從吳仲華院士報告看我國能源行業(yè)40年滄海巨變

40年前，我國著名的能源技術(shù)科學家吳仲華曾經(jīng)在中央書記處舉辦的科學技術(shù)知識講座中作了一篇《中國的能源問題及其依靠科學技術(shù)解決的途徑》報告，對當時的能源情況、能源品質(zhì)做了詳細的分析和評價。

時隔四十年，回顧這份報告，我們既能發(fā)現(xiàn)四十年來我國能源行業(yè)所發(fā)生的巨大變化，也能認識到即使時過多年，報告中關于節(jié)能和提效的理念在今天同樣適用?；仡櫮茉窗l(fā)展的歷史，我們不免感嘆，能源的技術(shù)迭代日新月異，而能源發(fā)展的理念卻始終如一。

01 四十年新能源發(fā)展的巨大變化

報告發(fā)布時：

報告從能流密度、開發(fā)價格、設備價格、儲存、運輸以及污染等方面對天然氣、石油、煤炭、有機物、水力和風力、太陽能、海洋能、地熱能、核能等能源進行了分析評價。

從能源品質(zhì)評價來看，人們對傳統(tǒng)化石能源的評價與現(xiàn)在并沒有太大區(qū)別，而對新能源的觀念無疑是轉(zhuǎn)變最大的部分。報告中認為，天然氣、石油、煤炭、水力、核能等常規(guī)能源在能流密度方面有巨大優(yōu)勢，其中，天然氣、石油、煤炭與核能在儲運方面也有較好的經(jīng)濟性，但也存在巨大的污染問題。

報告中提到，太陽能和風能的能流密度只有幾百瓦每平方米，因此能量密度極低，同時二者設備價格高昂，在當時每千瓦平均投資達到萬元以上。與此同時，風能和太陽能的儲存和運輸在當時是一片空白，基本不存在儲運的可能性。

當前現(xiàn)狀：

而在今天，人們收集風電和光伏能量的效率已經(jīng)大幅提升，目前光伏市場主流的P型單晶電池所采用的PERC技術(shù)目前平均轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)能達到23%左右，未來具有巨大發(fā)展前景的HJT（異質(zhì)結(jié)）技術(shù)理論上能達到25%左右。

而且以風電和光伏為主的新能源已經(jīng)實現(xiàn)了平價上網(wǎng)，根據(jù)中國光伏協(xié)會（CPIA）發(fā)布的《中國光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展線路圖（2020版）》，2020年全投資模型下的地面光伏電站在1800h、1500h、1200h、1000h的LCOE（平準發(fā)電成本）分別為0.2、0.24、0.29、0.35元/kWh（分布式光伏電站為0.17、0.2、0.26、0.31元/kWh）。2021年后在大部分地區(qū)實現(xiàn)與煤電基準同價，未來風電和光伏發(fā)電成本還有進一步下降的空間。

從裝機來看，截至2020年底，我國風電、光伏裝機分別達到了2.81億千瓦和2.53億千瓦，雙雙位居世界第一。在我國提出碳達峰和碳中和目標之后，風電和光伏將會成為十四五乃至未來四十年的能源增長的主體。

02 燃機效率的巨大提升

報告發(fā)布時：

報告中提到，燃料價格日益高漲，除了經(jīng)濟性的考慮之外，我國還要考慮以兩倍的能源增長來支撐四倍的經(jīng)濟增長。在這種要求下必須科學的利用能源，不斷提高能效。

以燃煤和燃氣為主的火電是過去幾十年我國能源的主體，而且燃煤機組和燃氣機組技術(shù)也取得了長足的進步。

燃煤機組方面，報告中顯示當時我國以蒸汽輪機發(fā)電的火電站平均效率大約是29％。一般高參數(shù)大功率蒸汽輪機電站的發(fā)電效率可達38％，如果考慮消除污染設備的能量消耗及有些損失，效率就降低到36％以下。

當前現(xiàn)狀：

經(jīng)過四十年的發(fā)展我國的燃煤發(fā)電技術(shù)已經(jīng)領先世界，期間煤電機組從300MW到600MW，再到1000MW機組，從亞臨界到超臨界和超超臨界機組，從一次再熱到二次再熱機組，我國煤電機組的效率不斷取得突破。

目前，以2020年底投運的大唐東營電廠為例，其鍋爐采用國內(nèi)先進的超超臨界二次再熱塔式爐，效率能達到94.9%。由于采用世界百萬千瓦機組的高參數(shù)、大容量、新技術(shù)，其設計供電煤耗僅為258.72克/千瓦時、廠用電率為3.88%、全廠熱效率為49.4%。

在燃氣機組方面，國內(nèi)燃機與國際先進水平尚有差距。燃氣輪機因為種類繁多，包括航空發(fā)動機、航改燃氣輪機、船用燃氣輪機、車輛與工業(yè)驅(qū)動燃氣輪機以及各種微型燃氣輪機，所以制造難度很大。重型工業(yè)燃氣輪機屬于燃氣輪機的一種，它因為極高的制造工藝和技術(shù)要求被稱為制造業(yè)的皇冠。

報告發(fā)布時：

報告中提到，燃氣輪機與蒸汽輪機聯(lián)合裝置在發(fā)電上已大力發(fā)展，燃氣輪機可以耐高溫，能夠在1000℃以上的高溫下工作。它的排氣溫度為500～600℃，可以利用在余熱鍋爐中產(chǎn)生蒸汽，帶動蒸汽輪機工作，所以熱效率高。當時聯(lián)合循環(huán)發(fā)電效率能超過46％。

當前現(xiàn)狀：

重型燃氣輪機經(jīng)過四十年的發(fā)展，其技術(shù)水平已經(jīng)大幅提高。目前重型燃機的主要技術(shù)水平體現(xiàn)在壓氣機壓比和透平進口燃氣溫度這兩項指標上，其中透平進口溫度直接影響燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組的熱效率。因此，根據(jù)透平進口燃氣溫度吧燃機分為E、F和H級。

其中，E級重型燃氣輪機透平進口約1200℃，F(xiàn)級透平進口溫度約為1400℃，目前最先進的H級透平進口溫度達到1430℃-1600℃。溫度越高代表技術(shù)等級越高。目前全世界最先進的H級重型燃氣輪機單循環(huán)和聯(lián)合循環(huán)的熱效率已分別超過了40%和60%，是所有熱-功轉(zhuǎn)換發(fā)電系統(tǒng)中效率最高的發(fā)電方式。

03 儲能的重要性重新被認識

報告發(fā)布時：

報告中對儲能的介紹并不多，而且停留在對石油、天然氣、煤炭等能源的儲存和運輸水平，這并不奇怪，因為以鋰電池為主的儲能技術(shù)是近十年的新鮮產(chǎn)物，得益于新能源汽車的快速發(fā)展，儲能技術(shù)已經(jīng)逐漸在電力系統(tǒng)中扮演重要角色。

由于可再生能源發(fā)電先天具有間歇性和波動性，具有可再生能源發(fā)電高占比的能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型勢必會導致電力系統(tǒng)面臨安全問題，風光發(fā)電具有的隨機性給電網(wǎng)穩(wěn)定運行提出了新的挑戰(zhàn)。而儲能有望成為解決可再生能源消納的最終方案。高比例的可再生能源電網(wǎng)配置儲能電站，不僅可以降低棄風棄光率，更重要的是可以平抑新能源波動，并參與系統(tǒng)調(diào)峰調(diào)頻，增強電網(wǎng)的穩(wěn)定性。

當前現(xiàn)狀：

目前，儲能設施成本正在不斷下降，未來有望成為新能源發(fā)電的固定配套設施。根據(jù)彭博新能源財經(jīng)（BNEF）發(fā)布的研究報告《EnergyStorageSystemCostsSurvey2020》，2020年一個完成安裝的、4小時電站級儲能系統(tǒng)的成本范圍為235-446美元/千瓦時。

與此同時，隨著新能源汽車產(chǎn)業(yè)不斷壯大，大量退役后的動力電池可以用于儲能設施進行梯次利用。因此，動力電池技術(shù)進步和動力電池體量增長可以進一步加速儲能行業(yè)成本降低。根據(jù)BNEF預測，到2030年鋰電池組的平均價格有望進一步下降至68美元/kWh，較2020年降幅達58%，是儲能系統(tǒng)下降的最大驅(qū)動力。

04 能源的重要性發(fā)生變化

報告發(fā)布時：

報告中認為，油和天然氣是優(yōu)質(zhì)能源，在相當長一段時期內(nèi)煤是中國的主要能源，要加強它的勘探與開發(fā)，把加快煤炭的開發(fā)擺在重要的地位。但煤油氣在開采、運輸、轉(zhuǎn)化與使用中都面臨不少困難，須加強有關煤的科技工作。電力工業(yè)要把建設重點逐步放在水電的開發(fā)上，在嚴重缺能地區(qū)還要建設核電站，因地制宜地發(fā)展各種新能源。

當前現(xiàn)狀：

經(jīng)過四十年發(fā)展，煤炭目前已經(jīng)是中國的主要能源，能源局數(shù)據(jù)顯示2020年全國規(guī)模以上企業(yè)煤炭產(chǎn)量38.4億噸，煤電裝機達到10.8億千瓦，占總裝機容量的比重為49.1%（首次低于50%），相較于2019年的59%下降了近10%，因此煤炭消費和煤電裝機占比已經(jīng)達到峰值，未來還將進一步下降。

而我國石油生產(chǎn)一直保持穩(wěn)定，天然氣產(chǎn)量雖然有大幅提升，但遠遠無法滿足國內(nèi)油氣需求。2020年中國石油和天然氣產(chǎn)量分別達到1.95億噸、1888億立方米，進口量分別為為5.4億噸和10166萬噸，對外依存度達到73%和43%。

隨著我國提出碳中和目標，我國石油消費已經(jīng)到了峰值平臺期，天然氣由于碳排放強度較低未來仍然有10-15年的增長期。綜合來看，從2021年到2060年實現(xiàn)碳中和目標，新能源將逐漸成為我國的主體能源，根據(jù)我國碳中和目標計劃，到2060年我國可再生能源占全部能源消費的80%以上。由此可見，隨著對減碳和氣候問題的重視不斷提升，可再生能源正在取代傳統(tǒng)的化石能源成為能源增量的主體。

05 GDP能耗的降低

經(jīng)濟的發(fā)展和能源消費總量在一定程度上呈現(xiàn)正相關性，經(jīng)濟的增長能夠拉動能源消費，而能源消費也會支撐經(jīng)濟發(fā)展。隨著時代進步，能源與經(jīng)濟的關系不僅體現(xiàn)在體量上，還體現(xiàn)在能源本身的結(jié)構(gòu)上。在不同時代，人類使用的能源不同，從煤炭到油氣再到新能源，能源消費不僅隨著經(jīng)濟的發(fā)展而增長，而且更促進了能源結(jié)構(gòu)的改變。

萬元國內(nèi)生產(chǎn)總值能源消費量是反映能源消費水平和節(jié)能降耗的重要指標。根據(jù)《中國能源統(tǒng)計年鑒》（2019年版）數(shù)據(jù)，1980年萬元國內(nèi)生產(chǎn)總值能源消費量為13.14噸標準煤/萬元（國內(nèi)生產(chǎn)總值按1980年可比價格計算）。2018年，萬元國內(nèi)生產(chǎn)總值能源消費量為0.56噸標準煤/萬元（國內(nèi)生產(chǎn)總值按2015年可比價格計算）。由此可見我國萬元國內(nèi)生產(chǎn)總值能源消費量在過去四十年間下降了90%以上，而在十四五以后，我國為了實現(xiàn)碳中和目標將更加注重萬元國內(nèi)生產(chǎn)總值能源消費量的降低和能源結(jié)構(gòu)的改善。

（張學坤 冉澤）