技术创新实现电力可持续供应的根本途径北安

技术创新--实现电力可持续供应的根本途径

技术创新--实现电力可持续供应的根本途径 2011年12月04日 来源： 20世纪工程技术的划时代成就之一就是电的日益广泛应用。电力已成为生产发展和社会变革最重要的技术基础。在美国国家工程院评选出的20项“20世纪最伟大的工程技术成就”中，电气化名列榜首。本文重点介绍我国实现全国电气化面临的挑战和技术创新的机遇。 1 电力紧缺现象在我国将长期存在（1）我国能源需求将继续显著增长。我国能源需求的特征是：总量巨大、人均水平很低和增长率高。2000年一次能源消费13.7亿吨标准煤，占全球总量的11%，总量仅次于美国，而人均能源消费不足世界均值的一半，为美国的十分之一。未来20年，由于工业化和城市化的驱动，中国能源需求预计将继续显著增长。（2）短期内缺电难以根本缓解。电力在过去20年间以每年8%～9%的速率增长。2006年底，电力装机容量预计将突破500GW大关。但是，短期内缺电仍难以根本缓解。应当强调指出：电力在终端能源中占愈来愈大的比例已成为普遍规律，未来我国电力需求将会以高于一次能源需求的速度快速增长。预计，2020年我国装机容量和发电量将分别达到1000GW和5000TWh。这相当于整个西欧当时发电量的总和。与2000年相比，增长200%。但是，即使实现了这个目标，我国人均的电力消费水平仍然远低于OECD国家的平均水平。尽管近两年发电装机以每年50GW的速度增长，电力供需矛盾会得到暂时的缓解，但由于一次能源供应能力极其有限，电力紧缺长时期内仍然是制约我国经济发展的重要因素。近年来，有些高速扩张建设起来的发电厂已经面临“巧妇难为无米之炊”的困难局面。投资者忽略了我国电力紧缺的根本原因是一次能源紧缺。（3）从人均的意义上讲，我国能源资源非常有限。我国人均化石燃料资源仅为世界均值的56%。石油天然气的人均可采储量仅为世界均值的8%。可以预见，煤炭仍是我国主要的一次能源。但煤炭可持续供应的前景也不容乐观。中国工程院的研究表明：我国重点煤矿可采储量为430亿吨，在建的煤矿235亿吨，国有地方煤矿187亿吨。在尚未利用的资源中，可经济开采建矿井的只有227亿吨。2004年生产的19亿吨原煤中，有7.5亿吨是由安全条件不符合标准的小煤矿开采出来的。急需提高我国煤矿的装备水平、开采效率和安全生产水平，加强矿区环境保护，采取有力措施制止小煤矿对资源的掠夺性开采和事故频发的势头。（4）水电是替代化石能源的首选，目前开发的程度较低，需要加速开发。然而，从满足未来大量的能源需求看，我国水电资源也很有限。据初步估计，如果我国经济可开发的水电资源全部开发完毕，仅可满足2020年用电量需求的28%,一次能源需求的12%。然而，这些水电资源是否允许全部开发，还取决于长远生态影响的评估和科学论证的结果。许多专家呼吁必须在保护生态环境的前提下开发水电。水资源短缺将成为制约燃煤发电厂建设的重要因素。由于我国产煤地区恰好是缺水严重地区，在这些地区大量建设火电厂无疑会受到水资源的严重制约。（5）核电在当今世界已成为仅次于燃煤发电的电源，与水电、气电所占份额相当。遗憾的是，由于种种原因，我国核电目前的比例还相当低。核电要实现规模发展还需要时间。（6）发展电力供应能力还受到土地资源和环境条件的严重制约。电力线路走廊和变电站的站址已经成为稀缺资源。输电线路路权谈判旷日持久、线路造价飙升已成为发展趋势。我国台湾目前缺电的主要原因在于新建输电线路困难。综上所述，由我国国情决定，解决我国能源和电力的可持续供应比其他任何国家都要困难得多。一次能源及电力的短缺将成为长期制约我国经济社会发展的重要因素。2 可持续发展能源战略的核心是走新型电气化道路世界各国应对能源短缺通常有4种可能的战略选择：①强化能源效率战略；②强化洁净煤战略；③强化核电战略；④强化可再生能源战略。由于我国国情决定，根本没有选此弃彼的余地，四大战略必需兼容并蓄。可以看出，四大战略的目标和实现途径都和电气化密切相关。可以说，可持续发展能源战略与全国电气化战略在目标、实现途径、技术路线、政策措施等方面都很相似。因此，国家电气化常常被称为通向可持续发展的桥梁。电力工业作为工业系统的一个子系统，也必须遵照科学发展观的要求，走出一条新的发展道路。我们不妨把这称为“新型电气化道路”。笔者认为：新型电气化道路的目标是为全社会提供安全可靠、高效低耗、环境友好、质量优良、价格合理的电力供应。电力工业的将来取决于以下重要因素：①电源的生产必须变得更加有效，消耗尽可能少的一次能源；②电力传输分配系统必须变得更加可靠，提供现代社会所需的可靠高质电力；③在用户和电力生产商以及所有的市场参与者之间，必须加大市场透明度（如价格、可用率）；④电力生产、传输分配和使用全过程必须与环境兼容；⑤为实现以上目标，电力技术应当有所突破。在我国一次能源和各种资源极其有限的条件下，要按照科学发展观的要求实现全国电气化，必须依靠科技进步、依靠技术创新，舍此别无他途。3 电力技术创新的历史机遇近年来，电力技术的发展日益显现出高技术与传统技术交叉、融合的趋势。高技术领域的信息技术、电力电子技术、新材料技术的突飞猛进使传统电力系统已经或将要发生重大变革。3.1高效洁净的燃煤发电技术据全球能源需求预测，未来煤炭的消费量不可避免地会进一步增加，可持续发展的关键是要改变煤炭的利用方式。提高发电效率是降低一次能源消耗和环境影响的有效途径。目前全世界燃煤发电的平均效率为30%左右，先进水平可达到43%。超临界煤粉发电技术被认为是我国洁净煤发电技术的主流。新建的燃煤发电厂采用超临界或超超临界机组配以经济的脱硫脱硝设备，可以大幅度降低煤炭消耗和有害排放。正在研究中的所谓的“超洁净的燃煤发电厂“，把高温燃料电池技术、联合循环技术和固碳技术集成起来，可以把效率提高到70%，同时实现包括二氧化碳在内的零排放。3.2运输车辆电气化技术运输燃料的替代对我国可持续的能源供应至关重要。目前，一条现实的途径是发展煤基液体燃料。通过液化和气化将煤转化为液体燃料的技术已臻成熟，现在主要是经济性问题。煤基液体燃料的问题在于它还摆脱不了对化石能源的依赖。发展生物质燃料是另一条极有希望的技术路线。巴西发展燃料乙醇替代了40%的汽油，创造了令人鼓舞的业绩。从长远看，随着高效制氢技术、燃料电池技术和储氢技术的进步，以氢为燃料的电动车将成为未来的绿色交通工具。“氢-电系统”将成为未来重要的能源系统。由核能或可再生能源发电与制氢的联合系统是重要的“氢-电系统“。从长远看，核电-氢能系统有广阔的发展前途，这是因为：①核电-氢能系统的各个环节都没有温室效应气体和其他有害的排放，对环境影响很小；②核能是有希望实现永续利用的一次能源；③核电与产氢系统的结合可以保证核电站始终运行在恒定负荷状态，有利于提高核电站的经济性。但是，必须指出：要进入所谓的“氢能经济时代”，实现用氢能替代传统的液体、气体燃料，使燃料电池驱动的车辆进入千家万户，道路还很漫长。“氢-电”系统的产业化需要解决一系列技术经济问题：如大幅提高制氢的效率、降低制氢费用；储氢技术的突破；燃料电池产业化等。另外，建立遍及千家万户的加氢站及配送系统绝非易事。目前，全球的加氢站与加油站相比，只是沧海一粟。但从长远看，油气资源迟早要枯竭，氢-电交通系统定会有广阔的应用前景。3.3核电新技术全世界现有441座核电机组在运行，总装机容量为3.59亿千瓦（电功率），共有17个国家的核电在国家电力生产中的比例超过25%，核电占全球总电力生产量的17%。因此，核电是世界能源结构中重要组成部分之一。我国和印度、日本和韩国等能源短缺的国家一直把发展核电视为能源供应的不可替代的选择，先后制定了积极发展核电的计划。我国政府最近制定了积极发展核电的政策，并确定了在2020年建成4000万千瓦核电的目标。即使这个目标如期实现，核电的发电量也只能达到4%的比例。所以，有不少专家认为，我国核电发展的步伐还要更快一些、规模更大一些才能满足未来能源的需求。如何使我国的核电发展得更快、更稳妥。专家比较一致的看法是：需要采用同步推进第二代核电站翻版加改进战略和先进堆核技术引进和消化吸收战略。全世界已运行的核电站大部分是第二代压水堆核电站技术，已积累了10000堆年的成功运行经验，部分电站还准备升级延寿。因此，第二代压水堆核电站技术是经过长期商业化运行考验的成熟技术。国内通过大亚湾、岭澳、秦山核电站建设和运行，积累了第二代压水堆核电站逐步实现技术改进和自主化的成功经验。因此，持续改进的第二代核电站应当作为近期核电加快起步的首选方案。第三代核电技术的国际招标和引进工作正在推进中。目的是通过引进消化吸收第三代核电技术，大幅度提高核电站的安全性和经济性。这两件大事并行不悖、相辅相成，需要加大同步推进的力度。为了推进我国核电的规模发展，需要研究核燃料循环技术、核废料安全处置技术。以更加充分利用铀资源为目标的快中子增值堆的试验工程正在建设中。高温气冷堆的试验工程也已纳入国家中长期科技发展规划。展望未来，聚变技术是实现可持续能源供应最有吸引力的技术。我国已决定积极参与国际聚变技术研究的ITER计划。有朝一日聚变技术实现了商业化，将为人类提供永不枯竭的清洁能源。3.4可靠高效灵活的电网技术建设一个结构合理、可靠高效、运行灵活的国家电网，对保证现代社会不间断的电力供应、对保证电能生产、输送、储存、分配和使用各个环节的安全高效运转、实现资源的优化配置有着不可替代的重要作用。纵观世界各国电网发展的历史，建设现代电网主要有3条途径：①发展远距离大容量输电技术，强化电网骨架，实现电网有效互联；②应用高新技术，例如现代电力电子技术，提高电网的有效性和运行灵活性；③发展现代电网控制技术，保证大电网的运行安全。上述电网关键技术对满足我国电网未来20～30年发展需求，提高电网输电能力、保证电网安全、实现一次能源的优化配置，都非常重要，需要加强研究和并实现产业化。高技术与传统技术的集成可以带来革命性的变化。例如，灵活交流输电技术（FACTS），依靠电力电子技术和现代控制技术的集成，可以使输电线路的输送能力突破稳定极限，达到输电线路的热极限，大幅度提高输送能力和稳定水平。我国自行开发的220kV可控串补已投入运行，性能良好。基于电力电子技术的故障电流限制器，可以有效地降低短路电流水平而不影响电网的正常运行。基于大功率高耐压电力电子器件的固态超高压开关，可以逐步取代传统的高压断路器，实现定相开断，大幅度降低电力系统的过电压水平。有专家预测，未来的电力系统是强电系统与现代信息系统高度融合的系统。应用电力电子技术、分布式电源、储能技术、智能化设备和现代信息技术，可把电力系统建设成为可靠、高效、运行灵活，甚至在事故后可以“自行康复”的系统。注：郑健超，中国工程院院士，中国广东核电集团有限公司科技委主任，中国电力科学研究院名誉院长。我国著名高电压技术专家。(end)

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