杜祥琬：能源科技发展前沿及未来方向

— 能源变革的大趋势 —

❶ 环境的战略地位在提升, 观念在进步      

       这是“以人为本”的基本诉求; 逐步认识到 “环境保护是第一要务”, 而不是“大开发”, 在保护中发展, 在环境容量下发展; 气候变化成为全球性的环境问题, 应对气候变化正在引领全球能源的低碳转型。由此提出: 重塑能源, 绿色化、低碳化、高效化, 逐步走向以非化石能源为主的结构。能源科技创新进入高度活跃期。 

❷ 未来社会的形态与能源转型

      未来将是更加个性化的以消费者为中心的社会, 需要更多的分布式能源供给, 智能化网络化的管理使能效提升; 基础设施的投资将加大对分布式电器、分布式发电设施以及智能化的投资, 把智能技术与绿色、低碳能源相结合; 人类将拥有更高的资源循环利用能力。

❸ 欧盟、美国、日本都提出了高比例发展非化石能源的战略目标, 许多发展中国家也树立了“把脱贫与可持续相结合”的发展战略

     为提高低碳能源的竞争力, 需着力发展相应新材料、新工艺、新概念、新技术, 特别是与信息技术与数字技术的深度融合, 占领未来能源科技的战略制高点。如欧盟的目标是: 2020年比1990年: 能效提高20%, 可再生能源占比提高20%, 一次能源消耗降20%; 2050年比1990年: GHG排放减少80%~95%, 可再生能源占终端能源的75%。

{ 能源科技发展的若干前沿领域  }

— 储能技术可能具有颠覆性—

      高能量密度储能技术可能是一个颠覆性的技术领域, 它将与间歇性可再生能源配合, 使其高效规模化发展; 它将使电动汽车轻量、小型; 并将使智能电力系统节能提效, 也可用于智能小区的管理等。所以, 储能技术是各国着力创新的领域。

❶ 化学储能

     以色列研制的空气锂电池, 比锂-镁电池的储电量提高8倍, 而西班牙的石墨烯电池的储电量又比空气锂电池高出5倍; 操控和设计纳米材料的能力推动了储能的创新, 美国斯坦福大学研究的覆盖有石墨烯的镍纳米粒子锂离子电池, 被称为“不会起火的纳米粒子电池”; 液体电池、铅炭电池、纳米储能、智能储能(由电池组和功率检测器及电脑组成)、纤维状超级电容器等呈百花竞开之势, 无线的电磁充电技术也在发展中。

❷ 物理储能

       除抽水蓄能外, 压缩空气储能、飞轮储能、相变储能、制氢储能等也有新进展。

       材料科学与能源技术创新不断涌现, 佛罗里达州立大学开发了一种单层水钠锰(birnessite)材料, 可在阳光照射下把雨水变成能源。可穿戴摩擦纳米发电机, 已成为一个研究热点。斯坦福大学设计了一种微生物电池, 在分解污水中的动植物废物时, 可提取约30%的能源(产电菌), 能部分弥补污水处理的电耗。染料涂层塑料既轻又薄, 可使砷化镓太阳能电池能效加倍。强磁热效应的新材料会引起制冷技术革命, 等等。  

       生物纤维素乙醇(如秸秆乙醇)需进一步提高生物酶的活性、降低成本; 生物沼气, 已可推广应用; 秸秆破碎压缩固体成型, 可用于供热等; 生物质及垃圾的热解法生产油、气, 垃圾发电技术等在农村能源形态变革中可发挥重要作用。

❺ 海洋能

       能源量大、种类繁多。海洋可再生能源包括波浪能、潮汐能、盐差能、温差能等, 开发利用处于起步阶段。

❻ 地热能的开发利用

      包括发电、供热、制冷, 是可再生能源技术的方向之一, 涉及到一系列的技术提升。地球内部的“干热岩”是一种致密热岩体, 热能资源极丰。为了开发利用, 首先需发展深部精准物探、高温钻探、地热资源评价等。热泵技术则是把不能直接利用的低位能(如空气、土壤、水中含有的热能、废热等), 利用电或燃气(燃油)驱动, 转换为可利用的高位热能(蒸汽或热水), 实现供热或制冷, 达到节约高品位能的目的。热泵技术可再生利用、运行费用低。据测算, 每推广1000万平米的地源热泵可节约56万吨标煤, 比传统的燃煤锅炉节能30%以上, 并减少相应大气污染。

       核能是一个科技含量高的领域。目前在全球实际应用的核裂变发电方面, 需要关注: 核废物的减量技术、嬗变技术及最终安全、环境友好的处置技术; 更先进的堆型(含第四代堆、小型模块式堆)的研究; 非常规铀资源勘探开发技术, 从海(湖)水中提取铀的技术等。

       为了实现受控核聚变, 国际上正在合作进行磁约束核聚变(ITER实验堆), 几个大国在研究不同概念的惯性约束聚变(如激光核聚变、Z-Pinch聚变)以及聚变—裂变混合堆等, 特别要鼓励核聚变新概念的研究。

       首先要重视煤炭的安全、高效、环保的开采技术, 如建设数字化、自动化的现代矿井。在煤炭的利用方面, 目前我国大约是一半发电、一半直接燃烧利用, 其中的散烧煤是最为低效和污染的。散烧煤不容易清洁、高效, 更无法低碳, 只有替代(电替代、气替代、余热替代、生物质能替代等)。

       煤炭应主要用于发电。煤电的若干清洁、高效利用技术已成熟, 可使几项污染物排放达标, 常称作“超低排放”。高效的燃煤电厂的发电煤耗已降至276 g/kWh(如上海外高桥三厂)。整体煤气化联合循环发电(IGCC)也是一个方向，但煤电的CO2排放仍高, 煤炭的低碳利用有待解决。目前的CCUS思路已在初步试用, 离规模商用尚远。如将煤炭燃烧产生的CO2通过化工过程, 直接封存在产品中; CO2合成可降解塑料; CO2矿化的放热反应能转换成电能; 将CO2注入油井提高石油采收率; CO2生物转化利用技术等; 将CO2注入地下玄武岩形成碳酸盐矿物质从而封存于地下, 正处在研究试验阶段。

       热电联产不增加煤耗和CO2排放, 有利于提高能效和大气污染防治, 这方面的技术创造潜力大, 值得努力。也需重视煤矸石、煤泥、洗中煤等低热值煤炭资源综合利用发电技术。

       煤炭的另一个利用方向是作为原料(而非燃料), 如煤制合成气(CO+H2)生成多种化工产品; 以甲醇为中心的煤化工, 煤制乙炔化工等。

       石油炼化需转型升级, 提升成品油质量; 提高油气的储备和调峰能力; 发展石油的四种替代技术: 电替代、生物油气替代、氢替代、太阳能替代。

       非常规和深海是油气资源开发和利用的两个方向, 涉及到多种技术: 油气勘探的多维地震技术、可控源电磁测量技术; 油气开发的全自动钻井操作技术; 页岩油气的地质理论及勘探技术; 页岩气开采的水力压裂技术; 煤层气开发和动态评价技术; 天然气热、电、冷三联供技术; 深海油、气(包括非常规油气)的资源勘探技术, 例如可燃冰(天然气水合物)的探测和安全开采技术。在天然气的利用方面, 高效燃气轮机的技术创新受到重视。