低碳经济背景下的新能源开发和利用

1 前言 能源的稳定供给对于经济社会的发展至关重 要，然而全球化石燃料的大量燃烧，带来了日益严 重的环境污染和能源短缺。 面对严酷的现实，人们 提出了低碳经济的概念。它一方面是要利用现代科 技等手段实现节能、增效，另一方面是要开发新能 源，最终目的是实现经济社会发展的低能耗 、高能 效、少污染和能源供给多元化的可持续发展之路。 节能、增效一直非常受到关注 ，人类几十年来 利用经济、法律以及科技等手段广泛开展的节能是 有一定成效的。 但是由于经济社会的快速发展，能 源需求量扩大，能源的供应仍然不断趋紧，由此带 来的社会震荡和担忧也日益显现。然而人类社会已 经完全离不开化石能源，否则全球经济将出现难以 想象的急速衰退。 因此，开发利用新能源就成了低 碳经济背景下更为紧迫的选择，这也是近年来各国 加快开发和利用新能源步伐的重要原因。 2 新能源的概念 一般认为，常规能源是指技术上比较成熟且已 被大规模利用的能源，而新能源通常是指尚未大规 模利用、正在积极研究开发的能源。因此，煤、石油、 天然气以及大中型水电都被看作常规能源，而把太 阳能、风能、现代生物质能、地热能、海洋能以及核 能、氢能等作为新能源。 环境污染和能源短缺的现实压力令全世界开 始重新关注新能源，而且希望新能源能够克服化石 燃料燃烧带来的污染和可能出现的能源枯竭。新能 源看似有很多优点，如太阳能和风能，取之不尽、用 之不竭，利用过程中也不会排放很多的污染物。 然 而世界各国利用现代科技手段开发不同种类的新 能源已有几十年的历史， 当然也取得了很大进步， 包括太阳能发电、风力发电、核能、生物质能等 ，但 至今还没有一种新能源能够取代现在普遍使用的 化石能源，而只能作为常规能源有限的补充。 这一 方面说明各国还没有取得技术上的全面突破，另一 方面，新能源开发利用本身是否也存在一些依靠技 术难以克服的障碍呢？ 因此，应当正视新能源本身 和开发利用过程中出现的问题，对新能源过高的期 待也应有更为理性的认识。 低碳经济背景下的新能源开发和利用 张一鹏 (呼和浩特职业学院 ，内蒙古 呼和浩特 010051) 摘 要 环境污染和能源短缺的现实压力使新能源的开发利用成为低碳经济背景下更为紧迫的选择 ， 全世界开始重新关注 新能源 。 但至今还没有一种新能源能够取代现在普遍使用的化石能源 ，而只能作为常规能源有限的补充 。 太阳能光 伏发电和风力发电的利用过程无疑是低碳的 ；但其开发制造过程却要耗散大量的资源 ，需要大量化石燃料作支撑 ， 应该说是高碳的 ，新能源低碳 、无污染、零排放等说法是不全面 、不客观的。 新能源开发和设备制造过程对化石燃料 的依赖 、高成本和二氧化碳等污染物的排放之间是有正相关性的 。 目前新能源的开发利用并不经济 ，风力发电成本 是火电的 2~3 倍 ，太阳能光伏发电成本是火电的 5~10 倍 。 生物能源被视为唯一可以大规模替代汽油和柴油的可再 生能源 ，应重视发展纤维素乙醇 ，其制造技术的突破是可以预期的 ，相关问题的解决也相对容易 。 新能源发展规划 要结合国情 ，趋利避害 ，不能一哄而起 ，企业竞争的关键是技术创新和成本的不断降低 。 要全面看待新能源开发利 用的优势和存在的问题 ，加强研发 、稳步推进 ，避免重复浪费 ，对不同种类新能源的发展规划要做出科学合理的选 择。 另外 ，要特别注意对常规能源的节约 ，无论今后能源结构如何变化发展 ，节能都应当是一个永恒的主题 。 关键词 新能源 太阳能 风力发电 二氧化碳排放 纤维素乙醇 技术创新 节能 作者简介 ：张一鹏 ，教授 ，1979 年毕业于首都师范大学化学系 ， 主要研究领域为环境与可持续发展教育 。 E-mail：zyp1954@126.com 替代能源与新能源 ▲ ▲ · 28· 第 15 卷 第 11 期 2010 年 11 月 中 外 能 源 SINO-GLOBAL ENERGY 3 新能源开发与利用过程分析 3.1 新能源的开发制造过程需要耗散大量资源 以目前较为普遍利用的、也是人们最为关注的 新能源太阳能光伏发电和风力发电为例，其最显著 的特点是在实际利用过程中与燃烧化石燃料相比 排放的二氧化碳及相关的污染物非常之少。如一次 性投资建成后， 就可以依靠自然力运转若干年，基 本不排放二氧化碳，维护成本也不太高。 即使是生 物质能，如技术比较成熟的玉米乙醇 ，它的燃烧产 物也相对比较清洁。 更为关键的是，新能源是可再 生、可持续的能源。因此，太阳能光伏发电和风力发 电的利用过程无疑是低碳的，而它的开发制造过程 却是另外一回事。 无论是太阳能还是风能，总是要和地球上其他 大量非再生资源结合后才能正常运转， 发出电能。 如生产和制造太阳能和风力发电装置过程中都要 消耗大量的金属和非金属材料 ，包括钢材、铜、镉、 硅、锗、硒、镓、砷等，还需要大量的玻璃、塑料、橡胶 等化工产品。 上述所需材料事先都要经过开矿、熔 炼、提纯、合成等复杂的过程，每一过程都要耗散大 量的石油、煤炭等不可再生资源，排放大量的二氧 化碳等污染物。 此外，发电装置的安装就位还要大 量占地、远距离运输等，这些过程都是高碳的，需要 大量的化石燃料作支撑，同时也大大提高了新能源 开发利用的成本。 目前风力发电成本是火电的 2~3 倍，太阳能光伏发电成本是火电的 5~10 倍 [1]。 由于风力发电和光伏发电设备的制造要消耗 大量的金属材料，这就推高了发电成本。 现在吨钢 综合能耗的国家 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 为一类企业 700kg 标煤 /t，二 类企业 730kg 标煤/t。 这里所谓的吨钢综合能耗并 不包括钢铁工业企业的采矿、选矿、铁合金、耐火材 料制品、碳素制品、煤化工产品及其他产品生产、辅 助生产及非生产的能耗，这些能耗没有计算到吨钢 综合能耗中去，但成本是一定要摊的。因此，仅看吨 钢综合能耗的数据还不足以说明风力发电开发制 造和利用全过程的排碳量，而市场价格及成本的数 据则比较全面地反映了风电的全程排碳量以及与 火电排碳量定性的比较。 很显然，新能源开发和设备制造过程对化石燃 料的依赖、高成本和二氧化碳等污染物的排放之间 是有正相关性的。虽然现在还很难比较准确地计算 出新能源与常规能源各自在开发制造和利用的全 过程中排碳量、排污量的多少，但目前的高成本说 明新能源的开发利用并不经济，全过程排碳量也不 见得少，媒体所鼓噪的新能源低碳、无污染、零排放 等说法是不全面、不客观的。 3.2 太阳能发电转化效率低、成本高 据 2008 年中国能源投资论坛的最新 报告 软件系统测试报告下载sgs报告如何下载关于路面塌陷情况报告535n,sgs报告怎么下载竣工报告下载 ，上 海市在纳米专项基金的支持下，经过 3 年多实验与 探索，已经研制出新型仿生太阳能电池。 它的光电 转化效率已超过 10%， 接近 11%的世界最高水平。 从数据可以看出，世界最高水准的光电转化效率也 仅有 11%。如果在阳光不太充足的多云天气或者是 雨天和闷热的天气里，太阳光伏效应转换的效率还 会大幅度降低。 在太阳能电池中硅系太阳能电池是发展最成 熟的，但其成本居高不下。 晶硅太阳能电池的主要 材料是硅片， 比如铺设大面积的太阳能电池幕墙。 然而目前太阳能电池板主要用的是高纯硅，纯度达 到 99.9999%，这项技术被德国 、日本 、美国等几家 公司垄断。 太阳能电池用的高纯硅都是进口的，价 值不菲，成本太高，远不能满足大规模推广应用的 要求，所以太阳能发电系统在未来仍需要人们不断 地探索与完善。 目前国内太阳能光伏发电投资约 5 万元/kW， 而火电约为 5 千元/kW。 太阳能光伏发电投资的高 成本，意味着采用当前技术大规模开发太阳能光伏 发电是不经济的，虽然随着太阳能光伏发电设备生 产技术的改进 、 生产规模的扩大以及生产链的完 善，成本降低是可以预期的。而从另一个角度来看， 太阳能光伏发电的基本材料———多晶硅和单晶硅 的生产能耗很高，规模生产极有可能反过来抬高常 规能源的价格，因此期望太阳能光伏发电组件生产 成本的大幅降低又是不现实的。 中国已经成为世界上最大的太阳能电池组件 生产国，然而由于尚未启动国内太阳能电池的需求 市场，所生产太阳能电池组件的 98%以上都需要出 口。 发达国家为了保护自己的环境，将大量耗能的 前期生产放到了中国，虽然赚得一些利润 ，但环境 代价是不言而喻的。还有国内光伏产业市场启动速 度太慢，市场和产业不协调，说明市场承受不了目 前光伏技术应用的高成本。这种基本依赖于出口市 · 29·第 11 期 张一鹏. 低碳经济背景下的新能源开发和利用 场的产业存在着潜在危机，发达国家一旦因经济危 机或是为了保护本国的行业利益，压缩或暂停太阳 能电池片的进口，势必对我国太阳能电池和硅材料 行业产生巨大影响，甚至可能引起该行业的运转困 难。这必须引起足够的重视，做到未雨绸缪。应加快 我国光伏技术的应用和市场发展， 完善产业链，不 能不顾环境压力仅仅关注产业某一环节的利润。 3.3 太阳能和风力发电装置是有一定寿命的 太阳能发电装置和风力发电装置目前的设计 适用寿命最多是 20 年， 在这期间设备要经受全天 候的考验。 生产风电设备的技术是集空气动力学、 材料力学、 工艺 钢结构制作工艺流程车尿素生产工艺流程自动玻璃钢生产工艺2工艺纪律检查制度q345焊接工艺规程 制造、气象学、电机学、自动控制、电 力传输、 保护与控制等多学科于一体的综合性技 术，技术含量非常高。 制造企业必须具备先进的设 计理念和一流的制造技术才有可能制造出先进的 风电设备， 即使这样也很难保证在 20 年内设备不 出问题， 太阳能光伏发电装置同样存在此类问题。 我国中西部地区风沙较大，对风电设备磨损非常严 重，风沙的侵蚀会使风电设备的寿命大打折扣。 事实上，我国风电设备生产企业的发展还不到 20 年， 也没有已经运营了 20 年的风电场。 根据欧 洲风能协会的测算， 陆上风电的投资成本在 800~ 1150 欧元/kW，发电成本在 4~6 欧分/(kW·h)之间； 海上风电的投资和发电成本分别比陆上高出 50%~ 100%，投资成本在 1250~1800 欧元 /kW，发电成本 在 7.1~9.6 欧分/(kW·h)之间，根据资源条件不同而 有所变化 [2]。 发达国家在掌握专利和先进生产技术 的条件下， 其风电成本依然高于常规能源电价，而 我国风电不但成本高，而且还存在风沙侵蚀等潜在 问题。 发达国家发展风电多是利用海洋风，我国也 已经开始了海上风电的开发，不过海上空气的含盐 量和湿度都相对较高， 因此相对于陆上的沙尘，海 风对风电设备的腐蚀作用恐怕也会给风电设备生 产企业提出新的难题。 3.4 政府补贴是有限的 与其他行业不同的是，新能源行业十分倚重政 府的资金和政策支持，企业自身竞争力往往难以承 受市场考验，而经济压力又使得政府补贴不可能长 久进行下去，新能源企业也不能总是指望政府的补 贴或贷款生存。在我国目前尚未真正掌握核心技术 和新能源技术还有待改进的情况下，政府的优惠政 策不能成为支持浪费的始作俑者。要避免新能源低 碳概念的炒作，更要防止某些企业钻新能源政策的 空子，对于不太成熟技术的推广而给予企业的补贴 要慎重。 4 新能源发展规划要结合国情、趋利避害 4.1 新能源的开发不能一哄而起 全球的能源利用已经经历了两次大转换：从烧 薪柴、秸秆到烧煤炭，从烧煤炭到烧石油、天然气， 现在是第三次能源大转换，要从烧石油 、天然气到 具有低碳性质的可再生能源的能源体系。能源转换 过程是缓慢的，第一次能源大转换前后经历了 200 余年，第二次能源大转换使石油、天然气在商品能 源中的比重达到 50％用了 100 年 [3]。虽然可以预期， 在不远的将来，新能源会有一个大的发展 ，但第三 次能源大转换比起前两次要艰难得多，目前前景仍 然模糊。除了技术上的原因外，恐怕还有类似“由奢 返俭难”等众多难以克服的困难和社会问题 ，因此 世界能源结构转变到以可再生能源为主，很可能是 一个漫长的过程。 对于第三次能源大转换，新能源 只是在利用过程中具有低碳的优势，大多数新能源 属于间歇性、分散性能源，其不稳定性是显而易见 的。 即使在最近几年化石能源价格暴涨以后，可再 生能源仍然不具备市场竞争力。 因此新能源的开发不可操之过急， 一哄而起。 但据报道，2008 年我国新增风力发电机组 5030 台， 累计装机容量已超过 1200×104kW， 而当年的风力 发电量仅 128×108kW·h。 这意味着我国风电平均每 千瓦装机容量 1 年只工作 1000h， 电费收入才几百 元，这个使用效率实在太低，连投资都收不回来，更 不要说人工、维护等成本。目前国内已经有 18 个省 市提出了打造新能源基地，或者把新能源当作支柱 产业来发展，另外，有近百个城市把太阳能、风能作 为城市的支柱产业，这种一窝蜂似的发展 ，不但浪 费，也势必影响整个产业的可持续发展 [4]。 4.2 新能源开发竞争的关键是技术创新和成本的不 断降低 对一个前景看好， 但技术还有待突破的行业， 国家和企业应当把有限的资金更多地投入到研发 上。 新能源的研发也需要市场竞争，从而选择出更 科学的技术路径、成本更低的产品。对于企业来说， 竞争的关键是技术创新和成本的不断降低，而不是 2010年 第 15 卷· 30· 中 外 能 源 SINO-GLOBAL ENERGY 看谁能获得政府的优惠政策和补贴。新能源行业目 前竞争力不强的一个重要原因，是我们对新能源的 开发抱有了太多美好的期望，甚至是“永动机”式的 幻想，并且将新能源开发所面临的复杂技术看得过 于简单，认为只要有资金支持，技术的突破是可以 实现的。实际上科学是相对的，技术也不是万能的， 技术是一把双刃剑，而且两个刃往往是朝向一个方 向的，它既带来了社会财富，同时也带来了环境污 染甚至于技术陷阱。 因此，在开发利用新能源技术 时，一定要做到趋利避害。 4.3 重视生物质能的开发和利用 原油价格的上涨，曾使得以玉米等粮食为原料 的生物燃料红火一时，结果是造成了一轮以粮食价 格飞涨为源头的全球通涨。而纤维素乙醇技术已经 相对成熟，其标志是成本已经下降了数倍 ，从而使 纤维素乙醇技术越来越具有竞争力。 纤维素乙醇是第二代生物燃料 ， 以农作物秸 秆、林业加工废料、甘蔗渣等为原料。美国通用汽车 公司的研究成果 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明，每加仑纤维素乙醇所产生的 能量是其生产过程中所消耗能量的 7.7 倍，温室气 体排放量最多可降低 96％ [5]。 由于在环境友好性、 能效较高等方面的优势，生物能源被视为唯一可以 大规模替代汽油和柴油的可再生能源，公众和各国 政府对生物燃料的关注日渐升温。中国目前的粮食 产量大约是 5×108t，生产粮食的地上茎秆和地下根 茎大约也各有 5×108t，还有地上的林 、草都含有纤 维素，量是很大的。对于我国来说，用粮食生产燃料 不符合国情，而用茎秆、根茎、枝杈和农产品加工废 料等生产纤维素乙醇则应提倡和推广。虽然发展纤 维素乙醇到底能在多大程度上实现节能、 环保、低 碳目前还存在一些问题，如原料集散的耗能 、二次 污染等， 但纤维素乙醇技术的突破是可以预期的， 相关问题的解决也相对容易。 国外已经将禾本科多年生高大的丛生草本植 物如芦竹、象草、柳枝稷、草芦等作为重要的能源植 物 (Energy Source plant)进行开发利用，并称为能源 草。这些植物都具有生长快、产量高、光合作用效率 高、热值高等特点。 例如，1 亩柳枝稷 1 年的干草产 量为 1．2t，而 1 亩象草 1 年可生产出 3．6t 干草。 能 源草的根系发达，对炎热、寒冷、干旱、盐碱等环境 都有较强的适应性。 此外，能源草燃烧时放出的二 氧化碳与它生长过程中吸收的二氧化碳大致相当， 不会像燃烧传统化石燃料那样使大气中的二氧化 碳含量急剧上升。虽然能源草也可能产生甲烷和一 氧化碳等温室气体，但通过改进燃烧技术 ，还是可 以控制这些温室气体的排放的 [6]。因此，借鉴国外利 用生物质能的经验，加强生物质能的开发和利用应 当是正确的选择。 在化石燃料出现之前，人类社会在漫长的发展 历程中主要利用的能源就是生物质能 (如薪柴等 )， 只不过是由于科技手段落后，能源的利用效率非常 低下。而当今是用现代科技手段改造传统能源的利 用方式，一定意义上是回归自然和传统 ，但不是重 复，因此它的实际意义是巨大的。 5 结语 综上所述，新能源的开发和利用过程是一个事 物的两个方面，我们不应仅仅看到新能源利用过程 的低碳和环保， 更应关注开发制造过程的高能耗、 高成本以及技术的不成熟。要全面看待新能源开发 利用的优势和存在的问题，加强研发、稳步推进，避 免浪费，对不同种类新能源的发展规划要结合国情 做出科学合理的选择。 另外 ，要特别注意对常规能源的节约 ，节能被 称为“第五能源”。无论是在生产领域还是在日常生 活中，节能的潜力都是非常大的。 每节约 1kW·h 的 电，就相当于节约了 0.4kg 标煤和 4L 净水，同时减 少了 0.272kg 碳粉尘 、0.997kg 二氧化碳 、0.03kg 二 氧化硫等污染物的排放，可见节能的巨大潜力。 正 如中国工程院院士、 应用核物理学家杜祥琬所说， 有一种“巨大、廉价 、优质的绿色能源”，这就是“节 约能源”的行动本身。 我们不能一方面耗费大量非再生能源去开发 新能源， 而另一方面又在大量的挥霍和浪费能源。 目前强调生产领域的经济结构调整和经济增长方 式的转变比较多 ， 当然这也是节能的题中应有之 义，而对于生活领域的大量消费行为所造成的资源 浪费却关注不够，对两者之间的联动效应也认识不 足。 实际上，生活和生产领域所期望达到的节能减 排目标是一致的、联动的、相互影响的。对大量消费 行为熟视无睹，节能减排的目标是达不到的 ，无论 今后能源结构如何变化发展，节能都应当是一个永 恒的主题。 · 31·第 11 期 张一鹏. 低碳经济背景下的新能源开发和利用 The Development and Utilization of New Energy Sources in a Low-Carbon Zhang Yipeng (Hohhot Vocational College，Hohhot Inner Mongolia 010051) [Abstract] Developing and utilizing new energy sources has become an urgent task for all nations determined to take on the pathway to a low-carbon economy in the face of the actual pressure created by environmen- tal pollution and energy shortage.All nations are renewing their attention in new energy.However ，up to date no single new energy source has been able to replace fossil energy currently being widely used and these energy sources can only serve as a limited backup to conventional energy sources.The process of utilizing so- lar power and wind power is no double low-carbon；however，significant resources are used in the process of developing and producing these energy sources and a large amount of fossil fuel is needed to support their production.In this sense，they are high-carbon energy sources and labeling new energy as "low carbon，pollu tion-free and zero emission" is not objective.The reliance on fossil fuels of new energy development and equipment manufacture is in a positive correlation with high cost and the emissions of pollutants such as carbon dioxide.The development and utilization of new energy is not economic at present.The cost of wind power generation is 2-3 times that of coal-fired power generation and the cost of solar PV power generation is 5 -10 times that of coal -fired power generation.Bio -energy is now seen as the only renewable energy source that can replace gasoline and diesel fuel on a large scale.Attention should be given to the develop- ment of cellulose ethanol.A technical breakthrough in this area is foreseeable and other related problems are also relatively easy to resolve.China′s specifics should be considered when planning the development of new energy and advantages should be fully exploited and disadvantages should be avoided.Rushing headlong into the new energy sector is unadvisable.The key to winning competition is technical innovation and the continu- ous drop in cost.Both the benefits and drawbacks of developing and utilizing new energy should be consid- ered.Enterprises developing new energy should place a high value on research and development ，steadily push new energy projects，avoid haphazard investment and make well informed decisions on what new energy sources to develop.In addition，special attention should be given to the saving of conventional energy sources. Energy saving should be an eternal theme no matter what changes take place to the energy mix. [Keywords] new energy；solar energy；wind power generation；carbon dioxide emission；cellulose ethanol；technical innovation；energy saving 参考文献： [1] 吴晓江 .戒除嗜好 ！ 面向低碳经济 [N].文汇报 ，2008-06-05. [2] 十方 .欧洲风电发展现状 (一 )[J].中外能源，2008，13(4)：78. [3] 朱成章 .艰难的第三次能源大转换 (一 )[J].中外能源 ，2008，13 (4)：42. [4] 石琨 .我国 2008 年新增风力发电机组 5030 台 [N] .文汇报 ， 2009-09-15. [5] 亦云 .纤维素乙醇燃料是最有希望的替代能源 [N].汽车周报， 2008-10-24. [6] 十方 .什么是能源草 [J].中外能源 ，2008，13(4)：117. (编辑 张 峰) 2010年 第 15 卷· 32· 中 外 能 源 SINO-GLOBAL ENERGY