風電機組關鍵技術，包括：整機設計技術、高速傳動技術、高速發(fā)電機、變流技術、控制技術等。

2） 低風速風電機組關鍵技術。近年低風速地區(qū)風電開發(fā)加速，我國應啟動3MW級以上低速型風電機組關鍵技術的開發(fā)。包括：大直徑風輪（單位千瓦掃掠面積大于4.5平方米）、獨立變槳控制、風速風向提前預測、超高塔架（高于100米）、特殊運輸方法（分段葉片、空間結構塔架等）。

3） 高效風電場設計與運維技術。該技術作為實現(xiàn)風電項目全生命周期效益的必要支撐技術，其關鍵技術為：精細化風能資源評估技術、高效風電場流場模擬技術、智能化風電場優(yōu)化運行技術、海上風電場設計、建設、運行和維護技術、發(fā)電機組狀態(tài)診斷與健康管理技術、高精度風電場功率預測及不確定性分析技術、基于互聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)技術的智能風電場技術等。

4） 高空型風力發(fā)電技術。美國已經(jīng)研究高空發(fā)電多年，并已開發(fā)出多種類型的高空型風力發(fā)電裝置進行試驗，我國在此領域的研究還是空白。我國應當啟動開發(fā)高空型風力發(fā)電機組相關技術，針對高空飛行、電力傳輸、控制系統(tǒng)、運行維護等方面探索性研究開發(fā)。

4 可再生能源科技創(chuàng)新對能源格局影響

推動能源生產(chǎn)和消費革命是“十三五”以及今后較長時期我國能源發(fā)展的中心任務，科技是引發(fā)和支撐能源革命的關鍵。傳統(tǒng)化石能源近期在整個能源應用中的作用還無法完全替代，還需要繼續(xù)通過發(fā)展傳統(tǒng)化石能源清潔高效開發(fā)利用技術，切實降低煤炭、石油等化石能源消耗總量及其在能源結構中的比重，實現(xiàn)“高碳能源減量革命”。隨著可再生能源技術的快速發(fā)展與規(guī)?；瘧?，需要加大替代能源在總體能源體系中的貢獻，提高其在能源結構中的比重，推進“清潔能源增量革命”。未來5～10年以及更長時間，重大能源科技創(chuàng)新將不斷催生能源生產(chǎn)和利用方式的深刻變革，進而對我國現(xiàn)有能源格局造成顯著影響。

1） 能源供給結構將顯著優(yōu)化。伴隨可再生能源開發(fā)技術的不斷突破和大規(guī)模應用，能源供應體系將進一步完善，現(xiàn)代能源體系初步建立，國家能源安全保障得到加強。同時，我國煤炭開采量在未來5～10年將達到峰值，常規(guī)石油產(chǎn)量能基本保持穩(wěn)定，非常規(guī)油氣開發(fā)、煤化工替代油品和生物燃料將成為發(fā)展亮點，形成一定替代規(guī)模，影響我國油氣供給格局。

2） 能源布局更加合理，產(chǎn)業(yè)競爭力持續(xù)增強。未來5～10年，我國可再生能源的競爭力將顯著增強。風電成本會進一步降低到與常規(guī)能源發(fā)電相持平的水平，將建成完善的風電產(chǎn)業(yè)鏈，掌握先進風電機組整體設計能力，形成海上風電設備制造、工程施工能力；太陽能光伏發(fā)電供電成本會逐步降低到與常規(guī)能源發(fā)電技術相當?shù)乃?。屆時我國能源布局將發(fā)生深刻變化，能源市場化改革取得突破，能源新技術及關聯(lián)產(chǎn)業(yè)有望發(fā)展為新的經(jīng)濟增長點，產(chǎn)業(yè)國際競爭力將顯著增強。

3） 清潔低碳能源格局逐步形成。隨著可再生能源在我國能源生產(chǎn)和消費結構中所占比例將逐步上升，將發(fā)揮更大的雙重節(jié)能減排作用。一方面，可再生能源的利用節(jié)省化石能源，減少化石能源利用過程中的污染排放；另一方面，可再生能源利用本身具有清潔環(huán)保性，對環(huán)境影響小，加上可再生能源利用技術的突破性進步，其全生命周期溫室氣體排放和污染物排放將更低，相比化石能源發(fā)揮更加明顯的環(huán)境保護作用。能源產(chǎn)業(yè)將逐步實現(xiàn)能源清潔化、低碳化發(fā)展，為支撐實現(xiàn)2030年碳排放達峰目標提供有力支撐。

5 結論和建議

伴隨我國經(jīng)濟進入“新常態(tài)”，傳統(tǒng)能源產(chǎn)業(yè)的轉型升級將提速，能源新技術研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化進程將不斷加快，頁巖油氣、太陽能光伏發(fā)電、風力發(fā)電、生物質能源、智能電網(wǎng)、大規(guī)模儲能等關鍵核心技術的連續(xù)突破，將發(fā)展出新的朝陽產(chǎn)業(yè)集群和新的經(jīng)濟增長點。國內外能源發(fā)展形勢，為控制能源消費總量，優(yōu)化能源結構，保障能源安全，實現(xiàn)傳統(tǒng)化石能源清潔高效利用以及非常規(guī)油氣、核能和可再生能源規(guī)模化發(fā)展，推進能源科技創(chuàng)新和能源技術革命進程，提供了難得的歷史機遇。

建議精準布局能源科技發(fā)展方向，堅持化石能源清潔高效利用與非化石能源規(guī)?；牟⑿邪l(fā)展。以若干重大能源科技創(chuàng)新工程為牽引，推動能源產(chǎn)業(yè)轉型升級和能源新技術的研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化，同時加快實施可再生能源集成創(chuàng)新重大科技示范工程。

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（責任編輯：李 麗，范 君）