2012年8月中旬，美國(guó)能源部長(zhǎng)朱棣文博士和先進(jìn)能源研究項(xiàng)目署署長(zhǎng)阿倫·馬宗達(dá)博士在《自然》雜志上，聯(lián)名發(fā)表了題為《可持續(xù)性能源未來所面臨的挑戰(zhàn)和機(jī)遇》一文，提出為保障未來全球的持續(xù)繁榮、可持續(xù)性和安全的能源供應(yīng)，目前需要一場(chǎng)新的工業(yè)革命。文章以交通運(yùn)輸和電力生產(chǎn)兩大領(lǐng)域?yàn)橹攸c(diǎn)，分析了人類在提高化石能源利用效率、開發(fā)利用新型電池，以及開發(fā)天然氣燃料、生物燃料、風(fēng)能、太陽(yáng)能、核能等諸多清潔能源和可再生能源方面，所面臨的各種機(jī)會(huì)和挑戰(zhàn)，為讀者詳盡地了解該問題提供了全面而清晰的輪廓。

全球可持續(xù)性能源供應(yīng)呼喚新的工業(yè)革命

自工業(yè)革命以來，能夠利用穩(wěn)定可靠、經(jīng)濟(jì)合算的清潔能源一直是保持全球經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)和持續(xù)繁榮的重要基石，21世紀(jì)人類對(duì)能源的獲取和利用也必須具備可持續(xù)性的特點(diǎn)。然而，未來全球能源供應(yīng)將面臨著雙重巨大挑戰(zhàn)：一方面，全球人口數(shù)量的增加和經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)將產(chǎn)生巨大的能源需求，在能源供給壓力陡增的同時(shí)，勢(shì)必會(huì)增加二氧化碳排放量。工業(yè)革命初期全球總?cè)丝跒?億，目前為70億，預(yù)計(jì)到2050年和2100年將分別增加到90億和100億;另一方面，為緩解全球氣候變暖趨勢(shì)的進(jìn)一步惡化，各國(guó)必須在既定時(shí)間框架內(nèi)實(shí)現(xiàn)二氧化碳減排目標(biāo)。2009年全球能源需求總量為120億噸油當(dāng)量，二氧化碳排放量為290噸。據(jù)國(guó)際能源署預(yù)測(cè)，如果全球繼續(xù)實(shí)施現(xiàn)行的能源政策，上述兩項(xiàng)指標(biāo)2035年將分別增加為180億噸油當(dāng)量和430億噸;如果未來采取積極的應(yīng)對(duì)方案，它們將分別降為170億噸油當(dāng)量和360億噸。

為了應(yīng)對(duì)上述挑戰(zhàn)，全球需要一場(chǎng)新的工業(yè)革命，以保證未來能源供應(yīng)的可靠性、經(jīng)濟(jì)性和可持續(xù)性。提高化石能源的利用效率、節(jié)約能源，以及實(shí)現(xiàn)能源的低碳化，大力開發(fā)利用新能源電池、天然氣燃料、生物燃料、太陽(yáng)能、風(fēng)能及核能等清潔能源和可再生能源是這場(chǎng)革命的必然選擇。

目前，化石能源占全球能源消費(fèi)總量的86%。從1980至2008年，全球每年消費(fèi)的石油總量增加了31%，隨著近年來石油探測(cè)和采掘技術(shù)的進(jìn)步，全球已探明石油儲(chǔ)量也在增加。此外，近年來世界各地也相繼發(fā)現(xiàn)了豐富的頁(yè)巖氣儲(chǔ)量。相比之下，盡管全球零排放可再生能源的利用總量也在不斷增加，但過去20年間其在全球能源供應(yīng)總量中所占的比例基本沒有變化，對(duì)此必須保持清醒的認(rèn)識(shí)。

能源系統(tǒng)可以分為運(yùn)輸和固定兩個(gè)分系統(tǒng)。每個(gè)系統(tǒng)內(nèi)的供應(yīng)、需求和分配設(shè)施都是高度相適配的，但相互之間卻是獨(dú)立的。我們需要對(duì)一些重要研究領(lǐng)域進(jìn)行深入研究，如提高能源利用效率，將電力輸送、分配和存儲(chǔ)系統(tǒng)與各種可再生能源進(jìn)行有機(jī)整合等，以改善未來的能源供應(yīng)狀況。生物燃料、太陽(yáng)能等技術(shù)依然處于研發(fā)階段，尚不能真正滿足人類的能源需求，因而必須進(jìn)行持續(xù)不斷的創(chuàng)新，改進(jìn)并完善現(xiàn)有技術(shù)或者開發(fā)全新的技術(shù)方案。

改善能源運(yùn)輸系統(tǒng)和提高燃料使用效率

在目前的能源運(yùn)輸基礎(chǔ)設(shè)施中，運(yùn)輸由石油衍生的各種液態(tài)燃料占據(jù)主導(dǎo)地位。隨著石油儲(chǔ)藏量的新發(fā)現(xiàn)、勘探和采掘技術(shù)的進(jìn)步，可資利用石油資源的地理分布也在發(fā)生變化。然而，通常情況下石油供應(yīng)地和需求地在地理位置上相距甚遠(yuǎn)，一些國(guó)家嚴(yán)重依賴進(jìn)口石油，甚至對(duì)其貿(mào)易平衡和國(guó)家安全帶來了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，這給全球石油運(yùn)輸帶來了巨大壓力。2011年，全球石油消費(fèi)總量為26.9億噸油，其中18.95噸原油和7.91噸油當(dāng)量精煉油都需要跨國(guó)間運(yùn)輸，未來更多油田和天然氣田的發(fā)現(xiàn)將有望改變這種狀況。同時(shí)，運(yùn)輸技術(shù)的進(jìn)步將會(huì)有助于緩解石油運(yùn)輸系統(tǒng)所面臨的壓力。例如未來很多擬建基礎(chǔ)設(shè)施在選址時(shí)，將會(huì)統(tǒng)籌考慮如何最大限度地保證具有可持續(xù)性的石油輸送潛力，理想的、經(jīng)濟(jì)合算的公共運(yùn)輸功能將會(huì)與都市建設(shè)規(guī)劃更好地相融合，而在運(yùn)輸系統(tǒng)中合理地使用信息技術(shù)也可望大大減少燃料消耗。

美國(guó)能源部最新出版的四年一度技術(shù)評(píng)估報(bào)告，全面考察了可供未來研究的最新技術(shù)和機(jī)會(huì)。報(bào)告指出，采取措施提高交通運(yùn)輸工具的效率能夠大幅降低人類對(duì)石油的依賴程度。其中增加輕型新材料的應(yīng)用(如先進(jìn)的超高抗拉強(qiáng)度鋼、聚合物和碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料等)，尤其是在車輛中使用輕型材料更為重要，這將大大減輕運(yùn)輸車輛的自身重量。未來10到20年，在不降低安全性能的前提下交通運(yùn)輸車輛的自身重量將減輕20%到40%，而自身重量每減輕10%，就會(huì)節(jié)約燃料消耗量的6%到8%。

減少能量損失是節(jié)省燃料的一個(gè)途徑。車輛在正常行駛過程中，廢氣排放熱能損失、冷卻損失占燃料燃燒所提供能量的60%以上，再加上克服空氣阻力和輪胎的滾動(dòng)摩擦阻力等所造成的損失等因素，用于驅(qū)動(dòng)車輛正常運(yùn)行的能量只占行車燃料所提供能量的21.5%。摩擦學(xué)、廢熱能量再利用和空氣動(dòng)力學(xué)等能夠提高成本效益的技術(shù)進(jìn)步，在短期內(nèi)有望將效率提升20%，在未來15到25年最高可提升60%。

未來幾十年，使用液態(tài)運(yùn)輸燃料的內(nèi)燃機(jī)仍將居汽車動(dòng)力的主導(dǎo)地位，進(jìn)一步提升內(nèi)燃機(jī)效率是降低化石燃料消耗量的最重要途徑。目前大多數(shù)火花點(diǎn)火式發(fā)動(dòng)機(jī)的效率為25%到35%，壓燃式柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的效率大約是40%到50%。因此內(nèi)燃機(jī)效率具備很大的提升空間。

美環(huán)保局的研究成果顯示，從1987年到2006年，美國(guó)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的效率每年約提升1.4%，這些提升主要是通過提高燃燒效率和熱效率、降低機(jī)械摩擦損失和附件消耗等手段來實(shí)現(xiàn)。借助于缸內(nèi)直噴技術(shù)、稀燃技術(shù)和渦輪增壓技術(shù)，使用高標(biāo)號(hào)辛烷值燃料，火花點(diǎn)火式發(fā)動(dòng)機(jī)效率也可以達(dá)到柴油機(jī)器的水準(zhǔn)。高性能計(jì)算機(jī)的模擬功能在內(nèi)燃機(jī)研制過程中的作用也日益凸顯，利用這種方式研究人員已在提高內(nèi)燃機(jī)效率和減少?gòu)U棄排放方面取得進(jìn)展。低成本的余熱回收也可以提高內(nèi)燃機(jī)的效率，這對(duì)重型車輛來說效果更佳。其他技術(shù)途徑包括采用朗肯循環(huán)回收并再利用內(nèi)燃機(jī)廢氣能量、開發(fā)低成本高效率的固態(tài)熱電系統(tǒng)等。

蓄電池混合動(dòng)力燃料

插電式混合動(dòng)力車和全電動(dòng)輕型、中型及重型汽車將有潛力取代相當(dāng)數(shù)量的液體燃料汽車。該技術(shù)所面臨的主要挑戰(zhàn)是電池系統(tǒng)的性能和成本。電池系統(tǒng)的性能是由能量密度、功率密度、循環(huán)壽命和耐用性等因素決定。在過去5到6年內(nèi)，研究人員在電池陰極、陽(yáng)極和電解質(zhì)等方面的研發(fā)已經(jīng)取得了一系列重要進(jìn)展，有助于設(shè)計(jì)出具有微米和納米級(jí)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的柔性導(dǎo)電膜。最先進(jìn)的石墨陽(yáng)極電池和鋰電池正步入商業(yè)化階段。在未來幾年內(nèi)，能量?jī)?chǔ)存密度為每公斤200瓦時(shí)(是現(xiàn)有電池能量密度的2倍)、3個(gè)小時(shí)內(nèi)可以完成充電的電池有望得以應(yīng)用。目前汽車用電池系統(tǒng)的成本為每公斤千瓦時(shí)650美元，2030年將降為150美元。

2012年3月美國(guó)公布了“EV-Everywhere”計(jì)劃，將于2022年前建立世界通用的5人乘坐型普通價(jià)格電動(dòng)汽車的量產(chǎn)體系。該計(jì)劃要求將電池系統(tǒng)的成本降為每公斤千瓦時(shí)190到300美元。采用陽(yáng)極保護(hù)材料和非可燃電解質(zhì)的第三代鋰電池，將具有在高壓和高溫(攝氏55℃)條件下保持穩(wěn)定性的優(yōu)勢(shì)。鋰硫電池和金屬空氣電池，則有望破解鋰電池的成本和容量難題，其能量密度是現(xiàn)有鋰電池的10倍，但這需要開發(fā)出理想的陰極和陽(yáng)極保護(hù)材料、非可燃電解質(zhì)，以確保電池的電化學(xué)穩(wěn)定性。

通常情況下，電池組自耗電量為蓄電池容量的50%，為保證電池壽命必須限制其充電速度。如能成功開發(fā)出可持續(xù)監(jiān)測(cè)單個(gè)蓄電池的某些特性(如溫度、充電狀態(tài)等)的聲納技術(shù)，就可以延長(zhǎng)電池的使用壽命并增加其容量。利用能夠與由原始設(shè)備制造商提供的電池組熱管理系統(tǒng)相配套的標(biāo)準(zhǔn)化蓄電池，同樣可以降低電池的成本。

燃料電池

相對(duì)低價(jià)位的燃料電池電動(dòng)車汽車，具有續(xù)航能力遠(yuǎn)和充電速度較快的優(yōu)勢(shì)。近年來燃料電池的成本已經(jīng)降低，其壽命也已增加，但依然有提升的空間。在氫燃料電池中，鉑及鉑合金是加快化學(xué)反應(yīng)速度的最為有效的催化劑。鉑是唯一能承受電池中酸性環(huán)境的金屬，但其昂貴的價(jià)格限制了燃料電池的大規(guī)模應(yīng)用。自2005年以來，科研人員已經(jīng)成功地開發(fā)出一種新型催化劑，使燃料電池所需的鉑僅為目前用量的五分之一。但依然需要進(jìn)一步減少鉑的用量，或開發(fā)出能夠替代鉑、成本更低的其他催化劑。此外，還可以通過采用具有更高溫度和更好傳導(dǎo)性能的質(zhì)子交換膜、改進(jìn)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)制造(如濕度調(diào)節(jié)器、壓縮機(jī)以及熱流設(shè)計(jì)與成本等)來降低燃料電池的成本，提高其效率。

燃料電池汽車的車用儲(chǔ)氫器必須具有較高的單位質(zhì)量?jī)?chǔ)氫密度。美能源部認(rèn)為，車用高壓儲(chǔ)氫的單位質(zhì)量密度至少應(yīng)為6%，即每立方米儲(chǔ)存60公斤氫氣。為了滿足汽車480公里續(xù)航能力的要求，一次需儲(chǔ)氫大約4到7公斤。目前小型汽車的車用儲(chǔ)氫方式大多采用高壓儲(chǔ)氫，工作壓力為70兆帕(Mpa)的碳纖維儲(chǔ)氫瓶是目前家用汽車的最佳選擇，其售價(jià)大約為3000美元。研究人員正在致力于開發(fā)新的材料和制造工藝，以進(jìn)一步降低儲(chǔ)氫氣瓶成本。目前正在進(jìn)行的另一研究方向是，通過采用高表面積材料研究低壓吸附儲(chǔ)存氫氣。

另一個(gè)挑戰(zhàn)是加氫站的建立和氫氣來源。近年來頁(yè)巖氣的大量使用將對(duì)運(yùn)輸部門產(chǎn)生重要的影響，低價(jià)格的頁(yè)巖氣可能會(huì)有助于加快氫氣充氣站的建設(shè)步伐。此外，通過改革商業(yè)運(yùn)作模式(如建立混合發(fā)電廠)也可以獲取具有經(jīng)濟(jì)性的氫氣。但從長(zhǎng)遠(yuǎn)來說，必須開發(fā)出一種具有成本優(yōu)勢(shì)、二氧化碳凈排放量低的氫氣制取方法。[page]

天然氣燃料

天然氣燃料是各種替代燃料中最早廣泛使用的一種，它分為壓縮天然氣(CNG)和液化天然氣(LNG)兩種。作為汽車燃料，天然氣具有單位熱值高、排氣污染小、供應(yīng)可靠、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)，目前已成為世界車用清潔燃料的發(fā)展方向，而天然氣汽車則已成為發(fā)展最快、使用量最多的新能源汽車。國(guó)際天然氣汽車組織的統(tǒng)計(jì)顯示，近10年來天然氣汽車的年均增長(zhǎng)速度為20.8%，目前全世界共有大約1270萬輛使用天然氣的車輛，2020年總量將達(dá)7000萬輛，其中大部分是壓縮天然氣汽車。目前美國(guó)僅擁有11.2萬輛天然氣汽車，不到全球總量的1%，也不到美國(guó)車輛總數(shù)的1/10，因而具有很大的發(fā)展空間。

近年來美國(guó)境內(nèi)天然氣價(jià)格的大幅降低，為天然氣汽車的發(fā)展和進(jìn)一步推廣提供了新動(dòng)力。由于經(jīng)濟(jì)上的合理性，美國(guó)國(guó)內(nèi)重型長(zhǎng)途運(yùn)輸卡車采用液化天然氣取代柴油已成一個(gè)普遍選擇。一輛重型長(zhǎng)途運(yùn)輸卡車每年消耗燃料9萬升(依目前價(jià)格計(jì)算約為8萬美元)，目前液化天然氣卡車用的低溫儲(chǔ)罐和相關(guān)配套設(shè)備售價(jià)為1萬美元，其成本回收期為3到4年，未來隨著低溫儲(chǔ)罐和相關(guān)配套設(shè)備售價(jià)的逐步降低，其成本回收期會(huì)更短。重型運(yùn)輸卡車的續(xù)航里程為800到960公里，這需要每隔240到320公里建立一個(gè)天然氣燃料添加站。目前已有私營(yíng)部門計(jì)劃對(duì)這項(xiàng)基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)進(jìn)行投資，其商業(yè)前景得以提升。此外，有關(guān)部門正在考慮在貨運(yùn)列車上使用液化天然氣為動(dòng)力燃料的方案。

輕型車輛所耗燃料占全美陸路行駛車輛所耗燃料總量的75%，減少輕型車輛的耗油總量更有利于節(jié)能。目前美國(guó)境內(nèi)的公共汽車、貨運(yùn)卡車和輕型車輛已采用壓縮天然氣。在沒有補(bǔ)貼的情況下，需要開發(fā)低成本的壓縮天然氣儲(chǔ)藏技術(shù)，才能使汽車使用壓縮天然氣時(shí)較為經(jīng)濟(jì)合算。一輛平均行駛里程的汽車配置壓縮天然氣供應(yīng)系統(tǒng)設(shè)備后，其成本回收期為10到15年，年均行駛里程高于平均值的車輛或每公里耗油量較少的汽車，其回收期肯定會(huì)更短。如果能將成本回收期縮短到5年以內(nèi)，使用壓縮天然氣汽車和建立燃料充加系統(tǒng)的目標(biāo)就具有經(jīng)濟(jì)可行性。這就需要深入研發(fā)碳纖維復(fù)合材料以研制輕質(zhì)高壓存儲(chǔ)罐，同時(shí)也需要開發(fā)用于低壓天然氣儲(chǔ)藏的吸附劑。全美共有大約16萬個(gè)加油站，如果建立類似遍布全美的壓縮天然氣供應(yīng)站，其耗資遠(yuǎn)超過1000億美元，這是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。解決該問題途徑之一是研制多種燃料內(nèi)燃機(jī)。如采用壓縮天然氣—汽油雙燃料內(nèi)燃機(jī)的汽車，以壓縮天然氣為驅(qū)動(dòng)燃料行駛30到60公里后，切換為以汽油為驅(qū)動(dòng)燃料行駛，可以保證車輛能正常抵達(dá)下一個(gè)壓縮天然氣充加站。

當(dāng)然，也可以利用費(fèi)托合成技術(shù)或甲醇工藝將天然氣轉(zhuǎn)化液態(tài)燃料。目前已經(jīng)能夠大規(guī)模地從天然氣中生產(chǎn)工業(yè)用甲醇，其成本大致與汽油生產(chǎn)成本相當(dāng)。然而，以甲醇為基礎(chǔ)的燃料運(yùn)輸也將面臨添加站點(diǎn)的瓶頸。

生物燃料

生物燃料是指從植物特別是農(nóng)作物中提取適用于汽油或柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料，包括生物乙醇、生物柴油等。目前，主要以可食用農(nóng)作物為原料生產(chǎn)的第一代生物燃料已成功實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，而以非食用農(nóng)作物為主要原料生產(chǎn)的第二代生物燃料——纖維素乙醇目前仍處于中試和示范的階段。此外，研究人員也正致力于人工光合作用技術(shù)和電燃料技術(shù)的研發(fā)。

作為替代化石燃料的理想選擇，未來生物燃料將步入高速發(fā)展時(shí)代。今年5月國(guó)際能源署發(fā)布的《交通用生物燃料技術(shù)路線圖》指出，在不對(duì)環(huán)境及糧食安全帶來重大負(fù)面影響的前提下，2050年生物燃料可以替代5500萬噸到7500萬噸石油，生物燃料在運(yùn)輸燃料中的比例將由目前的2%大幅上升為27%。生物燃料持續(xù)生產(chǎn)后每年可避免21億噸的二氧化碳排放，成為交通行業(yè)第五重要的減排源。美國(guó)、巴西和歐洲等國(guó)在發(fā)展生物燃料方面居世界前列。2009年美國(guó)發(fā)布《國(guó)家生物燃料行動(dòng)計(jì)劃》，提出到2020年生物燃料將占其能源總消費(fèi)量的25%，2050年將達(dá)到50%。巴西早在2006年就已實(shí)現(xiàn)40%以上的汽油消費(fèi)由乙醇汽油取代，成為世界上唯一不供應(yīng)純汽油的國(guó)家。

第一代生物燃料以可食用農(nóng)作物(主要是玉米、大豆和甘蔗)為原料，主要是生產(chǎn)燃料乙醇和生物柴油。其最大缺點(diǎn)是與人畜爭(zhēng)奪食物資源，有可能導(dǎo)致糧食價(jià)格上漲并威脅全球糧食安全。3年前歐盟曾提出，要求2020年交通燃料的10%來自于可再生來源(其中大部分則是以糧食為基礎(chǔ)的生物燃料)。據(jù)報(bào)道，今年9月歐盟提出了一份立法草案，擬對(duì)以食用農(nóng)作物為原料的生物燃料加以限制。草案提出歐洲交通部門在2020年的總體能源消耗中，油菜籽、小麥等食用農(nóng)作物生產(chǎn)的生物燃料所占比例不得超過5%(目前這一比例為4.5%)。其主要原因就是歐盟組織的科學(xué)研究對(duì)這種燃料的減排效應(yīng)提出了質(zhì)疑，而重點(diǎn)糧食產(chǎn)區(qū)的歉收又引發(fā)了對(duì)糧食短缺的進(jìn)一步擔(dān)憂。

第二代生物燃料則以非食用農(nóng)作物(如麥稈、草和木材等農(nóng)林廢棄物)為主要原料，采用生物纖維素轉(zhuǎn)化為生物燃料的模式發(fā)展纖維素乙醇。這種生物燃料具有很多優(yōu)點(diǎn)：首先是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)不需要改造就可以直接使用摻入了生物乙醇的汽油或柴油;其次是秸稈等纖維素類農(nóng)業(yè)廢棄物大量存在，供給非常充足。此外其二氧化碳減排效果明顯。美國(guó)能源部的研究結(jié)果表明，第二代生物燃料有望減少最高達(dá)96%的二氧化碳排放;而第一代以玉米等為原料的燃料乙醇，平均僅可以減少約20%的二氧化碳排放。

要真正實(shí)現(xiàn)纖維素乙醇生產(chǎn)的商業(yè)化，關(guān)鍵在于克服木質(zhì)素降解難度大、成本高等難題。可喜的是，2012年2月，丹麥諾維信生物技術(shù)公司面向全球市場(chǎng)推出了適用于纖維素乙醇商業(yè)生產(chǎn)的新型高效酶，這是目前市場(chǎng)上性價(jià)比最佳并確保纖維素乙醇工廠達(dá)到最低生產(chǎn)成本的酶制劑產(chǎn)品，這將成為推動(dòng)纖維素乙醇商業(yè)化的重要契機(jī)。今年2月，一份題為《通向新一代乙醇經(jīng)濟(jì)》的研究報(bào)告預(yù)測(cè)，2030年前以農(nóng)作物秸稈為原料生產(chǎn)生物燃料將為全球創(chuàng)造數(shù)百萬個(gè)就業(yè)崗位，同時(shí)促進(jìn)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)，減少溫室氣體排放，提升能源供應(yīng)安全性。

藻類生物燃料也是一個(gè)發(fā)展?jié)摿薮蟮姆较颉＿@種燃料是利用一些藻類(主要是硅藻和藍(lán)藻等)的代謝特征，以淡水、海水甚至生活污水作為營(yíng)養(yǎng)源，讓藻類在太陽(yáng)光和二氧化碳的環(huán)境中進(jìn)行光合作用，生產(chǎn)出某些特定物質(zhì)，將這些物質(zhì)提煉后就可以直接用作汽車等交通工具的燃料。目前用于生產(chǎn)藻類生物燃料的方法主要是光合反應(yīng)器法、封閉環(huán)路系統(tǒng)法和開放池塘法。

藻類具有分布廣、油脂含量高、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)、生長(zhǎng)周期短、產(chǎn)量高等特點(diǎn)。截至目前藻類生物燃料的產(chǎn)量仍非常有限，但與其他非食物基原料相比，藻類的發(fā)展有明顯優(yōu)勢(shì)。2010年荷蘭科學(xué)家發(fā)表的研究成果表明，在過去的20年中微藻生產(chǎn)生物柴油的成本已從每加侖數(shù)百美元下降至數(shù)十美元，未來十年微藻生物燃料將與常規(guī)燃料的生產(chǎn)成本持平。美國(guó)Pike研究咨詢公司2011年的研究報(bào)告則預(yù)測(cè)，到2020年全球藻類生物燃料的市場(chǎng)將達(dá)到13億美元。

電燃料技術(shù)是利用微生物特別是細(xì)菌吸收化學(xué)能或電能，將二氧化碳轉(zhuǎn)化為液體運(yùn)輸燃料的新方法。通過代謝工程和合成生物學(xué)的方法，這種技術(shù)可以將二氧化碳高效地轉(zhuǎn)化為液體燃料，特別是開發(fā)能夠從氫、金屬離子、氧化還原活性物種或直接從電流中釋放能量的有機(jī)物。2010年4月，美國(guó)能源部撥款1.06億美元資助先進(jìn)的生物燃料技術(shù)開發(fā)項(xiàng)目，其中與生物能源相關(guān)的領(lǐng)域就是電燃料。

人工光合作用技術(shù)是借助于陽(yáng)光，用水、二氧化碳制造燃料和化學(xué)原料的技術(shù)。其最大優(yōu)勢(shì)是能夠?qū)⑻?yáng)能轉(zhuǎn)換為氫氣、甲醇或乙醇等化學(xué)燃料，可以直接用在汽車等燃燒液態(tài)燃料的機(jī)械中。在自然界中光合作用利用太陽(yáng)能將二氧化碳和水轉(zhuǎn)變成糖和其他碳?xì)浠衔铮湫什坏?%，人工光合作用的目標(biāo)是將轉(zhuǎn)化率提高到20%以上，為此必須研制出能快速讓水氧化的太陽(yáng)能催化劑，這是提高人工光合作用效率的關(guān)鍵。2010年美國(guó)能源部資助建立了“人工光合作用聯(lián)合中心”，5年內(nèi)將共投入1.22億美元致力于實(shí)現(xiàn)人工光合作用技術(shù)的實(shí)用化。

經(jīng)濟(jì)合算是清潔能源和可再生能源發(fā)電的生命力

2012年9月世界經(jīng)濟(jì)論壇與HIS劍橋能源研究協(xié)會(huì)聯(lián)合發(fā)布的《2012年最新能源展望報(bào)告》指出，目前已有100多個(gè)國(guó)家制定了可再生能源發(fā)展目標(biāo)，新能源產(chǎn)業(yè)的增長(zhǎng)能夠?qū)夂颉⒛茉春徒鹑陬I(lǐng)域的危機(jī)轉(zhuǎn)變?yōu)槿碌目沙掷m(xù)增長(zhǎng)機(jī)遇，從而為世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供新動(dòng)力。2011年全球可再生能源發(fā)電量比2010年增長(zhǎng)了17.7%，連續(xù)8年呈兩位數(shù)增長(zhǎng)，可再生能源發(fā)電量占當(dāng)年全球發(fā)電總量的3.8%。其中風(fēng)能發(fā)電量增長(zhǎng)了25.8%，首次超過當(dāng)年可再生能源發(fā)電總量的50%。受日本福島核事故的影響，2011年全球核電總發(fā)電量為2518太瓦時(shí)，比2010年減少了4.3%。

盡管前景誘人，但要廣泛應(yīng)用可再生能源發(fā)電必須有效地降低其成本。2011年5月，聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專門委員會(huì)發(fā)布的一份報(bào)告指出，目前全球已有的可再生能源技術(shù)潛力只有2.5%得到了利用，如果這些潛力能夠在正確的公共政策支持下得到充分利用，到2050年可再生能源將能提供全球每年能源需求的77%，并能減少總量高達(dá)2200到5600噸的二氧化碳排放。報(bào)告同時(shí)指出，可再生能源的推廣在經(jīng)濟(jì)性和技術(shù)方面都將面臨巨大的挑戰(zhàn)。

據(jù)國(guó)際能源署預(yù)測(cè)，未來很多國(guó)家都將會(huì)采取碳定價(jià)等措施，努力減少發(fā)電過程中溫室氣體的排放量，但可再生能源發(fā)電未來成本的降幅卻并不令人樂觀，如2020年海上風(fēng)能發(fā)電站的均化成本為每千瓦時(shí)90美元(以2010年美元的實(shí)際價(jià)值計(jì)算)，美國(guó)能源信息署預(yù)測(cè)2016年其成本為每千瓦時(shí)80到120美元。

從發(fā)電站的均化成本來看，風(fēng)能發(fā)電站(發(fā)電風(fēng)速為每秒7到7.5米)為每千瓦時(shí)73美元(不包含電力輸送成本)，專家預(yù)計(jì)2020年將降為每千瓦時(shí)60美元以下。2011到2012年期間建成的公用事業(yè)太陽(yáng)能光伏發(fā)電站，在沒有任何補(bǔ)貼的情況下其成本為每千瓦時(shí)150美元，這與《通向新一代乙醇經(jīng)濟(jì)》研究報(bào)告的估算基本吻合。在某些自然條件較好的地區(qū)，未來太陽(yáng)能光伏發(fā)電成本可以降為每千瓦時(shí)60到120美元。目前美國(guó)傳統(tǒng)的天然氣循環(huán)發(fā)電站成本最低，為每千瓦時(shí)50到60美元。除了均化成本之外，電站規(guī)模、儲(chǔ)存電力的潛力等因素也同樣十分重要。

對(duì)某些均化成本超過每千瓦時(shí)200美元的地區(qū)來說，目前可再生能源發(fā)電已經(jīng)具備了價(jià)格優(yōu)勢(shì)。據(jù)預(yù)測(cè)，未來全球范圍內(nèi)風(fēng)能、太陽(yáng)能發(fā)電的成本將會(huì)越來越趨于經(jīng)濟(jì)合算。此外，隨著高性能、低成本和耐用的儲(chǔ)能電池的研發(fā)，電力儲(chǔ)能技術(shù)將有望使中、小規(guī)模輸電網(wǎng)絡(luò)滿足偏遠(yuǎn)農(nóng)村地區(qū)的用電需求。

盡管未來各種可再生能源發(fā)電成本將會(huì)持續(xù)降低，但要充分發(fā)揮其作用必須將其與現(xiàn)有發(fā)電方式進(jìn)行有效整合，克服可再生能源發(fā)電在輸送、分配、存儲(chǔ)等環(huán)節(jié)的瓶頸。2050年可再生能源發(fā)電將占全美電力供應(yīng)總量的8%，即使要實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)的一半，依然需要在技術(shù)創(chuàng)新、運(yùn)營(yíng)程序、商業(yè)運(yùn)作模式和管理措施等方面對(duì)現(xiàn)有電力系統(tǒng)進(jìn)行改革。[page]

太陽(yáng)能發(fā)電

太陽(yáng)能發(fā)電主要分為太陽(yáng)能光伏發(fā)電和太陽(yáng)熱能發(fā)電兩種。2011年全球新增太陽(yáng)能發(fā)電裝機(jī)容量約2800萬千瓦，累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)6900萬千瓦，當(dāng)年全球太陽(yáng)能產(chǎn)值為930億美元。歐盟在太陽(yáng)能發(fā)電方面居于領(lǐng)先地位，但美國(guó)和中國(guó)的發(fā)展勢(shì)頭迅猛。今年3月美國(guó)太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)和GTM市場(chǎng)調(diào)研公司共同發(fā)布的報(bào)告預(yù)計(jì)，到2016年美國(guó)占全球太陽(yáng)能板市場(chǎng)的份額將由2011年7%提升至15%。屆時(shí)，美國(guó)與中國(guó)可能將成為全球兩大領(lǐng)先的太陽(yáng)能市場(chǎng)。

太陽(yáng)能光伏發(fā)電是利用太陽(yáng)能電池將太陽(yáng)光能直接轉(zhuǎn)化為電能。光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由太陽(yáng)能電池、蓄電池、控制器和逆變器組成，其中太陽(yáng)能電池是光伏發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，太陽(yáng)能電池板的質(zhì)量和成本將直接決定整個(gè)系統(tǒng)的質(zhì)量和成本。太陽(yáng)能電池主要分為晶體硅電池和薄膜電池兩類，前者包括單晶硅電池、多晶硅電池兩種，后者主要包括非晶體硅太陽(yáng)能電池、銅銦鎵硒太陽(yáng)能電池和碲化鎘太陽(yáng)能電池。

單晶硅太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率為15%左右，最高可達(dá)23%，在太陽(yáng)能電池中光電轉(zhuǎn)換效率最高，但其制造成本高。單晶硅太陽(yáng)能電池的使用壽命一般可達(dá)15年，最高可達(dá)25年。多晶硅太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率為14%到16%，其制作成本低于單晶硅太陽(yáng)能電池，因此得到大量發(fā)展，但多晶硅太陽(yáng)能電池的使用壽命要比單晶硅太陽(yáng)能電池要短。

提高太陽(yáng)能發(fā)電競(jìng)爭(zhēng)力的途徑，就是要提高其光電轉(zhuǎn)換效率，降低生產(chǎn)成本。因此，硅太陽(yáng)能電池的研發(fā)主要圍繞以下兩個(gè)方面進(jìn)行：一是提高太陽(yáng)光輻照能轉(zhuǎn)化為電能的光電轉(zhuǎn)換效率;二是大幅度降低單瓦成本。

2010年美國(guó)能源部啟動(dòng)了“太陽(yáng)計(jì)劃”，旨在降低太陽(yáng)能發(fā)電的均化成本，計(jì)劃到2020年在沒有補(bǔ)貼的前提下將其降為每千瓦50到60美元。就公用事業(yè)電站項(xiàng)目的太陽(yáng)能發(fā)電而言，其安裝成本必須降至每瓦1美元，其中太陽(yáng)能電池模塊的成本為每瓦0.5美元，并入常規(guī)電網(wǎng)的成本為每瓦0.1美元，軟性成本(包括安裝、許可證的獲取和其他成本等)為每瓦0.4美元。據(jù)美國(guó)SunRun發(fā)布的一份報(bào)告顯示，地方審批流程這一項(xiàng)就使每戶住宅的光伏安裝成本增加2500多美元，降低這類軟性成本也有利于提高太陽(yáng)能的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，而“太陽(yáng)計(jì)劃”的目標(biāo)之一就是致力于降低軟性成本以降低模塊成本。

由于產(chǎn)能過剩、全球經(jīng)濟(jì)不景氣，以及工程和制造技術(shù)的創(chuàng)新，硅太陽(yáng)能模塊的售價(jià)自2008年第2季度以來大幅降低：從原來的每瓦4美元降為每瓦1美元。隨著未來技術(shù)創(chuàng)新步伐的加快，其售價(jià)將會(huì)降為每瓦0.8美元，2020年將降為每瓦0.5美元。相比之下，軟性成本的降幅不大。

薄膜太陽(yáng)能電池是用硅、硫化鎘、砷化鎵等薄膜為基體材料的太陽(yáng)能電池。薄膜太陽(yáng)能電池可以使用質(zhì)輕、價(jià)低的基底材料(如玻璃、塑料、陶瓷等)來制造，形成可產(chǎn)生電壓的薄膜厚度不到1微米，便于運(yùn)輸和安裝。然而，沉淀在異質(zhì)基底上的薄膜會(huì)產(chǎn)生一些缺陷，因此現(xiàn)有的碲化鎘和銅銦鎵硒太陽(yáng)能電池的規(guī)模化量產(chǎn)轉(zhuǎn)換效率只有12%到14%，而其理論上限可達(dá)29%。如果在生產(chǎn)過程中能夠減少碲化鎘的缺陷，將會(huì)增加電池的壽命，并提高其轉(zhuǎn)化效率。這就需要研究缺陷產(chǎn)生的原因，以及減少缺陷和控制質(zhì)量的途徑。太陽(yáng)能電池界面也很關(guān)鍵，需要大量的研發(fā)投入。

此外，也需要設(shè)計(jì)一套在線監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng)，以改進(jìn)生產(chǎn)質(zhì)量控制，并將之作為一種長(zhǎng)期性措施。目前，碲化鎘薄膜太陽(yáng)能板的成本最低(大約為每瓦0.7美元)。未來20到25年，所有新型太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)都將受惠于財(cái)政貼息政策，因此光伏發(fā)電技術(shù)必將有相當(dāng)大的發(fā)展空間，這將增強(qiáng)該項(xiàng)技術(shù)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。如果能夠?qū)⒐怆娹D(zhuǎn)化率從17%提高到20%，太陽(yáng)能電板的成本和某些軟性成本將會(huì)大幅度降低，這將會(huì)給未來的市場(chǎng)帶來變革性的重大影響，其影響可以與將多晶硅太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)化效率提高到18%以上相媲美。

高效多結(jié)太陽(yáng)能電池技術(shù)也非常引人注目。高效多結(jié)太陽(yáng)能電池是指針對(duì)太陽(yáng)光譜，在不同的波段選取不同帶寬的半導(dǎo)體材料做成多個(gè)太陽(yáng)能子電池，最后將這些子電池串聯(lián)形成多結(jié)太陽(yáng)能電池。

太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)異常激烈，從經(jīng)濟(jì)性的角度考慮，任何一項(xiàng)技術(shù)只有在商業(yè)化規(guī)模上能將太陽(yáng)電池板的成本降為每瓦0.5美元，才有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

太陽(yáng)熱能發(fā)電是利用集熱器將太陽(yáng)輻射能轉(zhuǎn)換為熱能，并通過熱力循環(huán)過程進(jìn)行發(fā)電，其均化成本可以降為每千瓦時(shí)50到60美元。太陽(yáng)熱能發(fā)電系統(tǒng)有三類：拋物槽式聚焦系統(tǒng)、塔式聚焦系統(tǒng)和碟式系統(tǒng)，轉(zhuǎn)換效率大約為30%到35%。聚焦式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)的傳熱工質(zhì)主要是水、水蒸汽和熔鹽等，這些傳熱工質(zhì)在接收器內(nèi)可以加熱到攝氏450度然后用于發(fā)電。此外，該發(fā)電方式的儲(chǔ)熱系統(tǒng)可以將熱能暫時(shí)儲(chǔ)存數(shù)小時(shí)，以備用電高峰時(shí)之需。

拋物槽式聚焦系統(tǒng)是利用拋物柱面槽式發(fā)射鏡將陽(yáng)光聚集到管形的接收器上，并將管內(nèi)傳熱工質(zhì)加熱，在熱換氣器內(nèi)產(chǎn)生蒸汽，推動(dòng)常規(guī)汽輪機(jī)發(fā)電。塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)是利用一組獨(dú)立跟蹤太陽(yáng)的定日鏡，將陽(yáng)光聚集到一個(gè)固定塔頂部的接收器上以產(chǎn)生高溫。

為了實(shí)現(xiàn)均化成本為每千瓦時(shí)50到60美元的目標(biāo)，必須提高熱機(jī)的效率。這需要將傳熱工質(zhì)的溫度加熱到攝氏600度，需要研制性能更好的拋物柱面太陽(yáng)能反射鏡和發(fā)電塔。此外，也需要研發(fā)太陽(yáng)能聚熱器使用的低成本、耐高溫新型材料。如果能將太陽(yáng)聚熱器內(nèi)傳熱工質(zhì)的溫度加熱到攝氏600度以上，太陽(yáng)熱能發(fā)電將能與天然氣混合循環(huán)發(fā)電技術(shù)相媲美。

另一個(gè)有潛力的途徑是將太陽(yáng)能光伏發(fā)電和熱能發(fā)電有機(jī)地結(jié)合起來。可將聚光太陽(yáng)輻射中的可見光譜過濾出來用于光伏發(fā)電，其余光譜用于熱能發(fā)電;此外，由于太陽(yáng)熱能發(fā)電極少能完全利用聚光太陽(yáng)輻射，這也為光伏發(fā)電和太陽(yáng)能聚熱器的有機(jī)整合提供了可能性。

利用太陽(yáng)熱能發(fā)電需要及時(shí)準(zhǔn)確預(yù)測(cè)太陽(yáng)輻射量的變化情況，以適應(yīng)計(jì)劃配電的需要。同時(shí)還需要開發(fā)相應(yīng)的電力儲(chǔ)能技術(shù)，以克服太陽(yáng)能發(fā)電波動(dòng)性所帶來的諸多不便。

風(fēng)能發(fā)電

風(fēng)能發(fā)電是可再生能源領(lǐng)域中技術(shù)最成熟、最具商業(yè)化發(fā)展前景的發(fā)電方式之一。全球風(fēng)能理事會(huì)今年2月發(fā)布的報(bào)告指出，2011年全球風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的安裝量為41GW(1GW為10億瓦)，比2010年增加了21個(gè)百分點(diǎn)，全球的安裝總量達(dá)到238GW。此外，全球75%的國(guó)家安裝了商用風(fēng)力發(fā)電項(xiàng)目，且這些國(guó)家中的22%，安裝量還超過了1GW。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組由風(fēng)輪、發(fā)電機(jī)和風(fēng)能塔三部分組成。其發(fā)電原理是利用風(fēng)力帶動(dòng)風(fēng)車葉片旋轉(zhuǎn)，再透過增速機(jī)將旋轉(zhuǎn)的速度提升來促使發(fā)電機(jī)發(fā)電。目前全球最大風(fēng)力渦輪機(jī)的發(fā)電容量為7.5兆瓦，而大多數(shù)渦輪機(jī)的容量為1.5到2兆瓦。近年來渦輪機(jī)、葉片和變速箱等領(lǐng)域的巨大技術(shù)進(jìn)步，以及風(fēng)能塔高度的不斷增高，使風(fēng)能發(fā)電成本也不斷降低。

海上風(fēng)力發(fā)電是風(fēng)電的一個(gè)新增長(zhǎng)點(diǎn)。目前全球海上風(fēng)電裝機(jī)容量為100萬千瓦，歐盟風(fēng)能協(xié)會(huì)預(yù)測(cè)到2020年風(fēng)電裝機(jī)容量將達(dá)到1.8億千瓦，其中海上風(fēng)電約為8000萬千瓦。英國(guó)的塔奈特海上風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)是目前全球最大的海上風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)，它由100多座巨型渦輪機(jī)組成，發(fā)電總量最高可達(dá)3兆瓦。

海上風(fēng)力發(fā)電具有風(fēng)力資源豐富、風(fēng)速穩(wěn)定、對(duì)環(huán)境負(fù)面影響較少等優(yōu)點(diǎn)，但對(duì)風(fēng)機(jī)質(zhì)量和可靠性要求很高。海上風(fēng)電機(jī)組必須能夠承受海上強(qiáng)風(fēng)、腐蝕和波浪沖擊等惡劣環(huán)境，其基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，技術(shù)難度和建設(shè)成本都很高。此外，海上風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)用也很高，如風(fēng)電機(jī)組需要采取防腐處理等特別措施，也需要設(shè)計(jì)、安裝特殊的維修裝置,這些都會(huì)導(dǎo)致發(fā)電成本的增加。目前在海上風(fēng)電場(chǎng)的總投資中，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)占15%到25%，而陸上風(fēng)電場(chǎng)僅為5%到10%。因此，發(fā)展低成本的海上風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)是降低其成本的主要途徑。據(jù)世界風(fēng)能協(xié)會(huì)預(yù)測(cè)，2020年海上風(fēng)機(jī)的造價(jià)將降低40%以上，發(fā)電成本也可同幅下降。

低碳化技術(shù)(CCS和CCUS)

為保證全球能夠繼續(xù)使用化石燃料發(fā)電，在未來數(shù)十年內(nèi)必須大幅降低發(fā)電廠等主要二氧化碳排放源的排放量。一方面，需要進(jìn)一步提高熱力效率改善成本效益，合理地采用熱電聯(lián)產(chǎn)和廢熱利用等途徑;另一方面，必須對(duì)煤炭和天然氣電廠及其他大規(guī)模的二氧化碳排放源(如水泥廠等)采用碳捕獲和封存技術(shù)(CCS)。

CCS是指通過碳捕捉技術(shù)，將工業(yè)和某些能源產(chǎn)業(yè)所生產(chǎn)的二氧化碳分離出來，再通過碳儲(chǔ)存手段，將其輸送并封存到海底或地下等與大氣隔絕的地方。碳捕獲和封存分為三個(gè)階段：捕獲階段，從電力生產(chǎn)、工業(yè)生產(chǎn)和燃料處理過程中分離、收集二氧化碳，并將其凈化和壓縮。目前采用的方法是燃燒后捕獲、燃燒前捕獲和富氧燃燒捕獲;運(yùn)輸階段，將收集到的二氧化碳通過管道和船只等運(yùn)輸?shù)椒獯娴?封存階段，主要采用地質(zhì)封存、海洋封存和化學(xué)封存三種方式。

目前CCS技術(shù)仍處于試驗(yàn)階段，因其成本過高而難以大規(guī)模推廣。據(jù)麥肯錫咨詢公司估計(jì)，捕獲和處理二氧化碳的成本大約為每噸75到115美元，與開發(fā)風(fēng)能、太陽(yáng)能等可再生能源的成本相比并不具備競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。此外，由于被捕獲的二氧化碳缺乏良好的工業(yè)應(yīng)用，封存是碳捕捉的最終路徑。CCS技術(shù)的普及與二氧化碳的排放價(jià)格也密切相關(guān)，當(dāng)二氧化碳價(jià)格為每噸25到30美元時(shí)，CCS技術(shù)的推廣速度將會(huì)加快。2012年5月，由歐盟資助的目前世界最大的碳捕獲和封存示范工程在挪威建成，其總投資為10億美元，設(shè)計(jì)能力為年捕獲二氧化碳10萬噸。

如果利用CCS技術(shù)將現(xiàn)有煤焚電廠進(jìn)行技術(shù)改造，可以捕獲其二氧化碳排放量的90%，但所需費(fèi)用相當(dāng)于重新建造一座電廠。此外，發(fā)電廠生產(chǎn)的電力將有20%到40%被用于二氧化碳的分離、壓縮和輸送。因此，只有那些最具有超臨界或超超臨界機(jī)組的發(fā)電廠采用這種技術(shù)才比較合算。全球知名的埃森哲咨詢公司曾對(duì)配備碳捕獲和封存設(shè)備的發(fā)電場(chǎng)的成本進(jìn)行預(yù)估，結(jié)果顯示到2020年，將現(xiàn)有電廠翻新配備碳捕獲設(shè)備并將捕獲的碳加以封存，將使每度電的成本增加約3美分，使其成本增加為8美分左右，接近于2015年風(fēng)力發(fā)電和2050年太陽(yáng)能發(fā)電的預(yù)估價(jià)格。由于碳捕獲和封存的成本仍高于國(guó)際上的碳交易價(jià)格，而配備碳捕獲與封存設(shè)備將使燃煤發(fā)電廠的成本提高，因此除非政府提供補(bǔ)助，或開征高額碳稅以增加廠商的經(jīng)濟(jì)誘因，否則碳捕獲與封存尚難以產(chǎn)生具有利潤(rùn)的商業(yè)模式。

基于此，開發(fā)碳捕獲、利用和封存技術(shù)(CCUS)，探索利用二氧化碳進(jìn)行油氣增產(chǎn)和地?zé)嵩霎a(chǎn)的相關(guān)技術(shù)途徑，將成為一個(gè)具有吸引力的方向。研究人員可以利用高清晰仿真模擬技術(shù)來研究先進(jìn)的CCS和CCUS，以減少小規(guī)模示范性工程向大型實(shí)用化系統(tǒng)轉(zhuǎn)化過程中的風(fēng)險(xiǎn)，加快工業(yè)界采用這些技術(shù)的進(jìn)程。[page]

核能發(fā)電

核能發(fā)電是利用核反應(yīng)堆中核裂變所釋放出的熱能進(jìn)行發(fā)電，它是實(shí)現(xiàn)低碳發(fā)電的一種重要方式。國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)2011年1月公布的數(shù)據(jù)顯示，全球正在運(yùn)行的核電機(jī)組共442座，核電發(fā)電量約占全球發(fā)電總量的16%。擁有核電機(jī)組最多的國(guó)家依次為：美國(guó)、法國(guó)、日本和俄羅斯。

2011年，日本福島核電站事故影響了全球核電發(fā)展的步伐。當(dāng)年德國(guó)和日本共減少了180太瓦時(shí)的核能發(fā)電量，核能發(fā)電占全球發(fā)電總量的比例下降為12%。此外，福島核事故也促使一些國(guó)家紛紛重新審視和調(diào)整了各自的核電政策。

2011年，德國(guó)宣布所有的核電站都將按計(jì)劃在2022年全部停運(yùn)，它將成為近25年來首個(gè)放棄核能發(fā)電的主要工業(yè)化國(guó)家，意大利和瑞士也相繼宣布將全面放棄核電。2012年9月，日本政府在其出臺(tái)的“可再生能源及環(huán)境戰(zhàn)略”草案中，提出“早日擺脫依賴核電”的目標(biāo)。計(jì)劃分兩個(gè)階段實(shí)現(xiàn)“零核電”，2030年核電發(fā)電比例低于15%，此后再力爭(zhēng)廢除核電。

美國(guó)、法國(guó)等國(guó)家則堅(jiān)持發(fā)展核電的既定方針。美國(guó)核管理委員會(huì)提出了一系列建議，希望核電站有能力應(yīng)對(duì)超出原設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的意外情況，包括長(zhǎng)時(shí)間電力中斷和多座反應(yīng)堆同時(shí)受損。2012年2月，該委員會(huì)批準(zhǔn)佐治亞州一座核電站可修建兩個(gè)新的核反應(yīng)堆，這是美國(guó)30多年來首次批準(zhǔn)新建核反應(yīng)堆。法國(guó)的核電占全國(guó)用電量的75%，是世界上核電使用比例最高的國(guó)家。法國(guó)政府表示不會(huì)放棄核電，認(rèn)為采用核電是確保其能源獨(dú)立必不可少的條件。英國(guó)也堅(jiān)持繼續(xù)發(fā)展核電。在其最新提出的核電建設(shè)計(jì)劃中，準(zhǔn)備新建總裝機(jī)容量達(dá)1600萬千瓦的核電站，并計(jì)劃在2050年之前重新建設(shè)22座反應(yīng)堆，以替代目前正在運(yùn)行的20個(gè)反應(yīng)堆。俄羅斯國(guó)內(nèi)18%的電力供應(yīng)來自核電，預(yù)計(jì)到2020年俄羅斯的核電裝機(jī)將在目前的基礎(chǔ)上增加一倍。印度核能發(fā)電目前占全國(guó)電力供應(yīng)的3%，它計(jì)劃2030年將這一比例提高到13%，2050年達(dá)到25%。

核電站的安全性和核能發(fā)電的成本是制約核電發(fā)展的兩個(gè)重要因素。在美國(guó)，一座核電廠的正常運(yùn)營(yíng)成本是每兆瓦時(shí)23美元,其中包括每兆瓦時(shí)1美元的核廢料基金，用于支付核燃料處理費(fèi)用。據(jù)估算，每座核電廠退役的成本為5000萬美元，其中包括廢棄核燃料處置費(fèi)用和核電站現(xiàn)場(chǎng)恢復(fù)費(fèi)用。盡管核能發(fā)電存在潛在的安全隱患，甚至可能涉及核武器擴(kuò)散問題，但面對(duì)全球變暖帶來的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，人類依然需要以積極穩(wěn)妥的方式發(fā)展核電。

第三代核能發(fā)電廠較之前的核電廠更為安全可靠。一旦核反應(yīng)堆發(fā)生緊急關(guān)閉的情況，在無法從外部獲得應(yīng)急電力和冷卻水的情況下，新反應(yīng)堆可以安全地冷卻3天。其最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)被動(dòng)式安全，在反應(yīng)堆突然關(guān)閉時(shí)不需要外界的主動(dòng)控制就可以基本保證反應(yīng)堆的安全。

新建核電廠的均化成本約為每兆瓦時(shí)100到120美元，雖與天然氣發(fā)電相比缺乏競(jìng)爭(zhēng)力，但低于配備CCS技術(shù)的化石燃料電廠的成本。另一個(gè)挑戰(zhàn)是，一座發(fā)電量為1.0到1.5GW的反應(yīng)堆在配置冷卻系統(tǒng)和電力配送設(shè)備后的體積較大。這種核發(fā)應(yīng)堆的建設(shè)成本包括核工程設(shè)計(jì)費(fèi)、采購(gòu)和建造費(fèi)、運(yùn)營(yíng)和維護(hù)費(fèi)以及退役處理費(fèi)等，每千瓦容量的平均成本約為6000到6600美元，相當(dāng)于天然氣發(fā)電平均成本的6倍。因此，建造這樣一座核反應(yīng)堆的總造價(jià)大約為60億到100億美元。此外，巨大的財(cái)務(wù)風(fēng)險(xiǎn)、建造風(fēng)險(xiǎn)和運(yùn)營(yíng)許可證被耽擱等因素都會(huì)增加核電廠的建設(shè)成本。

應(yīng)美國(guó)核管制委員會(huì)的要求，目前美能源部積極推進(jìn)裝機(jī)容量為80到300百萬瓦的小型模塊化核反應(yīng)堆開發(fā)和設(shè)計(jì)認(rèn)證的研究。采用這種核反應(yīng)堆，利用核能的方式可以更加安全。未來的核電廠可以由十幾個(gè)經(jīng)濟(jì)可靠型的小型模塊化反應(yīng)堆組成，而不是采用以前一次性建造一個(gè)大型核反應(yīng)堆的做法。與此同時(shí)，隨著獲得核電站運(yùn)營(yíng)許可證和建造工期延誤等方面風(fēng)險(xiǎn)的減少，發(fā)展中小型核反應(yīng)堆可能代表未來核電發(fā)展的一種新模式。

早在2011年5月美能源部就成立了“先進(jìn)輕水反應(yīng)堆模擬仿真聯(lián)盟”，利用超級(jí)計(jì)算機(jī)來研究輕水反應(yīng)堆的性能，并開發(fā)高度復(fù)雜的模型來進(jìn)行模擬仿真，以加快傳統(tǒng)核反應(yīng)堆及小型模塊化反應(yīng)堆的開發(fā)和設(shè)計(jì)認(rèn)證進(jìn)程。今年1月，美國(guó)又宣布了一項(xiàng)為期5年、總金額達(dá)4.52億美元的成本分?jǐn)傆?jì)劃，以支持首批兩個(gè)小型模塊化反應(yīng)堆的設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)認(rèn)證和許可證申請(qǐng)工作。

電力儲(chǔ)能技術(shù)

如何保持電力生產(chǎn)和供應(yīng)之間的平衡并使之最優(yōu)化是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)，這需要統(tǒng)籌協(xié)調(diào)技術(shù)進(jìn)步、商業(yè)運(yùn)作和管理政策等諸多因素。電力儲(chǔ)能技術(shù)是智能電網(wǎng)、可分布式發(fā)電、微電網(wǎng)以及可再生能源并入常規(guī)電網(wǎng)不可或缺的支撐技術(shù)，有助于電網(wǎng)系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定、高效運(yùn)行，大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)則有望將可再生能源發(fā)電并入常規(guī)電網(wǎng)的比例提高到20%以上。據(jù)Pike Research預(yù)測(cè)，從2011年到2021年的十年間，儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的全球總投資將超過1220億美元，其中用于可再生能源并網(wǎng)(特別是風(fēng)電)和電力市場(chǎng)削峰填谷的投資將分別占50%和31%。

由于受到季節(jié)、氣象和地域等條件的影響，風(fēng)能和太陽(yáng)能發(fā)電等可再生能源發(fā)電存在明顯的隨機(jī)性、間隙性和波動(dòng)性等問題，其電力大規(guī)模并入常規(guī)電網(wǎng)會(huì)對(duì)電網(wǎng)調(diào)峰和系統(tǒng)安全運(yùn)行帶來顯著影響。研究表明，如果風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)占電網(wǎng)容量比例達(dá)20%以上，電網(wǎng)的調(diào)峰能力和安全運(yùn)行將面臨巨大挑戰(zhàn)。而電力儲(chǔ)能技術(shù)在很大程度上解決了上述問題，使大規(guī)模風(fēng)力發(fā)電和太陽(yáng)能發(fā)電能夠方便可靠地并入常規(guī)電網(wǎng)，因而成為提高電網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定性、調(diào)整頻率、補(bǔ)償負(fù)荷波動(dòng)的一種有效手段。

儲(chǔ)能技術(shù)主要分為物理儲(chǔ)能(如抽水儲(chǔ)能、壓縮空氣儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能等)、化學(xué)儲(chǔ)能(如鉛酸電池、氧化還原液流電池、鈉流電池、鋰離子電池)和電磁儲(chǔ)能(如超導(dǎo)電磁儲(chǔ)能、超級(jí)電容器儲(chǔ)能等)三大類。根據(jù)各種儲(chǔ)能技術(shù)的特點(diǎn)，飛輪儲(chǔ)能、超導(dǎo)電磁儲(chǔ)能和超級(jí)電容器儲(chǔ)能適合于需要提供短時(shí)較大的脈沖功率場(chǎng)合，如應(yīng)對(duì)電壓暫降和瞬時(shí)停電、提高用戶的用電質(zhì)量，抑制電力系統(tǒng)低頻振蕩、提高系統(tǒng)穩(wěn)定性等;而抽水儲(chǔ)能、壓縮空氣儲(chǔ)能和電化學(xué)電池儲(chǔ)能適合于系統(tǒng)調(diào)峰、大型應(yīng)急電源、可再生能源并入等大規(guī)模、大容量的應(yīng)用場(chǎng)合。

目前最成熟的大規(guī)模儲(chǔ)能方式是抽水蓄能，它需要配建上、下游兩個(gè)水庫(kù)。在負(fù)荷低谷時(shí)段抽水蓄能設(shè)備處于電動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)，將下游水庫(kù)的水抽到上游水庫(kù)保存，在負(fù)荷高峰時(shí)設(shè)備處于發(fā)電機(jī)工作狀態(tài)，利用儲(chǔ)存在上游水庫(kù)中的水發(fā)電。其能量轉(zhuǎn)換效率在70%到75%左右。但由于受建站選址要求高、建設(shè)周期長(zhǎng)和動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)響應(yīng)速度慢等因素的影響，抽水儲(chǔ)能技術(shù)的大規(guī)模推廣應(yīng)用受到一定程度的限制。目前全球抽水儲(chǔ)能電站總裝機(jī)容量9000萬千瓦，約占全球發(fā)電裝機(jī)容量的3%。

壓縮空氣儲(chǔ)能是另一種能實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用的儲(chǔ)能方式。利用這種儲(chǔ)能方式，在電網(wǎng)負(fù)荷低谷期將富余電能用于驅(qū)動(dòng)空氣壓縮機(jī)，將空氣高壓密封在山洞、報(bào)廢礦井和過期油氣井中;在電網(wǎng)負(fù)荷高峰期釋放壓縮空氣推動(dòng)燃汽輪機(jī)發(fā)電。由于具有效率高、壽命長(zhǎng)、響應(yīng)速度快等特點(diǎn)，且能源轉(zhuǎn)化效率較高(約為75%左右)，因而壓縮空氣儲(chǔ)能是具有發(fā)展?jié)摿Φ膬?chǔ)能技術(shù)之一。

加快開發(fā)新能源是人類的明智選擇

隨著化石能源的不斷發(fā)現(xiàn)和采掘技術(shù)的進(jìn)步，未來數(shù)十年內(nèi)其成本依然會(huì)比其他零碳排放能源具有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。此外，從美國(guó)目前的狀況來看，未來50年能源供應(yīng)結(jié)構(gòu)依然會(huì)保持能源形式多樣化的局面。但為了能夠及時(shí)減緩未來全球氣候變暖的風(fēng)險(xiǎn)，必須加速清潔能源和可再生能源技術(shù)大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用的步伐。雖然任何技術(shù)創(chuàng)新將取決于其所能帶來的效益，但人類的惰性、現(xiàn)實(shí)狀況及可預(yù)見的財(cái)務(wù)風(fēng)險(xiǎn)等因素，使人們更傾向于維持現(xiàn)狀。為此，各國(guó)政府的政策必須致力于激勵(lì)發(fā)明和創(chuàng)新，并使之能與市場(chǎng)力量密切配合。

過去30年間，全球發(fā)生極端天氣事件(如極端高溫、洪水和干旱等)的頻度不斷增加，由此造成的經(jīng)濟(jì)損失每年超過1500億美元，而越來越多的證據(jù)也表明極端天氣事件與全球氣候變暖有關(guān)。雖然緩解這種狀況的總體代價(jià)具有巨大的不確定性，但我們需要制定相關(guān)政策，將各種能源形式的總體成本直接考量到其市場(chǎng)價(jià)格中。

未來幾十年，全球范圍內(nèi)使用經(jīng)濟(jì)合算的可再生能源的需求將會(huì)不斷增加，人類利用可再生能源的效率也將會(huì)不斷提高，其成本也會(huì)越來越具有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。隨著科技的進(jìn)步、研發(fā)投入的加大、公共政策關(guān)注力度的增加，以及公眾認(rèn)識(shí)程度的逐步提高，人類利用經(jīng)濟(jì)合算、可獲取和具有可持續(xù)性的能源步伐一定會(huì)加快，并將以此推動(dòng)作為經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的動(dòng)力，增加能源安全和減緩全球氣候變暖的風(fēng)險(xiǎn)。否則，人類將會(huì)遇到難以預(yù)測(cè)的后果。正如國(guó)際能源署在《全球能源展望》中所指出的那樣——“如果我們?nèi)祟惒桓淖兡壳暗姆较颍磥韺?huì)在這條道路上毀滅自己。”