從全球氣候變化談我國發(fā)電方式的轉(zhuǎn)變

王忠會 國電能源研究院 王艷華 內(nèi)蒙古赤峰市富龍熱電廠有限責(zé)任公司

改革開放以來，伴隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，我國電力工業(yè)也取得了巨大的成就。截至2011年底，全國發(fā)電裝機容量達到105576萬千瓦。其中，火電裝機容量76546萬千瓦（其中煤電為70667萬千瓦、氣電3265萬千瓦），約占總?cè)萘康?2.50%。從我國一次能源賦存條件看，以煤為主的一次能源結(jié)構(gòu)不會發(fā)生大的變化，電力工業(yè)結(jié)構(gòu)中火電仍將在相當(dāng)長的時期內(nèi)占據(jù)主導(dǎo)地位。

20世紀(jì)人類共消耗煤炭2650億噸、石油1420億噸、鋼鐵380億噸，鋁、銅等其它金屬若干億噸，燃用化石燃料（煤炭、石油、天然氣）排放出大量的二氧化碳?xì)怏w，使大氣中的二氧化碳濃度由20世紀(jì)初不到300ppm上升至目前約389.8ppm。

《BP世界能源統(tǒng)計2009》所提供的數(shù)據(jù)顯示，2008年全球一次能源消費112.949億噸油當(dāng)量，其中中國所占比重為17.7%，位列全球第二。2008年，全球化石燃料占一次能源消費比重高達87%，我國化石燃料占一次能源消費的91%。如何減少化石燃料的消耗，進而減少二氧化碳的排放是全世界面臨的共同問題。

我國以化石燃料為主的電力發(fā)展方式受到世界環(huán)境惡化帶來的挑戰(zhàn)。因此，需要通過發(fā)電方式的轉(zhuǎn)變解決溫室氣體的排放問題。

一、我國發(fā)電方式的轉(zhuǎn)變方向

我國電力工業(yè)的發(fā)展必須堅持走可持續(xù)發(fā)展道路。按照國際上判斷發(fā)展可持續(xù)性的標(biāo)準(zhǔn)，扭轉(zhuǎn)我國可再生資源消耗速率大于可再生資源開發(fā)速率、不可再生資源消耗速率大于可再生資源消耗速率、環(huán)境污染排放速率大于環(huán)境對污染吸收速率的局面，解決好電力工業(yè)發(fā)展與資源環(huán)境的矛盾。

二、如何實現(xiàn)我國傳統(tǒng)發(fā)電方式的根本性變革

根據(jù)質(zhì)量互變規(guī)律，電力工業(yè)的發(fā)展需從技術(shù)優(yōu)化、創(chuàng)新開始，逐步積累量變，當(dāng)技術(shù)積累到一定界限時必然引起電力工業(yè)的根本性變革，解決目前電力工業(yè)發(fā)展與環(huán)境保護之間的主要矛盾。

（一）做好技術(shù)優(yōu)化創(chuàng)新，實現(xiàn)發(fā)電方式量變積累

1．做好燃煤機組的優(yōu)化創(chuàng)新，實現(xiàn)節(jié)能減排

我國燃煤機組容量約占發(fā)電裝機總?cè)萘康?8%，是溫室氣體排放大戶，做好燃煤機組的優(yōu)化創(chuàng)新工作能夠有效地減少二氧化碳的排放量。在目前的技術(shù)條件下可以開展以下幾個方面的工作。

（1）優(yōu)化機組選型

大容量、高參數(shù)機組可以通過增大單機容量降低項目的單位千瓦造價，同時也可以降低機組的運營成本，減少污染物的排放量，宜優(yōu)先選擇。

對于30萬千瓦級機組，宜優(yōu)先選用35萬千瓦超臨界機組；對于60萬千瓦等級機組，綜合考慮經(jīng)濟效益、環(huán)境效益、社會效益和國家產(chǎn)業(yè)政策，建議坑口電站以外的燃煤火電機組均選用超超臨界參數(shù)；對于100萬千瓦等級機組，選擇超超臨界機組。

項目選擇上優(yōu)先選擇熱電項目、資源綜合利用項目和“上大壓小”項目。

（2）優(yōu)化主要工程方案

雖然主機的特性基本決定了機組的性能情況，但做好具體工程方案的優(yōu)化比選工作能夠進一步優(yōu)化機組性能。目前可以應(yīng)用的工程優(yōu)化方案包括冷端優(yōu)化、輔機及系統(tǒng)優(yōu)化配置、集約用地方案、低壓配電物理分散技術(shù)、變頻技術(shù)、燃燒優(yōu)化控制技術(shù)、現(xiàn)場總線技術(shù)、節(jié)能建筑方案、熱泵技術(shù)、煙氣余熱利用技術(shù)、節(jié)油點火技術(shù)、節(jié)水技術(shù)、二氧化碳捕集和利用(CCU)、二氧化碳捕集和儲存（CCS）、二氧化碳微藻養(yǎng)殖技術(shù)、廢熱利用方案、粉煤灰綜合利用方案等。

（3）開發(fā)先進機組

開發(fā)新一代超超臨界技術(shù)、IGCC發(fā)電技術(shù)、大型超臨界CFB技術(shù)、二次再熱緊湊型超超臨界機組技術(shù)等，進一步降低燃煤機組的標(biāo)煤耗、減少污染物的排放。

2．開發(fā)燃?xì)廨啓C，實現(xiàn)清潔燃料的利用

我國燃?xì)狻⑷加蜋C組容量約占發(fā)電裝機總?cè)萘康?%。燃油和燃?xì)庵袣湓氐暮棵黠@高于燃煤、硫含量明顯低于燃煤，是相對較好的清潔燃料，以燃油、燃?xì)鈾C組代替燃煤機組可以有效地降低污染物和二氧化碳的排放量。隨著“西氣東送”力度加大，沿海LNG接收站集中達產(chǎn)，以及天然氣（包括頁巖氣等非常規(guī)天然氣）資源勘探不斷加快，我國天然氣供應(yīng)將大幅增長，為燃?xì)鈾C組的發(fā)展提供了條件，發(fā)展部分燃油、燃?xì)鈾C組或利用IGCC發(fā)電技術(shù)配套低熱值燃?xì)廨啓C機組是現(xiàn)實和必要的。

燃?xì)廨啓C是我國尚未取得突破性進展的關(guān)鍵技術(shù)，目前國內(nèi)僅基本掌握了B級燃機技術(shù)，E級列入了國家863項目實施攻關(guān)，對F級的燃機剛剛開始研究，預(yù)計3～5年后F級的重型燃?xì)廨啓C有望取得突破。但國外一些大公司已相繼開發(fā)了單機功率更大、熱力性能更好的G型和H型燃?xì)廨啓C。由此也可以看出我國燃?xì)廨啓C研發(fā)和制造業(yè)與發(fā)達國家差距比較明顯，還需積極發(fā)展、加速示范、掌握核心技術(shù)、盡快實現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用。

3．適度利用核電，確保運行安全

我國核電機組容量約占發(fā)電裝機總?cè)萘康?%，至2010年底已有12臺核電機組投入商業(yè)運行，通過自主研發(fā)和吸收國際先進技術(shù)和經(jīng)驗，我國核電事業(yè)取得了豐碩的成果。

核電利用雖然可以有效地避免常規(guī)能源帶來的環(huán)境問題，但我國核燃料資源匱乏，核輻射及核電安全帶來了新的環(huán)境問題，因此我國核電事業(yè)可以采用適度發(fā)展的政策，并在核電運行中應(yīng)確保絕對安全。

4．大力發(fā)展可再生能源，不斷推進技術(shù)進步

我國可再生能源發(fā)電機組容量約占發(fā)電裝機總?cè)萘康?5%，其中水電和風(fēng)電裝機容量相對較大，分別占發(fā)電裝機總?cè)萘康?2%和3%。

水力發(fā)電是目前最成熟的可再生能源發(fā)電技術(shù)，目前我國水電開發(fā)利用程度僅為24%，與美國、日本超過80%的開發(fā)程度相比，發(fā)展?jié)摿薮螅覈姷拈_發(fā)正在加速。水電具有環(huán)保、運行成本低、啟動速度快等優(yōu)點，但由于我國水資源的分布特點，也存在著送出相對困難、出力季節(jié)性變化大、初投資高、建設(shè)周期長等缺點，尤其是大型水電站的建設(shè)對區(qū)域氣候和地質(zhì)的影響尚無確切結(jié)論。

風(fēng)電包括離網(wǎng)運行的小型風(fēng)力發(fā)電機組和大型并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電機組，技術(shù)已基本成熟。近年來，并網(wǎng)風(fēng)電機組的單機容量不斷增大，單機容量6000千瓦的風(fēng)電機組已正式出產(chǎn)，風(fēng)電場建設(shè)已從陸地向海上發(fā)展，從風(fēng)資源豐富地區(qū)向低速風(fēng)地區(qū)發(fā)展，我國風(fēng)電已迎來大發(fā)展時期。隨著風(fēng)電的技術(shù)進步和應(yīng)用規(guī)模的擴大，風(fēng)電成本持續(xù)下降，經(jīng)濟性與常規(guī)能源已十分接近。但風(fēng)電存在著出力波動大、送出條件相對較差的問題，大規(guī)模并網(wǎng)會帶來電網(wǎng)安全問題。

太陽能發(fā)電包括太陽能光伏發(fā)電、太陽能熱發(fā)電、光熱光電綜合利用。近年來并網(wǎng)光伏發(fā)電的發(fā)展速度加快，2010年我國光伏發(fā)電容量已達24萬千瓦；太陽能熱發(fā)電已經(jīng)歷了較長時間的試驗運行，基本上可達到商業(yè)運行要求；光熱光電綜合利用技術(shù)正在逐步完善。隨著太陽能技術(shù)的不斷進步，太陽能發(fā)電將迎來快速發(fā)展時期，但太陽能發(fā)電受日照影響出力呈周期性變化，大規(guī)模并網(wǎng)同樣存在電網(wǎng)安全問題。

生物質(zhì)能、地?zé)崮堋⒑Ｑ竽艿绕渌稍偕Y源目前利用較少，但隨著技術(shù)的進步，這些可再生能源的利用會進一步加大。

（二）通過技術(shù)創(chuàng)新工作，實現(xiàn)發(fā)電方式的根本性變革

目前，現(xiàn)有發(fā)電技術(shù)尚無法根本解決電力工業(yè)發(fā)展和環(huán)境保護之間的矛盾。火電自1875年建成第一臺發(fā)電機組以來，發(fā)電方式?jīng)]有發(fā)生根本性轉(zhuǎn)變；核電雖然有效地避免了常規(guī)能源的環(huán)境污染問題，但核輻射及核電安全帶來了新的環(huán)境問題；可再生能源由于資源、技術(shù)、成本等多種因素的限制，目前尚無法成為主要發(fā)電方式。因此，現(xiàn)有技術(shù)的進步仍處于量變過程中，但量變積累過程中孕育著發(fā)電技術(shù)的革命。可以從以下幾個方面入手實現(xiàn)發(fā)電方式的根本性變革，徹底解決電力工業(yè)發(fā)展和環(huán)境保護之間的矛盾。

1．常規(guī)火電與CCS技術(shù)結(jié)合

二氧化碳捕集和封存（CCS）是指捕集燃燒產(chǎn)生的二氧化碳，壓縮之后輸送到一個封存地點，并且長期與大氣隔絕，直至其分解的過程。碳封存技術(shù)有三種：一是地質(zhì)封存，二是海洋封存，三是礦石碳化封存。常規(guī)火電與CCS技術(shù)結(jié)合可以解決溫室氣體的排放問題。

CCS目前存在著能耗高、封存二氧化碳滲漏等技術(shù)問題，存在著成本高的經(jīng)濟問題，也存在著封存的二氧化碳影響地下水、可能對陸地和海洋生態(tài)系統(tǒng)帶來危害、誘發(fā)地震、引起地面沉降或升高等環(huán)境問題。因此，在解決上述技術(shù)、經(jīng)濟、環(huán)境問題后，CCS技術(shù)方能實現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用。

2．開發(fā)燃料電池新技術(shù)

傳統(tǒng)的火電技術(shù)是將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能－機械能－電能的過程，不僅降低了能源利用的效率，而且?guī)砹藝?yán)重的環(huán)境問題。燃料電池能夠?qū)⒂汀猓ò旱臍饣┑幕瘜W(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能，不僅可以解決環(huán)境污染問題，而且也可以極大地提高能源的利用效率。

2000千瓦、4500千瓦、1.1萬千瓦成套燃料電池發(fā)電設(shè)備已進入商業(yè)化生產(chǎn)，各等級的燃料電池發(fā)電廠相繼在一些發(fā)達國家建成。

燃料電池造價昂貴，運行成本相對較高是制約其發(fā)展的關(guān)鍵因素，但通過技術(shù)進步、規(guī)模化生產(chǎn)，燃料電池會得到更為廣泛的應(yīng)用，改變傳統(tǒng)能源對環(huán)境的污染問題。

3．可再生能源與儲能技術(shù)結(jié)合

可以大規(guī)模應(yīng)用的可再生能源有水電、風(fēng)電和太陽能發(fā)電，但均存在著出力波動較大的問題。如能將可再生能源與大規(guī)模儲能裝置結(jié)合，則可以可消除可再生能源發(fā)電出力波動大的問題。

目前，抽水蓄能裝置實現(xiàn)了規(guī)模化的應(yīng)用，但由于富風(fēng)、富光地區(qū)的水資源情況大都不是很好，因此抽水蓄能裝置尚不能與可再生能源很好地結(jié)合；而化學(xué)儲能裝置的規(guī)模化應(yīng)用尚未實現(xiàn)。

因此，大規(guī)模儲能裝置的研發(fā)和利用是可再生能源能否成為主要能源的關(guān)鍵。

4．熱核技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用

熱核反應(yīng)也稱為原子核的聚變反應(yīng)，由氘或氚在一定條件下發(fā)生原子核互相聚合作用，生成新的質(zhì)量更重的原子核，并伴隨著巨大的能量釋放的一種核反應(yīng)形式。聚變能具有資源無限，不污染環(huán)境，不產(chǎn)生高放射性核廢料等優(yōu)點，是人類未來的主導(dǎo)能源之一。將熱核技術(shù)結(jié)合現(xiàn)有汽輪機技術(shù)發(fā)電，將徹底改變?nèi)祟惸茉蠢玫睦Ь场?/p>

目前，國際熱核聚變實驗堆（ITER）計劃已啟動實施，計劃將歷時35年，預(yù)計可在本世紀(jì)中葉實現(xiàn)聚變能工業(yè)化。

相信通過幾代人的努力，將來幾種與環(huán)境相和諧的發(fā)電技術(shù)會為人類提供清潔的電力，使發(fā)電技術(shù)發(fā)生質(zhì)的飛越，徹底解決目前電力工業(yè)與環(huán)境保護之間的問題。