低碳經濟對能源裝備業的機遇與挑戰

張素心

(上海電氣(集團)總公司,上海 200002)

低碳經濟對能源裝備業的機遇與挑戰

張素心

(上海電氣(集團)總公司,上海 200002)

低碳經濟已經成為經濟發展的一個風向標。在探索低碳經濟的基礎上,結合我國能源結構轉換過程中出現的問題,從煤電能源、核電能源、風電能源3個方面對低碳經濟下我國能源裝備業發展中遇到的機遇與挑戰進行深入研究。

低碳經濟;能源裝備;發展

Abstract：Low-carbon economy has become a symbol of economic development.Concerning the problems coming with the structural transformation of energy in our country,we analyze the opportunity and challenge that face the energy equipment industry in the low-carbon economy,ranging from coal,to nuclear and wind energy for low-carbon economy development.

Key words:low-carbon economy;energy equipment;development

2009年,國務院通過的《裝備制造業調整和振興規劃》標志著能源裝備業成為我國未來發展的戰略重點,進一步促進了我國能源裝備制造業的發展。我國能源裝備業的發展與我國未來經濟發展趨勢、能源結構調整有著緊密關系。目前,我國已成為碳排放第一大國,由于碳排放的指標約束,我國經濟發展承受著巨大壓力。未來30年,我國經濟發展水平將進入轉型期,經濟發展驅動力弱化,勞動力成本上升,經濟發展的外部約束條件將不斷被強化,其中碳排放的硬約束將成為我國經濟發展的制約因素。在哥本哈根氣候大會中,我國政府承諾:到2020年,非化石能源占一次能源比重達到15%;單位 GDP的 CO2排放在2005年基礎上下降40%～45%。為適應未來經濟發展的需要,實現可持續發展,能源結構調整與能源技術革命將成為一個關鍵因素。

1 低碳經濟——人類社會的重大進步

1.1 低碳經濟內涵

低碳經濟是指溫室氣體排放量盡可能低的經濟發展方式,尤其是CO2這一主要溫室氣體的排放量要得到有效控制[1]。它是以低能耗、低污染、低排放為基礎的經濟模式,或是含碳燃料所排放的CO2顯著降低的經濟。其實質是能源高效利用、清潔利用和低碳或無碳能源開發,是能源技術創新、制度創新和人類生存發展觀念的根本性轉變。

低碳經濟以能效技術、可再生能源技術和溫室氣體減排技術的開發和運用為核心,以市場機制、制度框架和政策措施為先導,以減少化石燃料消耗和溫室氣體排放為標志,以經濟社會與生態環境相互和諧為目標的新型發展模式,是人類社會繼農業文明、工業文明之后的又一次重大進步。

1.2 能源結構轉換是發展低碳經濟的關鍵

未來30年我國的能源調整趨勢主要是:降低煤炭在一次能源總量中的比重;提高動力煤在煤炭總消費量中的比重;提高電力占一次能源(或終端能源消費量)的比重。

我國正同時進行3次能源結構轉換:①以煤代薪的第一次能源結構轉換還未完成,農村用能商品化程度偏低,全國有幾億人口正大量使用傳統生物質能做飯取暖。②以油氣替代煤炭的第二次能源結構轉換也未完成,2006年全球一次能源消費中煤炭占28.4%、石油天然氣占59.5%,而我國分別為70.2%和23.5%[2],煤炭的清潔利用和加工轉換將成為未來發展的關鍵。③在進行礦物能源向可再生能源轉換的第三次能源結構轉換的同時,還要解決大量燃煤排放的 SO2,NOx、顆粒等引起的區域性污染問題。而發達國家已經完成了前兩次能源結構轉換,只要解決CO2等引起的溫室效應問題。

1.3 低碳經濟下我國能源裝備業發展的瓶頸

1.3.1 經濟的持續增長使得能源消耗量持續增長 1952年,我國能源消費總量僅為47 Mt標準煤,1978年達到 571 Mt標準煤,2008年達到2.85 Gt標準煤。1952—2008年我國能源消費量年均增長了7.6%[3]。同時,我國的人均能源消費量也在不斷上升,1953年人均能源消費量為0.09 t標準煤,1978年上升至0.59 t標準煤,到2008年人均能源消費量已經達到了2.14 t標準煤[4]。

1.3.2 資源約束明顯,能源供需矛盾突出 我國資源約束主要表現在2個方面:①能源資源賦存分布不均衡,資源主要賦存在中、西部地區和東部海域,開采、運輸難度較大,而能源消費地區主要集中在東南沿海等經濟發達地區。②優質能源資源相對不足,能源的供應能力難以提高。

1.3.3 能源技術裝備水平較低,管理水平相對落后,能源利用率不高 我國能源利用效率甚至低于印度,處于相當落后的水平。我國電力、鋼鐵、石化、輕紡織、化工、有色金屬等8個行業主要產品平均能耗是國際先進水平的140%;鋼、水泥、紙和紙板的單位產品綜合能耗分別是國際先進水平的121%、145%、220%;機動車油耗水平比歐洲高25%以上,是日本的120%。總體上,目前我國能源利用效率約為30%,比發達國家低了近10%[5]。

1.3.4 能源消費以煤為主,環境壓力加大 1953—2005年,我國煤炭消費在總能源消費中的平均比重為78.3%;2001—2007年煤炭消費量平均比重為69.1%;2008年,煤炭在能源消費總量中所占比重為68.7%。我國一次能源消費結構如表1所示[6]。因此,我國面臨著CO2排放量不斷增加的壓力,雖然碳排放量的歷史積累、人均排放等都較少,但隨著我國經濟的快速發展,絕對碳排放量在逐年增多。

表1 我國一次能源消費結構Tab.1 Primary energy consumption structure of China

在未來數十年,中國要保持經濟的持續增長,并加快城市化步伐,就必須確保自己擁有充足和安全的能源,還要努力減輕這種增長對環境造成的影響。

低碳經濟是能源消費方式、經濟發展方式和人類生活方式的一次全新變革。低碳經濟產業鏈包括能源供應、能源存儲和運輸、能源消費3個方面,主要體現為可再生能源的技術進步、輸送方式的革命、消費領域的節能化。其技術發展方向包括減排技術、節能技術、增效技術和低碳技術。

2 低碳經濟下的煤炭能源裝備業發展

2.1 我國燃煤發電概況

2007年我國煤炭總消費為2.7 Gt,其中發電用煤1.6 Gt;發電總裝機容量為900 GW,其中煤電占77%,約700 GW。預計2020年我國煤炭總產量3.5 Gt,約2.1 Gt用于發電;發電總裝機容量達1.34 TW,其中煤電約0.9 TW。

我國火力發電標準供電煤耗已由2005年的370 g下降到2008年的349 g;超超臨界供電煤耗為297 g/kW·h,到2015年全國有50%機組將采用超超臨界燃煤發電技術,每年可節煤80 Mt,CO2減排300 Mt;2020年700℃超超臨界火力發電示范機組單機發電煤耗將降低至265 g/kW·h,可進一步節煤及降低污染物排放[7-8]。

2.2 煤炭能源裝備技術的發展

2.2.1 超超臨界燃煤發電技術 該技術是一種先進、高效的發電技術,比超臨界機組的熱效率高出約4%,與常規燃煤發電機組相比優勢就更加明顯。

我國“十一五”規劃綱要提出[9],要以大型高效環保機組為重點優化發展火電,建設大型超超臨界電站和大型空冷電站。“綱要”還將超超臨界火電機組列為裝備制造業振興的重點之一。而《國家中長期科技發展規劃》將能源列為優先發展的領域,并在“煤的清潔高效開發利用、液化及多聯產”專題中明確提出了高參數超超臨界機組等技術。

超超臨界燃煤發電裝備發展有5個關鍵領域:①汽輪機閥門汽缸轉子鑄鍛件大型化及性能(大于3×104h)試驗,奧氏體和鎳基合金材料鍋爐管的冶煉制造工藝、性能試驗及應用技術研究;②鍋爐水冷壁設計研究、過熱器和再熱器材料的設計和選擇;③焊接轉子-奧氏體及Ni合金;④二次再熱循環-發揮壓力的效益;⑤一次再熱高超超壓力汽缸,二次再熱VHP及中壓缸設計。

超超臨界燃燒發電技術有如下優勢[10]:①在效率上,超超臨界發電技術和整體煤氣化聯合循環(IGCC)發電的效率均能超過43%;②在容量上,超超臨界機組的單機容量可達到或超過1 GW,與其他潔凈煤發電技術相比,可大大降低機組的單位造價,同時滿足電力工業對大容量機組的要求;③在環保性能上,超超臨界發電技術通過達到更高的發電效率、采用高效煙氣脫硫、低NOx(包括煙氣脫硝)和除塵技術降低污染物排放量,其環保性能優于外循環流化床(CFBC)及增壓流化床燃氣-蒸汽聯合循環發電(PFBC-CC)的水平;④在可靠性方面,超超臨界機組的可靠性水平最高,而IGCC與PFBC-CC的可靠性較低,CFBC居中;⑤在技術成熟度方面,超超臨界發電技術最為成熟,已達到大規模商業化應用的程度,CFBC基本成熟,PFBC-CC還尚待成熟,IGCC已接近商業化水平;⑥在技術繼承性上,與其他潔凈煤發電技術相比,超超臨界發電技術最具有技術繼承性,在設備的設計和加工制造方面可很好地利用我國現有的資源和基礎。

2.2.2 IGCC IGCC系統是將煤氣化技術和高效的聯合循環相結合的先進動力系統。它由煤的氣化與凈化、燃氣-蒸汽聯合循環發電2大部分組成。

IGCC具有如下優勢[11]:①高效,發電凈效率可達43%～45%,較亞臨界機組高出5%～7%,與百萬超超臨界機組相當,若采用 H級燃氣輪機,效率有望達到48%～52%;②清潔,是21世紀最潔凈的煤電技術,燃料適應性廣,可清潔利用高硫煤;③節水,為同容量常規燃煤機組的1/2～2/3;④市場適應能力較強,受燃料價格波動的影響較小;⑤技術的繼承性強,天然氣聯合循環改造,多聯產。但是IGCC也存在著成本偏高、市場競爭力不強、技術復雜、需要積累運行經驗、運行維護成本高等不足。

2.2.3 電氣燃氣輪機機組 燃氣輪機發電機組是繼柴油發電機組后研發的發電設備,它采用燃氣輪機作為原動力帶動交流發電機工作。國外應用較為普遍,近年來由于技術研發,我國也有了很大應用。目前,我國燃氣輪機產業實行集中領導、產業化運作,主要培育3大能力:市場訂單獲得與運作能力;關鍵部件的核心制造能力;自主化設計與二次開發能力。

3 低碳經濟下核電能源裝備業的發展

3.1 全球核電發展概況

1954年人類首次利用核能發電至今,全球核能裝機與效率、技術與安全以及公眾對核電的認識和態度,都發生著巨大的變化。2007年底,全球共有439個核電機組在31個國家或地區運行,核電總裝機達375 GW,約占電力總裝機的9.6%;全球核發電量從1965年的25.7 TW·h,上升到2007年的2.75 PW·h;按地區分,核發電量分別為歐洲44.3%、北美34.7%、亞太地區19.9%;按國家劃分,美國、法國、日本3國占全球核發電量的57%。

當然,1979年美國三哩島核電站事故及1986年前蘇聯切爾諾貝利核電站事故后,由于人們對核電事故、放射性廢料及核擴散的擔心,全球核電發展受到巨大影響[12]。

3.2 我國核電裝備技術的發展

我國核電裝備技術的發展主要有3種途徑[13]。

3.2.1 統一技術路線,兩步妥善銜接 ①在第3代核電技術項目批量建設前,持續推進成熟技術的核電機組,集中建設一批基于M310技術的第2代改進型核電機組;②第3代技術批量化建設將在2013—2014年間,即第一臺AP1000滿功率運行后。

3.2.2 均衡推進實施 表2為2009年底我國已建、在建及后續建設核電站統計。為在未來集中建設廠址,2008—2012年間,每年開工2個第2代項目4臺機組;2013—2020年,每年開工建設3個項目4～6臺機組;合計2020年運行和在建規模可達100 GW。

表2 2009年底我國已建、在建及后續建設核電站統計Tab.2 Statistics of nuclear power plants,including those in operation by the end of 2009,and those under construction and to be built

3.2.3 批量建設第2代加項目 這些項目基本分布于沿海地區,集中4個廠址,同一廠址采用同一堆型,內陸核電項目將全部選擇第3代核電技術,且在2013年后開工;2020年前將限制控股企業,統籌協調發展,僅限于3家;2020年后根據核電行業發展狀況適當調整控股企業數量。

核電能源的碳排放接近于零,是目前相對于火電替代性最好的清潔能源之一。2020年我國核電裝機容量為75 GW。據預測,2010—2020年國內核電設備企業的市場總容量為29～3 500億元。平均每年的市場規模為350億元,其中核島為160億元,常規島為110億元。我國核電項目綜合國產化率有望超過80%,但大型鑄鍛件、主泵、核級泵閥等依然需要進口。

4 低碳經濟下的風電能源裝備業的發展

4.1 風電能源發展概況

歐洲將風電的發展作為實現減排CO2等溫室氣體承諾的主要措施,開發風電的動力主要來自于改善環境的壓力。丹麥、德國和西班牙等都制定了比較高的風電收購電價,使風電保持了穩定的高速增長,1996年以來年增長率超過30%,使風電成為發展最快的清潔電源。

2008年歐洲風能協會提出:2020年歐洲風力發電的目標是達到230 GW,其中海上風機為40 GW,占歐洲可再生能源發電的34%;2030年的目標為300 GW。據世界風能協會統計,2010年全世界風電裝機170 GW。目前,在國際石油價格不斷上漲的形勢下,許多發展中國家,如古巴等將開發風電作為能源政策的重要部分。

近海風電技術逐步發展,海岸線附近更適合大規模開發風電。2006年世界近海風電總裝機達到877 MW,其中丹麥400 MW、英國300 MW、荷蘭127 MW、愛爾蘭25 MW,2008年以來德國也進行了大規模開發。隨著近海風電場的建設,需要單機容量更大的機組[14]。

2009年全球新增風力發電裝機38 GW,比2008年凈增11 GW;累計裝機容量158 GW,同比增長了31%。預計到2010年,全球累計裝機容量達200 GW,2020年,將達到600 GW;2010年我國累計裝機容量將達40 GW,2020年達到150 GW。

2008年我國風電機組制造企業占全球的23%,2009年占到38%。據市場預測,2010年和2011年將新增風電整機裝機容量13GW和14 GW。目前國內風電整機廠家70多家、葉片廠家50多家、塔架生產企業近100家。我國風電的發展將增速超緩,面臨結構調整。

4.2 風電設備技術的發展

4.2.1 我國風電設備發展狀況及趨勢[15]①風電設備產能過剩,價格競爭激烈,企業利潤率維持下降趨勢;②對于關鍵零部件與直驅技術,其主軸軸承、控制系統仍是技術瓶頸,直驅技術發展潛能巨大;③由于海上風能儲量巨大,未來海上風機發展勢頭迅猛;④2015年海外風電市場將達到40 GW的規模;⑤并網技術與電網規劃滯后,有近1/3的風機閑置。

4.2.2 風電技術發展瓶頸 風力發電是一種波動性的、間隙性的電源,大規模風電機組并網運行后,會對局部電網的運行穩定性造成一定影響。自20世紀90年代以來,風電場合理布置、并網技術、風電功率預測、風電場控制和風電設備性能評估等問題一直是人們研究的熱點。世界各國也已形成共識,即風能發電的電量比例不能超過總發電量的5%,在眾多發展風能的國家中,只有丹麥風力發電總量超過20%。

4.2.3 風力發電成本 風電設備的制造呈規模化、系列化、標準化趨勢發展,未來風電成本將呈下降趨勢,且下降速度將快于其他可再生能源。歐洲風電成本已由1982年的13歐分/kW·h,下降為2007年的4歐分/kW·h,25年間下降了約2.25倍;預計2010年下降至3歐分/kW·h,2020年為2.34歐分/kW·h;我國風電上網電價平均為0.53元/kW·h,而火電平均為0.387元/kW·h,在過去的5年內,風力發電成本下降了約20%[16]。根據麥肯錫《丹麥節能減排技術在華應用前景分析》預測,至2020年,我國風力發電成本將有可能與煤電相抗衡。

5 展 望

5.1 智能電網是新一代電力系統

智能電網是新一代的電力系統,它綜合運用現代信息技術、現代控制技術、現代管理技術對傳統電力系統進行更新改造,全面提升電力系統的“清潔、安全、自愈、經濟、優質、互動”水平,使之成為具有“資源節約型、環境友好型、服務創新型、運營智能化”特征的新一代電力系統。

智能電網的4大戰略任務:①實現遠距離大容量輸電,降低線損;②提高供電可靠性,降低斷電、系統崩潰風險;③大規模清潔、可再生、儲能、分布式能源的接入與調控;④用戶終端的更加靈活、便利、節能和環保。

未來智能電網投資的6大領域包括:①發電領域——風電、光伏并網以及儲能項目;②輸電領域——安全監控;③變電領域——智能化變電站;④配電領域——儲能技術、電動汽車充電和配電自動化;⑤用電領域——智能電表和用電信息采集系統;⑥調度領域——一體化智能調度體系。

未來智能電網的發展空間包括:①電力輸送領域;②電網控制自動化領域;③新能源接入及電力電子應用領域;④智能終端電器領域。

5.2 碳捕獲與埋存技術

碳捕獲與埋存技術(CCS)可應用于發電站、石油及天然氣生產過程的脫碳工藝中。但在該技術被廣泛應用前必須解決2個關鍵的問題,即必須達到合理的商業成本、獲得公眾的認可。

CCS主要由3個環節構成:①CO2的捕獲,指將CO2從化石燃料燃燒產生的煙氣中分離出來,并將其壓縮至一定壓力;②CO2的運輸,指將分離并壓縮后的CO2通過管道或運輸工具運至存儲地;③CO2的存儲,指將運抵存儲地的CO2注入到如地下鹽水層、廢棄油氣田、煤礦等地質結構層、深海海底、海洋水柱或海床以下的地質結構中。

由于大量分散型的CO2排放源難以實現對碳的收集,故碳捕獲的主要目標是如化石燃料電廠、鋼鐵廠、水泥廠、煉油廠和合成氨廠等CO2的集中排放源。其中,針對電廠排放的CO2的捕獲分離系統主要有3類:燃燒后系統、富氧燃燒系統、燃燒前系統。

5.3 沒有創新就沒有未來

未來20年對中國經濟和能源技術發展帶來嚴峻挑戰。產業結構調整和產業升級已經刻不容緩;我國電力項目建設的周期在4年左右,經濟增長的典型周期在9年左右。二者中間存在著一個1～3年的滯后期。我國發電設備制造業的明天將如何?其中非常重要的一點就是:沒有創新就沒有未來。

本文根據上海電氣(集團)總公司副總裁張素心的演講報告整理而成,未經本人審閱。感謝上海電機學院商學院徐旭老師的整理。

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Opportunity and Challenge for Energy Equipment Industry in Low-carbon Economy

Z HA N G S uxin
(Shanghai Electric Group,Shanghai 200002,China)

F 407.2

A

2095-0020(2010)04-0187-06

2010-06-04

張素心(1964-),男,教授級高級工程師,專業方向為發電設備制造和能源戰略研究,E-mail:Zhangsx@shanghai-electric.com