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        行業資訊
        肖宇 劉中民:我國能源面臨諸多問題和挑戰,構建國家能源新體系迫在眉睫
        發布時間:2019-05-15        類別;行業資訊        來源:中國科學院院刊
               能源體系構成復雜,加之我國人口和發展基數大,長期以來,我國能源體系中逐漸形成了相對獨立的各分系統,一定程度上合力促進了國家發展。  
        我國能源的總體情況
               目前,我國已成為世界上最大的能源生產國和消費國。根據國家統計局數據,2018?年,全年能源消費總量?46.4?億噸標準煤,比上年增長?3.3%。煤炭消費量占能源消費總量的?59.0%;天然氣、水電、核電、風電等清潔能源消費量占能源消費總量的?22.1%,可再生能源發電裝機量達到?7.28?億千瓦,同比增長?12%;原油對外依存度?71.0%,天然氣對外依存度?43.9%。
               總體來講,一方面化石能源仍是我國能源消費的主體,原油及天然氣對外依存度不斷加大,給我國的能源安全帶來隱患;另一方面可再生能源的清潔能源替代作用日益凸顯。
               近年來,我國能源產業快速發展,但“富煤、貧油、少氣”的資源稟賦特點使我國長期以來形成了以化石能源為主的能源消費結構,由此帶來了生態環境破壞和能源資源瓶頸等問題。同時,我國政府向世界承諾到?2030?年碳排放達到峰值。
               如何在國際氣候協議制約及國內環保壓力下,既保障能源供給安全,又滿足能源結構變革與產業結構轉型的要求,促進能源、經濟、社會、環境協調發展,推動我國經濟高質量發展,是我國能源領域面臨的重大挑戰。解決好能源問題是支撐我國?2035?年基本實現社會主義現代化、2050?年實現社會主義現代化強國目標的重要基礎保障。
               習近平總書記高度重視我國能源發展與改革工作,作出一系列重要論述和指示。特別是?2014?年?6?月在中央財經領導小組第六次會議上發表重要講話,明確提出推動能源消費革命、能源供給革命、能源技術革命、能源體制革命和全方位加強國際合作等重大發展戰略,為我國能源改革發展進一步指明了方向。十九大報告明確提出構建市場導向的綠色技術創新體系,推進能源生產和消費革命,構建清潔低碳、安全高效的能源體系。
               國家發改委和國家能源局也發布了《能源生產和消費革命戰略(2016—2030)》,其中提出“到?2050?年非化石能源消費占比超過一半,建成現代能源體系,保障實現現代化”。這是一幅宏偉的藍圖,我國目前能源結構中,非化石能源占比仍只有?14%?左右,實現這一目標任重而道遠。
        我國能源發展面臨的問題及挑戰
        近年來,我國能源發展取得了巨大進展,如能源技術自主創新能力和裝備國產化水平顯著提升、部分領域達到國際領先水平,為打造新型能源產業奠定了堅實基礎,但與新時期能源革命的戰略目標相比還有較大差距。此外,由于我國能源資源約束日益加劇、生態環境問題突出,調整結構、提高能效和保障能源安全的壓力進一步加大,能源發展面臨著一系列問題及挑戰。
        我國能源供給安全面臨重大挑戰
               隨著國民經濟的快速發展,我國面臨的能源安全形勢日益嚴峻,尤其是石油和天然氣供給安全以及進口通道安全。
               一、在石油供給安全方面,由于我國石油資源地質儲量少,石油生產總量遠低于石油需求總量,導致我國石油供需矛盾日益突出,原油對外依存度長期處于高位且有進一步快速增加的趨勢,從?2010?年的?53.8%?迅速飆升到?2018?年的?71.0%。
               二、在天然氣供給安全方面,我國的天然氣生產和消費持續增長,自?2007?年開始,我國天然氣消費量大于生產量,對外依存度不斷攀升,2018?年達到?43.9%。
               三、在進口通道安全方面,我國能源進口通道安全強烈依賴地緣政治,能源的地緣競爭逐漸表現為油氣資源陸上獲取權和海上運輸控制權相結合趨勢,而受到地區政治不穩定因素的影響,我國的油氣資源進口面臨著嚴重的威脅。
        生態環境壓力加大,污染排放問題突出
               大規?;茉撮_發利用帶來的生態環境惡化,以及能源消費所導致的污染排放,正日益超出環境的承受能力,主要體現在對大氣環境、水資源及生態系統的影響等方面,化石能源利用排放了大量的二氧化硫(SO2)、氮氧化物(NOx)、煙塵等污染物。
               目前城市交通、火電已成為細顆粒物(PM2.5)的主要來源,并且火電、交通及其他工業排放的顆粒物仍將持續增加。大范圍、高強度的霧霾天氣倒逼能源轉型。 
               全球對溫室氣體引起的氣候變化問題已經形成共識,并達成了二氧化碳(CO2)減排的約束性政府間協議。中國政府承諾到?2030?年碳排放達到峰值,單位國內生產總值?CO2?排放較?2005?年下降?60%—65%。
               我國能源消費量大,且以高碳化石能源為主,未來在應對氣候變化問題上將受到越來越大的國際壓力。這不僅嚴重制約我國化石能源的使用總量,同時也對現有化石能源的使用方式提出了挑戰。
        能源科技水平總體不高,國際競爭激烈
               我國能源科技水平在全球局部領先、部分先進、總體落后。創新模式有待升級,引進消化吸收的技術成果較多,與國情相適應的原創成果不足。創新體系有待完善,創新活動與產業需求脫節的現象普遍存在,各創新單元同質化發展、無序競爭、低效率及低收益問題較為突出。能源產業缺乏關鍵核心技術,部分核心裝備、工藝、材料仍受制于人,重大能源工程依賴進口設備的現象仍較為普遍,技術空心化和對外依存度偏高的現象尚未得到有效解決。
        我國現有能源體系存在結構性缺陷
               能源體系構成復雜,加之我國人口和發展基數大,長期以來,我國能源體系中逐漸形成了相對獨立的各分系統,一定程度上合力促進了國家發展。但是隨著國家進一步發展和形勢變化,特別是內外環境約束的增加及生態文明的進步,雖然各分系統面向社會提供能源產品的大目標一致,但系統間的發展不協調性日益凸顯。
               受限于我國的能源資源特點,石油化工難以提供化工基本原料,嚴重制約下游精細化工行業發展;而煤化工適于制取大宗化學品和油品,可以彌補石油資源不足,亟待將現代煤化工與石油化工協調發展,優化合理的產業結構。
               類似問題還體現在:太陽能、風能發電并網率低,水能、核能相對過剩,以及燃料乙醇存在與人爭糧風險等。孤立的能源分系統難以協調發展,整體效率不高,“九龍治水”已經不能適應發展的需求,亟待破除供給側各能源種類之間版塊分割、互相獨立的體制壁壘,亟待突破能源種類之間互補及耦合利用的核心技術。
        科技創新助力
        構建國家能源新體系的構想
                2050?年“非化石能源占比超過一半”和“構建清潔低碳、安全高效的能源體系”的能源愿景,難以依靠現有能源技術的累積性進步而實現。我國現有能源體系中各分系統相對獨立,且存在結構性矛盾,各分系統之間難以“合并同類項”。
               必須從能源革命和構建能源新體系的國家目標出發,加強全局性頂層設計,從現在開始探索和奠定能源供給側和消費側的創新技術,研究形成經濟上可行的技術途徑,并以此為基礎,形成總體發展策略和系統解決方案。以科技創新為引領,才能保障國家目標的順利實現。
               我國現有的煤炭、石油、天然氣、可再生能源與核能五大能源類型之間,存在通過相對優勢的互補融合對沖消除各種能源種類劣勢、形成整體優勢的發展需求和巨大技術創新空間。
               例如:煤化工大多屬于低碳分子重構的放熱過程,石油加工屬于大分子裂解的吸熱過程,兩者的耦合不僅可以大幅提高能效,也可以彌補各自的不足;利用可再生能源、高溫核能等制取的氫,可以補充煤化工之所缺,也可以與?CO2?通過催化耦合而制取油品和大宗化學品,總體上實現?CO2?減排;可再生能源可通過規模儲電而提高并網利用效率;多種技術的結合可以因地制宜地形成低碳化清潔能源供應系統,促進能源消費革命等。
               技術路線不僅要注重現階段多種能源的互補融合,也要兼顧我國能源發展從高碳向低碳直至無碳的過渡中的技術需求;不僅注重技術的變革性,積極搶占國際技術制高點,也應兼顧為我國相關產業結構升級提供技術支撐。
               據此,我們建議從能源系統頂層設計角度出發,以能源技術創新為引領,以化石能源清潔高效利用與耦合替代、清潔能源多能互補與規模應用、低碳化多能戰略融合為?3?條主線,逐步構建清潔低碳、安全高效的國家能源新體系(圖?1)。
         
               發揮舉國體制優勢,打破能源領域版塊壁壘,突破高效催化、低碳制氫、規模儲能等一批戰略核心技術,搶占能源技術戰略制高點;通過逐步降低煤炭在能源消費中的比例,促進整個能源系統全生命周期的高效運轉和生態循環,實現化石能源與可再生能源及核能的低碳化戰略融合與發展。
        鼓勵發展以煤炭為代表的化石能源清潔高效利用與耦合替代技術,
        保障能源安全 
               能源供應與安全是我國經濟社會健康穩定發展的基本保障。我國煤炭資源量占化石資源總量的?95%?左右,能源資源稟賦與能源消費結構嚴重不匹配,石油對外依存度逐年增加(2018?年為?71.0%)。在當前國際形勢下,油氣資源不足及長期依賴進口的狀況更加凸顯了保障我國能源安全的緊迫性。
               相比其他能源種類,煤炭在我國能源結構中的比重雖然會有所下降,但其作為我國能源結構主體的基本國情在未來很長一段時間內難以改變。2018?年,我國能源消費總量?46.4?億噸標準煤,煤炭消費量占能源消費總量的?59.0%。煤炭燃燒過程會產生大量的?SO2、NOx?和煙塵等污染物,其產生的碳排放占我國能源消費碳排放的?75%?以上,這使我國面臨巨大的環境壓力和碳排放壓力。
               經過長期發展和國家支持,我國在煤化工領域已經形成了一批核心技術,正處于完成工業示范并大規模推廣應用的有利時期。發展以煤為原料的現代煤化工,通過氣化、液化、新型焦化等途徑制取油品和替代石油制取大宗化學品,不僅可緩解石油供應緊張局面,也可彌補現有石油加工與石油化工行業的結構性缺陷,促進工業結構轉型升級;緊急情況下還可以成為保障油氣供應的重要支柱。
               同時,需要通過技術創新,加強新產品開發,通過延伸產業鏈,發展高附加值、精細化、差異化的產品。重點以甲醇轉化為平臺,耦合石油基原料(苯、甲苯、石腦油等),實現烯烴、芳烴和含氧化合物大宗化學品/燃料的合成技術變革,形成煤化工與石油化工協調發展、構建合理產業結構的整體理念。
               圍繞現代煤化工過程中環境優先、清潔轉化、高效利用、可持續發展的目標,著力解決清潔燃燒和催化轉化過程中的重大科學問題,突破高能耗、高水耗、高排放等關鍵技術瓶頸,實現高碳能源綠色低碳轉型發展。重點研究煤轉化以及油煤氣耦合制燃料和大宗化學品的新路線和新方法,突破以煤經甲醇、合成氣為平臺化合物的能源化學品合成新技術,推動煤化工與石油化工融合發展和相關工業轉型升級,突破民用散燒、工業燃煤高效超低排放燃燒關鍵技術瓶頸等。
        發展清潔能源多能互補與規模應用技術
               原則上,可再生能源與核能等清潔能源的量越多,總的碳排放量就會越少,化石能源就可以少用,表面上看似乎單純發展清潔能源就可以解決問題。但是,這些清潔能源的產生及利用方式強烈地依賴地域與自然環境,在部分自然資源豐富的小國可行,然而與我國現有集約化國家能源供應體系的聯系是困難的,需要結合區域智能能源網絡的構建及新興產業的發展統籌考慮。
               在未來的新型能源體系中,可再生能源與新能源將替代化石能源供電、供熱,并通過富余電力生產氫能,為交通燃料生產、化工品合成提供氫源;高碳化石能源、低碳生物質能將通過物質轉化,滿足交通燃料、化工品、焦炭、電石、新型炭材料等產品生產需求。
               而隨著電動車的推廣和普及,化石能源原料消費將更集中于化工品、新型炭材料等產品生產。例如,以電動車作為分布式儲能的終端,根據車輛使用情況進行電能反饋,提高電網的穩定性,推動風電、太陽能發電大規模接入電網,有利于實現電動汽車、智能電網與可再生能源的融合發展。
               截至?2018?年底,我國可再生能源發電裝機達到?7.28?億千瓦,同比增長?12%;其中,水電裝機?3.52?億千瓦、風電裝機?1.84?億千瓦、光伏發電裝機?1.74?億千瓦、生物質發電裝機?1?781?萬千瓦,分別同比增長?2.5%、12.4%、34%?和?20.7%??稍偕茉窗l電裝機約占全部電力裝機的?38.3%,同比上升?1.7?個百分點,可再生能源的清潔能源替代作用日益凸顯。
               《能源生產和消費革命戰略(2016—2030)》中指出,到?2030?年和?2050?年,非化石能源占比達到?20%?和?50%。要實現這些目標,需突破清潔能源多能互補與規模應用的關鍵技術,形成以儲能為樞紐的多能互補體系,提升清潔能源比例。
               重點發展可規?;?、鏈條完整的可再生能源生產、儲運、轉化、并網、利用的系統解決方案;發展以大規模儲能技術為基礎的分布式能源系統,研究現代電網智能調控技術,解決大規??稍偕茉春头植际桨l電并網消納問題。儲能和氫的產生及利用是重要的能源互聯平臺。
        創新驅動低碳化多能戰略融合
               能源清潔化是國際大趨勢,能源結構正處于從高碳到低碳、無碳的過渡期。我國碳排放總量高居世界第一,面臨嚴峻的減排壓力。我國能源消費以化石能源為主,利用化石能源必然排放?CO2,而要減排?CO2,只能從能源系統融合發展角度,發展新的能源體系。
               原理上,在保障滿足能源總需求量的同時,多能互補融合可以比單純增加可再生能源實現更大幅度的碳減排。利用可再生能源、高溫核能等制取的低碳氫,可以補充煤化工之所缺,同時與?CO2通過催化耦合制取油品和大宗化學品,以產氫和用氫為紐帶,實現能源總體上的低碳化和低碳排放。
               針對重要能源載體甲醇和氫的可再生能源大規模制備及應用,創新發展各種能源的互補、耦合利用技術,圍繞氫能經濟,打造氫的生產、儲運和消費的完整技術鏈,發展可再生能源制氫、核能制氫技術及應用體系;開發?CO2?低能耗大規模捕集、資源化利用技術,將?CO2?與低碳氫反應生成甲醇等化學品;開展先進燃料電池和燃料電池分布式發電技術,引領帶動電動車等戰略新興產業變革和發展,實現低碳化多能融合發展,為由化石能源時代邁向陽光能源時代打通道路。
        能源領域科技發展建議
               一、加強頂層設計,布局實施能源領域重大科技任務
               在化石能源清潔高效利用、可再生能源大規模開發利用、安全先進核能、多能互補融合關鍵技術等戰略必爭領域,與國家科技創新體系構建緊密結合,啟動論證實施潔凈能源相關重大項目,發揮各創新主體優勢,研究提出梯次接續方案,從能源供給側、消費側技術革命的高度進行頂層設計和統籌部署潔凈能源技術攻關任務。
               二、加強能源戰略研究,打造高端智庫
               為國家構建清潔低碳、安全高效的現代能源體系提供智力支撐,組建具有全球影響力的能源戰略研究專業團隊,給予其必要的穩定資源配置,發展符合我國能源現狀的能源發展戰略創新研究方法,科學合理地提出支撐我國能源體系構建的關鍵技術和技術集成戰略,從頂層進行全局性的能源發展戰略研究,為國家政策制定提供科學依據。
               三、加快完善國家能源創新體系
               建立創新鏈、產業鏈、資金鏈、政策鏈相互交織、相互支撐的全鏈條創新體系。明確各類創新主體在國家創新體系中的使命定位。在重大創新領域組建一批國家實驗室,是習近平總書記在黨的十八屆五中全會提出的重大戰略舉措。2018?年的政府工作報告中再次指出要“高標準建設國家實驗室”。能源領域是多學科交叉、技術集成度高、系統性較強的學科領域,能源領域科技創新具有前瞻性、顛覆性、風險大、長期性等特點。建議從國家層面加速推進潔凈能源領域國家實驗室的建設,這對推動我國能源科技進步,提升能源領域國際影響力,以及構建“清潔低碳、安全高效”的能源體系具有重要的意義。
         

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