界讨论环境倪维斗

促进中国的未来能源发展（第一部分）

维斗倪 — Wed, 27 Dec 2006 14:34:00 +0000

新科技产品在不断涌现并取代汽油和柴油成为汽车的动力燃料。在接受“中外对话”采访的第一部分中，倪维斗谈到了生物燃料、电能、氢能和混合燃料等替代燃料。

中外对话：近年来我国汽车保有量越来越大，然而石油短缺形势却日益严峻，油价也一直在上涨，老百姓都很发愁。汽车能不烧油吗？

倪维斗：我国目前年自产石油能力约1.8亿吨左右，而去年我国的石油需求大约为3.1亿吨，从国外引进了差不多1.3亿吨。我国对石油的需求还在不断增长，石油进口依赖度越来越大，这不仅要花费大量的外汇，假如我国的石油来源地中东和非洲局势不稳定，还可能对我国的能源安全构成威胁。

来源于石油的液体车用燃料（主要是汽油和柴油）的短缺将是我国现代化发展的瓶颈，尤其是我国汽车工业和汽车保有量近年来迅速的增长。2005年我国生产汽车570万辆，仅次于美国和日本，居世界第三。2005年比2004年汽车保有量增加20%。近年来车用燃料消费量增长很快，平均约为12%。

在我国石油储量、产量不多和车用液体燃料必须安全供应的形势下，我们必须要考虑一个问题：是不是汽车全部都要用汽油、柴油作为燃料？传统上我们使用汽油或柴油来开动汽车，但是在石油短缺的情况我们应该寻找别的途径。

发展替代液体燃料的化学品是其中一个很重要的途径。

中外对话：哪些化学品可成为汽油和柴油替代液体燃料？

倪维斗：目前被广泛研究的替代液体燃料主要是甲醇、二甲醚、非粮食乙醇。

用于替代汽油的甲醇（化学式：CH₃OH）有很高的辛烷值，该值越大，抗爆性越好。因此甲醇应用在汽油机车中时，可以提高在气缸中的压缩比，从而提高发动机的热效率。甲醇替代汽油可以做到1.6份甲醇替代1份汽油。当然，燃用甲醇也有一系列问题，如金属腐蚀，橡皮元件溶胀，冷起动困难，非常规排放物（如甲醛等）等，但是经过多年努力，这些问题都可得到适当的解决。若在汽油中低比例掺烧甲醇（10%），则对原发动机只需作小量的改动，而高比例掺烧（85%）或是用纯甲醇，则需重新设计发动机。对此，中国有关研究单位已设计并成功试运行纯甲醇汽车。当然，在这方面还需进行大量的科研和开发工作，在使用中积累经验，不断改进。

用于替代柴油的二甲醚（化学式：CH₃OCH₃）具有很高的十六烷值，该值越高，燃烧性能就越好。二甲醚在发动机中燃烧完全，排放明显优于常规柴油机。氮氧化物排放比常规柴油机可降低50％以上，运行噪声低，无黑烟排放。但二甲醚在常温下是气态，只是在压力大于5.1帕斯卡下才为液态，所以发动机的油路系统需加压。此外，二甲醚粘度只有柴油的三十分之一，燃油喷射系统的零件的磨损以及喷射时间的严格控制都有新的问题需要解决。

非粮食制造乙醇替代石油也是一个可行的方向，但关键是这种能源作物不能与粮食和其它人民生计农作物争地、争水，且单位面积有高产出率。生物柴油是以含油植物、动物油脂以及废食用油为原料制成的液体燃料，从技术来看基本上是成熟的，关键在于含油植物的资源。各种能源作物如何大规模种植，通过基因调控和分子生物学，培植耐旱、耐碱、高产的品种，这将是农业能源专家们的重大课题。

中外对话：前几年“氢能经济”被炒得很热，2000年时出现了第一轮氢能燃料电池汽车试运行高潮。氢能燃料电池汽车现在发展得怎么样？可以走上商业化的道路了吗？

倪维斗：我不太赞同“氢能经济”这个提法，近几年对氢能的炒作有些过头了，好多人并不明白氢能经济是怎么回事。一种十分迷惑人的说法是氢能可以从“水到水（from water to water）”，就是说水被电解后变成氢，氢燃烧后又成为水，所以是零排放。而其实氢气只不过是一种像电一样的载能体，是要用其它一次能源转换得到的。电解水要耗费大量的电，目前得到1公斤氢气至少要耗9公斤高纯度水及45~50度电，而电本身又绝大部分来自化石能源。

目前，无论是美国还是日本，虽然在氢能燃料电池方面投入了大量资金，但依然有很多的问题没有解决，例如，燃料电池汽车的价格、氢气的存储、注氢的基础设施、运输等。对燃料电池汽车，积极开展基础性研究是必需的，但离真正商业化还有很长的路，少说也得15~20年。

中外对话：那么您认为有没有比“氢能燃料电池”更好的汽车动力呢？

倪维斗：相比而言，我更赞成电动车。因为电已经得到了广泛的应用，而且非常高效。

by Vj-pdx

混合车是一个很好的例子，汽车的发动机主要是给蓄电池充电，必要时也帮忙驱动，使发动机保持工作在最佳状况，从而降低能耗。目前国外发展起来的“插电（plug-in）”汽车，在50~60公里范围内可以通过蓄电池来驱动，而蓄电池可以十分方便的用市电充电。一般的在城市内上、下班或办事，行驶距离不大，就可以不用液体燃料，只是在一天之内要长距离行驶时，才会起动发动机，从而使车用燃料耗量大大减少。近来纯电动车（锂离子电池）一次充电可行驶300公里，城市公共交通用超级电容、锌-空气电池都有示范，以电为载能体的交通工具正在迅速发展。

目前电动车的主要问题在蓄电池，若在蓄电池方面有突破的话，将来在汽车动力上是否还有氢能燃料电池的“位置”是一个大问号。

把氢能燃料电池看作是汽车动力的“最高目标”是不妥的。百年技术发展的历程证明，电是最好的载能体，多种化石能源、可再生能源，核能都可以转化为电，而且对电能已经建立了基本覆盖全球、也覆盖我国国土的网络，再去建立氢的网络是绝对不可能，也没有必要的。

中外对话：在中国，替代燃料的发展现状如何？发展起来困难吗？

倪维斗：总的来说，一种新的燃料在汽车中应用不会一帆风顺，肯定会伴随这样或那样的问题。但是，正因为如此，才需要我们科技工作者加倍努力，从理论-实践-再理论-再实践中走出具有中国特色的道路来。醇醚燃料的应用是中国自主创新、形成自己有特色的汽车工业的一个契机，因为由于国情方面的原因，国外在这方面应用得不多，或是刚起步不久（如瑞典Volvo，日本三菱），这样，如果我们从国情出发，加强研究和实践，就可以有跨越式的前进，走出自己的道路来。

第二部分：有关碳问题的探讨

倪维斗是清华大学热能工程系教授，中国工程院院士。曾任清华大学副校长。现任北京市科协副主席，中国环境与发展国际合作委员会能源战略与技术工作组中方组长。

促进中国的未来能源发展（第二部分）

维斗倪 — Wed, 27 Dec 2006 10:26:00 +0000

使用洁净煤发电技术和提高发电效率对中国来说很关键。在接受“中外对话”采访的第二部分中，倪维斗呼吁中国发展以煤气化为核心的多联产能源系统。

中外对话：在中国，煤是能源的主角，而且大部分煤都直接用于燃烧。燃煤都会引起哪些严重的环境问题？

倪维斗：我国能源资源的特点是多煤、贫油、少气，煤炭在我国一次能源生产和消费中一直占有主导地位。2005年我国的能源消费量达到22.2亿吨标准煤，其中煤炭消费占到能源消费总量的接近70%。从使用方式上看，煤炭消费量的80%直接用于燃烧，燃煤火电厂燃煤量占煤炭消耗量的50%以上，而在我国电力结构中70%以上是燃煤火力发电，水利发电、核电等清洁发电形式合计所占比例不足30%。

煤燃烧时除产生大量烟尘外，还会产生一氧化碳、二氧化碳、硫氧化物、氮氧化物、烃类有机物等有害物质。这些污染物如果不加控制，将会对人类健康和环境产生重大的破坏作用。二氧化碳是公认的温室气体，其减排正在受到全球重视，而我国目前二氧化碳排放量居世界第二，燃煤是其主要来源。煤燃烧的另一种污染物二氧化硫是引起酸雨的罪魁祸首。我国目前燃煤产生的二氧化硫排放量占全国二氧化硫排放总量的90%以上，全国二氧化硫排放总量居世界第一。

中外对话：哪些手段能够有效解决燃煤产生的有害物质呢？

倪维斗：减排二氧化碳，目前要从采用清洁煤发电技术和提高发电效率着手。超临界和超超临界发电是目前提高煤的直接燃烧效率的主流技术。何为超临界、超超临界呢？简单地说，就是通过燃煤锅炉将水加热从液态变成汽态，产生蒸汽的压力大于临界压力范围称为超临界，优化的或高效的超临界参数为超超临界。

在减排二氧化硫方面，我国对燃煤火电的脱硫工作已全面展开。到2005年底，全国已建成火电脱硫设施超过2亿千瓦，约占火电总装机的20%，可形成200多万吨的脱硫能力。但是，由于脱硫设施在短时间内大量建设，维护和监督管理工作不到位，造成脱硫工程质量难以得到有效保证，许多脱硫项目建成后无法正常运行，效率低，故障发生率高，达不到应有的脱硫效果。

我们必须找到更有效的清洁利用煤的方式。目前，煤的气化技术被认为是最清洁的煤转化利用方式，可以说是未来煤的洁净利用技术的基础。

中外对话：什么是煤的气化？煤的气化可以完全避免直接燃烧所带来的环境问题吗？

倪维斗：煤的气化技术可以把煤在利用过程中对环境的影响降到最低。

煤的气化是一个热化学过程，以煤或石油焦为原料，以氧气、蒸汽为气化剂，在高温的条件下，通过部分氧化反应将原料煤从固体燃料转化为气体燃料（主要成分是一氧化碳和氢气）的过程。煤气化工艺并不是一个新鲜的技术，很久前就被广泛使用于化工行业的合成氨、甲醇厂等，比较成熟。随着整体煤气化联合循环发电概念的验证以及商业化推广，将煤气化所得的合成气作为燃料发电已经成为一种清洁煤发电技术。之所以清洁是因为气化得到的含有硫成分的合成气可以在燃烧发电前通过净化工艺，除去灰分和绝大部分的硫化物。这种燃烧前脱硫要比燃烧后烟气脱硫容易、有效的多。

进而，以煤的气化为核心，将发电和化工耦合在一起，则又可以形成多联产系统。

中外对话：以煤的气化为核心的多联产系统是怎么回事？建立这一系统有哪些好处？

倪维斗：以煤气化为核心的多联产能源系统，是从环境污染的角度和从更好地解决我国液体燃料短缺问题的角度提出的。简单来讲就是通过煤气化工艺将煤转变为合成气，合成气经过净化后可以用于化工产品（例如甲醇、二甲醚，它们都是很好的液体替代燃料）合成和发电。

图1 以煤气化为核心的多联产系统概念图

这种发电和化工耦合的系统可以实现能量流和物质流的优化梯级利用，与单独生产相比，可以降低能耗、可以实现煤的清洁发电，有需要时还可以实现二氧化碳的减排。从长远来看，人类必须实施在用能过程中减排二氧化碳。多联产系统给减排二氧化碳提供了有利条件，比从燃煤电厂烟气中捕获二氧化碳要方便得多。总的来说，它将多种产品生产过程优化耦合在一起，比分别生产相关产品在基本投资、单位产品成本、污染的排放（硫、汞、颗粒物）等方面都有显著的效益。

中外对话：多联产系统技术现在成熟吗？怎样才能推广到实际应用中？目前的障碍在哪里？

倪维斗：组成多联产系统的绝大部分工艺技术是成熟的，只要我国各部门（煤炭、化工、电力）打破行业界线，通力合作，加上国际合作，在3~5年内就有可能建立大型的示范多联产装置，并在2020年前后有相当数量的推广。

目前，多联产系统已经得到了国家的重视，就在最近公布的新一轮的“国家新技术研究发展计划”（“863”项目）中，将多联产系统及其示范工程的研究列入其中，明确要在我国建造多联产系统的示范工程。

多联产系统在提高能源利用效率、减少环境污染方面有不凡潜力，花费整个一代人的精力去研究也不为过。

中外对话：目前液体车用燃料短缺日益严重，这个多联产系统可以用于汽车动力系统的能源供应吗？

倪维斗：在多联产系统中与电力联产的是甲醇、二甲醚等这类可以作为替代液体燃料的产品，可以有份额地缓解我国石油的短缺。

例如，甲醇与汽油混合可调制成各种比例的甲醇汽油，也可以使用100%的甲醇作为特制汽车的燃料。相对于汽油等传统液体燃料，甲醇等液体燃料具有原料多样、来源丰富、燃烧完全、排放良好等显著特性。二甲醚则是柴油的良好替代品，从燃烧程度看，比柴油效率略高、污染小、噪音低，只是需要对现有燃油系统进行改造。

目前中国国内的多所高校，如上海交通大学和西安交通大学，都在对燃用甲醇、二甲醚的汽车开展研究，包括对燃油喷射系统的零件的磨损以及喷射时间的严格控制、发动机密封件性能的影响等问题。他们的研究成果已经得到应用，上海市将有10~15辆以二甲醚为动力的公交车示范运行。

首页照片由LHOON摄

倪维斗，清华大学热能工程系教授，中国工程院院士。曾任清华大学副校长。现任北京市科协副主席，中国环境与发展国际合作委员会能源战略与技术工作组中方组长。

中国能源一体化

维斗倪 — Mon, 11 May 2009 06:26:00 +0000

面对能源安全和气候变化的挑战，中国必须采用多样的动力资源，而当务之急在于资源整合。倪维斗报道。

进入21世纪，中国能源面临着五大严峻挑战：能源需求总量的急剧增加和能源供应的巨大压力、液体燃料短缺、环境污染严重、温室气体排放、8亿农民及快速城镇化所需的清洁能源供应，这五大挑战严重制约了中国的可持续发展。因此，能源战略、能源科技、能源政策都应以解决以上五点为出发点。

从中长期来看，中国能源有以下几个无法改变的事实。煤的开采和直接燃烧已引起严重的生态和环境污染问题，70%-80%以上的SO2、NOX、Hg、PM2.5-10、CO2等都是由于煤炭直接燃烧所引起的。但根据对能源需求和能源供应的预测，煤炭现在以至将来（直到2050 年或更晚）仍将在中国能源消费中起主导作用，预计到2050 年煤炭将占中国能源消费总量的50%-60%（目前为70%），但总量不会低于20亿吨标准煤。并且，煤炭用于发电的比例会越来越大，目前为50%，预计到2020 年将达到70%以上。这意味着燃煤电厂排放的CO2将占中国CO2排放总量的60%以上，而从燃煤电厂尾气中捕捉CO2成本高昂。

面对能源资源紧张、环境污染、生态退化、全球变暖等日益紧迫的危机，大力发展可再生能源，尤其是大规模风力发电是中国能源系统的重要发展趋势之一。

从数量上而言，中国风能资源较丰富。据估计，风能资源经济可开发量中，陆上6 - 10 亿kW，海上1–2 亿kW。中国规划到2020 年风力发电总装机容量将达3000 万kW，准备修改的规划是2020年风电总装机容量达到1 亿kW，考虑到每单位装机容量的满负荷工作时间平均只有2000 小时，则1亿kW 的风电相当于火电3200 万kW 左右，占2020 年中国发电总装机容量14 亿kW的2.29%左右。太阳能热发电最多几万千瓦的示范，光伏发电不会比风电多。生物质能可利用的农作物秸秆折合 3 亿吨标煤，可利用的森林折合 3 亿吨标煤。

由于中国能源消费总量的急剧增长，单是发电设备（其中主要是燃煤的发电），每年增长的装机容量是60~80GW，超过3个长江三峡。在这个高速增长量中，可再生能源所能起的作用是很有限的，更不用说去替代原有的化石能源消耗。因此，可再生能源在2020年以前很难在总能源平衡中占有一定分量的比例，也就是说，2020年以前可再生能源不能解决中国能源的主要问题。必须从中国的现实出发，在一次能源以煤为主的情况下，构建能源、经济、环境整体化的可持续发展的能源系统。

可再生能源的根本特点是能流密度低、随机性大、不可控因素多。对中国而言，能源种类繁多（煤、石油、天然气、核能、水能、风能等），应当有一个能让各种能源取长补短、相互配合、发挥各自优势的战略布局，而不是各提指标，“各打各的仗”，“各吹各的号”。一个国家的能源系统是一个有机整体，是一个各种不同能源的转换、输送，并且以各种不同形式或产品服务于终端用户的庞大且复杂的广义总能系统。在多种能源输入、多种产品输出的广义总能系统中，每种能源必须发挥其特殊长处。若把可再生能源当作一种有份额的一次能源“插入”到整个能源系统中，则必须根据不同可再生能源的特点，从而确定其在整个能源系统中的战略地位，使之各得其所，发挥长处。因此，可再生能源利用一定要从国情，从各地区的具体情况出发，因地制宜，因应用制宜，从国家高度把“合适的能源放在合适的地方”。

根据上述广义能源系统利用的原理，可再生能源应当与化石能源集成利用，如生物质和煤的混烧发电、太阳能集热器+热泵+天然气（建筑能源供应）、太阳能加热火力发电厂的锅炉给水、大规模风场+燃气轮机或压缩空气蓄能、风能和煤化工的集成等，均是目前可再生能源发展中的“合适的位置”。

中国风力资源丰富的地区（新疆、内蒙、甘肃、宁夏等）基本是边远地区，当地用电负荷小，又远离负荷中心。而这些地区的风电规划都超过10 GW 以上（被称为风电“三峡”）。当地的电网结构比较薄弱，容量小；风电具有随机性，不易控制和调度，大规模地接入电网必然会导致电网的不稳定；如果要接入电网，风机的结构和控制系统将不得不复杂化，引起风电基本投资增加；且由于风电的随机性，电网必须要有相应的旋转备用电源，从而导致总投资增加。目前，电网已成为制约风电发展的一大瓶颈。

另一方面，中国石油短缺，对外依存度高又会引起一系列的能源安全问题，液体燃料短缺的大规模缓解只能通过煤基替代燃料如甲醇、二甲醚等实现，生物柴油和玉米等纤维素合成的乙醇只能解决一小部分问题。当然，煤炭对中国来说也是稀缺资源，但相对于其它能源资源，煤炭仍较为“丰富”，若每年将煤炭产量的1/8用于车用液体燃料的生产，从总的能源供应角度看，将不会带来很大的不平衡。所以煤基替代燃料（甲醇、二甲醚）和替代石油基塑料、纤维等是目前煤化工高速发展的动力。到2020 年中国用于化工生产的煤炭将达到3-4 亿吨标煤。但以甲醇生产为代表的煤化工都要排放大量的CO2，同时煤化工也要消耗大量的水，中国煤炭资源丰富的地区通常水资源都非常匮乏。产生的问题是大量的CO2 排放，这和发展低碳经济、应对气候变化不相容。

由于大规模风电的发展已成为必然趋势，而风电的上网问题是目前的一大难题；煤化工的发展面临着CO2排放的巨大压力。现实要求，一方面要给大量风电找“合适”的利用方式；另一方面，要大幅度降低现代煤化工CO2 排放，使之变得更“绿色”。

根据中国能源资源的分布特点，上述风电丰富、准备建设风电“三峡”的地区恰好是煤炭资源丰富、准备建设大规模现代煤化工的地区。在这些地区，风电的规模是十几个GW，每年煤化工的甲醇产量至少上千万吨。资源在地理上的耦合为风电和煤化工的集成利用提供了有利的条件。这是机遇，也是重大挑战。为此可以发展风电与甲醇生产集成系统，使甲醇生产更“绿色”。

在中国规划的具有大型煤化工基地的省市，如内蒙、宁夏、陕西、甘肃等，已提出年产千万吨的煤制甲醇项目和建设风电“三峡”的宏伟计划。若不认真整体规划，各行其是，这些项目将会成为一个大量排放温室气体、大量消耗水资源，与生态、可持续发展不能相容的工业群体，从长远来看，将长期影响中国能源、环境和生态的发展。

因而从现在开始，有必要按照各地区的具体情况，认真研究多种能源的集成优化配置，从示范到商业化再到大规模化，总体规划、分步实施。否则一旦风能、煤等各种资源在大能源基地没有整合，导致技术路线锁定，形成行业壁垒，几十年内都很难改变。这将导致新型、高效的能源系统很难推进和发展，节能减排困难重重。

作者：倪维斗是清华大学热能工程系教授，中国工程院院士。曾任清华大学副校长。现任北京市科协副主席，中国环境与发展国际合作委员会能源战略与技术工作组中方组长。

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