能源革命：從化石能源到新能源

鄒才能趙 群張國生熊 波

1.中國石油勘探開發研究院 2.中國石油勘探開發研究院廊坊分院

鄒才能等.能源革命：從化石能源到新能源.天然氣工業，2016，36（1）：1-10.

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能源革命：從化石能源到新能源

鄒才能1,2趙 群2張國生1熊 波2

1.中國石油勘探開發研究院 2.中國石油勘探開發研究院廊坊分院

鄒才能等.能源革命：從化石能源到新能源.天然氣工業，2016，36（1）：1-10.

摘 要為了預測世界總體能源發展的態勢，從分析能源發展歷史入手，明確了能源利用方式將在木柴向煤炭、煤炭向油氣之后經歷油氣向新能源的第三次重大轉換。盡管全球化石能源供應量總體比較充足，但關鍵技術突破和生態環境保護需求加快并推動了化石能源向新能源的轉換。世界能源消費正在邁入石油、天然氣、煤炭和新能源“四分天下”的時代，其在一次能源消費結構中的比例分別為32.6%、23.7%、30.0%和13.7%，中國能源消費也將由煤炭獨大，逐步進入煤炭、油氣和新能源“三足鼎立”的時代。對全球能源發展的預判結果表明：①石油邁入“穩定期”，產量高峰將出現在2040年前后，高峰年產量約45×108t；②天然氣步入“鼎盛期”，產量高峰將出現在2060年前后，高峰年產量約4.5×1012m3（40.5×108t油當量），將在未來能源可持續發展中發揮支柱作用；③世界煤炭產量穩中有降，煤炭發展進入高效清潔化“轉型期”，污染物排放量將大幅降低，其占一次能源消費結構的比重也將有所下降；④新能源開發利用漸入“黃金期”，占一次能源消費結構的比重將大幅提升。結論認為：①我國能源生產和消費具有自身特點，能源發展需從國情實際出發，加強煤炭資源清潔高效利用是解決我國能源環境問題的關鍵；②我國石油產量需達2×108t，以保障國家能源安全；③加快致密氣和頁巖氣等非常規資源開發步伐，力爭實現2030年我國天然氣產量超3 000×108m3的目標；④加強新能源資源的開發利用，2030年我國有可能實現非化石能源占一次能源消費結構比重20%的目標。

關鍵詞能源革命 化石能源 新能源 油氣 煤炭 可再生能源 非常規油氣 頁巖氣 致密油 納米技術 石墨烯 互聯網＋

能源與水、糧食一道構成了人類賴以生存的三大要素。世界能源發展正步入新的歷史時期，能源的清潔低碳發展是必然趨勢。非常規油氣革命推動了美國最近40多年來“能源獨立”戰略夢想的實現，2008年美國政府提出了“綠色能源再造美國”的能源大戰略，特別是近幾年美國以頁巖油氣與致密油等為代表的非常規油氣“四個創新”具有革命性，即連續型油氣聚集為核心的地質理論創新、水平井體積壓裂為核心的技術創新、平臺式“工廠化”開采的生產方式創新、市場競爭機制為核心的管理創新。美國的非常規油氣革命正在改變全球油氣乃至能源格局，深刻影響全球政治與經濟發展。中國政府近期也提出了“推動能源消費革命，抑制不合理能源消費”“推動能源供給革命，建立多元供應體系”“推動能源技術革命，帶動產業升級”“推動能源體制革命，打通能源發展快車道”的能源革命戰略。筆者從世界能源發展的歷史出發，梳理了世界能源總體發展態勢；在此基礎上，結合我國的能源國情，分析了我國能源發展所面臨的挑戰，并提出了應對策略。

1 世界能源發展的基本規律

1.1 能源發展的三大轉換

人類利用能源的方式在繼木柴向煤炭、煤炭向油氣的轉化已經基本完成之后，將經歷油氣向新能源的第三次重大轉換。自原始人類首次使用火種開始，能源便成為人類生存的必需資源。容易獲取的木材滿足了人類初期的取暖、烹飪等基本生存需求。隨著煤礦開采技術的進步，能量密度較高的煤炭得到了廣泛應用。1769年瓦特發明蒸汽機，1875年法國建成世界上首座燃煤發電廠，人類文明的進步促進了煤炭產業的加快發展，并于18世紀80年代在一次能源消費比例中超過了木柴，成為總量最大的一次能源，完成了木柴向煤炭的第一次重大轉換。1886年戴姆勒內燃機的發明，油氣作為高效能源資源需求量大幅提升。油氣地質理論、鉆完井和煉化等技術的進步，促進油氣產量大幅提升，在一次能源消費結構中的比例快速增長，1965年占比超過50%，取代煤炭成為世界第一大能源，完成了煤炭向油氣的第二次重大轉換。

隨著經濟社會對能源需求量的持續增長和低碳社會的到來，傳統化石能源向非化石新能源的第三次重大轉換將成為必然。近年來，煤炭、石油等高碳能源利用帶來的生態環境問題日益突出，20世紀初期英國倫敦“霧都”的形成和當前我國大范圍霧霾天氣，煤炭等高碳化石能源的大規模利用是其主因。隨著人類對綠色生態環境需求的提升，天然氣和新能源作為清潔能源在一次能源結構中的比例將逐步增大。全球一次能源正在邁入石油、天然氣、煤炭和新能源“四分天下”的格局；但也需清醒地認識到，未來相當長的一段時期內新能源都還難以獨擔重任。

1.2 能源發展的三大趨勢

從能源資源類型、生產方式和利用方式來看，世界能源發展總趨勢為由高碳向低碳發展、由簡單生產向技術生產發展、由直接一次向多次轉化發展。

1）能源類型由高碳向低碳發展，即由化石能源走向非化石能源。煤炭單位熱值的碳含量為26.37 t/ TJ，原油為20.1 t/TJ，天然氣為15.3 t/TJ；而水電、風電、核能、太陽能等幾乎不含碳。煤炭向油氣、油氣向新能源發展的過程中，各類型能源所產生的污染物量和碳排放量將越來越低，適應和滿足了生態環境綠色發展的需求。

2）資源生產方式由簡單生產向技術生產發展。從能源發展的大趨勢來看，原始人類從自然界中直接獲取木柴作為能源，從煤礦開采到油田開發越來越體現工程技術的重要性，核能、風能、太陽能等新能源資源的開發均為技術密集型產業。從某一類型能源的開發歷程來看，也體現了技術的重要性。以油氣開采為例，早期石油開采以直井為主，水平井技術和水力壓裂技術的應用使大量低產井獲得了有效開發，近年來水平井分段壓裂技術的應用更是推動了一場能源領域的“頁巖油氣革命”。

3）能源利用方式由直接一次轉換向多次轉化發展。第一次工業革命以前，作為能源的木柴和煤炭以直接熱利用為主；隨著1769年蒸汽機和1875年內燃機的發明，能源利用向動力方向拓展；1831年法拉蒂發現電磁感應之后，能源利用方式又向電力方向發展，開啟了能源利用的電氣化時代。

1.3 能源發展的三大格局

伴隨著社會文明的進步和科技水平的提高，全球能源正在形成“石油”與“天然氣”“常規”與“非常規”“化石”與“非化石”協同發展的新格局[1]。

1）“石油”與“天然氣”新格局。從國際能源發展形勢和石油公司勘探開發動向來看，“穩油增氣”是大勢所趨，天然氣將形成對石油的“第一次革命”，進入天然氣發展時代。

2）“常規”與“非常規”新格局。“常、非”并舉已經被納入各大石油公司的發展戰略，堅持常規油氣為勘探主體，做足常規，搞透非常規關鍵技術理論，循序漸進實現有效開發。從長遠看，頁巖氣、頁巖油、天然氣水合物（以下簡稱為水合物）等非常規資源潛力很大，一旦技術取得突破，必將形成對常規油氣的“第二次革命”，尤其是“水合物革命”，有可能比頁巖氣革命來得更具顛覆性。

3）“化石”與“非化石”新格局。傳統化石能源不可再生，可再生的非化石新能源必將完成對傳統能源的“終極革命”。如果認可石油工業300年發展期的話，那么從1859年世界石油工業開啟至今已經過150年，現在還剩下150年，這可能是化石能源的生命周期。風能、太陽能、地熱能以及當下快速發展的儲能、氫能，均展現出廣闊的發展前景，或許還等不到化石能源枯竭，“新能源革命”就將提前到來。

1.4 能源發展的兩大驅動力

社會文明發展驅動能源需求。原始社會能源主要滿足生存需求；封建社會人類生活品質提高，初級工業生產使得對能源的需求量大幅提升；工業革命以來社會文明加快發展，人類對交通、信息和文化娛樂的需求大幅提升，現代工業對能源的需求量達到了前所未有的高度。近年來，隨著高碳能源在開發利用過程中產生的廢水、廢氣和廢渣所引發的一系列生態環境問題，能源生產和消費的生態需求已經進入能源發展歷程。

科學技術進步驅動能源變革。以油氣發展為例，石油工業史就是一部科技發展史，油氣地質理論技術不斷創新，為經濟社會持續發展提供了不竭的動力。在油氣工業已有的150年發展歷史進程中，其中有兩次找油氣理論的重大創新[1]。第一次創新是找常規圈閉“油氣藏”，第二次創新是找非常規“甜點區”。從常規向非常規油氣跨越的石油科技革命，即常規油氣圈閉成藏理論、非常規油氣連續型聚集理論，常規油氣直井鉆井技術、納米與氣驅提高油氣采收率技術。理論技術推動石油工業不斷向前發展，促使世界油氣儲量、產量保持平穩增長，2014年全球石油和天然氣剩余探明可采儲量分別為2 398×108t、187×1012m3，產量約73.5×108t油當量[2]。科技進步推動油氣資源的發現與利用，滿足了人類社會發展對油氣的需求。

2 世界能源新版圖

由于地殼形成與演化的差異性，故全球化石能源分布具有較強的地域性，勘探開發、生產消費具有極大的不均衡性。隨著社會文明的不斷進步，人類對可再生能源、水電、核電、生物質燃料等新能源的需求量日益增大。近年來，非常規油氣迅猛發展，中國、印度等發展中國家能源需求量快速增長，分別從供、需兩個層面對傳統能源格局產生了重大影響，油氣已形成四大常規、四大非常規版圖，煤炭形成亞太、北美和歐洲三大版圖，新能源發展已初步形成歐洲、北美和亞太三大版圖。

2.1 化石能源版圖

2.1.1 化石能源資源版圖

全球化石能源主要包括石油、天然氣和煤炭，隨著理論認識的不斷深入和勘探技術水平的大幅提升，重塑了全球化石能源資源的新版圖。

非常規油氣的發展重塑了傳統油氣資源版圖。世界常規油、氣可采資源量分別為4878×108t、471×1012m3，主要集中在中東、俄羅斯、北美和南美四大區域，資源量占比各為35%、14%、13%和9%[1，3]。2000年以來，隨著認識程度和技術水平的提升，以北美為代表的非常規油氣實現了規模發展，非常規油氣資源潛力得以被重新認識，最新估算的全球非常規石油可采資源量為6 200×108t，與常規石油資源量大致相當；非常規天然氣可采資源量約4 000×1012m3，大致是常規資源量的8倍，主要集中在北美、亞太、南美和俄羅斯四大非常規油氣富集區，資源量占比分別為34%、23%、14%和13%[1，3]。

煤炭是世界上最為豐富的化石能源，資源總量超過100×1012t，主要分布于歐洲及歐亞大陸、亞太和北美等三個地區（圖1）。截至2014年底，世界煤炭探明儲量為8 915×108t（折合4 457.5×108t油當量）。其中，歐洲及歐亞大陸、亞太和北美煤炭儲量占比分別為34.8%、32.3%和27.5%。美國的煤炭儲量最為豐富，總量達2 373×108t；俄羅斯的煤炭儲量僅次于美國，為1 570×108t；中國的煤炭儲量位居世界第三，為1 145×108t[2]。

2.1.2 化石能源生產版圖

技術進步帶來的非常規油氣革命正推動世界油氣生產格局發生著深刻調整。過去10年，世界石油產量穩定增長，天然氣產量較快增長。與2004年相比，2014年全球石油產量達到42.2×108t（表1），增長8.1%；天然氣產量達到3.46×1012m3[2]，增長27.6%。中東、俄羅斯、南美三大常規油氣產區產量保持穩中有升，石油產量分別增長11.7%、15.3% 和6.0%[4]，天然氣產量則分別增長102.6%、0.9% 和29.9%[2，4]。2014年，中東、俄羅斯、南美三大常規油氣產區的石油產量分別占世界石油總產量的31.7%、12.7%和9.3%，天然氣產量分別占世界天然氣總產量的17.3%、16.7%和5.0%。近10年，北美地區非常規油氣勘探開發取得重大突破，致密油、油砂油等非常規石油快速發展推動北美石油產量增長31.0%，成為全球石油產量的主要增長點；頁巖氣、致密氣等非常規天然氣迅猛發展推動美國天然氣產量增長38.4%，并帶動全球掀起非常規油氣發展熱潮。全球正在形成以非常規油氣為主的西半球、以常規油氣為主的東半球兩大生產版圖。

圖1 全球化石能源資源分布版圖

表1 2014年世界能源生產量與消費量對比表 108 t油當量

受中國等新興經濟體煤炭產能擴張的影響，世界煤炭產量的不均衡性加大，亞太煤炭產量一枝獨大的局面被加強。盡管北美和歐洲煤炭資源豐富但產量卻呈下降趨勢，亞太煤炭產量快速增長并成為生產主體，中國的煤炭產量已占到全球的半壁江山。2004年，全球煤炭總產量為55.9×108t（28.4×108t油當量）[4]，亞太、北美和歐洲三大產區占比分別為56.1%、21.5%和15.8%；2014年，全球煤炭總產量達81.65×108t （39.3×108t油當量）（表1）[2]，亞太、北美和歐洲三大產區占比分別為69.2%、14.0%和11.2%。與2004年相比，全球煤炭總產量增長了38.4%，中國是煤炭產量增長的主力，占全球產量增長量的67.0%。

2.1.3 化石能源消費版圖

新興經濟體能源需求量的強勁增長和生態環境承載極限的日益臨近，迫使人類在不同能源品種之間做出抉擇。這種抉擇直接而深刻地影響并重塑著世界化石能源消費的新版圖。

全球能源消費與社會經濟發展水平、資源獲取難易程度有關。美國和歐洲等發達國家能源需求量保持穩定；亞太新興經濟體能源需求量快速增長，化石能源消費版圖由北美、歐洲和亞太“三足鼎立”向東、西半球“兩極化”發展。2004年全球化石能源消費量90.1×108t油當量[4]，北美、歐洲和亞太分別占27.1%、27.6%和33.0%。2014年，全球化石能源消費總量為111.6×108t油當量（表1），北美、歐洲和亞太分別占21.3%、20.1%和43.1%[2]。與2004年相比，全球化石能源消費量增長了23.8%。其中，北美和歐洲能源消費量分別增長-2.7%和-9.7%，呈現負增長態勢。2004 — 2014年，亞太地區化石能源消費總量由29.7×108t油當量增加至48.2×108t油當量[2，4]，增長62.3%。其中，煤炭、石油和天然氣消費量分別增長81.9%、29.5%和79.3%。

2.2 新能源版圖

2.2.1 可再生能源

可再生能源發電已經成為主要的能源利用方式，引領可再生能源發展的未來。隨著風能、太陽能等可再生能源開發利用科技水平的不斷進步，初步形成了歐洲、亞太和北美三大新能源版圖。2014年，全球風電裝機容量為51.477 GW[5]、太陽能發電裝機容量為177 GW[5]，可再生能源總發電量達到3.17×108t油當量[2]，其中歐洲、北美和亞太分別占39.3%、23.2%和29.7%。

生物質燃料生產具有極強的地域性且受甘蔗等農作物產量的影響，總體發展較為緩慢，初步形成以北美和中南美為主的兩大產區。2004年，生物質燃料產量0.16×108t油當量[6]，其中北美和中南美分別占39.4%和44.5%；2014年，總產量增長至0.71×108t油當量[5]，其中北美、中南美、歐洲和亞太分別占44.1%、28.7%、16.3%和10.6%。

2.2.2 水電版圖

世界水電技術趨于成熟，行業發展主要受水能資源分布條件的控制，總體形成亞太、歐洲、北美和中南美四大區。2014年全球水電總裝機容量達1 036 GW，發電總量約 3 900 TWh（8.79×108t油當量）[2,7]。其中，亞太、歐洲、北美和中南美分別占38.9%、22.3%、17.5%和17.7%。美國和加拿大水電發展處于世界領先地位，水電裝機容量分別為 79.6 GW 和77.6 GW（不含抽水蓄能）[7]。美國政府鼓勵發展水電，2014 年頒布了兩個法案，簡化在現有水利基礎設施上建設小型水電項目的審批流程，并且對在現有水利設施或擁有水電潛能場址建設的水電項目將許可豁免水電容量標準由5 MW 提高到10 MW。加拿大水電在其總發電量中占比達到63%，目前在建水電項目裝機容量達4 000 MW。

2.2.3 核電版圖

受日本福島核事故的影響，世界核電發展總體趨于謹慎，以歐洲和北美兩大區為主。2014年，全球并網發電的核電機組總裝機容量為4 763 MWe[8]，總發電量降至5.74×108t油當量，其中歐洲和北美分別占46.3%和37.6%。2014年，全球在建機組總計為70臺，總裝機容量約為74 GWe[8-9]。2014年全球新增并網運行動力堆4座，其中中國3座，分別為方家山1號機組（PWR，1 000 MW）、福清1號機組(PWR，1 000 MW)與寧德2號機組（PWR，1 018 MW），另外1座為阿根廷的ATUCHA-2機組（PHWR，692 MW）。

3 中國能源新版圖

中國作為世界上最大的發展中國家，社會經濟經過多年的快速發展，發生了翻天覆地的變化。我國煤炭資源較為豐富、油氣資源相對不足的實情，決定了能源生產和消費具有我們自身的特點。2004 —2014年，我國國民生產總值增長298%，達到63.6萬億元[10]；能源消費量由21.3×108t標準煤增長至42.6×108t標準煤[10]，增長1倍；能源資源產量由19.7×108t標準煤增長至34×108t標準煤（29.7×108t油當量）[2，10]，增長72.6%。

3.1 中國化石能源版圖

我國化石能源產業穩步發展，煤炭在化石能源中占有主體地位，石油產量趨于穩定，天然氣產量快速增長。2014年，我國化石能源總產量達到21.77×108t油當量[2，10]，其中，煤炭、石油和天然氣分別占84.7%、9.7%和5.6%。

3.1.1 中國化石能源資源版圖

我國化石能源較為豐富，總體上煤炭資源相對豐富，油氣資源相對缺乏。我國煤炭資源總量約5.0×1012t，總格局是西多東少、北富南貧。山西、內蒙古、陜西、新疆、貴州、寧夏等6省區的煤炭資源總量達4.19×1012t，占全國煤炭資源總量的84%。我國油氣可采資源總量約1 370×108t油當量[1，3]，油氣探明和采出程度相對較低。常規石油可采資源量為212×108t、非常規石油可采資源量約為200×108t[3]，二者大致相當；常規天然氣可采資源量為20×1012m3、非常規天然氣可采資源量為80×1012～120×1012m3[3]，非常規天然氣可采資源量是常規的5倍左右。隨著理論認識和工程技術創新發展，油氣資源潛力還有進一步增長的空間。

3.1.2 中國化石能源生產版圖

我國化石能源產量穩步增長，煤炭產能過剩、石油產量趨穩、天然氣產量快增。2014年，煤炭行業總產能為43.7×108t、產量為38.7×108t (18.45×108t油當量)[2]，形成山西、陜西、寧夏、河南、內蒙古、新疆等煤炭主產區。經過60余年的發展，我國初步形成了渤海灣盆地、松遼盆地、鄂爾多斯盆地、準噶爾盆地、塔里木盆地、珠江口盆地6個年產量超過1 000×104t的石油生產基地，以及鄂爾多斯盆地、塔里木盆地、四川盆地3個年產量超過100×108m3的天然氣生產基地。石油產量于2010年突破2×108t，2014年達到2.11×108t；天然氣產量于2006年突破500×108m3、2011年突破1 000×108m3，2014年達到1 306.8×108m3。

3.1.3 中國化石能源消費版圖

長期以來，我國能源消費結構中煤炭比重過高，石油、天然氣消費比重偏低。2014年我國一次能源消費結構中，煤炭占66.2%、石油占18.4%、天然氣占5.6%[2，10]，油氣合計僅為24%，與全球平均56%的占比相差甚遠[2]。近期生態環境持續惡化，已迫切需要加快我國一次能源消費結構調整，在加強煤炭高效清潔化利用的同時，還要大幅提升天然氣等清潔能源的消費比重。

3.2 中國新能源版圖

近年來，我國新能源產業發展勢頭迅猛，在一次能源結構中的比例不斷擴大，成為能源的重要組成部分。2014年，我國可再生能源、核電、水電總產量達到3.22×108t油當量[2，10]，在一次能源消費結構中占比10.9%。其中，可再生能源、核電和水電分別占新能源總產量的16.5%、8.9%和76.6%[2]。

3.2.1 可再生能源版圖

我國幅員遼闊，可再生能源開發利用具有先天優勢，走在了世界前列，風電、太陽能等可再生能源裝機容量均排名世界第一。2014年，我國風電新增裝機容量2 335.1×104kW[5]，并網太陽能裝機量達26.52 GW（據國家能源局，2015），比上一年分別增長25.5%和67%，發電量分別為1 563×108kWh 和231×108kWh[5-6]；我國可再生能源發電總量達到0.51×108t油當量，在一次能源消費結構中占比1.8%。受原料供應影響，我國生物質燃料產量尚處于較為緩慢的發展狀態，2014年產量208×104t，比上一年增長3.3%。

3.2.2 水電版圖

我國水電資源豐富，水電開發步伐加快。2014年，全國水電總裝機容量達282 GW，水電發電量10 661×108kWh（2.41×108t油當量）[7]，同比增長19.7%，占全國發電總量的19.2%。2014年，全國新增水電裝機容量 21 250 MW[7]，其中四川和云南水電新增容量約占80%。水電和可再生能源互補發電是未來發展的新方向，2014年世界最大的水光互補電站——龍羊峽電站并網發電，該水電站完美整合了一個320 MW的光伏電站。

3.2.3 核電版圖

我國核電總量規模較小，近年核電建設步伐加快，在建核電規模居世界第一位。2014年，全國核電裝機容量為20 290 MW[2，8]，發電總量達到1 262×108kWh （0.29×108t油當量）[2，8]，比2004年增加1.6倍。目前，我國在建核電機組26臺，裝機容量28 500 MW。2015年2月，方家山2號、陽江2號、寧德3號、紅沿河3號機組先后并網發電，投入運行的核電機組達23臺，總裝機容量達21 386 MW。

4 世界及中國能源發展預判

按照能源發展的基本規律，世界能源正處于油氣向新能源的轉換期，正在邁入石油、天然氣、煤炭和新能源“四分天下”的新時代，初步預判石油發展已邁入“穩定期”、天然氣發展將步入“鼎盛期”、煤炭發展將進入“轉型期”、新能源發展將漸入“黃金期”。我國能源資源生產和消費的獨有特點，決定了能源發展“需立足國內、多管齊下”的思路，以解決能源發展中的安全和環保等問題。

4.1 石油發展邁入“穩定期”

4.1.1 世界石油產量峰值出現在2040年前后

由于理論、技術和方法的不斷創新，1956年哈伯特提出的石油產量“峰值理論”已被顛覆，世界石油產量高峰值不斷攀升，高峰出現時間不斷后延，很可能會延至21世紀中葉，世界石油工業生命周期也可能會超過300年。1986年以來，世界石油產量總體呈現穩步增長態勢，綜合多因素判斷石油產量峰值應出現在2040年前后，峰值產量約45×108t（圖2）。

圖2 全球油氣產量增長趨勢預測圖

隨著石油工業的發展，世界常規石油勘探向深水、深層和北極拓展。2000年至2012年期間，全球新增探明原油儲量698×108t[3]。其中，深水新增儲量占28%，主要分布在巴西、澳大利亞、西非、墨西哥灣四大深水區；深層新增儲量占16%，主要分布在中東、中亞地區；北極已發現油氣田423個，探明儲量380×108t油當量，待發現儲量564×108t油當量[3]。與此同時，理念的創新和技術的突破，推動著石油工業從常規向非常規跨越。以美國為例，借鑒頁巖氣理論技術與發展經驗，致密油也實現了大規模開發利用，2014年致密油產量為2.09×108t，占其石油總產量的36%，助推美國石油對外依存度由2005年的60%降低至2014年的26%，并有望依靠美洲實現自給自足[11]。據國際能源署（EIA）2013年的預測，全球42個國家致密油技術可采資源量達449×108t，非常規油氣有望成為未來石油開發的全新領域。

總體來看，全球石油儲量較為充足，儲采比一直保持在50以上，特別是中南美、中東地區儲采比分別高達120、78，發展潛力還很大。全球石油產量持續保持穩定增長，近10年平均增長率為8.1%，已邁入發展的“穩定期”（圖3）。

圖3 全球能源消費量發展趨勢及預測圖

4.1.2 我國石油需保障2×108t的生產“底線”

與傳統資源國相比，我國石油生產成本較高。全球油氣供給格局正處于轉變期，原油價格低位運行對國內原油生產造成了強大沖擊。但2014年我國石油對外依存度已達到59%，若大幅減產將顯著提高石油對外依存度，增加國家石油安全風險。因此，國內石油生產要綜合考慮多方面的因素，從國家石油安全大局出發，需保持年產2×108t的生產“底線”。

非常規油資源開發將在我國石油產量中扮演重要角色，致密油是未來發展的主要方向。致密油勘探開發在重點盆地已取得重要突破，形成3個10×108t級、6個1×108t級致密油區，并已在鄂爾多斯、松遼、準噶爾等盆地建立了8個致密油開發先導試驗區，建成年產能超過100×104t。初步預測，到21世紀中葉以致密油為代表的非常規油產量將占到我國石油總產量的1/4左右。

4.2 天然氣發展步入“鼎盛期”

4.2.1 世界天然氣產量峰值出現在2060年前后

作為最清潔的化石能源，天然氣已步入快速發展階段，是化石能源向新能源過渡的橋梁，將在全球未來能源可持續發展中發揮支柱作用。天然氣是非常現實的價格低廉、清潔環保的“三A能源”（Available可獲取的、Affordable可承受的、Acceptable可接受的）。在過去50年時間里，其在全球一次能源消費結構中占比從15.6%躍升至23.7%，是全球能源結構中增長最快的化石能源。據美國地質調查局（USGS）、EIA、國際能源署（IEA）、CEDIGAZ（獨立天然氣信息研究機構）等多家研究機構分析，全球常規天然氣與致密氣、頁巖氣、煤層氣三類非常規天然氣剩余可采資源量超過800×1012m3，按當前的生產規模測算，還可供開采約250年。

非常規天然氣的突破與發展有望大幅提高世界天然氣產量規模，延長天然氣工業生命周期。自20世紀70年代以來，美國致密砂巖氣、煤層氣和頁巖氣快速發展，有效彌補了常規天然氣的產量遞減，特別是近期頁巖氣迅猛發展，更是助推美國天然氣產量創歷史新高，再次成為全球第一大產氣國，并有望于2017年實現天然氣凈出口，正在改變著全球能源供給格局。

從總體上看，天然氣有巨量的資源量和儲量，將在能源結構中扮演更加重要的角色，是最現實、可獲取的清潔能源，足以保障全球長時間的市場需求；全球天然氣儲量充足，截至2014年底儲采比為54.1。天然氣儲量、產量快速增長，將步入“鼎盛期”（圖3）。跨國輸氣管網和LNG相關設施趨于完備，解決了天然氣長距運輸的問題，天然氣產量具備快速增長的基礎。預計全球天然氣產量峰值將出現在2060年前后，高峰產量約4.5×1012m3（40.5×108t油當量）（圖2）。

4.2.2 我國需加快非常規天然氣開發利用

我國天然氣工業剛進入快速發展期，就出現了嚴重的供需缺口，加快致密氣和頁巖氣等非常規氣開發利用成為必然的選擇。據國家能源局估算，2020年全國天然氣需求量為3 700×108m3，為控制對外依存度過高，屆時國內需生產2 300×108m3天然氣。為完成2020年天然氣生產目標，在常規天然氣方面需以四川盆地、鄂爾多斯盆地、塔里木盆地和南海海域為重點，加強西部低品位、東部深層、海域深水三大領域科技攻關，加大勘探開發力度，力爭獲得大突破、大發現，努力建設8個年產量100×108m3級以上的大型天然氣生產基地，實現2020年常規天然氣（含致密氣）產量達到1 850×108m3左右的目標。

加強對非常規氣勘探開發的扶持力度，提升油氣企業對致密氣、頁巖氣等非常規天然氣開發的積極性。積極推進低品位致密氣開發財政補貼政策的實施。加強頁巖氣甜點區評價技術、3 500 m以深頁巖氣鉆完井及增產改造技術、頁巖氣“工廠化”開發優化技術等攻關研究，以關鍵工程技術瓶頸的突破來帶動并最終實現頁巖氣產量的快速增長。

4.3 煤炭發展進入“轉型期”

4.3.1 煤炭利用向清潔化發展

煤炭在世界一次能源消費結構中的比例將進一步縮小，煤炭利用趨于清潔化。2014年，世界煤炭產量為81.65×108t[2]，比上年下降0.7%；全球煤炭消費量增長0.4%，低于過去10年2.9%的平均水平，煤炭在全球一次能源消費中的占比跌至30.0%。世界三大產煤區中的北美、歐洲及歐亞大陸煤炭產量及消費量均呈下降趨勢[12]。

煤炭作為最廉價的化石能源，將在世界能源結構中繼續發揮重要作用。而隨著人類生態環境保護需求的增加，煤炭利用將向高效清潔的方向轉型（圖3）。發電是世界煤炭利用的主要方向，全球超過一半的煤炭資源都被用于發電，煤炭高效清潔發電是煤炭資源利用的主要方向。目前，通過大容量高參數燃煤發電、大型循環流化床發電、整體煤氣化聯合循環發電等技術，可使煤炭發電機組的熱效率提升到50%左右。

4.3.2 煤炭的高效清潔化利用是解決我國環境問題的關鍵

我國以煤炭為主體的一次能源消費結構在短期內不會產生根本性變化，需立足國情，減少散煤直接燃燒、加強煤炭高效清潔利用是解決我國能源環境問題的關鍵。隨著工業化步伐的推進和人民生活水平的日益提高，電力需求量增速加快，受能源資源結構和分布制約，煤炭成為我國電力行業的主要能源。2013年，全國發電和供熱耗煤量達到20.6×108t，占煤炭消費總量的55.7%。以煤炭為主體的一次能源消費結構較長時間內不會得到根本性改變，電力是煤炭資源消費的主體，煤炭高效清潔發電是實現煤炭低碳化利用的關鍵。為實現煤炭低碳清潔利用，需因地制宜、因廠制宜開展現役機組的升級改造，解決由于服役時間長、機組老化、設計和制造技術落后等因素造成的能耗高、污染物排放量超標等問題。

煤炭作為終端能源直接使用，能源利用效率低、環境污染問題嚴重。煤炭燃燒產生的二氧化硫、氮氧化物、細顆粒物排放量分別占全國總量的80%、60%、70%，每1 kg煤炭直接燃燒產生的二氧化硫、煙塵排放量為其發電的4倍、8倍，其中以散煤直接燃燒污染最為嚴重。以2013年為例，我國散煤直接燃燒消費量約9×108t，占煤炭消費總量的24%，產生的二氧化硫與20×108t電煤燃燒大致相當，細顆粒物排放量則接近電煤的3倍。減少煤炭直接低效燃燒的對策包括：①加快淘汰國內小型鋼鐵、水泥等行業的落后產能，實現產業升級；②加快推進我國城鎮化步伐，實現城鄉集中供暖、供氣，積極發展小型可再生能源網絡，以實現我國廣大城鄉的綠色發展。

4.4 新能源發展漸入“黃金期”

4.4.1“新能源革命”到來的速度可能會超過預期

發展新能源是實現低碳發展的關鍵，新能源開發利用步伐加快，已經成為全球能源增長的新動力。據IEA的統計，2014年全球核能、水電、可再生能源等新能源在一次能源消費結構中占比為14.33%。隨著技術進步，新能源開發利用成本不斷下降，與化石能源相比已經具有較強的競爭力。據Bloomberg新能源財經（BNEF）的數據，2015年第二季度世界陸上風電成本為0.083美元/kWh，太陽能光伏發電成本為0.122美元/kWh，煤炭發電成本為0.066～0.105美元/kWh。可再生能源（含水電）已成為全球新能源發展的主力，并加速發展。2013年可再生能源發電量已超過天然氣，成為全球電力的第二大來源，發電量占總電力的 22%，達到 5 130 TWh。2014年貢獻了全球58.5%的發電能力增長，在全球電力裝機容量中占比達到27.7%，發電量占22.8%，新能源發展漸入“黃金期”（圖3）。

加強新能源科技攻關已成共識，“新能源革命”到來的速度有可能會超過預期，特別是新能源發電成本降低和電池儲能技術的突破將強力推動“新能源時代”的來臨。《Science》在創刊125周年之際，公布了125個最具挑戰性的科學問題，其中石油的替代、核聚變等能源問題位列其中。2015年麥肯錫提出展望2025：決定未來經濟的12大顛覆技術，可再生能源和儲能技術是兩項重要的顛覆性技術。2015年12 月12日，第21屆聯合國氣候變化大會通過了《巴黎協定》，全球平均氣溫較工業化前水平升高控制在2 ℃之內，21世紀下半葉實現溫室氣體凈零排放，實現該目標對新能源發展提出了更高的要求。基于人工智能的網絡大數據體系，將在能源結構優化配置中發揮重要作用。通過發展分布式電網結構，促進互聯網＋能源網絡的智能能源網絡體系建設，將從根本上解決現有電網對可再生能源發電的消納，進一步提升可再生能源的開發利用效率，最終使人類擺脫對化石能源的依賴。

納米技術的發展使人類對材料的認識進入了全新領域，納米超材料的應用將推動新能源技術加快發展。石墨烯的優異性能使其必將成為人類能源發展史上繼石油之后的第二個“黑金”。初步預測，到2030年納米材料技術進步可使太陽能發電成本再降低40%，使其成為一種廉價能源。此外，納米技術發展加快了電池儲能技術突破。目前，美國特斯拉電動車采用鋰離子電池已可提供400 km的續航能力；我國的比亞迪公司實現了新能源汽車400 km續航能力的突破。在巴黎氣候會議上，德國提出了到2050年將全面禁止汽油和柴油汽車的發展目標。近期基于石墨烯等超材料電池技術的研究也取得了重要進展，若適用于大規模量產的快充電、高續航、高耐用電池技術實現突破，新能源時代將加快到來。

4.4.2 我國需充分做好“新能源時代”來臨的準備

加大可再生能源和水電等新能源資源的開發，是實現能源低碳發展的關鍵。按照《聯合國氣候變化框架公約》，我國政府承諾2016—2020年將二氧化碳排放量控制在100×108t /a以下，到2030年非化石能源占一次能源消費比例將提高到20%，二氧化碳排放量將達到峰值。2014年我國非化石能源在一次能源消費結構中的比例僅為10.9%，2030年要實現20%的目標既存在挑戰，又具有良好的發展空間。

我國可再生能源開發潛力很大。預計到2020年，全國風力發電量將達4 500×108kWh，占總發電量的5.3%，2030年有望超過10%；全國太陽能發電裝機容量將超過1×108kW，2030年有望超過美國；全國水電裝機容量將達到3.6×108kW，2030年達到4.5×108～5.0×108kW。可再生能源發電裝機容量快速增長與電網容納能力不足的矛盾是限制發展的瓶頸問題。通過優化調整電網結構，發展蓄能和多能源電網技術組合，可提升電網中可再生能源的消納比例。電力的存儲技術是決定新能源能否對傳統化石能源實現革命性替代的關鍵。

我國核電發展需在安全的基礎上，采用先進成熟的技術，著眼未來適度有序發展。目前，全國在建的核電機組共計26臺，預計2020年核電裝機容量達5 800×104kW。總之，核電發展應始終將安全放在首位，綜合考慮地理位置、能源需求、技術水平等多方面的因素，在國家能源總體戰略框架內實現健康有序發展。

5 結論與討論

人類利用能源已經或者即將經歷木柴向煤炭、煤炭向油氣、油氣向新能源的三次重大轉換，社會文明進步和科技水平發展驅動非常規油氣資源有效開發、新能源消費比例逐步加大，世界能源正在邁入石油、天然氣、煤炭和新能源的“四分天下”時代。世界化石能源資源量總體比較充足，關鍵技術突破和生態環境保護需求的加大促進從化石能源向新能源的轉換。初步預判，石油已邁入“穩定期”，產量高峰將出現在2040年前后；天然氣步入“鼎盛期”，產量峰值將出現在2060年前后，將在未來能源可持續發展中發揮支柱作用；煤炭發展進入高碳向低碳的“轉型期”，直接利用的比例將大幅降低，污染物及其排放量也將大幅降低，2050年在一次能源結構中的比例將降至25%；新能源的開發利用漸入“黃金期”，新能源科技迅猛發展強力推動“新能源時代”的加快到來，“新能源革命”到來的速度可能會超過預期。

我國能源生產和消費具有自身特點，能源發展需從實際國情出發，加強煤炭資源高效清潔利用是解決我國能源環境問題的關鍵；石油需確保低油價下國內產量2×108t的生產“底線”，以保障國家能源安全；加快致密氣和頁巖氣等非常規資源開發的步伐，實現2030年天然氣產量超過3 000×108m3的目標，其中非常規氣將占到60%左右；加強新能源資源的開發利用，2030年實現非化石能源在一次能源消費機構中占比20%的目標。電池儲能科技發展前景看好，一旦實現適用于大規模量產的快充電、高續航、高耐用型電池技術突破，新能源時代將加快到來，應從戰略上及早做好“新能源時代”來臨的準備。

此外，受到科技創新步伐、政治格局、經濟發速度與油氣價格波動等的影響，能源革命的進程還存在諸多不確定因素，油氣、煤炭等峰值預測可能還有所變化。

參 考 文 獻

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Zou Caineng1,2, Zhao Qun2, Zhang Guosheng2, Xiong Bo2
(1. PetroChina Research Institute of Petroleum Exploration & Development, Beijing 100083, China; 2. Langfang Branch of PetroChina Research Institute of Petroleum Exploration & Development, Langfang, Hebei 065007, China)
NATUR．GAS IND．VOLUME 36，ISSUE 1，pp.1-10， 1/25/2016．(ISSN 1000-0976；In Chinese)

Abstract:This paper aims to predict the future situation of global energy development. In view of this, we reviewed the history of energy use and understood that new energy sources will usher in a new era following oil & gas, coal and wood one after another in the past time. Although the fossil energy sources are still plenty in the world, great breakthroughs made in some key technologies and the increasing demand for ecological environmental protection both impel the third time of transformation from oil & gas to new energy sources. Sooner or later, oil, gas, coal and new energy sources will each account for a quarter of global energy consumption in the new era, specifically speaking, accounting for 32.6%, 23.7%, 30.0% and 13.7% respectively. As one of the largest coal consumer, China will inevitably face up to the situation of tripartite confrontation of the coal, oil & gas and new energy. The following forecasting results were achieved. First, the oil will be in a stable period and its annual production peak will be around 2040, reaching up to 45×108t. Second, the natural gas will enter the heyday period and its annual production peak will be around 2060, reaching up to 4.5×1012m3, which will play a pivotal role in the future energy sustainable development. Third, the coal has entered a high-carbon to low-carbon transition period, and its direct use and the discharged pollutants will be significantly reduced. In 2050, the coal will be dropped to 25% of the primary energy mix. Last, the development and utilization of new energy sources has been getting into the golden age and its proportion in the primary energy mix will be substantially enhanced. On this basis, we presented some proposals for the future energy development in China. At first, we should understand well that China’s energy production and consumption has its own characteristics. Under the present situation, we should strengthen the clean and efficient use of coal resources, which is the key to solving our energy and environmental issues. Then, under the low oil price circumstance, we should keep 200 million tons of annual oil production as “the bottom line” so as to ensure national energy security and to accelerate tight gas, shale gas and other unconventional resources development. In 2030, the annual natural gas production will reach up to more than 300 Bcm. Finally, the development and utilization of new energy resources should be further strengthen and nonfossil energy sources will be expected to reach as high as 20% of the primary energy consumption by 2030.

Keywords:Energy revolution; Fossil energy; New energy; Oil & Gas; Coal; Renewable energy; Unconventional oil & gas; Shale gas; Tight oil; Nanotechnology; Graphene; Internet Plus

(收稿日期2015-12-04 編輯 居維清)

作者簡介：鄒才能，1963年生，教授級高級工程師，博士生導師，李四光地質科學獎獲得者，本刊第七屆編委會委員、《Natural Gas Industry B》編委會委員；現任中國石油勘探開發研究院副院長兼中國石油勘探開發研究院廊坊分院院長；主要從事非常規油氣地質學、常規巖性—地層油氣藏與大油氣區等地質理論技術研究及勘探生產實踐等工作。地址：（100083）北京市海淀區學院路20號院辦。ORCID:0000-0001-5912-1729。E-mail:zcn@petrochina.com.cn

基金項目：國家重點基礎研究發展計劃（973計劃）項目（編號：2014CB239000）。

DOI:10.3787/j.issn.1000-0976.2016.01.001

Energy revolution: From a fossil energy era to a new energy era