發展低碳能源與創新低碳技術*

項新耀(東北石油大學分校)

發展低碳能源與創新低碳技術*

項新耀(東北石油大學分校)

高碳燃料大規模使用過程中產生的巨量CO2排放，導致大氣中CO2濃度快速增加，全球氣溫升高，危及人類生存安全。發展低碳能源成為實施CO2減排的重大舉措。在探討低碳燃料的界定方法，構建CO2排放體系的基礎上，提出了廣義低碳能源概念。為加快實施低碳能源戰略，擬確立發展低碳用能理論與創新低碳技術并舉的原則，并對低碳技術的創新原則、項目分類以及能源轉型初始期擬選創新項目做了全面闡述。

CO2排放 低碳能源 低碳用能理論 低碳技術創新

自2003年英國政府發表能源白皮書《我們能源的未來：創造低碳經濟》[1]以來，“低碳經濟”以及其他冠以“低碳”的詞匯以罕見的高頻數見諸于眾多媒體，尤以“低碳能源”、“低碳能源技術”引人注目。什么是低碳能源，又何以界定？低碳技術與其有何關聯，又如何創新？本文從高碳燃料消費，CO2排放引發氣候危機，低碳能源概念與低碳技術創新等方面進行闡述和回答。

1 高碳燃料消費與CO2排放

1.1 高碳燃料與CO2排放

近百年來，化石燃料一直在整個能源消費中處于主導地位。表1給出近15 a全球能源消費結構狀況。可以看出，近15 a來高碳化石燃料消耗量在能源消耗總量中占九成以上，且一直居高不下；燃料總耗量與化石燃料份額同步增長，導致巨量CO2排放（表2）。表2說明，近15 a來人均CO2排放量均呈遞增趨勢，同時全球人口也以1.5%的年增長率增加，導致CO2排放量以年均1.9%的速度快速增長。

表1 1990—2005年世界能源消費結構

表2 1990—2005年全球燃料消耗量與CO2排放量

1.2 大氣CO2濃度增長態勢

CO2是《京都議定書》確認的6種溫室氣體之一。盡管CO2的溫室效應并非最強，但對全球升溫的影響卻最大，約為55%[3]。兩次工業革命前后大氣CO2濃度的增長情況見表3。

表3表明，大氣中CO2濃度的增長具有明顯的階段特征：第一次工業革命中期之前，CO2濃度維持在2.80×10-4，為正常穩定階段；第一次工業革命中期至第二次工業革命后期，年均增長率僅0.06%，為緩慢增長期；第二次工業革命后，進入快速增長期，年均增長率是其前100 a的4倍。近年來大氣CO2濃度更有加速增長之勢，見表4。

表4數據表明，近10 a來大氣中的CO2濃度年均增長數是上個世紀年均的2.5倍，增長率高達2倍，呈現顯著的加速增長趨勢。

表3 1700—2000年大氣CO2濃度(MCO2)

表4 2000—2009年大氣中CO2濃度(MCO2)[5]

百年來CO2濃度的快速增長，特別是近10 a來的加速增長，導致全球氣溫顯著升高，過去50 a中每10 a上升大約0.13℃，1998～2007年成為自有氣象記錄以來最熱的10 a[6]。

2 低碳能源與CO2減排

2.1 “低碳燃料”界定方法探討

何謂“低碳燃料”？目前尚無統一說法。鑒于碳燃料生成的CO2量取決于其含碳量的大小，故有“低碳能源是一種含碳分子量少或沒有碳分子結構的能源”一說。界定含碳量的常規方法，是按單位質量或單位容積燃料所含的碳質量來區分。各種常用燃料的含碳質量及相應產生的CO2量見表5。

表5數據表明，按1 kg燃料含碳量計，柴油、汽油含碳量最高，原煤、甲醇含碳量最低，天然氣處于中位。顯然，天然氣、原煤的序位為“錯位”，其原因是忽略了燃料發熱量這個重要因素。本文提出以單位發熱量來計量燃料的含碳量，以消除以單位質量燃料計量含碳量的缺陷。以1 GJ發熱量為單位的燃料含碳量Cgq及排序見表6。

表6 以1GJ發熱量為單位的燃料含碳量及生成CO2量

據表6，單位發熱量的含碳量原煤、柴油最高，天然氣最低，這樣的排序應該是比較科學合理的。鑒于各種燃料除原煤外Cgq為15～20 kg，擬取Cgq≥18 kg的定為高碳燃料，Cgq≤16 kg的定為低碳燃料。據此，只有天然氣為低碳燃料，液化石油氣也較接近，其余燃料均屬高碳燃料，原煤可謂特高碳燃料。按表6數據，天然氣要比原煤減排35%，比汽油減排23%，可見低碳燃料確有減排CO2的顯著效果。

2.2 低碳能源概念與CO2減排體系

嚴格地說，以一次能源而論，低碳能源即是低碳燃料類能源，但是這種狹義的“低碳能源”概念，會給CO2減排帶來負面影響。

從構建完整、科學的CO2減排體系考慮，有必要提出一個廣義低碳能源概念。

應該看到，在相當長的一個時期里，積極推進低碳燃料替代高碳燃料，無疑是CO2減排體系之主

表5 常用碳基燃料含碳量及燃燒生成CO2量

體。然而從更為有效減排考慮，僅以能源自身的含碳量作為界定低碳能源的依據，難免造成減排體系的缺失，還可能引起某種誤導。

電能當是“零碳”能源，但“火電”是以碳基燃料燃燒等能量轉換形式來獲得電能的。若取電的折標煤系數0.4 kg/（kW·h），即為取得1 kW·h電能，相應地需排放0.997 kg的CO2。

對非能量類的物質，同樣也需考察其是否與碳能源發生關聯。如耗能工質水，其當量能源值為0.085 7 kg/t[8]，即為獲得1 t工質水，需消耗相當于0.085 7 kg標煤的能量，相應地要排放0.214 kg CO2。

從全面減排考慮，應將與碳能源相關聯的非碳類能源或能量及耗能工質，即所謂碳關聯物一并納入CO2減排體系。

此外還需注意，“低碳替代高碳”及“控用碳關聯物”，二者均屬被動式減排舉措。能源轉型意味著要發展核電，開發利用可再生能源，甚至探索宇宙天體能等“零碳能源”，這才是實施戰略性主動式減排的根本途徑。

為此，從最大限度地減排考慮，應確立被動與主動減排并舉的原則，使“碳減排”、“碳關聯”和“零碳能源”三者結合起來，以構建一個科學完整的CO2減排體系，暫稱之為“三維減排體系”。

所謂廣義低碳能源概念，就是以低碳燃料能源與“三維減排體系”做框架的概念性能源。提出低碳能源概念，不僅可以擴大減排技術領域，拓寬減排舉措空間，還可以形成“疏而不漏”的減排網絡，使減排更賦實效，更具前瞻性，更有生命力。

3 推進用能理論發展與創新低碳能源技術

3.1 能源轉型對經典用能理論的挑戰

近兩個世紀里，高碳能源一直處于能源領域的“霸主”地位，熱能與熱動力利用始終是用能體系的重心。由此產生的用能理論，也是以熱能的有效利用為主要目標，以熱力學兩大定律、傳熱學三個基本規律為基礎的所謂“2+3”理論框架。誠然，以熱利用為基礎的用能理論，在推進人類科學合理用能、助力經濟社會發展中確實發揮過巨大作用。然而低碳能源時代的到來，現行用能理論將面臨新的挑戰。

挑戰之一，能源主體由“高碳”向“低碳”及“零碳”轉移，能量主軸由單一“熱變電”向多元化產電模式轉變，必將對現有用能基礎理論產生沖擊和影響。首先，“2+3”理論框架與低碳能源及多元化能源結構體系漸顯某些缺失，甚至重要缺失，亟須做一些理論框架的調整，以及主體內容的補充完善。其次，對現行用能學科的學科體系、相關學科的教學大綱及內容，也應作出必要的調整。

挑戰之二，能源轉型實踐中會提出一系列新課題，諸如碳能源直接轉變為電能的理論，生物質能轉換為應用能的機理，非電類能量的儲存和傳輸原理等，這些課題已非經典用能理論所能涵蓋或輕易解決，而是要從新的科學視角、以新的理論思維，對能量形態的轉換機理、能量傳輸的基本原理等基礎性課題展開研究，盡快取得一批適應能源轉型需要的新成果，為創新低碳能源技術提供堅實的理論基礎。

3.2 實施能源轉型的關鍵——創新低碳能源技術

3.2.1 低碳能源技術創新的內涵與要求

現行用能技術顯著滯后于能源轉型進程，這是因為幾乎所有常規用能技術都是在以高碳能源為主體的歷史條件下產生的。當然這些技術成熟可靠，也不乏先進配套，但離實施低碳能源所需的技術要求相差甚遠。

低碳能源技術創新內涵之一，需對現行用能技術實施整體更新換代，而不是對常規用能技術做個別升級或修補改版，這是因為低碳與高碳在能源結構、設備配置、評價體系等方面均有顯著差別的緣故；內涵之二，低碳能源技術創新涉及低碳能源生產、傳輸、應用等所有環節，創新成果應是低碳技術的系列成果，而非若干單體創新成果的簡單加和。換言之，低碳能源技術應是一個由新的技術元素組成的高水準的能源技術體系。

3.2.2 低碳能源技術的創新原則與分類

低碳能源技術的創新是能源領域一項巨大的系統工程，技術涉及面廣，耗資耗力巨大，欲確保創新項目篩選科學、定位準確，需綜合考慮創新技術難度、減排效果預測、資金投入能力，相關創新成果的積累等因素，制定一個兼顧科學性、經濟性、可行性的創新原則。建議將低碳能源技術創新項目分做4類：

第一類：創新空間大、減碳效果顯著、成功概率高的項目，此類項目創新周期短、減排見效快。

第二類：創新難度較大、減排技術含量高、相關創新成果有一定積累的項目，此類項目能以適當的投入、適中的創新周期獲取優秀的創新成果，較快地取得顯著的減排實效。

第三類：創新難度大、資金人力投入多、創新周期長的關鍵性技術項目，項目一旦取得重大技術突破，即可獲得巨大的減排實效，有助于開拓零碳能源新局面。

第四類：對減排技術升級換代有重大作用的基礎研究項目，雖然創新難度極高，創新周期相當長，但所獲成果將成為新一代用能技術的支撐和基礎。

3.3 能源轉型初始期擬選創新項目

未來近5～10 a是能源轉型的初始期，其能源態勢具有以下特點：

◇全球能源消費呈現向低碳轉化趨勢，但以碳能源為主體的結構并無實質性變化；

◇新能源和可再生能源產業有了很大發展，但在能源消費結構中仍處于輔助地位；

◇全球CO2人均排放量緩慢下降，但排放總量仍呈低速增長趨勢。

鑒于以上特點，并考慮全球經濟社會及科技發展進程、國家地區能源科技差異等因素，提出以下擬選低碳技術創新參考項目。

3.3.1 普及型快捷類提高能效創新項目

2006年耗能量高于4.4×105t當量油的國家或地區的能耗、能效統計見表7。可以看出，有54%的統計國單位產值能耗高于平均值，能效低于平均值10個百分點的耗能量占總耗量的1/3，可見，能效確有很大的提升空間。倘若將低于平均值的能效提高15個百分點，一年即可少消耗3.3×108t當量油，按碳能源份額90%計，約可減排7.4×108t CO2，減排效果巨大。此類項目的優勢在于，企業規模不限，單項投資較少，減排見效快，理當列為低碳創新技術項目之首選。

3.3.2 以創新手段推進核電類發展項目

核電有三大優勢：技術成熟、單機功率超大；不排放CO2、燃料運輸量極小（僅為煤電的0.01%）；燃料鈾儲量可供200 a以上。劣勢是核廢料處理依然麻煩，通常用的深埋法并非絕對安全。投資巨大是制約核電發展的主要瓶頸，故目前主要為發達國家采用，在總電量中僅占14%。低碳減排的呼聲為核電提供了難得的發展機遇。

核電項目的技術創新點，一是研發核廢料處理新技術，以求絕對安全；二是創新核燃料提煉新工藝，以降低成本。此外，還需創新發展模式，以突破投資制約瓶頸，例如由核技術強國為發展中國家提供資金和技術，受援國則以碳交易所得預以償還等。可以期望，加快發展核電必將取得大幅削減碳燃料耗量和減排CO2的顯著效果。

3.3.3 創新大氣CO2捕獲技術項目

人類在積極實施減排的同時，CO2仍在源源不斷地排放，且在相當長的時期里，排放量總是高于減排量，致使大氣中的CO2量越積越多，這就是CO2排放的累積效應。大氣CO2濃度有兩個警戒值：一個是氣溫升高引起海平面上升威脅許多海岸地區的值，4.5×10-4；另一個是科學家們按照“星球邊界”概念提出的“人類活動排放的二氧化碳邊界閾值”，3.5×10-4[9]。如今CO2濃度已達3.87×10-4，超過了安全界限。即使取4.5×10-4，按“近年來，大氣中CO2濃度以每年3×10-6遞增”的速率[10]，30多年后也會觸及安全界限。人類欲擺脫氣候安全危機，就得捕獲已排入大氣中的CO2。某些企業對捕獲煙氣中CO2已取得成果，但由于大氣中CO2的濃度比煙氣低得多，又漫散于自由空間，迫切需要創新大氣CO2捕獲技術，與之相關的還有CO2封存以及利用技術。該類項目應是轉型初始期內最富創新、最具應用價值的減排重大專項。

3.3.4 可再生能源直接轉換電能技術創新項目

電能是集高品質、無污染又最便于使用于一體的優質能量。當“碳變電”漸將告別人類，而“核電”又遲早要枯竭，未來可能為產電之主源的唯有可再生能源，其中又首推光伏發電和風電，二者均為不排放CO2、無其他污染、取之不盡的理想能

表7 2006年41國單位產值能耗(Eg)

源。但在轉型初始期，光伏電、風電在總電量中的份額都不足10%。究其原因，光伏發電主要受制于光電轉換效率不高（一般小于15%），地面光伏單機功率受限，發電成本明顯高于煤電、水電等因素。風電雖漸具市場競爭力，但因決定產電量的風力風向多變，影響電網的穩定性，成為并網一大障礙。

為此，在轉型初始期的光伏發電、風電，應明確關鍵技術突破重于規模擴張的原則，以技術創新攻克關鍵技術為重點，推動系統配置全面升級，為光伏、風電的大規模發展創造條件。

4 結束語

當今，低碳經濟、低碳社會的認知度明顯高于低碳能源和低碳技術。其實前者皆由后者發展、延伸而來。由低碳能源與技術演變為低碳經濟以致低碳社會，反映了經濟社會與科學技術的互動機制及其發展規律。就二者關系來說，低碳能源無疑是構建低碳經濟的核心組成，而低碳技術則是發展低碳能源的關鍵要素。

從發展的角度看，低碳能源頗有引發一場產業革命之勢，低碳技術亦將借創新之力推動能源技術整體的轉型升級。須知，凡此種種皆由地球氣候危機與CO2減排引發。

附言：學術界對CO2排放是否為氣溫上升的主因頗有爭議。本文只是基于CO2確系溫室氣體，氣溫逐年升高、CO2排放趨強、大氣CO2濃度增大三者同步的事實而論。

[1]Our energy future-creating a low carbon economy.Energy White Paper.TSO,UK,2003.

[2]中國國家統計局：國際統計數據(1995—2009）.http://www.stats.gov.cn/tjsj/qtsj/gjsj/.

[3][2010-08-05].http://www.baike.baidu.com/view/31 85.htm.

[4][2010-11-27].http://www.lvearth.com/dqhb/article/d09071401.asp.

[5][2010-11-06].NOAA CO2Publication Date(1958-2009).http://www.360doc.com/Content…shtml.

[6]WMO.2007年新聞公報.[2008-06-11].www.sznews.com/epaper/szwb/content/.

[7][2010-09-29].http://www.baike.baidu.com/view/2997656.htm.

[8]GB2589-2008.綜合能耗計算通則[S].北京:中國標準出版社，2008.

[9]段紅霞.國際低碳發展的趨勢和中國氣候政策的選擇[J].國際問題研究，2010(1)：62-68.

[10][2004-04-09].http://www.envir.gov.cn/info/2004/4/49056.htm.

Developing Low Carbon Energy and Innovating Low Carbon Technologies

Xiang Xinyao

CO2emission，Low carbon energy，Low carbon energy apply theory，Novel low carbon technology

10.3969/j.issn.2095-1493.2011.01.013

2010-12-10）

項新耀，1961年畢業于南京工學院（今東南大學）動力系，同年就教于東北石油學院，教授，主要從事能源理論及節能技術研究工作。

*本文中的“低碳技術”專指低碳能源技術，而非泛意的低碳技術。

The great emission of CO2from the huge scale of high carbon fuel process leads to the rapid increasing of CO2concentration in atmosphere and globe temperature high,which threatens human life safety.In the base of low carbon fuel classification method discussion and CO2emission system configration,low carbon energy concept is proposed.In order to implement low carbon energy strategy rapidly,the discipline of developing low carbon energy apply theory and creating low carbon technologies is expected to be established.Innovation discipline of low carbon technology,project catalogue,and Innovation project of original energy conversion period have been stated here.