從上海世博會看新能源科技及其產業化現狀和趨勢

陳 暉

(上海圖書館·上海科學技術情報研究所,上海 200031)

為了應對化石能源的枯竭和氣候變暖,以風能、太陽能為代表的可再生能源成為當今各國重點發展的產業,2010年上海世博會在“城市讓生活更美好”的主題下充分展現了世界各國在新能源科技及其產業化發展中做出的努力和成果,也一定程度上昭示了未來能源科技發展的新趨勢。

1 上海世博會園區和展館的新能源科技

1.1 太陽能光能利用技術得到充分展示

隨著技術的進步,太陽能作為可再生的一次能源日益成為21世紀最主要的新能源之一。太陽能的利用主要包括光電(光伏)和光熱兩個途徑,其中,光伏發電的應用規模越來越大,目前主要目標市場是住宅和商業大樓,以及所謂的太陽能光伏公園。

在上海世博會上,太陽能光伏發電和光熱利用技術均得到較為充分的展示,包括中國館、世博中心、主題館在內的10多個場館(表1),其建筑上均鋪裝了新型的太陽能組件,顯示了太陽能光伏技術的進步和令人樂觀的發展前景。

1.2 熱泵供能技術應用凸顯低碳環保理念

地熱泵(GHP)技術充分地利用了地球內部溫度相對恒定的特性,將它最為加熱和冷卻的一個來源;江水源熱泵夏季通過水泵和輸配管路將水體的熱量傳遞給熱泵機組,在冬季將熱泵機組的熱量釋放到地表蓄水體中。地熱泵供能和江水源熱泵供能是利用低位再生能的重要技術措施,可以有效降低資源的耗散速度,也是合理利用高位能的典范,對于節能減排的意義重大。上海世博會的世博軸、世博文化中心、城市最佳實踐區倫敦零碳案例館和漢堡案例館等均采用了江水源熱泵供能技術或地熱泵供能技術,展示了人類節能、低碳、環保的生活理念(表2)。

1.3 創新型能源轉換技術帶來新的觀博體驗

電力存儲系統能夠為消費者提供高質量、實用的電力,因此電力存儲系統實際上也是清潔能源的一個重要組成部分;電力存儲系統還可以改善電網的整體效率,從而減少對新建電廠的需求。另外,特別需要指出的是,電力存儲技術的進步對于太陽能、風能等新能源的推廣應用具有重大的促進作用,它能在一定程度上解決這些新能源的間歇性問題。上海世博會上的國家電網館展示了“大容量城網儲能鈉硫電池”(表3)。鈉硫儲能電池具有容量大、體積小、能量儲存和轉換效率高、壽命長、不受地域限制等優點,非常適合電力儲能,是目前最經濟實用的城市電網儲能方法之一。作為新型化學電源家族中的一個新成員,鈉硫電池一出現就受到許多國家重視,尤其是作為固定場合下的電站儲能應用,越來越顯示出其優越性。這次展出的是百千瓦級的鈉硫電池儲能系統。

表1 上海世博園太陽能技術的展示

表2 上海世博園熱泵供能技術的展示

此外,其他一些充分利用各種能源轉換為電能的技術也在上海世博會上得到展示,如日本館和城市最佳實踐區的馬爾默案例館均展示了利用人力發電的技術;城市最佳實踐區的大阪案例館展示了人體熱能的有效利用(表3)。這些場館的能源轉換技術給人們帶來了新的體念,拓展了人們對能源有效利用的認知。

表3 上海世博園創新型能源轉換技術的展示

1.4 其他新能源成為未來能源技術創新的重點

除了在世博會場館中切實應用的上述新能源科技之外,很多場館如葡萄牙館、荷蘭館、巴西館等,以及國內的部分省市館都通過形式多樣多媒體技術介紹各自在如風能、生物質能、清潔煤技術等在當前的應用狀況以及未來發展的趨勢,從這些場館展示的內容可以發現,這些新能源技術將成為未來能源技術常新的重點領域。給人印象深刻的是葡萄牙館,該館在其“第三時刻”展區,以“葡萄牙,一個能源世界”為內容來展現該國在新能源方面所做的努力;此外,該館通過“新能源啟迪上海”的論壇介紹了葡萄牙在風電、太陽能等領域的發展現狀和趨勢,葡萄牙是世界上電力生產增長率最高的國家之一,目前已擁有近200個風電場和1800套建成風力發電機,到2009年裝機容量已達3430 MW。

2 新能源科技發展的現狀和趨勢

盡管近年來世界各國加大了新能源技術開發的力度,新能源科技得到了長足進步,但是目前相對于常規能源而言,新能源仍然不具有成本優勢,因此繼續加大促進新能源技術進步的力度,提高新能源利用的效率、降低新能源應用的成本是今后新能源技術發展的重點。

2.1 風電領域技術發展趨勢及成本優勢

從世界風能產業的發展現狀觀察,并結合一些國家館對各自國家風電技術進步的介紹,可以發現,隨著風電技術的發展單機容量將不斷增大,利用效率將不斷提高,兆瓦級風機將是風機發展的主流;機組槳葉增長將具有更大的捕捉風能的能力;塔架高度上升,將進一步提高風能的捕捉效率;海上風力發電技術將成為重要的攻關項目。

隨著風電技術的進步,風能應用將更具成本優勢,由此促進全球風電市場快速增長,其中風電在歐洲是增長最快的電力技術。在過去20年里,風力的成本已經降低了80%,隨著技術創新引起的更輕更大的渦輪機轉片和更高效的發電機的出現,成本將會進一步降低[1]。

從地面到轉片中心塔的高度在過去10年內持續增加,從1996年的平均39.62 m增加到2006年的83.82 m。更高的塔和更大的轉片意味著更多的區域展現在風的面前,因此可以創造更多的電力,中心高度(轉片中心到地面的高度)幾乎等同于轉片的直徑,這意味著一個83.82 m的中心高度和轉片直徑加起來通常達到125.58 m的總高度,等于塔加上最高轉片的高度。

風力渦輪機的平均發電容量也在增加,從1998年到2006年,主流渦輪機的平均容量已經增加了124%,從710 kW到1.6 MW。2006年己安裝的17%的渦輪機超過2MW的容量(最大達到3MW的容量)。風力渦輪機的尺寸將持續增加,目前容量5 MW總高度超過了213.36m的型號已經開始設計。

2.2 高能源轉換率是光伏技術發展的重點

近年來,圍繞光電池材料、轉換效率和穩定性等問題,光伏技術發展迅速,日新月異。晶體硅太陽能電池的研究重點是高效率單晶硅電池和低成本多晶硅電池;薄膜及柔性薄膜太陽能電池則主要致力于適合的新材料、新結構的研發,以提高薄膜電池的光電轉化率和產業化水平。經過各國光伏工作者的不懈努力,到目前為止,晶體硅太陽電池的實驗室效率達到了24.7%,大規模生產商用產品的效率為17%以上[2]。

薄膜太陽電池的材料體系包括非晶硅、銅銦鎵硒(CIGS)、碲化鎘(Cd Te)以及摻雜聚合物材料等,其中多晶薄膜太陽能電池CdTe和 CIGS的光伏轉換效率高,實現規模化生產在成本方面也非常有競爭潛力,而非晶硅薄膜太陽電池是目前技術最成熟、商業化水平也最高的薄膜太陽能電池,非晶硅薄膜材料在理論和制備技術上都發展較為成熟,易于實現組件面積上的集成以及便于工業化大規模連續生產,特別是材料及其制造成本非常低。但是薄膜太陽能電池的缺點也比較明顯,即產品光電轉換效率較低,并且光伏組件的壽命不穩定難以確定;與此相比基于硅片的光電池卻能在超過25年的時間里長期保持高水平的電力輸出。

此外,聚光技術的研發也是光伏技術領域的重點之一。聚光技術通過采用廉價的聚光系統將太陽光會聚到面積很小的高性能光伏電池上,從而大幅度地降低系統的成本及昂貴的太陽電池材料用量。對于光伏發電,太陽電池芯片的價格決定了聚光系統中約50%～55%的成本,如果可以大幅度降低電池芯片的消耗,便可以大幅度降低系統發電成本。不過目前聚光光伏系統還存在一些關鍵的技術問題還沒有得到完全解決,特別是聚光光伏系統需要高精度的太陽同步跟蹤裝置,沒有平板光伏技術那么可靠,其維護費用相對也較高,另外聚光光伏系統的組件依然存在一些問題也還未完全得到解決。盡管如此,仍然有很多研究機構和公司在該領域孜孜以求地研究尋求突破。

2.3 纖維素制乙醇是生物質能研發的重點之一

近年來玉米、甘蔗等糧食的能源化在全球很多地方得以推廣,但是采用糧食生產燃料導致全球糧食價格的漲價,這種與民爭糧的舉止引起了許多國家特別是貧困的不發達國家的非議,例如我國政府就明確表示不會發展以糧食為原料或者犧牲耕地為代價的生物質燃料,而將重點放在利用農業廢棄物例如秸稈生產生物質高效燃料的研發上。

利用水解或者酶解方法分解農業廢棄物的植物纖維提取燃料乙醇是目前最有發展前景的也是最合理的生物質能源利用方法,將成為生物燃料的研發重點,受到包括我國在內的世界各國的關注。美國能源部在1999年即提出,到2015年把燃料乙醇的成本降低36%,并擬定了以纖維素燃料乙醇為重點的研發方向。研究的重點包括研發轉基因技術,使產纖維素酶酵母的活性比現有水平提高10倍以上;完善同步糖化發酵法(SSF)和并行糖化共發酵法(SSCF,即糖化和五碳糖、六碳糖共發酵)的技術;選育纖維素直接發酵菌菌種,用以開發直接發酵法(DMC)。日本則通過政府補助,發揮產學研的優勢,積極促進纖維素制乙醇技術的發展,目前已經建立了較完善的纖維素燃料乙醇研發體系。巴西作為世界上最大的生物燃料生產國之一,也把目光瞄準了纖維素乙醇技術,巴西石油公司正在研究如何利用秸稈、稻殼和甘蔗渣等農業廢棄物及林業廢棄物提煉乙醇,這將使乙醇產量提高六成左右,該公司計劃于2011年建設首座纖維素乙醇工廠,2015年使纖維素乙醇生產商業化。

2.4 清潔煤技術將促進煤炭的高附加值利用

煤炭是最重要的基礎能源,從目前到可預見的未來,在相當長的時間內仍將是包括我國在內的很多國家的主要能源之一。但煤炭開發和利用過程產生的粉塵、煤煙、SO2和NO x等也對環境造成了非常嚴重的污染,因此,未來中國煤炭利用要采用高效低排技術和對環境污染的控制。從上海世博會一些場館通過多媒體展示的情況看,煤炭潔凈和高附加值利用以煤炭高效轉化、清潔煤化工、低排放利用以及低階煤的有效利用為目標,其主要科技問題包括碳氫比可調技術中的耐高溫材料、高溫氣體凈化技術;新型清潔煤的燃燒技術中的催化燃燒及反應控制問題;煤化工轉化過程中產物定向轉移控制問題;煤與可再生能源組合應用的過程設計與工藝集成技術;二氧化碳的捕集和儲存。

2.5 電網的高效率和安全性將更為智能化

以發電、輸電、配電和用電各環節的電力系統為對象,不斷研發新型的電網控制技術、信息技術和管理技術,并將其有機結合,實現從發電到用電所有環節信息的智能交流,系統地優化電力生產、輸送和使用,建設“安全、自動回復、經濟、清潔”的智能電網系統,提供適應未來社會、經濟發展需要的優質電力與服務,成為未來電網安全穩定技術發展的主要目標。智能電網的支撐技術包括了新型先進的電力電子器件、電力系統運行狀況的實時檢測和數據傳輸技術、為輔助實現上述目的的全數字實時仿真系統、超高壓與特高壓輸電技術、靈活交流輸電(flexib le AC transmission systems,FACTS)技術、大型電力設備的冷卻技術和超導電力技術等。此外,可再生能源發電裝機分散、發電不穩定等,為了穩定安全發電也需要發展與大電網并網耦合技術和基于先進儲能的分布式電力和微型電網技術。

目前,前面所述的相關技術領域中的某些具體技術如超導電力、先進導線、儲能技術等已經開始在電網中應用,但是還有更多的課題需要實現技術突破。

3 新能源科技產業化的現狀及趨勢

3.1 技術進步促進全球風力市場快速增長

技術進步帶來的風電成本優勢日漸促進全球風力市場進入快速穩步增長時期。2009年全球風能新增裝機容量超過38 GW,到該年末全球風能總裝機容量達到158.5 GW[3]。自2000年到2009年間,全球風能總裝機容量的年均增長率達到27.8%,在各類新能源的發展中表現尤為突出。

經過多年的快速發展,風能已經成為世界能源市場中較為重要的部分,2009年僅投入應用的風力渦輪機的市場價值就達到635億美元。風能的發展也為全球減排作出了貢獻,據全球風能理事會(GWEC)的估計,158.5GW的風能裝機量將可以每年提供電力341.1 TWh,每年減排CO2約1.97億t。此外,風能產業還創造了很多新的就業崗位,目前有超過40萬人在該領域實現就業,預計在不遠的將來吸收的就業人數將以百萬計。

3.2 光伏技術進步促進光伏產業化加速

在過去的5年間,隨著光伏技術的日漸進步與成熟,太陽能光伏產業的平均年增長40%以上[4]。太陽能發電的成本也逐漸降低,相關太陽能研究機構發現,太陽能光伏發電的成本每年大約降低5%,在10%的發達國家中,太陽能光伏發電已經具備和零售電價競爭的能力,到2020年(或稍晚些)將在50%的發達國家中具備競爭力[1]。

在光伏產業化進程加快的過程中,單個光伏電站的裝機規模迅速增加,2008年有超過1000家大型光伏電站建成并聯網,其中歐洲有超過800家新近聯網發電。在2008年新增的光伏機組中,10 MW級以上的機組總裝機容量約為1GW;3 MW以上的機組裝機總規模占全球年度新增裝機容量的50%以上。總體來說,兆瓦級的機組占2008年總裝機容量的75%以上[5]。

從大規模光伏電站建設的地域分布看,歐美在全球太陽能光伏產業中仍然處于主導地位。到2008年底,歐洲有超過1500家大型光伏電站處于營運中,美國有400家。2008年光伏電站及其裝機容量增加最多的是西班牙、德國、韓國和美國(主要在加利福尼亞州)。其中西班牙有大約600家光伏電站并網,總裝機容量接近2.4 GW,2009年4月,由Abengoa能源公司建造的全球最大的太陽能電站在西班牙的安達盧西亞(Andalucian)沙漠中投入運行,這座塔式太陽能電站的功率達20 MW,可保障超過11000戶家庭的日常用電。到2008年底,德國和美國也都有超過120家光伏電站聯網。韓國的光伏電站則以其規模在亞洲處于領先地位,2008年有數家兆瓦級的光伏電站投入營運。

晶體硅光伏電池性能穩定、光電轉換效率高、使用壽命長,因此成為光伏發電技術的主流,在現已裝機的太陽能發電系統中有接近90%采用了基于晶體硅光伏電池。

3.3 生物質能產業化發展依然受到重視

盡管存在糧食和能源發展之間的矛盾,歐美、巴西等國家和地區依然高度重視生物質能產業化發展,近年來全球生物質能保持快速增長。根據Clean Edge的數據[3],2009年全球生物燃料(主要指燃料乙醇和生物柴油)的產值達到449億美元,較之于2008年的產值348億美元增加29%。

近年來,美國和巴西在燃料乙醇方面的產能擴張尤為明顯。其中美國2008年乙醇燃料的生產能力增加了123億L,年產能為480.47億L。比2007年增加34%;增加的燃料乙醇加工廠為31家,總數達到170家,2008年美國燃料乙醇產量達到409億L,年增長率為38.5%。美國可再生燃料協會(RFA)認為,美國燃料乙醇近年來的快速增長主要得益于乙醇的新型生產技術以及纖維素轉化技術的商業化應用。

巴西是目前世界上第二大燃料乙醇生產國。與美國采用玉米生產燃料乙醇不同,巴西主要利用甘蔗發酵生產燃料乙醇。2008年,巴西的甘蔗種植面積增加,種植品種更趨多樣化,再加之良好的氣候條件和增加了對燃料乙醇技術方面的投資,當年的乙醇產量接近264.5億L,比2007年增長近40%。巴西政府除了倡導本國的消費以減輕對石油的依賴之外,還鼓勵燃料乙醇的國際貿易。目前,巴西的雙燃料汽車已經達到500萬輛,此外巴西政府強制在汽油中添加乙醇燃料的比例從2007年7月起提高到25%,促進乙醇燃料的使用。在對外貿易方面,巴西燃料乙醇年產量的18%出口到美國、委內瑞拉、印度、韓國、瑞典和日本等國。

歐洲在生物柴油生產和應用領域保持領先,其生產原料主要是菜籽油。歐盟提出,到2020年生物柴油的使用量將占所有交通燃料的10%。為此,歐洲議會免除生物柴油90%的稅收,歐洲國家對替代燃料的立法支持,并采用差別稅收以及油菜自生產的補貼促進生物柴油產業發展。2008年歐盟27國生物柴油產量為775.5萬t,年增長率為35.7%。德國、法國、意大利、比利時和波蘭是歐洲的生物柴油生產大國,2008年這五個國家的生物柴油產量占歐盟 27國總產量的75%。

3.4 智能電網技術的應用呈現加速態勢

美歐日等國家和地區對智能電網技術的應用非常積極,如美國電網的G rid2030計劃提出:國家電網將由國家電力主干網、區域互聯網和地方配電系統(含小型和微型電網)組成。其中國家電力主干網在全國范圍內平衡供需,它將采用多項新技術,如超導電力、高壓直流輸電、先進導線以及支持實時運行和電力交易的信息、通信和控制技術;區域互聯網分配主干網的電力,在區域電網內包含發電設備(集中電站或分布式發電),并廣泛采用先進儲能來平衡發電與負荷的供需不平衡,通過采集發電設備和負荷的實時信息來進行計劃和運行;地方配電系統(含小型和微型電網)與區域電網相連,通過區域電網與國家主干電網相連,配電設備的潮流可根據供需雙向流動,通過實時檢測與信息交換實現瞬時電力市場交易。

世界上第一個“全國性”的智能電網系統項目已經于2009年2月在地中海島國馬耳他啟動,馬耳他和IBM達成協議,雙方同意建立一個“智能公用系統”,實現該國電網和供水系統數字化。IBM及其合作伙伴將把馬耳他2萬個普通電表替換成互動式電表,馬耳他的電廠Enem alta就能實時監控用電,并制定不同的電價來獎勵節約用電的用戶。該系統還包括在電網中建立一個傳感器網絡,與輸電線、各發電站以及其他的基礎設施一起提供相關數據,讓電廠能更有效地進行電力分配并檢測到潛在問題。IBM將會提供搜集分析數據的軟件,幫助Enem alta發現機會,降低成本以及該國碳密集型發電廠的排放量。IBM馬耳他項目投資約7000萬歐元,預計在2012年竣工。

4 結語

2010年上海世博會為世界各國展示其文化、科技和產業發展提供一個良好的平臺。在這次歷時半年的展會上,當今各類新能源如太陽能、風能、生物質能、江水源熱泵、大型儲能電池以及智能電網等技術得到了充分的展示。從世博新能源科技的應用可以發現,太陽能、風能、生物質能以及智能電網技術已經日益完善和成熟,逐步進入產業化發展的軌道。總之,上海世博會上新能源的應用增強了人們對于擺脫化石能源依賴、改善地球環境的信息,昭示了21世紀能源技術研發與應用美好未來和努力方向。

[1] 理查德·W.阿斯普朗德.清潔能源投資[M].上海:上海財經大學出版社,2009.

[2] 濱川圭弘.太陽能光伏電池及其應用[M].北京:科學出版社,2008.

[3] G lobalW ind Energy Council(GW EC).G lobalWind 2009 Report.[EB/OL].(h ttp://www.gwec.net/)(2010).

[4] Pernick,Ron;C lint w ilder;et al.C lean Energy T rend s 2010.[EB/O L].(http://www.cleanedge.com/reports/ pdf/Trends2010.pdf)(2010.3).

[5] G lobalW ind Energy Council(GW EC).G lobalWind 2008 Report.[EB/OL].(h ttp://www.gw ec.net/)(2009).

[6] 陳暉.世界新能源產業發展動態[A],載“世界制造業重點行業發展動態(2009年版)”(第三章)[C],上海:上海科學技術文獻出版社,2010,p.149-224.