未來能源發(fā)展面臨一系列嚴峻挑戰(zhàn)。在對解決問題的各種可能途徑進行研究分析后，提出了我國未來能源可持續(xù)發(fā)展的以煤為主多元化的清潔能源戰(zhàn)略:大力發(fā)展核能和可再生能源以填補國內常規(guī)能源資源供應不足，采取以合成燃料為中心的清潔煤戰(zhàn)略，實現(xiàn)城市能源以清潔能源為主。
為實現(xiàn)2050年前后我國的社會經(jīng)濟發(fā)展達到中等發(fā)達國家水平,必須確保充足的清潔、高效能源的供應。由于能源部門資金密集度高、建設周期長,制定和實施中長期的能源發(fā)展是十分必要的。我國的經(jīng)濟發(fā)展多年來一直受到能源供應短缺的制約,從80年代到90年代,能源部門作為國民經(jīng)濟發(fā)展的先行部門，得到國家的重點支持,發(fā)展迅速。由于近年來“兩個轉變”的深化,產(chǎn)業(yè)結構正在調整,加上國民經(jīng)濟發(fā)展實現(xiàn)“軟著陸”,使能源供需矛盾有所緩解。我國能源市場已在與國際接軌,因國內需求增長迅速,現(xiàn)已大量進口石油，從石油出口國轉變?yōu)閮暨M口國；加入WTO更為我國利用世界油氣資源提供了機遇，同時也面臨競爭挑戰(zhàn)。圍繞全球氣候變化的國際環(huán)境外交斗爭日趨尖銳，又將對我國的能源發(fā)展產(chǎn)生新的壓力。在這種新形勢下,有專家認為今后50年將是我國一次能源結構實現(xiàn)從以煤為主向以油氣為主過渡的時期,實現(xiàn)趕上中等發(fā)達國家水平發(fā)展目標必須有以油氣為主的一次能源結構的支持,未來的世界石油天然氣資源可能提供我國所需的進口能源,建立國際化、多元化能源供應體系應是我國未來能源供應戰(zhàn)略目標,清潔煤戰(zhàn)略的重點是發(fā)展高效燃煤發(fā)電技術。由于我國能源資源的特點和國內外的現(xiàn)實狀況，未來能源結構調整的目標和實施路線對能源戰(zhàn)略將有重大影響，必須進行全面和有針對性的研究探討。
一、我國未來的能源需求估計
按照我國社會經(jīng)濟發(fā)展的目標，2050年的人均GDP應達到10000美元左右，1995—2050年間的GDP平均增長率將達到5.8%上下。屆時我國人口控制在16億，城市化水平將達到70%，人均居住面積35平方米，每百人擁有汽車12輛，人均用電量550千瓦時/年。這樣，在能源利用效率達到高于OECD國家目前水平的情況下(即屆時我國工業(yè)產(chǎn)值能耗為0.2公斤標煤/美元，貨運綜合能耗為23.8公斤油/千噸•公里以及客運綜合能耗為27公斤油/千人•公里)，預計到2030年的一次能源需求量約為33億噸標煤，2050年的一次能源需求量將達50億噸標煤左右，人均能源消費量3.2噸標煤(目前一些中等發(fā)達國家如韓國人均能源消費量為4.66噸標煤、西班牙為3.77噸標煤、葡萄牙2.77噸標煤)。
二、未來我國能源發(fā)展的戰(zhàn)略考慮
面對未來我國能源發(fā)展的重大挑戰(zhàn)，包括國內常規(guī)一次能源供應不足，石油和天然氣大量進口的安全保障，城市能源消費造成的空氣污染，全球氣候變化問題對CO2減排的壓力等，我國應采取的對應戰(zhàn)略，需要從四個方面進行研究分析:
(一)國內常規(guī)能源資源供應不足
2050年我國一次能源需求大約50億噸標準煤,這不是一種過高估計的構想方案。但是根據(jù)目前有關機構的估計,2050年時我國國內常規(guī)一次能源最大可能的獲得量為:煤炭約為30億噸,相當于21.4億噸標煤；石油約為1.5億噸，相當于2.1億噸標煤；天然氣約為1600億立方米,相當于1.4億噸標煤；水電約為300GW,按平均年運行4500小時計算,相當于4.1億噸標煤；核電約為50GW，按平均年運行7000小時計算,相當于1億噸標煤。
總計大約只有30億噸標煤，與50億噸標煤的需求量相比約有20億噸標煤的缺口,彌補如此巨大缺口的途徑無非有以下三方面:
1.利用國內外兩種資源、兩個市場
我國現(xiàn)已采取了這一方針,并已著手多方開展工作,以求從國際市場和開發(fā)海外資源大量進口石油和天然氣等清潔能源。但如果期望通過進口常規(guī)能源來解決約20億噸標煤的一次能源的缺口(相當于1998年美國能源消費量的64%或OECD國家的27%,也相當于世界能源大會/國際應用系統(tǒng)研究所(WEC/IIASA)預測的適度增長方案下2050年全球一次能源需求量的7%),那么無論是從國際市場的供應潛力,還是從國家的能源安全保障考慮，都不是現(xiàn)實可行的。
2.充分利用可再生能源
我國正在推廣太陽能的熱能利用,主要用于生活熱水供應和太陽房等方面。但太陽能光伏發(fā)電的效率還比較低,成本很高。因此,目前還很難期望太陽能在未來我國能源中占有較大的份額。風能和生物質能是下世紀中葉前可實現(xiàn)大規(guī)模應用的主要可再生能源。我國有風力資源253GW,但風電設施平均年運行只有2500～3000小時,到2050年即使有200GW開發(fā)利用，其提供的一次能源量也只有1.5～1.8億噸標煤。我國可用于能源利用的生物質大約為3.5億噸，相當于2億噸標煤。生物質能是一種分散型的能源，要使用大量的勞力去收集并難以形成規(guī)模，隨著經(jīng)濟的發(fā)達，如果用于收集的勞力成本高于勞力的機會成本，農(nóng)民就不會花費時間去收集。自農(nóng)村經(jīng)濟改革以來，農(nóng)村生物質能的使用量逐年減少，農(nóng)民更多轉向購買商品能源。因此，未來的生物質能也必將轉向新技術的利用，例如，生物質氣化和生物質氣發(fā)電等高品位的轉換技術。即使都將得到充分開發(fā)利用，在21世紀中葉前我國可再生能源可利用的量也僅約為4～5億噸標煤,占一次能源總供應的比重不到10%。
3、大規(guī)模發(fā)展核能
核能是目前最有希望能大規(guī)模替代化石能源的一次能源。1995年，全世界的核發(fā)電量占總發(fā)電量的17.7%，占全世界一次能源供應量的7%。而主要的工業(yè)發(fā)達國家核電的比重更大，法國的核電量占總發(fā)電量的77.1%、韓國36.3%、日本29.7%、英國26.7%、美國20.1%、加拿大17.7%。如果達到美國的20.1%的水平，我國核電應占一次能源供應量9%；如達到日本29.7%的水平,核電則占到一次能源的15.3%。上述國家中核電的經(jīng)濟性已為實際運行經(jīng)驗所證明,核電的發(fā)電成本可以與其他發(fā)電技術相競爭,有些國家核電的發(fā)電成本最低。
核電的燃料是鈾,據(jù)已探明的鈾資源估計,我國鈾資源可提供50GW核電容量使用40年。根據(jù)目前了解的地質狀況,我國可能擁有更大的潛在鈾資源蘊藏，正在進行快中子增殖堆的開發(fā)研究,一旦投入商業(yè)應用,可使鈾資源的利用率提高幾十倍。
鈾資源在國際上被認為是一種準國內資源。核發(fā)電成本中燃料費只占不到20%,燃料費中又包括天然鈾采購費、鈾加濃、元件制造和后處理費用，天然鈾費用只占其中的1/3。因此，天然鈾采購費只占核發(fā)電成本的1/15。而在天然氣聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術中，天然氣費用大約占到發(fā)電成本的75%，一座100萬千瓦核電站運行一年需要的天然鈾費用為720萬美元，而一座100萬千瓦天然氣聯(lián)合循環(huán)發(fā)電廠運行一年所需天然氣的費用為1.2億美元，相差達17倍之多。
此外，天然鈾運輸和貯存都很方使，貯存的基礎設施的費用和貯存管理費也很低。我國有國產(chǎn)加濃鈾元件制造的技術和設施，在國際市場有利的情況下可以大量購進天然鈾，譬如購進二三年或三四年的消費量，用于戰(zhàn)略儲備，以應付突發(fā)事件，具有很好的安全保障特性。而天然氣和石油要求的基礎設施的投資大，貯存管理費用也高，一般的儲備量只有3～6個月，其安全保障能力差。
核能是一種清潔的能源已為世人所共識，核電廠的運行既不產(chǎn)生SO2、NOx、煙塵，也不產(chǎn)生CO2，不僅有利于城市的能源環(huán)境，也能對CO2減排產(chǎn)生重大貢獻的技術。
由上述分析可以得出如下結論:
(1)21世紀中葉之前，為了滿足對一次能源的巨大需求，我國一次能源的供應仍將以煤為主，并應充分利用水能、天然氣、石油、核能和可再生能源等各種可利用的資源，形成以煤為主多元化的能源結構體系。
(2)由于核能所具有的特點，使其成為21世紀中葉前最有希望能大規(guī)模填補中國一次能源供應不足，具有經(jīng)濟競爭力和安全保障能力強的清潔能源。
(二)運輸燃料嚴重不足
2050年我國運輸燃料的終端需求量預測約為6.3～7.3億噸。此外，工業(yè)、農(nóng)業(yè)、服務業(yè)和居民家庭對于石油制品的終端需求量約為2.8億噸標煤，相當于1.9億噸油當量。如果考慮石油煉制的損失及運輸和分配過程中的損失，2050年我國對石油的一次能源的需求量將達到約9億噸。據(jù)有關資料估計，2050年我國國內石油供應量只可能達到1.5億噸，因此，屆時可能有7.5億噸油(相當于1998年世界原油出口量的一半，或接近于2050年全球石油需求量預測值的1/5—WEC/IIASA適度增長方案)的巨大供應缺口。解決如此巨大的供應缺口，依靠從國際市場上進口并不現(xiàn)實可行，因為這既受國際市場供應能力限制，又將承受供應安全保障的巨大政治風險。根本途徑應是煤的液化和煤制氫。
煤的液化有兩種途徑，即直接液化和間接液化。直接液化主要是采用加氫液化工藝，即將煤粉混合在重油內，在400～500大氣壓、500℃～600℃下通入氫氣，在催化劑的作用下裂解反應生成汽油。間接液化工藝是先將煤氣化，生成氫和一氧化碳合成氣，由合成氣再合成為甲醇。甲醇既可直接用作汽車燃料油的調合燃料，也可通過進一步的合成反應轉化成合成油。目前煤的液化已成為一種成熟的工業(yè)技術，主要問題是經(jīng)濟性差。世界上現(xiàn)有的最大的煤液化工廠是南非的SASOL廠。南非煤價很便宜，每噸僅7.5美元，其每噸合成油的成本為1072藍特(相當于每噸238美元)，顯然目前在經(jīng)濟上沒有競爭力。其未來的經(jīng)濟競爭力將取決于兩個因素:第一，未來國際市場油價的上升；第二，煤液化技術的改進。這兩個因素都將朝著有利于增強煤液化技術在未來燃料油市場的經(jīng)濟競爭力的方向發(fā)展。特別是通過建立煤的氣化中心，對煤的合成氣加以綜合優(yōu)化利用，將顯著增強煤液化技術的經(jīng)濟競爭力。這種綜合利用工藝是先將合成氣采用一次通過液化工藝生成甲醇，剩余的未反應的合成氣再進入IGCC，用于燃氣發(fā)電。這樣既提高了煤合成氣燃料的轉化效率，又可以避免目前反復合成的復雜工藝流程，減少了大量工藝設備的投資，從而可使合成燃料的成本顯著下降。
煤制氫是解決未來運輸燃料供應的另一個重要方向。
煤制氫技術首先是將煤氣化生成合成氣，再通過水蒸汽轉移反應，將合成氣中的一氧化碳轉化為氫氣和二氧化碳，最后通過分離工藝，將氫氣從混合氣體中分離出來。氫氣供給電動汽車的燃料電池作原料。以燃料電池作動力的電動車，其排出的尾氣不含任何對環(huán)境有害的污染排放物，這樣可以根本改變城市交通造成的大氣嚴重污染。燃料電池的能源利用效率大約是內燃機汽車效率的4～5倍，因此，考慮煤制氫過程中的能量效率，其綜合的能源利用效率也高于內燃機汽車的能量效率。目前大規(guī)模推廣氫燃料電池電動車的主要困難是燃料電池的價格太高，電動汽車壽命的成本高于內燃機汽車的成本。另外，大規(guī)模應用電動汽車還需解決氫的儲存和氫的運輸分配等技術困難問題。
從整個能源系統(tǒng)考慮，運輸燃料和石油制品的替代燃料只能通過煤的氣化來獲得。因此，未來煤炭的利用將是優(yōu)先用于煤制氣，煤發(fā)電的IGCC技術也應與煤合成氣的綜合優(yōu)化利用來加以統(tǒng)一考慮。因為發(fā)電除了可以采用煤之外，也可以選擇核能發(fā)電、水力發(fā)電和可再生能源發(fā)電，而這些能源則難于用來生產(chǎn)合成燃料。
(三)面對城市環(huán)境保護的挑戰(zhàn)
當今，我國大多數(shù)城市都面臨著大氣嚴重污染的威脅。其空氣中總懸浮顆粒物和二氧化硫的濃度都超過國家二級標準，有些城市甚至已成倍超標。這種污染狀況將嚴重損害人體的健康，已引起政府和公眾越來越多的關注。以煤炭、生物質、石油產(chǎn)品為主的能源消費是大氣中顆粒物的主要來源。大氣中細顆粒物和超細顆粒物對人體健康最為有害。近年來，隨著城市小轎車的發(fā)展，汽車尾氣的排放也已成為城市大氣污染的重要來源。隨著經(jīng)濟的發(fā)展、人均收入水平的提高以及城市人口的增加，我國的城市能源消費量還將大幅度地增加。雖然各種控制和減少污染物排放的技術改進都十分重要，但根本的途徑還在于采用清潔能源代替目前大量使用的煤炭的直接燃燒。因為城市居民家庭和服務業(yè)的終端能源使用，大多以分散化的方式進行，難以采用經(jīng)濟有效的污染排放控制技術。
在OECD國家，居民家庭和服務業(yè)的終端能源消費幾乎排除了直接使用煤炭。美國從1945年起，城市終端能源消費即已廢除使用煤炭。目前美國居民家庭的終端能源消費中電力占30%，天然氣占約50%，其他油品占20%。日本居民家庭的終端能源消費中電力占40%，天然氣和城市煤氣占17.9%，LPG等油品約占40%。
為根本解決未來我國城市大氣污染問題，必須調整城市的能源消費結構，將天然氣和城市煤氣優(yōu)先用于居民家庭和服務業(yè)的終端能源消費，同時還要發(fā)展電力消費，使城市中燃料以清潔能源為主。如果假設城市居民家庭和服務業(yè)的終端能源消費中，天然氣和城市煤氣的比重達到40%，那么僅此一項，2050年我國天然氣和城市煤氣的供應量將達到3000億立方米，這也是對未來中國能源供應的重大挑戰(zhàn)。
(四)面對全球氣候變化問題的挑戰(zhàn)
據(jù)國際能源署(EA)統(tǒng)計，1995年全世界CO2的總排放量為60億噸(碳)，其中美國的排放量為14.3億噸(碳)，占全世界的23.7%，為世界第一排放大國。其次即為我國，1995年的CO2排放量為8.2億噸(碳)，占全世界的13.6%。
根據(jù)1997年聯(lián)合國氣候變化框架公約第三次締約方大會通過的《京都議定書》，發(fā)達國家不得不對減排做出具體承諾，今后美國溫室氣體的排放水平要比1990年有所降低。
我國是發(fā)展中國家，沒有減排溫室氣體的義務。隨著今后人口增加和經(jīng)濟的增長，其能源消費量和溫室氣體的排放量均將大幅度增加，估計到2020年左右我國的CO2排放量將會超過美國，成為世界第一排放大國。
國際上最終可能就全世界溫室氣體的總排放量和各國排放限額機制達成協(xié)議，以公平性為原則，即以人均排放量作為排放限額分配的準則。其中的一種構想方案是，從2000年到2100年的100年間，全球的CO2總排放量限制在800Gt(碳)，到2100年時大氣中溫室氣體濃度將增加一倍；如果以2000年的60億人口數(shù)作為基數(shù)，那么人均排放量即為1.33噸(碳)/年。如果我國今后能源結構不作重大調整，即不能大量使用不排放碳的核能和可再生能源，那么在2050年前，我國CO2的排放量就可能超過上述排放限制。
因此，大量使用核能和可再生能源，不僅是滿足未來我國一次能源供應的需要，也將是面對未來全球氣候變化問題挑戰(zhàn)的需要。
三、結論
我國到2050年的長期能源戰(zhàn)略，應是發(fā)展以煤為主多元化的清潔能源體系。水能、石油天然氣、核能和可再生能源，是多元化清潔能源的重要組成部分，必須充分發(fā)展。清潔煤戰(zhàn)略將以合成燃料為中心，以煤制合成氣為基礎。在此體系中綜合考慮合成運輸燃料的生產(chǎn)和先進燃煤發(fā)電技術的發(fā)展應用。城市中的燃料必須使用清潔能源，天然氣與城市煤氣應優(yōu)先應用于居民和服務業(yè)的經(jīng)濟能源消費。大力發(fā)展核能和可再生能源，不僅為了滿足能源需求，同時也是減少CO2排放的最有效措施。核能更是當前和今后長時期內唯一現(xiàn)實的能大規(guī)模替代化石燃料的集中型能源。
