能源系統(tǒng)需要協(xié)同發(fā)展

就眼下中國的能源格局而言，太陽能、風(fēng)電、生物質(zhì)能等綠色低碳能源可以持續(xù)利用，而且資源量巨大。內(nèi)蒙古西部地區(qū)的戈壁灘面積約25萬平方公里，若利用其中20%的面積便可以安裝37億千瓦容量的太陽能光伏發(fā)電，以等效發(fā)電煤耗計算，年發(fā)電量相當于15億噸標準煤。風(fēng)力發(fā)電取陸地離地面50米高以上，海上以近海水深5～25米的潛在開發(fā)量計算，風(fēng)電總裝機容量可達27.5億千瓦，以等效發(fā)電煤耗計算，每年可提供相當于16億噸標煤。

因此，可再生能源無疑是綠色低碳能源發(fā)展的戰(zhàn)略方向，但是可再生能源的發(fā)展仍面臨巨大的瓶頸：一是太陽能、風(fēng)能具有隨機性、間斷性、分散性的特點，可調(diào)度性差；二是年利用時間短，太陽能以峰值功率計算的等效年利用時間不足1500小時，等效年利用率不足17%，風(fēng)電的等效年利用時間為2000多小時，等效年利用率約為23%，而全世界核電平均等效年利用率可達82%，即同樣1千瓦的裝機容量，核電的發(fā)電量大約是風(fēng)電的3.6倍，是光伏發(fā)電的4.8倍；三是風(fēng)電、太陽能的發(fā)電成本較高。

實現(xiàn)向綠色低碳的轉(zhuǎn)型將經(jīng)歷技術(shù)的研發(fā)和成熟，市場的開拓和發(fā)展，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和完善的過程，可能需要經(jīng)歷幾十年的跨度。特別是我國能源消費量巨大，以煤炭為主的能源格局在短時期內(nèi)還難以改變，煤炭清潔高效的利用將在向綠色低碳的轉(zhuǎn)型過程中發(fā)揮重要作用。與此同時，積極穩(wěn)步地推進水電、核能、天然氣等多元化清潔低碳能源的發(fā)展，以成為向可再生能源過渡中的重要橋梁。

能源供應(yīng)方式變革系重中之重

我國《能源發(fā)展“十二五”規(guī)劃》提出把推動能源供應(yīng)方式變革作為重點任務(wù)之一。

這些年我國風(fēng)力發(fā)電主要采取集中的方式，在西北、華北、東北等資源豐富地區(qū)建設(shè)了七個大型風(fēng)電場，每個風(fēng)電場的裝機容量達到千萬千瓦量級，發(fā)出的電在當?shù)叵{不了，需通過長距離輸電輸送到華北、華南、華東等地消費。

從可再生能源本身的特點來看，適于采用分布式發(fā)展的方式。特別是以城市、工業(yè)園區(qū)等能源消費中心為重點，利用城市、工業(yè)園區(qū)建筑的屋頂以及周邊的荒蕪地帶，大力推進光伏、風(fēng)電等可再生能源的利用，輔以儲能技術(shù)，基本實現(xiàn)分布式區(qū)域內(nèi)電力自供自用，并通過與地區(qū)電網(wǎng)的聯(lián)接，實現(xiàn)分布式區(qū)域內(nèi)電力系統(tǒng)供需平衡的調(diào)度調(diào)節(jié)。這樣既可以減少電力長距離輸送的壓力，而且可以充分借助于地區(qū)電網(wǎng)的調(diào)節(jié)能力來克服可再生能源隨機性、間斷性、可調(diào)度性差的缺點，實現(xiàn)可再生能源的合理利用。

儲能是可再生能源大規(guī)模發(fā)展主要技術(shù)瓶頸。目前抽水蓄能是最成熟的儲能技術(shù)，能應(yīng)用于大規(guī)模電網(wǎng)級的儲能，已完全實現(xiàn)商業(yè)化運行，但是受上、下水庫選址、地形、地質(zhì)條件以及水源條件制約。壓縮空氣儲能也已擁有商業(yè)運行項目，能實現(xiàn)大規(guī)模電網(wǎng)級的應(yīng)用，但仍對化石燃料有依賴。其他一些化學(xué)蓄能技術(shù)，目前受經(jīng)濟性的制約，難以實現(xiàn)大規(guī)模電網(wǎng)級的應(yīng)用。

氫能與可再生能源需組合發(fā)展

可再生能源制氫可成為大規(guī)模儲能的重要途徑，氫能與可再生能源組合發(fā)展是實現(xiàn)未來能源向綠色低碳轉(zhuǎn)型的重要方向。

氫是理想的二次清潔能源，燃燒沒有CO2、SO2和NOx的排放；原料來源于豐富的水；可儲存，可運輸。

全球每年氫的消費量約6500萬噸，主要來自天然氣制氫。我國每年氫的消費約1600萬噸，主要來自煤氣化制氫和煉鐵高爐煤氣，電解制氫僅約占5%。目前我國氫主要用于生產(chǎn)化工產(chǎn)品，合成氨、甲醇、烯烴等，再有用于原油加工，加氫裂化生產(chǎn)輕質(zhì)成品油，加氫精制脫硫等雜質(zhì)，目前每年消耗400萬噸氫，預(yù)計今后將會快速增長。

目前國際上氫的利用技術(shù)正在快速發(fā)展， 氫能與可再生能源組合發(fā)展需要解決好大規(guī)模電解制氫的儲存、輸送、分配和終端利用等技術(shù)問題。

國際上電解水制氫主要有三種技術(shù)：堿性水電解、質(zhì)子膜電解、固體氧化膜電解。堿性水電解是成熟工業(yè)技術(shù)，制氫規(guī)模達到兆瓦級，其優(yōu)點是設(shè)備壽命長，可得到高純產(chǎn)品并可加壓運行。目前工業(yè)電解效率接近70%，先進堿性電解技術(shù)可達75%～85%。質(zhì)子膜電解在20世紀70年代由美國GE公司開發(fā)，與堿性水電解相比，其功率密度和效率更高(可高于90%)，設(shè)備更緊湊，系統(tǒng)簡單，適合高壓操作，但膜的價格昂貴，需要使用鉑(Pt)和釕(Ru)作為催化劑。固體氧化膜電解是正在研發(fā)的先進技術(shù)，在高溫下電解水蒸汽制氫，可以大大降低電解池極化損失和歐姆電阻，加快電極反應(yīng)動力學(xué)，減少電能消耗，1000℃下電解，電解效率接近94%。

氫可以采用高壓氫氣儲罐儲運，儲罐采用鋁合金做內(nèi)膽，碳纖維纏繞制作，可承壓70兆帕。其安全性經(jīng)日本汽車研究所驗證，用槍擊、火燒、沖壓、大泄露的手段可以導(dǎo)致氫著火，但不會發(fā)生爆炸，原因是氫在大氣中擴散遠快于汽油、天然氣。此外，氫還可采用高壓管道輸送和液氫儲運。

氫燃料電池汽車是未來汽車的發(fā)展方向。氫燃料電池小轎車100公里消耗1千克的氫，用可再生能源電解制氫，能耗僅相當于4.8升汽油。目前燃料電池汽車的價格較貴，還難以大規(guī)模推廣，戴姆勒等三個汽車制造商預(yù)計，實現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)、發(fā)揮規(guī)模經(jīng)濟的優(yōu)勢，能夠大幅降低成本，再加上氫氣站將在未來幾年在德國建造，2017年開始推出似乎更為現(xiàn)實可行。

在此過渡期內(nèi)，可以采用天然氣中摻入氫氣代替汽油在內(nèi)燃機使用，試驗證明如摻入20%體積的氫氣，內(nèi)燃機效率不變，而排放尾氣更為清潔，可以為改善城市環(huán)境做出有益的貢獻。

(作者系國務(wù)院原參事、清華大學(xué)教授)