摘要：進入21世紀，中國能源面臨著五大嚴峻挑戰：能源供應緊張、液體燃料短缺、環境污染嚴重、溫室氣體排放、農村和城鎮清潔能源供應等，嚴重制約了我國的可持續發展。我國以煤為主的能源格局仍將持續，發展模式和用能理念必須從我國的具體國情出發，走自己的路，嚴格執行能源生產和消費總量控制，從整個產業鏈和供應鏈節能減排，從全生命周期角度提高能源的綜合利用效率。本文提出可持續能源系統的基本原則IDDD+N：轉換整合化（Integration）、需求精細化（Differentiation）、供應多樣化（Diversification）、布局分布化（Decentralization）和調度、控制、管理網絡化（Network）。可持續能源系統的核心是“把合適的能源放在合適的地方”。

關鍵詞：總量控制；節能；全生命周期；產業鏈和供應鏈；可持續能源系統

序

如果按照目前的燃料應用趨勢（按照常規情景），我們將在耗盡化石燃料之前先耗盡“大氣”。恐怖主義不會威脅到高科技生活方式下我們的生存能力，但是能源會。人類活動所引起的氣候變化將抵消我們在防治疾病、減少貧困、防止戰爭和保持生物多樣性等方面所做的所有努力。

一、我國能源面臨的五大挑戰

１、能源需求總量的急劇增加和能源供應的巨大壓力

我國能源總量需求大且快速增長，目前是世界上僅次于美國的第二大能源生產國和消費國，但人均能耗尚處于較低水平。2007年我國能源消費總量為26.56億tce，占全球16.8%；人均能耗約為2tce，低于世界平均水平（2.42tce）。[1]我國工業已進入重化階段，按世界各國發展的歷史規律來看，能耗迅速增長階段似不可逾越。能源消費總量的急劇增加給我國的能源供應帶來了巨大的壓力。這么大的一次能源需求我們是否能夠供應，其所引起的污染是否有足夠的環境容量？怎么解決？

２、 液體燃料短缺

我國2007年進口原油及其成品油約1.79億噸，對外依存度達到49%，[1]今后將繼續增加，能源安全和石油替代如何考慮？我國的汽車工業、石化工業如何用創新的發展模式來適應這個形勢？在車用替代燃料方面我國應以此為契機走出自主創新的道路。

3、環境污染嚴重

污染物質主要是SO2、NOX、PM2.5-10、Hg和CO2，這些污染物的80%是由于化石能源的利用，尤其是煤的直接燃燒所引起。目前我國有30%-40%的地區（主要是西南地區）出現酸雨現象，呼吸系統疾病不斷增加。需要認真研究的是我國對這些污染物“可容忍”的環境容量究竟是多少？

4、溫室氣體排放

目前全球每年排放CO2250多億噸，空氣中的CO2濃度，從工業化150多年以來，已從280ppm增至380ppm，目前以3ppm/年的速度增長。溫室氣體對地球將形成災難性的后果，在經歷了長期的爭論后，全世界的學者已有共識。所以，全世界都在采取多種措施減排CO2。目前，我國的CO2排放總量已接近60億噸，實際上已為世界第一。因而，從戰略高度、從現在開始就應該認真考慮我國CO2如何分階段減排的有關戰略技術和政策問題，否則的話，在今后幾十年我國將會為此付出更多的代價。

5、8億農民及城鎮化所需能源的供應

到目前為止，有相當數量的農民沒有得到良好的能源服務，他們仍依賴當地的農業廢棄物（秸稈、柴草等）作為主要能源，有些地方甚至仍在砍伐森林和破壞生態。此外，我國城鎮化率以每年1%在增長，每年有將近一千萬人口進入新的城鎮。據統計，城鎮居民的人均能耗是農村的3.5倍。這部分份額巨大的能源應來自何處？如何才能結合社會主義新農村的建設提供給廣大農村和新建的中、小城鎮符合中國國情的現代化能源服務，以減少生態破壞，減少室內污染，提高農民生活質量等，這是整體能源戰略的重要組成部分。

以上這五點是我國能源面臨的嚴峻挑戰，能源戰略、能源科技、能源政策都應以解決以上五點為出發點和落腳點。

二、無法改變的事實

１、根據對能源需求和能源供應的預測，煤炭現在以至將來（直到2050年或更晚）在我國能源仍將起到主導作用，預計到2050年煤炭將占能源消費總量的50%-60%（目前為70%），但總量仍會不斷增加。

２、煤炭用于發電的比例會越來越大，目前為50%，預計到2020年，將到70%以上。這意味著燃煤電廠排放的CO2將占CO2 排放總量的60% 以上。

３、煤的開采和直接燃燒已引起嚴重的生態和環境污染問題，70%-80%以上的SO2、NOX、Hg、PM2.5-10、CO2等都是由于煤炭直接燃燒所引起的。

4、煤的直接燃燒難以解決溫室氣體減排問題，從電廠尾氣中捕捉CO2的巨大投資和能耗難以承受。對于60萬kW、100萬kW的大型燃煤電廠，采用超超臨界蒸汽參數的供電效率可達43%-45%。采用尾部煙氣脫CO2效率將下降11個百分點，即效率為32%-34%。要得到相同的有用功，需要消耗更多的煤，從而形成惡性循環。

5、由于我國石油短缺，車用液體燃料還是得從煤基替代燃料上找出路。液體燃料短缺的大規模緩解只能通過煤基替代燃料（F-T合成燃料、甲醇、二甲醚等）實現，生物柴油和玉米等纖維素合成的乙醇只能解決一部分液體燃料短缺問題。當然，煤炭對我國來說也是稀缺資源，但相對于其它能源資源仍可“忍受”，若每年將煤炭產量的1/8用于車用液體燃料的生產，生產幾千萬噸的替代燃料，從總的能源供應角度不會帶來很大的不平衡。煤基醇醚燃料的替代成為我國必然的戰略方向。

6、由于我國能源消費總量的急劇增長，可再生能源（主要是風能、太陽能和生物質能）在2020年以前很難在總能源平衡中占有一定分量的比例，因此2020年以前再生能源在份額上不能解決我國能源的主要問題。

三、提高能效和節能——必由之路

1、總量控制勢在必行

我國正處在工業化、城鎮化和機動化并舉時期，從經濟發展階段的客觀規律來說，中國也會經歷基礎設施建設的高能源強度時期，目前正處于上升階段。從圖1對我國能源消費總量的估算可知，如果2008–2010年能源消費總量年均增長率為4%，則到2010年能源消費總量約為30億tce（實際上打不住，最近幾年增長是10%，年增長約2億tce）；當年均增長率為8%時，2010年能源消費總量約35億tce。如果2011–2020年能源消費總量按年均增長率4%和8%分別進行估算，比較有可能的是2020年能源消費總量達到52 億tce。這遠遠超過我國資源和環境生態所能承載的極限。美國2006年的能耗總量為33.3億tce，按照我國目前的勢頭，將在2010年就要超過美國成為世界第一耗能大國。然而，且不說溫室氣體排放所面臨的巨大壓力，從資源供應、環境容量、生態退化、能源安全來說，這個能耗總量是我國這塊土地所無法承受的。

圖1我國能源消費總量預測

對我國的能源生產和消費總量，必須設定每一發展階段的“天花板”，在動態總量的約束下，通過產業結構調整、科技創新、開發有自主產權的關鍵核心技術和產品，進而在國際市場上提升核心競爭力——這才是可持續發展的模式。面對我國能源生產和消費的嚴峻形勢和挑戰，必須從我國的國情出發，在當前能耗水平較低時，科學決策和引導人們在能源的生產和消費過程中提高能源利用效率和節能，為我國的長遠發展“奠好基、塑好型”——不但可以少用能源，更決定了我國長遠發展的路徑和基調。

2、能源的加工和轉化過程節能

圖2 中國歷年能源消費情況1995-2007（按行業劃分）

從圖2我國歷年能源消費情況來看，工業在總能源消費中占有主要地位[1]。2007年工業能耗占我國總能源消費的71.6%；在工業能耗中，重工業占工業能耗的85.8%，其中六大耗能工業占工業能耗的72.4%。提高能源的加工和轉換效率，應當盡可能提高每一個環節的效率。

截至2007年底，我國總發電裝機容量為71329萬kW，其中火電55442萬kW。國內最先進的火力發電裝備已達到或接近世界先進水平。由于目前我國的火電機組仍以中小型火電機組為主，單機容量100MW以下的機組容量比例占火電裝機總量的30%，而單機容量500MW以上的機組所占容量比例不到20%（圖3），由此導致我國總體發電水平低下。[2, 3]發電效率提高1%，可以實現CO2減排2%-3%。

圖3 2007年中國火電裝機容量構成

各種先進車用動力的效率也在不斷提高，柴油機效率（Tank-To-Wheels）為20%-25%，混合動力效率（TTW）30%–35%，電動車效率85%。我國還有大量低效率和高污染的小型工業鍋爐（平均運行效率65%-70%），這些鍋爐每年用煤量約4億噸煤，如果運行效率平均提高20%-25%，則節煤率達30%，年節煤率達1.3億t，折合9000萬tce，占一次能源消費總量3%以上。

3、終端利用節能

目前我國的單位產品能耗較高，高出世界平均水平20%-30%，通過技術進步降低能耗仍有一定的空間，而節能最有效的措施是從需求側減少對鋼鐵、有色、建材、石油加工、化工和電力等高耗能產品的需求。

任何可用能都是從能源開采、運輸、轉化（主要是發電）、輸配至終端用戶。以發電為例（圖4），到達終端用戶的有效輸出只有原開采能源的1/4-1/5，終端設備（風機、泵、壓縮機等）提高1%的相對效率就相當于能源源頭提高4%的相對效率，終端設備節能具有倍數很大的“放大”效應。因此，除了提高整個產業鏈各環節的效率外，更應把終端節能放在首位。

圖4發電終端節能的“放大”效應

量大面廣的壓縮機、風機、泵等通用機械是我國工業領域最主要的耗能設備，泵、風機、壓縮機三類產品年耗能總量占全國發電總量的40%以上，其中泵類占20%、風機10%、壓縮機10%。但這類產品的設計效率、系統運行效率和實際運行效率比發達國家約低30%，若通過提高效率，節約的電能為目前發電總量的12%。

另一個突出的例子是汽車能效。從石油開采到車輪的推進力只剩下小于1/5的能量，再考慮推動有效載荷（乘客），只有近1/50的能量可資利用。所以，對車輛來說，減少各種摩擦、阻力、車身自重（用超輕材料），提高有效載荷比例是節能的關鍵，其“放大”效應是幾倍到幾十倍。

同理，對建筑能耗不能單從運行過程中的照明、采暖、空調計算，而必須進行全生命周期分析，把建房的耗能折算進來。通過建筑能耗的全生命周期分析可知，設計規范化、產品質量提高和房屋使用壽命延長，可以大大減少全生命周期的能耗。建筑的設計對建筑的全生命周期節能具有非常重要的作用，如建筑的選址、門窗、屋頂、圍護結構、采暖系統、空調系統、管道布置、照明等一旦設計建成，對節能的技術路線就基本鎖定。因此，要從全生命周期考慮建筑節能，在意識、技術和管理等多方面采取節能的措施，加強監督和管理。

4、廣義節能

依靠技術進步提高的效率是整個產業鏈中某一個或幾個環節的效率，是狹義上的效率，中國已經在這方面花費了幾十年的努力。實際上，一些單項技術的效率已經到了一定的極限（如大型壓縮機的效率已達88%-90%、燃氣輪機工質溫度已達1400℃-1500℃、天然氣到甲醇的變換效率已達29GJ NG/t），在此基礎上提高1個百分點已經相當困難。然而，考慮到我國能源資源現狀、工業化、城鎮化、機動化、人們消費行為等多種因素的影響，單純依靠技術不足以解決能源領域所面臨的所有問題，只能解決其中一部分。從全生命周期的角度審視我國目前的能源系統，存在著很多不合理的地方。

l 當超超臨界機組運行在非設計工況下，則其發電效率的優勢在整個能源消費過程中的效率優勢將大大減小。然而，我國的很多大型機組（300-600MW），甚至于超臨界和超超臨界機組有時處于調峰狀態運行，特別是2008年平均年運行小時數不足5000小時。

l 利用化石燃料燃燒（1400℃高溫或更高）、傳熱、發電、遠距離輸送，然后用于室內空調，冬天將室溫提高20℃，夏天降低5-10℃（相對于外界溫度）。高溫低用，高品位的高溫熱、電沒有得到合理利用，使整個能源系統的可用能大大減少。

l 利用秸稈發電。秸稈高度分散、能量密度低、收集半徑大（50-100km），消耗稀缺的液體燃料（如柴油）和人力。且這類電站單位容量投資大（常規電站一倍以上），熱效率偏低（30%以下），而產生的電量也有限。相反，農民不得不將煤用于采暖和炊事，帶來較低的效率和嚴重的污染。特別是對于我國人均耕地面積小（人均1/15公頃）的基本國情，秸稈應首先滿足農民的需求。此外，從能源生產和消費的全生命周期來說均是不劃算的。

l 在建筑能耗方面任何一種新技術的推廣應用，必須進行全生命周期分析，有不少例子，似乎是新技術，但最終結果是耗能更大！如現代化辦公大樓的中央空調和分體式空調的使用。中央空調，對其系統本身的運行來說，可以采用最先進、最高性能的空調系統，然而它實行的是全時間、全空間的運行模式。實際上，樓內各房間的使用在時間和空間上均是間歇性的，從整棟大樓的建筑能耗來說，中央空調反而比分體式空調高得多。

l 近年來爭論比較多的發展糧食乙醇，對其要從全生命周期能量轉換（與此相關的是全生命周期CO2排放）、土地利用（單位土地的產出）、水的利用等多角度來衡量是否是真正的可再生能源，不是原料是可再生就是真正的可再生能源。

因而，以全生命周期的分析方法，從整個產業鏈到產品終端、應用終端，提高建立在廣義能源系統基礎之上的廣義效率則顯得尤為重要，并且更具潛力。因此，應當著眼于整個能源系統的研究，向系統整合要經濟效益、向系統整合要能源效益、向系統整合要環境效益。

五、可持續能源系統：IDDD+N原則

21世紀是一個多元化時代，能源供應多元化，轉換多元化，分散、集中多元化，終端應用供應一體化。對我國而言，能源種類繁多（煤、油、氣、核、風能等可再生能源），應當有一個各種能源相互取長補短、相互配合、發揮各自優勢的戰略布局，而不是“各打各的仗”、“各吹各的號”。一個國家的能源系統是一個有機整體，是一個各種不同能源的轉換、輸送，并且以各種不同形式或產品（交/直流電、高/低溫熱、機械能、化工產品等）服務于終端用戶的龐大且復雜的廣義總能系統。

1、轉換整合化（Integration of the processes）

轉換整合化就是要打破不同行業之間的界限，按照系統最優原則對如發電、化工、冶金等生產中的物質流和能量流進行充分集成與優化，改變傳統的工藝過程，達到系統的能源、環境、經濟（3E）效益最優的目的。

廣義總能系統從氫碳比（H2/CO）、壓力、物質、溫度等多個梯級利用層次進行系統優化，從而實現溫度對口，成分合適，物理火用（Physical exergy）和化學火用（Chemical exergy）的梯級利用。在類似于圖7的多輸入、多輸出系統中，每種能源必須發揮其特殊長處。若把可再生能源當作一種有份額的一次能源“插入”到整個能源系統中，根據不同可再生能源的特點來確定其在整個能源系統中的戰略地位，使之各得其所，發揮長處。

轉換整合化在能源研究領域已做了大量的研究和探索，特別是以煤氣化為核心的多聯產系統，可以實現電力、液體燃料、化工產品等的聯合生產。其它系統還有：煤基–化工/電多聯產系統；煤基–鋼鐵/電能源系統；煤氣化+天然氣重整系統；煤氣化+焦爐煤氣（更加合適的H2/CO比，減小水蒸氣變化過程的能量損失）；鐵礦石+煤氣化（消除高污染的煤焦化過程）；冷熱電三聯產聯供（單元容量300MW以上大規模機組回收利用去凝汽器乏汽余熱給區域供熱）等。

可再生能源利用一定要從國情，從各地區的具體情況出發，因地制宜，因時制宜，因應用制宜，從國家高度一定要把“合適的能源放在合適的地方”。不同可再生能源在整個能源系統中的戰略位置應當根據各自的特點進行定義。根據廣義能源系統利用的原理，必須考慮可再生能源與化石能源的集成利用，如生物質和煤的混燒發電、太陽能集熱器+熱泵+天然氣（建筑能源供應）、太陽能加熱火力發電廠的鍋爐給水、大規模風場+燃氣輪機或壓縮空氣蓄能、風能和煤化工的集成等，均為目前可再生能源的發展找到較“合適的位置”。

多種能源相互整合，各自發揮優勢、特長。天然氣、煤氣化、焦爐煤氣、煤層氣、再生能源（風能、太陽能、生物質能等），通過不同過程物質、壓力、溫度等的耦合效率提高的潛力為15%-20%。

2、需求精細化（Differentiation of the demand）

根據終端用戶對用能需求的多樣化，因而要對終端用戶的用能需求進行精細的分解，按不同的用能需求、需求的不同層次和動態變化，為能源供應、規劃和配置提供指導信息和基礎。

對熱的需求：高溫，作為不同的工業利用；中、低溫，可用于建筑物冷和熱的供應，然而通常利用高溫熱源來滿足此需求。

對電的需求：區分高/低電壓、交/直流電的不同需求；穩定、相對穩定（允許一定范圍的波動）的電力需求。

對交通的需求：城市公交、城際客車、市郊客車——有固定的行車路線；出租車——相對較短的行駛距離；家庭轎車——各種動力，如電動、混合動力、“插電（Plug-in）”。

對供給穩定性的需求：穩定的供給，大多數的工業過程，一定要求電網供電；允許一定波動的供應，如電解鋁或水、海水淡化，以及其它允許較大的波動化工生產過程，則可以用非并網風電或其它不穩定的可再生能源電。

只有在終端需求精細化的基礎上，多樣化的供應才能更大程度地滿足能源系統的需求，可再生能源才能在能源系統中起到較大的作用，也為車用替代燃料（甲醇、二甲醚）的生產和基礎設施規劃打下基礎。不同的終端用戶應當根據當地具體的條件使用合適的能源，從而消除能源轉化和運輸（或傳輸）過程中不必要的環節。電從清潔、方便和基礎設施等方面來說，是能源的最好載體，它可來自于化石能源和可再生能源。

3、供給多樣化（Diversification of the supply）

為滿足精細化的需求，可以靠一種或多種形式的能源保障供應，能源形式具有多樣化：煤、石油、天然氣、核能、水能、太陽能光伏、太陽能熱、風能（大、中、小規模）、生物質等可再生能源。各種能源更具有自身的特性，它們應當在整個能源系統中找到各自的合適“位置”，發揮長處，各得其所。因此，能源供給系統中，需要重點研究的不是各種能源能做什么，而是它們在我們的能源系統中應該做什么，這是兩回事，并盡量用較少的能耗代價滿足終端用戶精細化的需求。

如何使多樣化的供應滿足精細化的需求，基本原則如下：

（1）集中且高能量密度的能源應當集中利用和轉化（高效率、低污染），并利用現存的基礎設施（如電網、天然氣管網等）連接到終端用戶；分散且低能量密度的能源應當分散利用，如農村地區的能源供應。

（2）優質能源，用于發電；中、低質能源，應當梯級利用，避免能源轉化過程中不必要的環節。尤其要全盤規劃和考慮我國品種各異的煤炭資源如何利用的問題，哪些煤種適合氣化，哪些煤種適合發電，這些都需做仔細研究，把合適的煤種用在合適的位置上。如我國各地大量的褐煤（高含水量和高灰分）該怎樣合理利用，需要做大量研究。

（3）可再生能源由于能量密度低和隨機性，應根據當地具體的情況，因地制宜。例如生物質高度分散性和運輸困難，適宜分布式就地利用，所以應當首先滿足廣大農民采暖和炊事的需求，以及中小城鎮的工業鍋爐。

在供給多樣化中，高品位能源高品位利用；低品位能源低品位利用，并盡量減少能源損失；物理能——合適的溫度進行匹配，梯級利用；化學能——合適的組分，合理配置，多產出，充分利用原材料中的有用物質。

4、布局分布化（Decentralization of the grid）

分布式供能系統是中小規模的終端導向的能源系統，能源在當地進行生產、轉化和供應，進而滿足終端用戶多樣化的需求。分布式供能系統的特征有：

（1）能源在距離和形式上與終端用戶密切結合，能量轉化、運輸（或傳輸）等環節效率高、能量損失小。

（2）中小規模的能源系統（微型燃氣輪機、內燃機、熱泵、風電、太陽能光伏、太陽能集熱器等）與不同形式的蓄能系統相結合。廉價且方便的大、中、小型蓄能系統（蓄電、蓄熱等）是節能的關鍵，且急需技術上的突破。

（3）多種能源資源（天然氣、液化天然氣、城市煤氣、焦爐煤氣、煤層氣，包括可再生能源）可資利用。低能量密度且高度隨機性的可再生能源可以更加方便地利用。

通過布局分布化提高系統能效的潛力可達到20%-30%。在廣義能源系統中，因地制宜地進行分布式布局，集中電網、分散電網和離網運行相結合，不同種類的能源應當以互補和互相結合的方式進行利用。分布式供能系統可以實現區域性熱、電、冷結合，按功率需求的大小采用模塊化布局，機動靈活，就地滿足用戶要求，減少熱源多次轉化和輸送，可以把能源利用效率從40%-50%提升到80%-85%。

5、調度、控制、管理網絡化（Network）

在以上提出的轉換整合化（Integration of the processes）、需求精細化（Differentiation of the demand）、供給多樣化（Diversification of the supply）、布局分布化（Decentralization of the grid）的基礎上，再加上快速發展的網絡信息技術，實現調度、控制和管理的網絡化（Network），按上述原則對現有的系統逐步進行改造轉化，并按此原則建設新的能源系統。

靈活性、可控性、可靠性、在線靜態和動態的優化都是能源系統面臨的新挑戰。快速發展的信息技術可用于促進新的可持續能源系統的建立，如數據搜集、網絡傳感、在線監測、數據分析、數據挖掘、數據預測（特別是可再生能源）；建立起覆蓋面廣的能源信息平臺和多層次優化的網絡（小、中、大、地區、省）；充分利用信息技術，在全國、各省市、各地區全面搜集、整合、細分各種需求和供給信息，進行多層次協調優化，達到動態總量控制的目標。通過調度、控制和管理的網絡化的節能潛力至少有50%以上。

建立可持續能源系統是一個漸變過程，但目標要明確，政策要清晰，措施要果斷。將IDDD+N的原則和要求，分解成各行業、各地區的實施細則，建立大小不同的可操作的模板和示范工程。弄清現有系統分階段、分層次向IDDD+N靠攏的路線圖（Roadmap）。國家應在多方面加以牽引，向這些模板靠攏，如規章制度、鼓勵政策、價格政策、各種國家資助（立項與資金投入）、科研和工程中心建立、人才培養、民間投資引導等。可持續能源系統建立在全生命周期分析方法的基礎之上，其核心思想是“把合適的東西放在合適的地方”（Put the right thing on the right place）。

六、結論

1、控制能源生產和消費總量勢在必行。能源的生產和消費需要有總量“天花板”的約束，必須果斷、迅速地走十分節約、十分勤儉、并且盡可能與大自然和諧相處的發展模式。否則大自然的懲罰會越來越凸現，中國人民將付出越來越沉重的代價。

2、著眼于全產業鏈和終端消費節能，充分利用終端節能的“放大”效應。通過經濟、道德、制度等“組合”手段，來引導節儉的生活方式和適中的生活水平。

3、著眼于全生命周期節能，經濟發展應以財富的精細化生產為導向，堅決防止基礎設施的重復建設和過度建設。根據實際需求逐步指導生產和建設，千萬不要一哄而上，受國內、外炒作的影響。

4、可持續能源系統應當堅持IDDD+N的原則，目前應當弄清現有系統分階段、分層次向IDDD+N靠攏的路線圖（Roadmap），建立可操作的模板和示范工程。我國的工業部門一定要站在整體3E最大效益的高度，打破原來的行業界限，整體集成。

5、通過動態的總量控制、全生命周期分析，一定要把合適的能源放在合適的地方。可再生能源的發展，尤其是大規模開發風能和太陽能，一定要結合我國具體情況，探索這些能源在我國整體能源系統中的最佳“位置”，發揮它們的長處，使它們各得其所。

參考文獻

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