從全球氣候變化談我國發電方式的轉變

王忠會 國電能源研究院 王艷華 內蒙古赤峰市富龍熱電廠有限責任公司

改革開放以來，伴隨著國民經濟的快速發展，我國電力工業也取得了巨大的成就。截至2011年底，全國發電裝機容量達到105576萬千瓦。其中，火電裝機容量76546萬千瓦（其中煤電為70667萬千瓦、氣電3265萬千瓦），約占總容量的72.50%。從我國一次能源賦存條件看，以煤為主的一次能源結構不會發生大的變化，電力工業結構中火電仍將在相當長的時期內占據主導地位。

20世紀人類共消耗煤炭2650億噸、石油1420億噸、鋼鐵380億噸，鋁、銅等其它金屬若干億噸，燃用化石燃料（煤炭、石油、天然氣）排放出大量的二氧化碳氣體，使大氣中的二氧化碳濃度由20世紀初不到300ppm上升至目前約389.8ppm。

《BP世界能源統計2009》所提供的數據顯示，2008年全球一次能源消費112.949億噸油當量，其中中國所占比重為17.7%，位列全球第二。2008年，全球化石燃料占一次能源消費比重高達87%，我國化石燃料占一次能源消費的91%。如何減少化石燃料的消耗，進而減少二氧化碳的排放是全世界面臨的共同問題。

我國以化石燃料為主的電力發展方式受到世界環境惡化帶來的挑戰。因此，需要通過發電方式的轉變解決溫室氣體的排放問題。

一、我國發電方式的轉變方向

我國電力工業的發展必須堅持走可持續發展道路。按照國際上判斷發展可持續性的標準，扭轉我國可再生資源消耗速率大于可再生資源開發速率、不可再生資源消耗速率大于可再生資源消耗速率、環境污染排放速率大于環境對污染吸收速率的局面，解決好電力工業發展與資源環境的矛盾。

二、如何實現我國傳統發電方式的根本性變革

根據質量互變規律，電力工業的發展需從技術優化、創新開始，逐步積累量變，當技術積累到一定界限時必然引起電力工業的根本性變革，解決目前電力工業發展與環境保護之間的主要矛盾。

（一）做好技術優化創新，實現發電方式量變積累

1．做好燃煤機組的優化創新，實現節能減排

我國燃煤機組容量約占發電裝機總容量的68%，是溫室氣體排放大戶，做好燃煤機組的優化創新工作能夠有效地減少二氧化碳的排放量。在目前的技術條件下可以開展以下幾個方面的工作。

（1）優化機組選型

大容量、高參數機組可以通過增大單機容量降低項目的單位千瓦造價，同時也可以降低機組的運營成本，減少污染物的排放量，宜優先選擇。

對于30萬千瓦級機組，宜優先選用35萬千瓦超臨界機組；對于60萬千瓦等級機組，綜合考慮經濟效益、環境效益、社會效益和國家產業政策，建議坑口電站以外的燃煤火電機組均選用超超臨界參數；對于100萬千瓦等級機組，選擇超超臨界機組。

項目選擇上優先選擇熱電項目、資源綜合利用項目和“上大壓小”項目。

（2）優化主要工程方案

雖然主機的特性基本決定了機組的性能情況，但做好具體工程方案的優化比選工作能夠進一步優化機組性能。目前可以應用的工程優化方案包括冷端優化、輔機及系統優化配置、集約用地方案、低壓配電物理分散技術、變頻技術、燃燒優化控制技術、現場總線技術、節能建筑方案、熱泵技術、煙氣余熱利用技術、節油點火技術、節水技術、二氧化碳捕集和利用(CCU)、二氧化碳捕集和儲存（CCS）、二氧化碳微藻養殖技術、廢熱利用方案、粉煤灰綜合利用方案等。

（3）開發先進機組

開發新一代超超臨界技術、IGCC發電技術、大型超臨界CFB技術、二次再熱緊湊型超超臨界機組技術等，進一步降低燃煤機組的標煤耗、減少污染物的排放。

2．開發燃氣輪機，實現清潔燃料的利用

我國燃氣、燃油機組容量約占發電裝機總容量的5%。燃油和燃氣中氫元素的含量明顯高于燃煤、硫含量明顯低于燃煤，是相對較好的清潔燃料，以燃油、燃氣機組代替燃煤機組可以有效地降低污染物和二氧化碳的排放量。隨著“西氣東送”力度加大，沿海LNG接收站集中達產，以及天然氣（包括頁巖氣等非常規天然氣）資源勘探不斷加快，我國天然氣供應將大幅增長，為燃氣機組的發展提供了條件，發展部分燃油、燃氣機組或利用IGCC發電技術配套低熱值燃氣輪機機組是現實和必要的。

燃氣輪機是我國尚未取得突破性進展的關鍵技術，目前國內僅基本掌握了B級燃機技術，E級列入了國家863項目實施攻關，對F級的燃機剛剛開始研究，預計3～5年后F級的重型燃氣輪機有望取得突破。但國外一些大公司已相繼開發了單機功率更大、熱力性能更好的G型和H型燃氣輪機。由此也可以看出我國燃氣輪機研發和制造業與發達國家差距比較明顯，還需積極發展、加速示范、掌握核心技術、盡快實現商業化應用。

3．適度利用核電，確保運行安全

我國核電機組容量約占發電裝機總容量的1%，至2010年底已有12臺核電機組投入商業運行，通過自主研發和吸收國際先進技術和經驗，我國核電事業取得了豐碩的成果。

核電利用雖然可以有效地避免常規能源帶來的環境問題，但我國核燃料資源匱乏，核輻射及核電安全帶來了新的環境問題，因此我國核電事業可以采用適度發展的政策，并在核電運行中應確保絕對安全。

4．大力發展可再生能源，不斷推進技術進步

我國可再生能源發電機組容量約占發電裝機總容量的25%，其中水電和風電裝機容量相對較大，分別占發電裝機總容量的22%和3%。

水力發電是目前最成熟的可再生能源發電技術，目前我國水電開發利用程度僅為24%，與美國、日本超過80%的開發程度相比，發展潛力巨大，我國水電的開發正在加速。水電具有環保、運行成本低、啟動速度快等優點，但由于我國水資源的分布特點，也存在著送出相對困難、出力季節性變化大、初投資高、建設周期長等缺點，尤其是大型水電站的建設對區域氣候和地質的影響尚無確切結論。

風電包括離網運行的小型風力發電機組和大型并網風力發電機組，技術已基本成熟。近年來，并網風電機組的單機容量不斷增大，單機容量6000千瓦的風電機組已正式出產，風電場建設已從陸地向海上發展，從風資源豐富地區向低速風地區發展，我國風電已迎來大發展時期。隨著風電的技術進步和應用規模的擴大，風電成本持續下降，經濟性與常規能源已十分接近。但風電存在著出力波動大、送出條件相對較差的問題，大規模并網會帶來電網安全問題。

太陽能發電包括太陽能光伏發電、太陽能熱發電、光熱光電綜合利用。近年來并網光伏發電的發展速度加快，2010年我國光伏發電容量已達24萬千瓦；太陽能熱發電已經歷了較長時間的試驗運行，基本上可達到商業運行要求；光熱光電綜合利用技術正在逐步完善。隨著太陽能技術的不斷進步，太陽能發電將迎來快速發展時期，但太陽能發電受日照影響出力呈周期性變化，大規模并網同樣存在電網安全問題。

生物質能、地熱能、海洋能等其它可再生資源目前利用較少，但隨著技術的進步，這些可再生能源的利用會進一步加大。

（二）通過技術創新工作，實現發電方式的根本性變革

目前，現有發電技術尚無法根本解決電力工業發展和環境保護之間的矛盾?；痣娮?875年建成第一臺發電機組以來，發電方式沒有發生根本性轉變；核電雖然有效地避免了常規能源的環境污染問題，但核輻射及核電安全帶來了新的環境問題；可再生能源由于資源、技術、成本等多種因素的限制，目前尚無法成為主要發電方式。因此，現有技術的進步仍處于量變過程中，但量變積累過程中孕育著發電技術的革命?？梢詮囊韵聨讉€方面入手實現發電方式的根本性變革，徹底解決電力工業發展和環境保護之間的矛盾。

1．常規火電與CCS技術結合

二氧化碳捕集和封存（CCS）是指捕集燃燒產生的二氧化碳，壓縮之后輸送到一個封存地點，并且長期與大氣隔絕，直至其分解的過程。碳封存技術有三種：一是地質封存，二是海洋封存，三是礦石碳化封存。常規火電與CCS技術結合可以解決溫室氣體的排放問題。

CCS目前存在著能耗高、封存二氧化碳滲漏等技術問題，存在著成本高的經濟問題，也存在著封存的二氧化碳影響地下水、可能對陸地和海洋生態系統帶來危害、誘發地震、引起地面沉降或升高等環境問題。因此，在解決上述技術、經濟、環境問題后，CCS技術方能實現大規模工業化應用。

2．開發燃料電池新技術

傳統的火電技術是將化學能轉化為熱能－機械能－電能的過程，不僅降低了能源利用的效率，而且帶來了嚴重的環境問題。燃料電池能夠將油、氣（包括煤的氣化）的化學能直接轉換為電能，不僅可以解決環境污染問題，而且也可以極大地提高能源的利用效率。

2000千瓦、4500千瓦、1.1萬千瓦成套燃料電池發電設備已進入商業化生產，各等級的燃料電池發電廠相繼在一些發達國家建成。

燃料電池造價昂貴，運行成本相對較高是制約其發展的關鍵因素，但通過技術進步、規?；a，燃料電池會得到更為廣泛的應用，改變傳統能源對環境的污染問題。

3．可再生能源與儲能技術結合

可以大規模應用的可再生能源有水電、風電和太陽能發電，但均存在著出力波動較大的問題。如能將可再生能源與大規模儲能裝置結合，則可以可消除可再生能源發電出力波動大的問題。

目前，抽水蓄能裝置實現了規模化的應用，但由于富風、富光地區的水資源情況大都不是很好，因此抽水蓄能裝置尚不能與可再生能源很好地結合；而化學儲能裝置的規模化應用尚未實現。

因此，大規模儲能裝置的研發和利用是可再生能源能否成為主要能源的關鍵。

4．熱核技術的工業化應用

熱核反應也稱為原子核的聚變反應，由氘或氚在一定條件下發生原子核互相聚合作用，生成新的質量更重的原子核，并伴隨著巨大的能量釋放的一種核反應形式。聚變能具有資源無限，不污染環境，不產生高放射性核廢料等優點，是人類未來的主導能源之一。將熱核技術結合現有汽輪機技術發電，將徹底改變人類能源利用的困境。

目前，國際熱核聚變實驗堆（ITER）計劃已啟動實施，計劃將歷時35年，預計可在本世紀中葉實現聚變能工業化。

相信通過幾代人的努力，將來幾種與環境相和諧的發電技術會為人類提供清潔的電力，使發電技術發生質的飛越，徹底解決目前電力工業與環境保護之間的問題。