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可再生能源时代，中国准备好了吗？ |
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7/15/2006 11:28:00 AM
何祚庥院士
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何祚庥院士最近提出，中国需要像50年前抓“两弹一星”一样抓可再生能源的研究和开发，直至实现产业化。为此，他建议党中央和国务院作出重大决策。
他说，2006年1月25日《科学时报》曾报道侯祥麟院士谈“要提前考虑2050年怎么办”？他认为，侯老着重谈的是石油问题，应“放大”到整个能源问题，其中包括石油问题，尤其是可再生能源问题，需要提前做出决策。
他说，中国正在走新型工业化道路。要大量节约能源和资源，但又要不失时机地实现工业化。工业化阶段不可逾越，工业化中的重工业化阶段也不可逾越。而能源是发展的硬约束条件。只有可再生能源才是真正“取之不尽，用之不竭”的能源。不论从当前的发展，还是从长远的发展来说，中国都需要及早逐步过渡到可再生能源。本文主要阐述了何先生的这一观点。
为什么中国要大力发展可再生能源？
第一，向可再生能源方向发展已为世界共识
周凤起在《中国可再生能源发展战略》一文中列举了国际上大力发展可再生能源的六条理由：（1）能源安全和能源供应多元化；（2）减少温室气体排放；（3）减少化石燃料引起的城市环境污染；（4）替代核能；（5）创造就业机会和发展中小企业的动力；（6）扩大技术和装备出口。
2002年，全世界消费的可再生能源为19.66亿t标准煤，约相当于全球一次能源消费总量的13.4%。其中传统利用的可再生能源约占77.5%，新的可再生能源利用约占22.5%。可再生能源发电量占总发电量的17.9%，仅次于煤电的39%和气电的19.1%，高于核电16.6%。
欧盟已规定可再生能源在一次能源中的比例要由1997年的6%提高到2010年的12%，2020年为20%，2050年将达50%；可再生能源电力在整个电力中的比例将由1999年的14%提高到2010年22%。2006年3月底，欧盟首脑会议决定：要在20年内拿出1万亿欧元，投入到欧盟诸国新的能源产业，转入以可再生能源为主导能源的轨道。
美国也提出到2025年生物质发电4500万kW，风电1000万kW，光伏发电3000万kW，光热发电2000万kW。2006年2月20日，美国总统布什开展了“能源之旅”，参观了许多可再生能源研究所。布什还不断发表讲话，呼吁美国要大力减少油的进口，呼吁发展风能、太阳能，并希望2015年美国太阳能发电成本下降到可和火力发电竞争的水平。
印度2012年可再生能源发电装机将达到10%。
拉丁美洲2010年整个能源的10%将来自可再生能源。
第二，中国的理由
（1）可持续发展的需要；（2）调整能源结构的需要；（3）保护环境的需要；（4）开发西部的需要。西部地区可再生能源资源丰富，占全国资源总量的70%以上；其中风力资源占陆地风力资源85%以上，太阳能资源占90%左右，小水电资源占65%以上，发展可再生能源必将带动西部地区经济的发展，保护西部地区的生态环境；（5）解决农村用能及边远地区用电和生态建设的需要。现在我国边远地区仍有700万农户没有电力供应，有的农民连基本的生活用能都没有保障；（6）提高能源供应安全的需要。可再生能源属于本地资源，如生物质能，不仅可转换为电力，还可以转换为代油的液体燃料，如乙醇燃料、生物柴油和氢燃料，为各种移动设备提供能源。因此，发展可再生能源，不仅可以提供新的能源，而且可以提高能源供应安全；（7）开辟新的经济增长点的需要。可再生能源在21世纪将逐步取代化石能源，成为全球新的经济增长点。
对以上两方面的理由，可参看发改委能源所周凤起同志在2005年第6期《上海电力》上发表的文章《中国可再生能源发展战略》。
第三，几点政治、国防上的理由
首先，大力发展可再生能源是中国走和平发展道路的需要。（1）当代战争的根源，已由对市场、对殖民地等的争夺，转向对能源，对资源的争夺。当前集中表现为对石油的争夺；（2）中国必须大力发展可再生能源，避免卷入由于能源争夺而引起的国际性战争；（3）能源外交，能源合作和争夺，已成为时代的主题，中国需要大力发展可再生能源，以增强中国在国际谈判中的地位；（4）中国在发展可再生能源中增加的支出，有望在国际能源合作中获得收益，甚而是极大的收益。
其次，如果不幸而卷入一场战争，中国必须保证能以有限的资源，集中供应战争所需要的能源，所以，需大力节约中国自身所拥有的有限的化石能源，从而能保证在战争中立于不败之地。能源将决定未来战争的胜负。现在世界范围内正处于和平发展时期，但是，“居安必须思危”、“有备才能无患”。
又次，中国是负责任的大国。最近，锦涛同志在“2005年北京国际可再生能源大会”的致辞中提出两个“必由之路”。“加强可再生能源开发利用，是应对日益严重的能源和环境问题的必由之路，也是人类社会实现可持续发展的必由之路。”又说，“加强全球合作，妥善应对能源和环境挑战，实现可持续发展，是世界各国的共同愿望，也是世界各国的共同责任。”
第四，在2050年以前，中国就有对可再生能源的迫切需求
2005年，我国共有电力装机5亿千瓦。其中水电是1.16亿千瓦，火电是3.84亿千瓦，油电是1500万千瓦，核电是684万千瓦。2020年，预期电力装机将是12亿千瓦，其中水电是2.9亿千瓦，火电是7.6亿千瓦，天然气发电是6000万千瓦，核电是4000万千瓦。风电、太阳能发电等一共是2500万千瓦。其中核能仅占3.3%。值得关注的问题是：我国的资源、运输以及环境容量能否支撑7.6亿千瓦的火电？2050年的中国，其电力装机将是多少？将呈现何种能源结构？如果2050年的电力装机是25~30亿千瓦，而又由煤来主导未来的电力建设，这将是“天文”数字。
2005年的美国，约是人均电力3千瓦，2050年的中国，将是15~16亿人，如果人均2千瓦，就将是30亿千瓦。然而这仅是当前美国人均水准的2/3。由2020年的12亿千瓦，上升到2050年的30亿千瓦，也就是每年仅平均增长3.1%。
一个理论问题：中国能源问题能否由节能、节电来满足？
产生这一问题的原因是：最近，在各个报刊杂志上，广泛流传着下列一组数字：2003年，中国消耗的原油占世界的7.4%，消耗的煤占世界的31%，消耗的铁矿石占世界的30%，消耗的钢材占世界的27%，消耗的氧化铝占世界的25%，消耗的水泥占世界的40%……但中国创造的GDP却不足世界的4%。这意味着中国经济消耗的能源过大。节能节电大有潜力。
问题出在如何计算GDP。
GDP的测算有两种方法，一是汇率，另一种是购买力平价。2003年的汇率约是1美元=8.4人民币；而2003年世界银行按购买力平价所确定的等价关系，却约是1美元=1.87元人民币。
2003年，世界银行分别按照汇率和购买力平价来测算过两组GDP数字：
按汇率测算的中国GDP的数值居世界第7位，日本居世界第二位；但如果按购买力平价来测算，中国的GDP占世界第二位，日本是世界第三位；中国的GDP是美国GDP的58.4%，日本的GDP仅为中国GDP的57%。
美国当前的电力装机约是8.4亿千瓦，中国约是5亿千瓦，两者的比值是1.6:1。美国GDP占世界GDP的份额约是20%，修正后的中国GDP占世界的份额约是14%，两者的比值是1.43:1。所以，美国的单位GDP的耗电是中国的1.6/1.43=1.12倍。但如果采用未修正前的中国GDP的数值，中国单位GDP耗电却是美国的1.1倍。
所以，中国经济虽然有大量节能的潜力，在中国的经济工作和实际生活中，有许多浪费能源的惊人案例，但中国决不是高度浪费能源的国家。现在中央期望十一五期间节能20%，这一指标能否如期实现，需要仔细研究和出台重大政策措施。
其实，当前中国人均用电量是400瓦，美国人均用电是2800瓦，是美国的1/7。在如此低下的用电标准条件下，能节约出多少电力？！
中国未来的能源以核能为主，还是以可再生能源为主？
我回答是：中国将不能走以核能为主导能源的道路。理由是：中国的天然铀资源供应不足，仅能支撑50座标准核电站连续运行40年（这里已将未来的可能的天然铀资源也计算在内）。
可以考虑进口天然铀。近年，澳大利亚、加拿大等国家已和并将和中国签订长期供应天然铀的合同。但是，在世界纷纷大力发展核能的形势下，一些人估计“铀资源大约在40年内就会耗尽”。可以说，在天然铀方面的资源争夺，决不亚于对石油的争夺。
有相当一些人寄希望于快中子增殖堆，因为这将可能使天然铀的利用率扩展60倍。我们赞成大力发展快中子增殖堆，但必须看到快中子增殖堆将面临一个价格成本十分昂贵和核扩散问题。
我国现正在从事钠冷却的快中子实验堆的研究。已知投入是26亿人民币，其预期的电能产出将是25兆瓦，亦即其投资平均至少是每千瓦10万人民币；而通常压力堆或重水堆的投资约是每千瓦为1.2万人民币~1.7万人民币。未来的快中子增殖堆的电价将是多少？
与此对比的是：在深圳已成功建成了一个太阳能光发电的实验站，其每千瓦投资是6万人民币。
快中子增殖堆的技术在世界范围内尚未完全成熟。技术成熟了也还要面对一个可能发电成本过高的问题。原因是：发展快中子增殖堆，必须同时发展核燃料后处理技术，这也是一笔巨大投资。更重要的是快中子增殖堆的运转寿命，亦即材料寿命，将决定着快中子核电站的折旧年限。
有相当一些人建议中国的能源问题将最终由受控热核反应来解决。但这完全是不切实际的梦想。当前，最乐观的估计也仅认为到2050年才能走向商业化。悲观的估计却认为至少要到2100年。更严重的问题是：其电价将至少是当前核电的10倍。
为什么中国将不能期望由快中子增殖堆或受控热核电站来提供廉价的电力？一个重要理由是材料寿命问题。通常的压水堆或高温气冷堆的运转寿命约是30年，现在认为可延长到40年。快中子增殖堆和受控热核电站也有同样的使用寿命问题。
决定材料使用寿命的主要因素是中子的辐照。通常的压水堆中的中子平均能量是0.25eV，而快中子堆的平均能量是0.1MeV，至于受控热核堆中的主导能量是14MeV。14MeV中子对材料引起的破坏要比0.25eV的热中子至少大一两个量级。
目前在理论上也找不出能大幅度有效缓解中子辐射效应的技术途径。
比较实际可行的，扩大核燃料资源的一个办法，也是有可能适当缓解中国天然铀资源短缺问题的办法，是在压水堆或高温气冷堆中利用钍232。
原因是：钍232在吃掉1个中子后，将能转化成核燃料的铀233。在热中子堆中，铀233比铀235或钚239有更大的增殖中子的能力。其理论上的增殖系数可达1.06，亦即每烧掉1个铀233将多产生0.06个铀233，因而原则上可利用铀233可做成慢中子增殖堆。
实际上，仅可能利用铀233较高的增殖系数做成高燃耗的高转化堆，将能利用这种转化堆燃烧钍232。钍232铀233循环的热中子堆有以下一些优点：1）其天然钍的燃耗较高，原则上只要有充足的铀233的供应，就能在慢中子堆中（亦即不需快堆）大量燃烧钍232。2）中国的钍232资源丰富，仅次于印度，约是中国天然铀资源的6~8倍。大力发展钍、铀循环，有可能大幅度扩展中国的核能资源。3)热堆核电站的发电成本比快中子堆低很多，约为快堆的1/4~1/3。4)核燃料投入比快中子堆少得多，约为快堆的6%。5）钍232的价格比铀238低廉很多，约为铀238的5%。6)钍232体系所产生的放射性核废料，约是铀238的1/10。7)可使用“一次搁置”来处理核的乏燃料，因而有巨大的经济效益。
但是，大力发展钍、铀循环，必须解决铀233的持续充分的供应问题。解决这一问题的重要的途径之一，是利用高能加速器将质子能量加速到1GeV，利用质子轰击铀238或钍232，将能释放40~50个中子，再用核反应制成核燃料钚239和铀233。
如果能有流强为100毫安、能量为1GeV的高能加速器，用“铀238或钍232+铅铋合金”做靶和冷却剂，有望年产100~200公斤的钚239或铀233；也可用来解决放射性核废料大量积累造成环境污染的困难。
如果中国的未来要大力发展核能，从现在起必须部署这一新的技术路线的研究和开发。
可再生能源是当前能源领域中的“先进生产力”
可再生能源在资源总量上远远大于核能。中国的水能资源远大于中国的天然铀资源；中国的风能资源亦即远大于在使用快中子堆技术条件下已扩大了60倍利用率的天然铀资源；至于太阳能资源亦远大于所谓“取之不尽，用之不竭”的海水中的氘。诚然，海水中的氘和自然界存在的锂可为受控热核电站提供充足的资源，但仍是总量有限的资源。
可再生能源有的已在技术上完全成熟（如水能），有的接近完全成熟（如风能），而且其发电成本将远低于核能。有的在技术上尚未成熟，其发电成本也较高（如太阳能），但太阳能的资源无限，并已找到有望实现大幅降低发电成本，直至和火力发电相竞争的现实的技术途径。中国必须尽可能地转向可再生能源为主导的能源结构，应大力发展四种可再生能源：水能，生物质能，风能，太阳能。
第一，水能
2005年年底，我国共有电力装机5亿千瓦，其中水电装机1.1亿千瓦。已知中国水能资源约是7亿千瓦，其中技术可开发是5.4亿千瓦，经济可开发约是4亿千瓦。国家计划投入1.3万亿资金，计划再开发1.9亿千瓦。
当前中国是大力发展水电的最佳时机，建议在15～20年内，国家共投入2万亿人民币，将剩余经济可开发的约3亿千瓦的水电资源都开发出来。
第二，生物质能
中国约有5亿吨标准煤当量的生物质能。可以考虑在农村中大量开发生物质能。但由于光合效应的效率仅为0.2%，很难期望用生物质能作为中国的主导能源。但有望和太阳能、风能、小水电等，共同合作成为主导农村需要的能源。生物质能的缺点是，资源总量有限，但能补充解决其它可再生能源在时间上的间隙性，或地区分布不均的重大缺点。
但是，中国的生物质能毕竟有5~6亿吨标准煤当量；而且，随着农业技术的发展，中国也将能大幅度增加桔杆或能源植物的产出。预期这将成为中国农业发展的重大方向。我以为，其最佳利用方式，是将大量的桔杆经过发酵制成酒精，这将能大幅度缓解机动车和轮船用油的需求。目前世界范围内出现的一种新动向是：用酒精取代石油；用可适用任何比例的酒精和汽油混合的双燃料车取代仅能在汽油中掺入10%酒精的内燃机车。所以，我国农业发展还要为缓解能源紧张问题做出贡献，这是我国农业发展的重大方向之一。
第三，风能
中国在10米高空的风电资源是2.53亿千瓦，海上约是7.5亿千瓦。由于风电的资源将和风速的三次方成正比，所以如果扩展到50米高空，将是25亿千瓦。现在发展的大风机已进入80~100米的高空，所以如果风能的利用扩展到80米高空，有望大幅度增加中国的风电资源。前一时期，美国人曾重新估算了世界在80米高空的风能资源，总计约为700亿千瓦。如果中国大陆占世界陆地面积6.4%，由此可期望中国的风电资源可高达45亿千瓦。
由于风电的运转是3000小时，所以40亿千瓦的风电只能折成20亿千瓦的火电。如果开发其中的1/2，亦即相当于1000座标准核电站。
在世界范围内，风电技术已相当成熟。已出现有单机为5兆瓦的大风机，并正在向10兆瓦进军。风电成本已具有市场竞争能力，在国外风电成本已下降到和煤电成本相当，甚而比煤电还要低廉一些，并仍在不断下降。
中国现有风电装机约为50万千瓦。如果到2020年，年平均以40%的速度上升，将能“期望”上升至1亿千瓦，亦即占2020年电力装机12亿千瓦的8%，或发电站总量的4%。
参考欧洲各国迅速发展风电的经验，平均年增长40%，并不是不可设想的发展速度。近5~6年来，德国风电以年平均36%的速度上升，法国更以60%的速度急起直追。从2020年到2050年，如果进一步年平均以9%~10%的速度上升，将能"期望"风电由1亿千瓦的装机，上升到约16亿千瓦的装机。
中国陆上的风电资源，集中在内蒙古以及东北、西北的部分地区。海上风电资源尤其丰富，特别是东南沿海的台风地区。
中国将能期望由西南地区的水电，东南沿海地区的风电和北部、东北西北地区的风电，较为均衡地分别实现各不同地区发展所需电力。
蒙古人民共和国境内有比内蒙地区更为丰富的风电资源。所以，我国风电产业进一步的发展方向，将是和蒙古人民共和国合作开发风电资源。
风力发电还能有效地遏制温室效应和沙尘暴灾害；风力发电也是解决边远农村独立供电的重要途径。
第四，太阳能
简单的计算表明：中国的太阳能资源将至少是风能资源的100倍。
一个简单的设想是：中国的沙漠地区将能集中提供丰富的太阳能。我国现有沙漠约52万平方公里，有沙漠化土地17.6万平方公里，潜在沙漠化土地15.8万平方公里，三者共计为85.4万平方公里。大部分集中在内蒙古地区和新疆地区。以下是一组重要数据：
(a)在沙漠地的年平均日照约为11～12小时。
(b)夏季在正午时太阳光辐射能最大值是0.73千瓦/平方米，冬季是0.23千瓦/平方米。二者平均的峰值是0.48千瓦/平方米，有效平均功率将是0.24千瓦/平方米。
(c)如果令太阳能转化为电的效率是15%,每平方米的面积将能提供约0.036千瓦的电能，其日平均将能提0.4～0.43千瓦小时的电能。
(d)如果沙漠地区每年有300天的日照时间，那么每平方米面积的沙漠，将能年提供约125千瓦小时的电能。
(e)85.4万平方公里的沙漠将能年提供1.07×1014度电。以火力发电的年运转时为6400小时来计算，上述太阳能供电将等价于1.67×1010千瓦的电力装机。如以每标准核电站能提供106千瓦的电功率来计算，那么85万平方公里的沙漠地区将能提供约16700座核电站的电功率。
(f)某些人估计，到2050年，可能约需2500×106千瓦的电力。因此，仅由沙漠地区的15%的面积，亦即约为12万平方公里的面积，就能提供所需要的电力。
(g)内蒙古自治区的面积约110万平方公里，其中沙漠和沙漠化面积约为20～30万平方公里，所以，仅内蒙古自治区的沙漠地区的太阳能就能为中国在2050年以及今后的发展提供所需要的足够的电力。
(h)请注意：这里仅假设了光电的转化效率为15%。但太阳能不仅仅能在沙漠地区发电，而且还能广泛地应用到广大的农村、中小城镇，单独提供农村、中小城镇所需电力。
一个尖锐的问题：到2050年，中国是否需要用到太阳能？
如果2050年需求30亿千瓦的电力，一个可能的结构是：9亿火电+5亿水电+2亿核电+8亿风电+6亿太阳能发电=30亿千瓦。
其实，9亿千瓦的火电也是一个不可接受的数字。这意味着中国的二氧化碳的排放量将远大于当前世界第一的美国。其实，5亿水电、2亿核电、8亿风电都已经达到资源所能提供的极限。所有的缺额，都只能由太阳能发电来补充。
当前，太阳能发电成本约是火电的10倍（一说为11～18倍，可能是与中国的火力发电成本相比较），但是，在未来的发展中，太阳能发电有可能下降到和火力发电相竞争的水平。现在在国内若干地区，已建成了某些光伏发电的示范电站，其发电成本约是每千瓦时为人民币5元。但是，已有一些值得关注的技术方向，有可能大力降低太阳能光伏发电成本。计有：1）有可能设计出能大幅度降低纯净硅料成本的专用炉；2）已出现某些高效、简易可行，但又成本低廉的集光技术，将能大幅度提高光电池的电能产出；3）目前单晶硅或多晶硅的光电转换率约是15%，砷化镓约是25%，但理论分析表明，上述两种材料均还有大幅度提高其光电转化效率的潜在能力，其理论上可能的转化效率，可高达40%～60%。因此，综合地应用上述技术，将能预期在10～15年的时间内，将太阳能光伏发电成本下降到可以和火力发电相竞争的水平。
但是，可再生能源的重大缺点是有风有电，无风无电，有太阳有电，无太阳无电。为保证风能、太阳能的持续供应，就要相应地发展能调节供求的调峰电站，而这一技术却有可能通过太阳能热发电加以解决。人们将可能将太阳能聚在某一大型储热罐，并用适当的气体导热，按需求发出所需电力。现在也出现了某些大幅度降低太阳能热发电成本的新的设想。所以，人类的未来，将可能依靠可再生能源充分满足当代以及子孙万代对能源的需求。
我的结论是：人类即将迎来一个广泛利用可再生能源的新时代。
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