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我国新能源技术发展问题及对策研究
合伙人  段静静   《2012绿色产业白皮书》   201203
所谓新能源是指目前尚未被人类大规模利用,有待深入研究试验开发的新型能源。 近些年,各国都在从多方面探寻有可能发展成新能源的资源、材料和技术,有些已逐步走向实用化,而最有发展前途的新能源是把阳光、地热、风力、水力及有机生物量转变成燃料、热和电力,即太阳能、地热能、风能、海洋能、核聚变能及生物质能等可再生能源 。同常规能源相比,新能源的突出优点是可再生、无污染和使用方便。发展新能源,是从有限的一次性矿物燃科向无限的再生能源及核能的战略转变,这个转变一旦实现,将能使人类真正摆脱能源枯竭的忧患。
1发展新能源技术的必要性
1.1发展新能源技术是解决我国能源短缺问题的必然要求
能源是人类社会存在和发展不可缺少的,它与粮食一样是经济发展和社会进步的物质基础。20 世纪50 年代以后由于石油危机的爆发,人类开始关注能源危机的问题。世界上石油资源的贮藏量不是无限的,容易开采和利用的储量基本已开采完毕,剩余储量的开发难度越来越大,到一定程度就会失去继续开采的价值。据美国石油协会估计,地球尚未开采的石油储量已不足两万亿桶,可供人类开采的时间不超过90 年。煤炭资源虽然比石油多,但也不是取之不尽的,在2050年到来之前,世界经济的发展将越来越多地依赖煤炭。其后在2250 到2500 年之间,煤炭也将消耗殆尽,矿物燃料供应枯竭。
中国的煤炭和石油绝对存储量是比较丰富的,28 个主要含油气盆地评价结果表明,石油剩余可采资源量为84.3 亿吨,天然气剩余可采资源量为14.1 万立方米,相当于127 亿吨石油。目前已探明的煤炭保有储量超过1 万亿吨,可采储量1100 亿吨以上,另外还有煤层气等资源,能源资源总量约为4 万亿吨标准煤。但我国人口众多,能源资源仍相对缺乏。我国人口占世界总人口的20%,已探明的煤炭储量占世界储量的11%、原油占2.4%、天然气仅占1.2%。人均能源资源占有量不到世界平均水平的一半,石油仅为1/10。我国已成为世界上第1大能源生产国和第2 大能源消费国。我国地域辽阔,自然条件区际差异显著,人口及资源的分布不平衡,各地区的发展水平不同,产业构成和产业结构体系各有特点,导致了各地区不同的能源需求。随着国民经济的快速发展和人民生活水平的不断提高,年人均能源消费量将逐年增加。据公布,2010年我国一次能源消费量为32.5亿吨标准煤,同比增长了6%;不过能耗强度进一步降低,单位产值能源消费量下降4%。即便在如此形势下,我国能源消耗强度仍偏高,是美国的3倍、日本的5倍。据推测,中国未来能源供需的缺口将越来越大,在采用先进技术、推进节能、加速可再生能源资源的开发利用以及依靠市场力量优化资源配置的条件下,2010 年约缺能8%,到2040 年将短缺24%左右。由此可见我国面临着严峻的能源短缺问题,传统能源已远远不能满足我国经济、社会发展的需要,开发新能源,发展新能源技术,替代传统能源势在必行。按“十二五”规划,能源技术创新将保障国家能源安全,并以新能源模式展现中国发展的全球价值。
1.2发展新能源技术是发展低碳经济的内在要求
基于我国日益严重的环境问题,2010年两会 ,发展低碳经济被正式提上日程。“低碳经济”以低能耗、低污染为基础,一个重要支撑即为“低碳技术” 。低碳技术不仅涉及电力、交通、建筑、冶金、化工、石化等传统的能源消费部门,也涉及可再生能源及新能源、煤的清洁高效利用、二氧化碳捕获与埋存等能源生产领域。在我国经济发展的现阶段,要想既保持现有经济的高速增长,又能坚持低碳经济的原则,发展低碳的新能源技术是其必然选择。
1.3发展新能源技术有利于产业结构升级
发展新能源技术可以加速我国产业结构升级的步伐。新能源的开发和利用,不仅会影响企业的能源消费结构和生产结构,促进企业生产方式的转变,也会带动“新能源经济”这一新兴产业的发展及其他一系列相关产业的发展,从而改变现有的产业结构,提高经济运行的抗风险能力。发展新能源技术不仅可以开辟新的能源供应途径,有效增加新能源供应量,还可以有效降低环境污染,建设环境友好型社会。
2我国新能源技术发展现状
2.1核能技术——受控制核聚变技术
对核资源的有效利用,我国多数核电站均采用核裂变技术进行发电。热中子反应堆只用了铀矿资源中占0.71%的U235,而占99.28%的U238 要通过快中子增殖堆。这种反应堆已运行多年,但所用的冷却剂腐蚀性强,容易造成泄露。为了充分利用核资源,我国和世界各国都大力开发受控制核聚变反应堆。核聚变是两个较轻的原子核聚合为一个较重的原子核,并释放出能量的过程。自然界中最容易实现的聚变反应是氢的同位素—氘和氚的聚变,因为这种反应必须在极高的温度下进行,所以叫做热核反应。这种反应在太阳上已经持续了50 亿年。氘在地球的海水中储藏量丰富,多达40 万亿吨,如果全部用于聚变反应,释放出的能量足够人类使用几百亿年,而且反应产物是无放射性污染的氦。另外,由于核聚变需要极高温度,一旦某一环节出现问题,燃料温度下降,聚变反应就会自动终止。也就是说聚变堆是次临界堆,绝对不会发生类似前苏联切尔诺贝利核电站的事故,它是安全的。其实人类已经实现了氘氚核聚变的技术,氢弹的爆炸就是如此,但那种不可控制的瞬间能量释放只会给人类带来灾难,人类需要的是实现受控核聚变,以解决能源危机。受核聚变能技术是一种无限的、清洁的、安全的新能源技术,作为21世纪理想的换代新能源,核聚变的研究和发展对我国有着特殊重要的战略意义。
1997年我国第一个受控核聚变研究重点实验室建立,受控核聚变研究进入快速发展阶段。2003年我国受控核聚变研究取得重大进展,科学家在给核聚变装置——中国环流器二号A“装”上偏滤器这一关键部件后,成功在这一新的磁场形态下实现放电,从而标志我国受控核聚变研究迈入新阶段。这一成果的取得,为我国加入国际热核实验堆(ITER)计划,跨进‘热核实验堆俱乐部’提供了强有力的技术基础。2006年我国受控核聚变装置——中国环流器二号A装置取得等离子体电子温度5500万摄氏度的成绩后,又在2007年的物理实验中取得了一批具有创新性的物理成果。这些成果包括:在磁约束研究方面首次发现了自发产生的粒子输运垒存在;首次观测到与理论一致的准模结构;首次证实低频带状流的环向对称性现象。虽然我们的研究取得了一系列可喜的成果,但和发达国家相比,聚变参数仍有一个量级的差距,总体上仍处于规模化物理实验和部分关键技术预研阶段。
2.2太阳能开发技术——太阳能发电技术
我国储藏着丰富的太阳能资源,辐射总量在3.3*10—8.4*106/(米2年)之间。全国三分之二以上地区年日照数大于2000小时。西藏、青海、新疆、甘肃、宁夏、内蒙古高原的总辐射量和日照时数均较高,属世界太阳能资源较丰富地区之一。
到达地球的太阳能中,30%被大气层反射,23%被大气吸收,只有47%能够到达地球表面。到达地球表面的太阳能辐射,根据其性质的不同可以分为直射太阳辐射和漫射太阳辐射。直射太阳辐射是太阳直接辐射到地球并被地球直接吸收、未改变方向的太阳辐射。漫射太阳辐射是指太阳辐射到达地球后被大气或云层反射和散射后方向已改变的太阳辐射,一般来说人们所能直接利用的多为太阳的直射辐射,利用带聚光装置的集热器将太阳辐射转换为高温热能。这是最基础的太阳能利用技术,太阳能热水器是我国最广泛的太阳能利用方式。
目前太阳能技术研究主要集中于太阳能发电领域,太阳能发电有两种方法:一种是将太阳能转化为热能,然后按照常规方式发电,称为太阳能热发电;另一种是通过光电器件利用光生付打原理将太阳能直接转化为电能,称为太阳能光伏发电。
我国在太阳能热发电领域取得了一系列的成果。“六五”期间, 建立了一套功率为1KW的平板式太阳能低温热发电模拟装置。此外,我国还与美国合作设计并成功试制出功率为5KW的碟式太阳能发电装置样机。并在2005年与以色列合作,在江苏省南京市建成了第一座功率为75KW的太阳能塔式热发电示范电站,成功运行。
我国的光伏电池技术是从20世纪60年代时发展空间用太阳能电池起步的,地面用太阳能电池的生产是从70年代初期开始,主要的低成本技术及生产能力则是在80年代中期建立起来的,90年代以来是我国光伏发电产业快速发展的时期,光伏组件生产能力逐年增强,成本不断降低,市场不断扩大,装机量逐年上升。目前我国太阳能产业规模已位居世界第一,是全球重要的太阳能光伏电池生产国。
值得注意的是我国太阳能发电技术的核心技术多为国外引进所得,鉴于技术本身的成熟度、在我国的适用性以及关键技术自主知识产权的缺失等问题,塔式系统、槽式系统是否值得巨资买进来、在我国开展大规模示范还需冷静而深入地仔细研究;建立在新的聚光跟踪理论突破基础之上的、更为经济高效且具有完全自主知识产权的新型分立式太阳能热发电技术,则为我国太阳能热发电产业实现真正自主创新和关键技术的跨越式发展提供了一个宝贵机遇。
2.3 风能开发技术——风力发电技术
风是最常见的自然现象之一,是太阳对地球表面不均衡加热而引起的“空气流动”,流动空气具有的动能称之为风能。因此,风能是一种广义的太阳能。据世界气象组织和中国气象局气象科学研究院分析,地球上可利用的风能资源为200亿KW,是地球上可利用水能的20倍。中国陆地10m高度层可利用的风能为2.53亿KW,海上可利用的风能是陆地上的3倍,50m高度层可利用的风能是10m高度层的2倍,风能资源非常丰富。我国风能储量很大、分布面广,开发利用潜力巨大。近年来我国风电产业及技术水平发展迅猛,风力发电技术是涉及空气动力学、自动控制、机械传动、电机学、力学、材料学等多学科的综合性高技术系统工程。目前在风能发电领域,研究难点和热点主要集中在风电机组大型化、风力发电机组的先进控制策略和优化技术等方面。
2.3.1 风力发电机组机型及容量的发展
现代风力发电技术面临的挑战及发展趋势主要在于如何进一步提高效率、提高可靠性和降低成本。作为提高风能利用率和发电效率的有效途径,风力发电机单机容量不断向大型化发展。从20世纪80年代中期的55kW 容量等级的风电机组投入商业化运行开始,至1990 年达到250kW,1997 年突破1MW,1999 年即达到2MW。进入21 世纪,兆瓦级风力机逐渐成为国际风电市场上的主流产品。2005年我国风电场新安装的兆瓦级风电机组占当年新装机容量的21.5%,而2009 年比例已经上升到86.86%,这表明容量风电机组已经成为我国风电市场上的主流产品。
2.3.2 风力发电机组控制技术的发展
控制技术是风力发电机组安全高效运行的关键技术,国内众多学者都致力于深入研究风力发电的控制技术和控制系统,这些研究工作对于风力发电机组优化运行有极其重要的意义。计算机技术与先进的控制技术应用到风电领域,并网运行的风力发电控制技术得到了较快发展,控制方式从基本单一的定桨距失速控制向变桨距和变速恒频控制方向发展,甚至向智能型控制发展。
尽管近年来我国风电产业得到了迅猛的发展,但我国尚未完全掌握风电机组的核心设计及制造技术。在设计技术方面,我国不仅每年需支付大量的专利、生产许可及技术咨询费用,在一些具有自主研发能力的风电企业中,其设计所需的应用软件、数据库和源代码都需要从国外购买。在风机制造方面,风机控制系统、逆变系统需要大量进口,同时,一些核心零部件如轴承、叶片和齿轮箱等与国外同类产品相比其质量、寿命及可靠性尚有很大差距。
2.4生物质能开发技术——生物质能转化技术
生物质能是绿色植物通过叶绿素将太阳能转化为化学能而储存在生物质内部的能量。生物质通常包括木材和森林工业废弃物、农业废弃物、水生植物、油料植物、城市与工业有机废弃物和动物粪便等。生物质是一种安全、清洁的绿色能源,目前,在最广泛利用的能源中占第4 位,构成世界一次能源需求量的14%。生物质能潜力巨大,经济性好,有良好的社会效益和环境效益,是重要的可再生能源之一。
我国正在发展的生物质能利用技术有:热化学转化技术,热化学转化技术是将固体生物质转换成可燃气体、焦油、木炭等品位高的能源产品;生物化学转化技术,生物化学转换技术主要指生物质在微生物的发酵作用下生成沼气、酒精等能源产品(沼气是有机物质在一定温度、酸碱度和厌氧条件下经各种微生物发酵及分解作用而产生的一种混合可燃气体);生物质压块细密成型技术,生物质压块细密成型技术是把粉碎烘干的生物质加入成型挤压机,在一定温度和压力下,形成较高密度的固体燃料,密度约为1.2~1.3 克/m3,热值在20 焦/kg 左右。
目前美国学者已发现30 多种富含油的野草,如乳草、蒲公英等。科学家还发现300 多种灌木、400 多种花卉富含“石油”。我国科学家利用转基因技术,使油菜籽的生物柴油含量由10%提高到40%,展现了开拓生物质能源全新领域的美好前景。
中国政府及有关部门对生物质能源利用极为重视,己连续在四个国家五年计划中将生物质能利用技术的研究与利用列为重点科技攻关项目,开展了生物质能利用技术的研究与开发。中国在生物质能发电方面,已经基本掌握了农林生物质发电、城市垃圾发电、生物质致密成型燃树等技术。我国生物质能正驶入快车道。根据国家能源局的规划,到2015年我国生物质发电装机达到1300万千瓦,较2010年增长160%,集中供气达到300万户、成型燃料年利用量达到2000万吨、生物燃料乙醇年利用量达到300万吨,生物柴油年利用量达到150万吨。
2.5地热能开发技术——地热发电技术
我国地热资源丰富,已发现的温泉有3200 多处,其中热储温度大于150摄氏度,可用于发电的约有200处。中国地热资源主要分为三类:第一类,高温对流型地热资源,主要分布在滇、藏及台湾地区;第二类,中低温对流型地热资源,主要分布在东南沿海地区包括广东、海南、广西,以及江西、湖南和浙江;第三类,中低面传导型地热资源,主要埋藏在大中型沉积盆地之中(如华北、松辽、四川、鄂尔多斯等)
我国的地热资源以中低温为主,遍布全国各处。在中低温地热的直接利用方面,我国从上世纪90年代开始,逐步加大了开发力度,近年来地热开采利用量以每年10%的速度增长。我国中低温地热直接利用主要在地热供暖、洗浴和旅游度假、工业应用、养殖、温室、农业干燥、矿泉水生产等方面。
地热直接利用规模较小,地热能的大规模应用主要以地热发电技术为核心。我国的工业性地热电站均分布在西藏自治区,其中西藏羊八井是目前规模最大的高温地热电站,装机容量达到25.18MW,自1993 年以来,年发电均保持在1亿度左右,截至2003 年底,总发电量达到17.5 亿度,电站年平均运行在4000h 左右,地热电力约占拉萨电网电量的30% - 40%。此外,在西藏朗久、那曲也分别建造了2MW和1MW 的地热电站。我国地热发电主要采用闪蒸式地热发电系统,双工质循环系统仅在西藏那曲使用。从地热资源来看,西藏仅仅使用的是民层热储,地热井仅为200m,对于上千米的深层地热资源,存在很大的开发潜力。
2.6海洋能开发技术——海洋发电技术
海洋能主要源于太阳辐射和月球引力。太阳辐射到地球表面的能量大部分被海水吸收,使海洋表层水温升高,形成深部海水与表层海水之间的温差,因而形成温差能;太阳能的不均匀分布导致地球上空气流运动,进而在海面产生波浪运动,形成波浪能;主要由月球引力导致的海面升高形成位差能,称为潮汐能;由月球引力导致的海水流动称潮流,是海洋能的主要部分。人们普遍认为,波浪能和潮流能对环境的影响不大,潮汐能对环境的影响较大。目前国际上发展较快的是波浪能和海流能。波浪能由于比海流能分布更广,因而更受人们的关注。
据了解,我国海洋能开发已有近40年的历史,从1968年即开始研制潮汐能电站。时至今日,我国的海洋发电技术已有较好的基础和丰富的经验
虽然我国海洋能发电前景广阔,其技术也与国际水平相差无多,在有的方面甚至高于国际水平,但是在行业内外,还存在着一些亟需解决的问题。海洋能发电技术是多种学科技术的综合,涵盖了动力学、结构学、化学、材料学等各方面的内容,只要其中一项技术达不到国际水平,比如防腐材料技术欠缺,就会导致最终的技术水平差距。而装备制造业的发展水平不够,对于海洋能发电技术提高的制约是显而易见的。据了解,由于缺乏行业标准,以及尚未到大规模应用阶段等原因,我国目前与海洋能发电技术相关的装备制造业尚未形成,除了小型的海洋能装置,基本没有批量生产的海洋能发电装置。因此,加工水平、细致程度等实验室不可控的因素在很大程度上制约了我国海洋能发电技术的进步。
综上所述,我国的新能源技术发展已经初具规模,个别技术已处于国际领先的地位, 基本具备产业化发展的条件。但是总体水平较低,,不具备大规模产业化发展的能力。整体看来,只有太阳能热水器、小水电和小型并网风电和小型沼气池技术完全进入了产业化阶段;大型并网风电技术、太阳能光伏技术和地热发电技术则刚刚进入产业化开发;其它新能源发电技术包括潮汐发电和生物质气化技术则处于试点示范阶段和研究开发阶段。这种局面的形成是由多种因素造成的,我们必须认识这些阻碍我国新能源技术发展的因素,才能对症下药,促进我国新能源技术的飞速发展。
3制约我国新能源技术发展的因素
3.1 企业过度依赖技术引进,缺乏核心技术
作为关系国家安全的战略性技术,新能源技术的研发与应用一直是世界各国角逐的焦点。作为发展中大国,中国理应占有一席之地。然而事实证明,中国新能源行业发展并没有达到与中国经济、社会发展相匹配的水平。由于发达国家对新能源关键技术、核心技术的严密控制,我国投巨资购买的技术装备未能充分诱发技术扩散,企业发展过度依赖国外技术,未能在有效消化、吸收国外技术基础上实现再创新,因此始终没能掌握新能源关键技术、核心技术,这不仅导致绝大多数利润被发达国家攫取,而且导致大部分市场为欧、美、日所瓜分。利润相对微薄、市场份额大量流失则进一步阻碍了我国企业在技术研发方面的投入,形成恶性循环。
以光伏发电为例,客观地说,由于目前占有主要光伏市场份额的德、日、美3国同时掌握着太阳能光伏发电的主要资源和技术,它们是光伏发电产业最主要的受益者,尽管我国太阳能光伏发电发展迅速,但利润微薄,使中国光伏发电产业缺乏长足发展的动力。
3.2 政府政策缺乏连续性、有效性
未能营造适宜的环境, 缺乏相应的政策措施诱发新能源技术扩散也是不可忽视的重要原因。中国迄今尚未建立统一归口管理机构, 缺乏统一规划和协调行动, 政出多门, 矛盾重重, 对新能源技术的发展十分不利。缺乏足够的经济鼓励政策和激励机制, 政策的协调性、连续性和稳定性差, 没有形成具有一定规模的、稳定的市场需求, 这也影响了民间投资者的积极性。
我国《国家中长期科学和技术发展规划纲要》、《可再生能源中长期发展规划》、《可再生能源法》等制度的出台,为新能源技术产业发展提供一定的政策支持, 但具体政策措施难以落实。例如:由于我国的风能产业、太阳能等新兴产业重复建设、无序上马,使得产能与基础设施之间不平衡、不衔接,从而出现一种“产能过剩”现象。这种过剩是相对过剩,是低水平的重复建设所导致的,根本原因在于政策之间缺乏协调和统一规划。
3.3 新能源技术研究机构忽视技术开发和应用,试验示范环节相对薄弱
新能源技术研发支出中,基本研究优于技术开发和应用,试验示范环节相对薄弱。由于新能源技术领域政府投入较多,大都投向大学和科研院所,我国多年来形成的科研旧体制,导致大学和科研院的研究多以基本研究为主,远离企业与市场需求,最终形成了新能源技术转移和应用环节薄弱的现有局面。如,2003 - 2007 年,我国在三大检索系统中发表的有关氢燃料电池的论文占世界同类论文的8.7%,而专利数量仅占世界的2.2%。同期,我国太阳能晶体硅领域的三大检索系统论文数量占世界的11.08%,发明专利的数量仅占世界的0.88%。与国际上主要新能源利用国家相比,我国的新能源技术的基础研究大都居中等以上,大学和科研院所的实验室研究与国际水平接近,应用开发水平不高,研究成果转化滞后。中间试验环节薄弱,有些新设备没有经过严格的工程验证就大规模投入使用。研究成果无法有效转化为经济效益,大大影响了企业投入新能源技术产业的积极性,也进一步促使政府成为新能源技术发展的最大买单人,斥巨资研究出的成果往往只能束之高阁。
4 促进我国新能源技术发展的对策
4.1增强企业自主研发能力
政府要制定相应的产业政策,发挥经济杠杆的作用, 对企业引进、开发和推广应用新能源技术进行必要的引导。在新能源技术引进上,要保证企业紧紧抓住关键技术,死死盯住先进技术, 坚决遏制重复引进,彻底杜绝低劣引进。对一些没有消化吸收和开发能力及过去已引进但对引进成果没有进行消化吸收、二次开发的企业要限制引进。在技术的开发上,企业要立足本地区本行业的新能源发展特点,着眼国内国际先进水平,确定开发重点,以求得新能源技术引进、技术开发和技术推广的最大效益和综合效益。
4.2保证政策的多样性、连续性
新能源技术是依赖大量研发投入和示范的高技术领域,为了加快新技术的示范,重要的投资支持和制度变革是必须的。政府要对现有的制度进行创新,并制定相应的政策支持新能源技术的发展。新能源技术发展所需的政策支持与技术所处生命周期不同发展阶段的特点存在关联性。政策的制定应充分考虑各类新能源技术的发展现状,找到切入点,以降低政策成本并实现收益的最大化。技术发展阶段的特征不同,会面临不同的发展障碍,对适合不同阶段的技术要给予相应的政策支持。
在保证政策与新能源技术发展阶段相适应的前提下,建立统一的管理机构,严格管理制度,使政策的执行由制度来控制,保证政策的连续性与有效性,为新能源技术的发展创造良好的政策环境。
4.3改革新能源技术研发机制
长期以来, 我们基本上是沿袭前苏联的科技体制,形成了独立的科研院所和高等院校两大基本队伍。以政府兴办科研单位再由科研单位去搞产品开发为主体的这种技术开发管理体制不仅需要政府投入大量的人力、物力、财力,而且由于局限了开发的范畴也影响了开发和生产衔接,造成了开发与生产严重脱节的局面,直接制约了我国新能源技术开发能力和水平的提高。对一些属于企业范畴的新能源技术开发项目,应尽量促使企业自己承担, 逐步形成以企业为主体的技术开发体系。当然这种体制的转变不可能一蹴而就,在现有体制下可以通过加强企业和科研院所的合作来促进新能源技术开发和应用的成功对接,实现新能源技术研发的可持续发展。
单位介绍:北大纵横管理咨询集团,成立于1996年,是国内第一家按照公司法注册成立的、按现代企业制度规范化运作的专业管理咨询公司,是中国管理咨询业的先行者与领导者,是亚太最有影响力的管理咨询集团。集团拥有专业咨询师近千人,为企业提供战略管理、人力资源、营销品牌、集团管控等咨询服务, 曾先后为国内千余家企业提供一流管理咨询服务,其中约三分之一为国内500强或上市公司,积累了丰富的管理咨询经验和企业研究数据。
主要撰稿人及简介:段静静,北大纵横管理咨询公司咨询顾问,硕士,毕业于中央民族大学经济学专业,以战略和人力资源管理咨询模块为主业,以产业研究见长。