中国现代化能源发展模式研究

中国现代化能源发展模式研究

周涛 1,2* 毛赏 1,2 刘文斌 1,2 许鹏 3

1.东南大学能源与环境学院 江苏 南京 210096 2.核热工安全与标准化研究所 江苏 南京 210096 3.华北电力大学核科学与工程学院 北京 昌平 102206

摘要：能源是全球发展的基石，是国家发展的命脉。能源结构的调整和能源高质量发展是未来能源经济发展的一个重要方面，通过对比国内外能源体系结构，明确未来能源的发展趋势。推动能源高质量的发展面临许多难题和挑战，需要从确定传统能源和新能源的定位，以及综合能源模式等方面，共同推进我国能源的高质量发展。基于对能源未来定位的认识，提出了实现我国未来清洁低碳能源的途径，“煤核联姻”为稳定核心，和“再生与核”为主角的新互动方式，形成新能源互联网+，并明确新能源概念未来的绿色，高效发展和灵活机动、满足应急方向，以能换能，以能储能，综合用能，走好量质两步曲，铸就新能源文明共同体。

关键词：能源；模式；体系；结构；发展

0 引言

人类生存发展及进步离不开各类能源，能源是延续人类文明核心保障，在各个发展阶段中能源开发及利用从未缺席。特别在工业革命以来，伴随经济及科学技术创新及进步，人们对能源需求量不断增加，但当前传统能源开发利用有限，无法持续性为人们供应。同时传统能源利用加剧了我国环境污染问题。习近平总书记在第75届联合国大会上提出的关于“2030碳峰值，2060碳中和”目标。所以，为实现可持续发展目标，需要对我国的能源模式进行研究，确定传统能源和新能源的定位。确保能源安全^[1]，为社会经济稳定发展做支撑。通过在阐述我国能源基本概况基础上，对我国当前能源经济发展现状分析，及时指出能源产业经济发展中存在的问题，并给予针对性的解决策略，为我国现代化能源开发利用提供参考。

1. 现有能源体系

1.1 国外能源体系结构

能源在国民经济中占有极其重要的战略地位，目前全球能源消耗的74%均来自煤炭、石油、天然气等传统化石能源。为了缓解传统化石能源对环境污染的压力，国外一些企业纷纷将业务扩展到地热能，氢能，太阳能，风能，潮汐能等可再生能源领域。可再生能源在国外一些发达国家得到迅速发展,一些可再生能源技术如光伏发电、风电等年增长速度都在20%^[2]以上。日本，美国等国家的太阳能光电年增长率为60%，德国的风能装机容量为世界第一，而且仍以每年28%的增长率持续增长，新能源已经占有主体地位。

1.2 国内能源体系结构

国家能源局于 2021年1月30日发布的最新数据显示，2020 年全国规模以上企业煤炭产量^[3]38.4亿吨，同比增长0.9%，12月煤炭产量3.5亿吨，同比增长3.2%。于1月20日发布2020年全国电力工业统计数据显示，全国全社会用电量75110亿千瓦时，同比增长3.1%。全口径发电设备容量情况见表1。

表1 2020年全口径发电设备容量

发电新增设备容量见表2。

表2 2020年发电新增设备容量

《中国天然气发展报告(2020)》显示，2020 年全国天然气^[4]消费量约为3200亿立方米，比2019年增加约130亿立方米。预计全国天然气（含非常规气）新增探明地质储量约8000 亿立方米；国产气量（含非常规气）为1890亿立方米（不包括煤制气），同比增长约9%，总体保持较快增长态势。根据我国的能源现状，我国的能源处于“富煤，贫油，少气”状态，煤炭资源的开发成本低以及清洁能源的利用瓶颈，使得我国的能源利用主要以煤炭为主，这也决定了目前我国的能源利用还处于以化石能源为主的时代。

1.3 能源体系结构对比及趋势

目前，国外已经建起数目众多的风电场，已经掌握了风电场运行管理的技术和经验，培养和锻炼了一批风电设计和施工的技术人才，为风电的大规模开发和利用奠定了良好的基础。此外，德国和日本等国家在优惠的经济政策的激励下，光伏发电市场需求强劲，都已经制定了光伏发电计划。中国的风电、太阳能发电等在国家政策支持下，也有了长足的发展。然而，我国的新能源的发展还处在起步阶段，新能源占比还比较小。我国与国外（德国）能源配置对比如图1所示。

图1. 我国（a）与德国（b）能源配置结构

2.未来能源模式

2.1传统能源定位

根据国家统计局数据显示，2020年能源生产结构中，原煤占比60.4%，原油占比19.4%，天然气占比6.6%，水电、核电、风电等新能源^[5]占比13.6%。相比之下德国原煤占比25.6%，原油占比18.5%，天然气占比15.8%，清洁能源占比40.1%。尽管我国能源供应结构清洁化进程在加速，但占比较低，煤炭、石油等传统能源仍处于主体性地位。吴仲华院士提出，各种不同品质的能源要合理分配、对口供应，做到各得其所。我国要实现绿色低碳发展，不能通过“清算煤炭”实现，不能停止发展煤炭和煤电产业，而是要加大投入，下大力气提升煤炭和煤电产业的科技创新能力、绿色生产能力，大力提高煤炭和煤电产业的发展质量。煤炭的汽化、液化如图2所示，天然气的水合物与页岩油气的勘探开发等，开展碳捕捉工作，都是对传统化石能源的低碳利用。煤炭就是大自然给我们的储能。目前来说，火电在传统发电行业占比较大，可以起到稳定和储备核心作用。另外，核能发电^[6]在技术成熟性、经济性、可持续性等方面具有很大的优势，是稳定性角度唯一可以替代化石能源的新能源。在确保安全的基础上高效发展核电，是当前我国能源建设的一项重要政策。就这一特性，可以考虑“煤核联姻”的方式，“推动煤炭清洁高效利用，大力发展新能源，在确保安全的前提下积极有序发展核电。”李克强总理在2021年政府工作报告这么说道。体现低碳绿色的发展方向。

图2. 煤炭汽化、液化

2.2新能源定位

世界可再生能源现正处于快速发展阶段，一些技术已经达到或接近商业化水平，无论从资源、技术还是产业角度看，可再生能源在近期都有大规模发展的潜力。可再生能源已经开始在世界能源供应中发挥作用，可以在未来能源供应构成中占有举足轻重的地位。世界上已经有30 多个国家制定了可再生能源的发展目标，2050年可达40%或更高的水平，成为取代化石能源^[7]的重要支柱能源。所以，中国的新能源未来可以担当能源的主体角色。这里考虑到稳定核心之作用，可以“可再生能与核能”结合，共同形成新能源发展概念。

2.3综合能源模式

为了满足能源多样化需求，促进可再生能源的应用、多能源互联以及能源市场化高效发展的综合能源系统成为未来能源行业重点关注的问题。综合能源系统对各种能源的产生、传输、转换、消费、交易等环节实施有机协调与优化，具有多能流耦合、多时间尺度、多运行工况等诸多全新特性。电力系统的“源-网-荷-储”协调优化模式更能在整个能源工业中得到广泛应用，“源”包括小堆核电、新能源电力、天然气等多种能源资源；“网”包括电网、供热网、供冷网、供气网等多种资源网络；“荷”不仅包括电力负荷，还包括用户的各种能源需求；而“储”主要是指各种储能设施以及能源的储能方式。各类能源各施其职，最大发挥协调作用，以实现绿色高效能源系统。核能可以替代煤电担当定海神针，移动式热管小堆还可以使能源动起来，更加灵活应用。同时，辅助以风能，太阳能等清洁能源，也可制备氢能源。

3.发展实现途径

3.1提高能源利用效率

目前，为了更好的利用能源和满足国家节能的号召，许多研究者和企业进行了一系列的探索。例如，提高建筑物能源使用效率。城市建筑物内的制冷和供热占据建筑能耗的35%-60%，约占城市碳排放的40%。降低建筑的能耗，一方面要提高电器，设备的能效标准；另一方面提升建筑物的能效标准。目前为了缓解能源压力，太阳能也得到了一定的发展，提高太阳能集热器的设计^[8]，改进材料性能，加强新材料应用，开发非能动技术，提高对太阳能的吸收和传热，最终提高太阳能的发电量。也可以采用如风光核能互补的能源系统，以核能为支柱能源，以风能和太阳能为辅助，各种能源互补，充分利用风光剩余潜力，积极开发新途径，提高利用效率。

3.2开发先进储能技术

先进储能技术作为能源、新材料与先进制造等跨学科交叉的颠覆性技术，是实现能源网络、应对气候变化、建设生态文明的重要支撑。储能技术主要是应对输出与消耗不匹配的问题，将多余的能量储存起来，等到用户需要时在进行释放。起到“移峰填谷”的作用，可以极大的减少输出与消耗不匹配的问题。目前我国已经在显热储能，潜热储能，相变储能以及化学储能等^[9]方面进行了深入的研究，氢能制备也是一条途径，但是在降低成本、大规模产业化应用等方面还需要进一步努力才能加快储能技术在未来更加广泛的应用。

3.3新技术交叉应用

近年来，数字经济逐渐成为全球经济的增长引擎。在数字经济时代，数字化转型是传统产业可持续、高质量发展的必由之路，能源作为传统产业的代表，数字化基础薄弱，更需要加快数字化转型步伐^[10]。当前，新一轮科技革命和产业革命加速兴起，大数据、云计算、物联网、人工智能等数字技术与能源产业有机相融合，形成新能源互联网+，还有新材料应用，将成为引领能源产业变革、实现创新驱动发展的源动力。

3.4绿色自然和谐发展

按照国家“3060双碳”战略，以及我国“十四五规划”提出的持续改善优化能源资源配置，减少污染物排放，改善生态环境的目标，意味着我国未来能源发展必须加快向清洁低碳转型。在当前，世界各国必须大幅度降低化石燃料的消耗，同时增加对风能、太阳能、核能、生物质能、地热能等可再生能源的研究。走好两步曲：第一阶段新能源数量增长，实现“快速超车”；第二部提质增效，形成新概念能源综合系统，并有希望成为未来的主体能源。以能换能，以能储能，综合用能，坚持“两山理论”，建设新能源文化与文明，实现绿色和谐家园。

3.5拓展灵活机动小堆技术

随着现代科技发展，传统能源供应方式已不能再满足需求。新式设备的功耗高﹑便携性强，且往往投放在偏远地区进行长时间连续作业，因此需要一种能够高效持久稳定供能的能源装置，使用以高温热管为核心的新型热管核反应堆电源系统具有广阔的应用前景。热管反应堆是一种新兴的反应堆，与传统的轻水堆相比，具有结构紧凑、固有安全性高^[11]、模块化等优点。移动式热管小堆可以用于一些特殊的条件下，例如，武汉疫情，雷神山，火神山医院的临时用电，河南水灾的临时供电，对于军民融合具有重要意义。

4.结论

通过对能源体系现状，未来能源模式以及发展实现途径进行分析，明确能源未来的发展方向。

（1）目前我国能源仍以煤炭，石油等化石燃料为主，新能源比重仍然比较小。为了实现绿色发展，应积极推动能源转型，扩大新能源比例，让其成为主力队员。

（2）大力优化传统能源模式，大步推进新能源模式，积极探索综合能源模式。提出“煤核联姻”为稳定核心，和“再生与核”为主角的互动方式，构建绿色综合能源系统，实现能源利用新命运共同体的绿色发展。

（3）提高能源的利用效率，加大人工智能等数字技术、新型材料等在能源领域的应用，走好量质两步曲，铸就新能源文化和文明，确保在未来实现能源的绿色自然和谐发展。

（4）移动式热管小堆在偏远地区和一些极端条件下可以实现稳定持续或应急灵活供电，是我国未来能源的发展方向。

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*通讯作者：周涛，男，（1965—)，东南大学能源与环境学院核科学与技术系主任，博士生导师、教授，从事核热工水力与安全研究工作。

基金项目：国家重点研发计划重点专项(2020YFB1901700)；2021年江苏省“双创人才”(JSSCRC2021500)