能源的未來

◆鄭明光/文

?

能源的未來

◆鄭明光/文

編者按

上海核工程設計研究院院長鄭明光，是一位享譽世界的核電專家。他是美國質協《2015質量未來發展報告》11篇專題報告中唯一來自中國的撰寫者。在第21屆亞太質量組織國際會議暨第10屆上海國際質量研討會上，他發表了題為《能源的未來》的精彩演講。本篇根據演講速記整理。

非常高興有機會跟大家一起就未來的能源主題進行討論。本人是從事核電工程、核電設計和技術和安全的研究工作的，所以能夠從整個能源發展的角度來看世界整個經濟、社會發展跟能源之間的相互關系，當今與能源的發展、經濟的發展對環境提出了哪些挑戰，以及形成對未來能源發展的思考。

大家知道，能源的未來其實是機遇，它和質量的未來緊密相連。任何的科學的發展，技術的發展，社會的進步都跟質量有關；質量與技術的發展又支撐了能源的發展，所以能源和技術、質量實際上是互動的關系。

一、能源現狀與挑戰

大家知道，世界上所有生活的變化、社會的進步、技術的發展都與能源的發展相關。在原始社會靠鉆木取火，能源的利用水平非常低，所以社會經濟和生活水平都非常低。第一次工業革命呈現煤炭革命，經濟和能源的發展發生了很大的變化。后來還有電力革命，特別是石油革命帶來了交通的重大變化。形成了能源發展、社會發展互為支撐、互為發展的格局。最后進入到核能原子時代。

能源的發展，能源的消耗也逐步帶來一些對社會其它方面的重要影響。比如1973年的中東石油危機，促進了像核能的發展，以及其他能源方面的進步。

從我國經濟與社會發展對電力需求的情況來看，1988年電力裝機容量達到億千瓦，隨著國家整個經濟的快速發展，到今年已達到14.4億千瓦。我國的裝機容量增長了十幾倍。這些電力的裝機容量主要是基于煤炭的化石能源。一般來說，1億千瓦裝機容量一年要消耗2.81億噸的煤，10億千瓦一年就要28億噸煤。這種基于常規的化石能源的方式，對整個環境方面有很大的負面影響，這是第一。

第二，化石能源的資源總量是有限的，當今的開采過量對未來的使用造成了非常大的負面效應。整個全球利用能源的曲線也預示著世界整個經濟、技術的變化，特別是核能及其它可再生能源的變化對未來的發展至關重要。這些石油、煤炭、天然氣等能源將來都會枯竭的，因為用到一定時間化石能源都會消失。

巨大的能源消耗特別是化石能源的消耗，給整個環境帶來非常大的負面影響，尤其是對生態的影響，環境的污染。對于環境的污染，我國的發達城市特別是北方的城市，這幾年感覺越來越明顯。包括開采資源的耗盡，包括酸雨的產生，對整個社會的未來發展，提出非常大的挑戰。

這是一張二氧化碳產生和消耗曲線圖。二氧化碳的產生和消耗實際上是一個動態平衡的過程，當二氧化碳產生得多，空氣當中相對的量就多，生態環境就有很大的變化；如果消耗得多，比如種更多的樹，二氧化碳大量消耗。甚至冰川時代，二氧化碳的消耗有一個起伏，在一個低水平上。進入21世紀隨著全球經濟的發展，二氧化碳產生量非常巨大，但是消耗量相對來講有限，是某一個相對固定的值。這個對環境的影響是非常大的。

二、未來能源愿景

在上個世紀人類消耗的化石能源超過了有史以來幾千年總量。同時化石能源總量是有限的，對環境的破壞又非常大。所以這種經濟發展方式肯定是不可持續的。對于我們來說，世界能源的未來到底在哪里？

我們認為，世界整個發展預期對能源應該有基本的屬性。第一是商品屬性，就是都買得起，如果這種能源大家買不起，那么對滿足基本生活需求的能源就保證不了。

第二，應該是清潔的，可再生的。

第三應該是可靠的。當今世界對于電力供應來講，可靠尤為重要。因為我們進入一個互聯網的時代，所有的電都跟計算機有關，如果這個時候電不可靠，問題就大了，如上海一天沒有電整個城市就會陷入混亂。所以電的安全，就變成了國家的安全問題。

第四必須要可持續，生態上的可持續，供應上的可持續，包括服務、發展上的可持續。未來的能源的總的方式應該就是化石能源、再生能源，包括核能、生物質能等的有機組合。

我們大膽預測未來的能源發展趨勢：一是化石能源將逐步淘汰，變成一個補充，新型能源，比如像太陽能、風能這種可再生能源將成為能源發展的一個主體。這些發展主體必須有技術上的保證。太陽給地球提供的能量大約一天的13%就夠人類使用一年，所以太陽能是非常巨大的。但是要把太陽能利用起來，在整個技術和能力上要有相當大的變化。

二是整個產生模式將有很大的變化。從開采獲得的形式變成制造能源的形式。

三是使用方式也會發生根本性的變化。世界上做得比較好的國家像德國，對太陽能的使用就比較普及。德國對能源的調整和轉型有大量的研究。開始他們有地熱，后來發現地熱不具有持續供給的能力。隨后使用生物質能，使用生物質能與老百姓的吃飯，包括與將來人類自身的需求產生矛盾。后來感覺太陽能真正能夠解決未來能源的需求。

未來每個家庭都可以變成一個小的發電站。比如你有太陽能發電及儲能裝置，作為一個家庭來講，就是太陽能發電廠，同時你的汽車、家用電器等等都可以成為能源的使用方。

假如你電多，還可以送電上網，當然這種電上網需要比較高智能的電網配置。這樣就把每家每戶多下來的電送上網，電不夠去電網取。對于每個小家庭來講，每天的天氣不一樣，今天可能有太陽，明天可能沒有太陽。作為一個大的區域來講，對于地球來講，總有一個地方有太陽，總有一個地方有風。所以當這個電網變成一個全球互聯網，是一個大區的網絡的時候，這個電力的供應就會非常的穩定。

從本質上來講，未來新的能源都有兩個基礎，一個是技術，另一個是知識。未來能源的發展與社會發展水平是密切相關的。清潔能源，特別是以家庭為單位的能源產生和消耗的組織，必定是建立在高科技的基礎上。

這種高科技的產業未必就能直接用于發展中國家，特別是生活水平和經濟水平比較低的國家。所以，一些發達國家和經濟走在前列的國家，有責任對發展中國家給予幫助。

三、技術解決方案

首先是理論先行。如我們講質量的時候，往往講質量管理的理論基礎和模式，相關的模型。對于能源發展，特別是未來可持續發展，就要對整個生命周期進行全過程的評價。只有應用技術先進，污染嚴格可控的新能源，在環境、健康、溫室氣體排放等方面才具有優勢。

同時，解決方案里面必須要有新材料的使用。這對未來能源，特別是對以太陽能、風能為基礎的智能電網是很大的基礎支撐。比如大容量的電池儲能設施，最新發明的石墨烯儲能。這對于未來以家庭為單位的太陽能的產生和消耗會帶來非常大的好處，對于交通能源的解決也有非常大的好處。

包括超導體減少能耗。現在電網傳輸的電能有8%到9%在傳輸中消耗了。超導的使用對于未來的綠色電網也有很大的作用。以及怎么提高太陽能的吸收能力等等，未來新技術、新材料始終是支撐能源發展的主要因素。

對于環境來說，碳的大量排放造成了負面影響，現在世界上也在研究是不是可以把二氧化碳儲存起來，這是一種方案。第二是對二氧化碳加一定的水或者是催化處理，使它變成各種的烯烴或者是烷烴，變成另外一種能源形式。這種形式往往是以消耗能源為代價的，但是二氧化碳的平衡和消耗對于未來也是非常重要的。

這是一個廠房，屋頂全部覆蓋了太陽能發電技術裝置，將來會成為一個能源產生和消耗的集散地，包括高效的光伏電池、發電裝置等等的使用。地球上對于太陽的吸收能量是足夠的，每天的13%夠人類使用一年。所以只要把這些利用效益提高，就有足夠的能源支持可持續發展能力。

有數據顯示，十年間，世界上的風能增加了一百倍，從原來的300萬千瓦增加到3億千瓦。所以很多東西只要技術上先導，理論上先行，投資上有保證，新技術的發展空間是無限的。

發展生物質能與人類自身的生存需要有一個平衡。如果生物質能都去當燃料的話，那么你吃什么？這方面怎么來平衡，需要考慮周全，不能跟人類需要的糧食對立或者搶資源。

所以未來的電力供應主要還是智能技術，特別是智能配電，智能輸電等等。技術的要素包括模塊化技術的要素，包括分布式發電、分布式送配電，包括大數據、云計算等等，這些技術構成了未來分布式能源供應的技術支撐。

四、中國能源變革

我國從整體上來講還是發展中國家。與美國相比，我國的人均裝機容量是一千千瓦，美國是四千千瓦；我國的裝機容量已經超過美國，總的發電量兩國基本相當。但是我們電力的使用的結構是不一樣的，我國近47%的電量用于工業，服務業占43%，農業占10%。其中12%用于居民的生活，12%用于商業。所以我們的結構就是重工業耗掉了大量的資源，貿易和生活總體上消耗還是非常小的。對于美國來講服務業用電30%多，老百姓生活用電30%多，工業用電是35%，所以總體上來講都是三分之一。所以我國的老百姓，特別是邊緣地區，農村地區的生活水平和美國人相比基本有十倍的差距。所以，能源的消耗代表著一個國家的生活質量。

我們的能源使用效率還相對比較低，像GDP的能耗還比較高，所以我國對能源的開發，在上技術投資還是有很大的空間。

我國能源變革的特殊性。最近二十年還是以煤炭為基礎，我國電力裝機容量14億千瓦，其中9.6億千瓦是煤電，占68%左右。我國前十年大力發展水電，像山西、二灘、葛洲壩、長江上游、金沙江上游的一些水電站，已經有近3億千瓦的水電。從理論上分析，我國有6億千瓦的水電資源，但是技術上可行5億千瓦，技術和經濟可行4億千瓦，所以總的來講水電不足以支撐我國未來的發展。而火電的發展已經使整個環境不堪重負，火電的發展也就比較難了。

2001年之后我國經濟的快速發展，也帶動了能源的快速發展。能源的發展從某種程度上來講是國家能力的提升，能源的發展往往和國家的重工業有很大的關系，和裝備工業也有很大的關系。

另外我國城市化、工業化、電氣化、自動化的發展需要更多的能源。我國現在有14億千瓦的裝機用量，在未來幾年來裝機用量還會持續的提升，但是環境已經難以承受了，未來怎么辦？未來就需要綠色的環境來作為大的支撐。我國也意識到能源結構的不合理，所以政府對能源的發展，特別是對新能源提出非常高的要求。這里包括整個風能的增加，2009年開始還不多，今年已超過1億千瓦。太陽能每年都有1500萬千瓦的提升。

我做了一個大膽的預測，2015年我國的裝機容量是14.4億千瓦，2030年以后隨著整個經濟的發展，特別是成為中等發達國家以后裝機容量可能會到30億千瓦。怎么樣的能源結構比較合理呢？我們認為合理的構成是，化石能源、油氣、煤炭將近三分之一，清潔能源三分之一，水電和原子能加起來達到三分之一。

對于我國來講，實現這樣的一個目標其實是非常困難的，有很大的挑戰。綠色革命或者是低碳經濟發展對整個社會，對整個技術的開發要求提出來很多的挑戰。

五、中國需要核電

對于我國來講，核能是必須的，因為我國的能源供需不匹配。我國的西部地區主要是水電，西北部地區主要就是有煤電，北部地區像山西有煤電，有風電，西北部、東北部地區也有風電。但是東部地區，像廣東、福建、浙江、江蘇、上海、山東，這些地區基本上沒有一次能源，從國家安全來講，任何地方如果不平衡，是不安全的。比如說從鄂爾多斯、從東北地區用高壓電網送電到上海，這個電網如果一垮，上海就亂了。要讓各個地區局部平衡就需要大容量的電源物質來滿足電源消耗的要求。這個物質核電是最合適的，所以未來核電發展主要是沿海，以及像湖北、湖南、江西（因為沒有能源），將來是核電發展的主要地區。

因為要發展大量的核電，中國政府考慮使用世界上最安全、可靠的核電技術。為此2003年開始中國政府進行世界招標，尋找世界最新型第三代的技術。美國西屋公司作為美國政府的代表中了這次招投標，中美兩國政府簽訂了和平利用核能協議，中方從美國西屋公司引進世界上最先進的核能技術。2007年正式簽約，經過八年的努力，到現在2015年所有與核電最新技術相關的，像AP技術的引進基本結束。在此基礎上我們把AP國產化，開發了CAP1000，目前基本完成。同時依托國家重大的專項，開發了CAP1400，形成了世界上最先進的兩個核電型號。

作為依托項目，三代核電基本建成。因為是最先進的第三代核電技術，所以在技術上也很大的挑戰，在設備制造上有很大的難度。包括像美國最先進的幾家企業在設備制造上也碰到了很大的困難。其中有一個設備叫控制棒經過了六年的實驗，最終才成功。最近將用到中國的設備上，后續的控制棒都是我們國內自己生產了，將來能支撐我們自己的核電發展。

國家重大專項CAP1400，作為2008年到2020年中國中長期16個重大專項的第六號重大專項，就是由我們負責技術的引進消化吸收，形成CAP1400的自主開發。

在安全方面引進使用最先進的非能動理念。眾所周知，非能動和能動相比尤如地球和太陽的關系。非能動的概念就是利用重力，利用自然界的一些規律，包括溫度高了會蒸發，溫度低了會冷凝。把熱量帶出去，保證核電的安全；同時還有更好的安全性、經濟性、環境相容性。

同時要立足于自主知識產權。因為世界未來的發展，包括技術的發展、安全的發展都建立在高質量的基礎上。所以未來核電的安全、性能也都是基于高質量的設計的安全。

我曾向國際質量科學院院長提到設計的安全占整個安全性的70%以上。一個設備或者一個工程，如果設計不好，工程制造的再好，用起來安全始終會有問題。所以設計對安全的保證超過了70%。同時要優質的制造，優質的管理，優質的施工，優質的用心和維護，才能保證安全。所以質量優質在整個工程的過程中要始終貫徹落實的。

這是關于CAP1400開發的參數。以前我們認為國際標準是最高標準，通過這幾十年的發展，我們的思想逐步在變化。特別是整個技術程度逐步在提高，國際標準其實就是一個基本的要求，對原來的強制標準要求，現在已經直接體現在我們設計里了。這也顯示，我們國家在技術領域的一個巨大的跨越。

這對于我國來講是一個很大的進步。所有的企業，所有從事質量的人員一定要關注標準，實際上標準就是底線要求。一個開發型企業應該提出更高的要求，以滿足社會不斷發展的要求，以滿足未來的要求。

CAP1400是一個新開發的型號，經歷了各種各樣的實驗、考核。這些實驗、考核，特別是實驗裝置的科學性對于實驗機構非常關鍵。有些實驗在清華大學，有些在交通大學，用國家重大專項資金，建立了世界一流的實驗平臺。解決了相關的非能動的安全問題，也解決了很多設備的性能問題。同時也是世界上第一次最大范圍地提升這些能力，進行安全研究。花了將近18個月的時間，提出了5377個問題，對于整個型號進行審評。召集了全國的專家，最多的時候400名專家，少的時候280名專家進行安全報告的審查，包括了核電的整個安全。

這個CAP1400國家重大專項，是目前世界最好、最安全、有非常好的環境優勢的核電型號。它對國家未來的發展，特別是東部沿海地區的經濟發展、能源的安全，將會起到非常重要的作用。

核電也是國家一張非常重要的名片，包括和南非簽訂培訓協議，大量的工程師到中國來接受培訓。包括和土耳其能源部長一起簽訂相關的三方合作協議，以及巴西也提交了相關的技術問題清單。

六、總結

首先，未來的能源始終是建立在技術創新、技術變革、不斷發展的基礎之上，必定是以低碳、綠色為導向。

同時我們始終要考慮到世界上還有14億人生活在沒有電的環境里，所以作為能源的消耗者還要盡量節省能源，以節約的方式滿足生活的需求。

第二，作為銀行等金融機構，還是要綠色貸款，支持綠色能源的發展。

第三，作為企業，要不斷發展儲能技術，開發先進的核電技術，開發先進的智能技術和智能電網。

另外，作為政治家，整個的執政過程還是要推動綠色執政，在發展的時候要考慮到社會、環境、經濟的可持續。

所以能源的未來就是人類的未來，就是社會的未來，就是技術的未來，也是我們質量的未來。