姜绍俊:能源转型的两种思路

来源:姜绍俊  2015/2/13

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    自习主席提出能源革命的任务以来,各方面讲的最多的就是能源转型,也就是解决我国能源结构中化石能源比重过大的问题。美国是较早提出能源转型的国家,它的第一步是做到能源独立,即能源自给,美国非常规天然气(主要是页岩气)的开发应用帮助它较好地解决了能源自给的问题,这反过来又在影响着全球油气的格局。之后怎么办?美国洛基山研究所以艾默里•洛文斯(中文姓名卢安武)领衔的团队,历经多年研究,提出了美国能源转型的路线图,其成果在《重塑能源》这部书中得以展现。《重塑能源》作者提出了发展分布式为主体的可再生能源生产系统和高效用能系统的观点,为能源革命的方向提供了重要启示。按照洛基山研究所的报告,美国到2050年国内生产总值在现在的基础上将增加1.58倍,所使用的能源主要由可再生能源提供,而不需要消耗石油、煤炭、核能,天然气在2009年的基础上大幅度减少1500亿立方米,基本上是净零碳排放。

    针对美国能源2010年发电结构中,煤电、核电、天然气发电分别占45.44%、22.73%和22.73%的现状,洛基山研究所提出了能源替代的方案就是用可再生能源替代煤炭、油气和核能,替代的结果是,到2050年煤电为0,核电只占1%,天然气发电占9.7%,而风电、太阳能发电、水电等可再生能源则占88.2%。

    美国学者杰里米出版了他的著作《第三次工业革命》,他大胆地预言,在第三次工业革命其中能源替代,即由与互联网技术相结合的分布式为主的可再生能源进行的能源替代,将率先在中国发生。与此同时,在国家发改委能源研究所的一个研究团队研究的结果显示,在合理的假设和技术框架下,2050年中国可再生能源加上核电占全国电力系统比例应该达到85%左右。设想中国届时风电可以达到20亿千瓦,太阳能发电到25亿千瓦。这些能源提供的电量将占全社会用电的80%。

    在美国不乏思想者,这也是一个包容各种技术流派的社会。与此同时,美国的另一位学者罗伯特•海夫纳三世,提出了能源转型另外的思路,他在《能源大转型》一书中详尽地讲解了自己的构想。

    海夫纳认为,能源大转型就是离开固体和液体燃料,迈向气体能源新时代。在海夫纳的理论体系中,能源资源的物理形态按新的分类,新的视角分为固体、液体和气体。他观察了人类社会发展的历史,发现了能源三态变化的轨迹,饶有兴趣地绘制了世界一次能源更替的图像。


世界一次能源更替


    海夫纳指出,从煤炭开始取代木柴起,能源转型就在逐步进行,每一步发展都是碳的降低,氢的比例在增加。木柴中每个分子包括1个氢原子和10个碳原子,煤炭替代后降低了碳原子的比例,煤炭每个分子中包含1个氢原子和2个碳原子,石油替代煤后,碳的比例进一步降低,石油每个分子包括2个氢原子1个碳原子,而天然气则包括4个氢原子和1个碳原子。如此说来降低碳比重,提升氢的比重我们已经走过200年了,据专家计算目前的能源结构中有2/3是氢原子,海夫纳大胆地预言本世纪内剩余的1/3碳将是全被消除,从而为人类提供完全依赖氢能的可持续能源系统,这将是能源大转型的最终格局。我们或者可说能源大转型的路线图是现行的能源结构经过天然气的替代最终达到氢能时代,从而完成能源由固态到液态最终到气态的大转换。

    问题是,天然气能承担这一过渡的重任吗?这取决于天然气的资源以及开发利用这一资源能否为氢能时代的到来赢得足够的时间,海夫纳的答案是肯定的。

    2007年据英国石油公司预测,世界上已探明的天然气储量达6405万亿立方英尺(折合181.37万亿立方米),按2010年全球天然气耗量113亿立方英尺计,这些已探明的天然气储量可供地球使用56年。而海夫纳认为实际探明储量要比预测的为多,他甚至大胆地预测,该预测值最终仅为实际产量的50%。

    海夫纳认为美国能源信息署(EIA)预测的美国天然气储量238万亿立方英尺(折合6.7394万亿立方米),比官方的预测值高出68%。海夫纳甚至认为地球存在大量未被开发乃至未被认知的天然气资源,2000年美国地质调查局预测地下尚未被开发的天然气达15400万亿立方英尺,而海夫纳则预测30000~40000万亿立方英尺。

    至于中国,曾经长期被喻为“富煤、贫油、少气”的国家,这是20世纪的情况。进入21世纪以来随着勘探工作的加深对我国天然气资源的把握出现了转折性的认识,据海夫纳在1985年的预测,中国天然气资源在1100万~1400万亿立方英尺(折合3~4万亿立方米),大致与美国相当。而我国国土资源部发布《全国油气资源动态评(2010)》显示,我国天然气地质资源量52万亿立方米,可采资源量32万亿立方米。此外中国非常规天然气储量丰富,非常规天然气包括页岩气、煤层气、致密砂岩气、可燃冰等。研究指出,中国的非常规天然气资源量是常规天然气的5.01倍。其中,页岩气量约为134万亿立方米,煤层气可采资源量为36.8万亿立方米,致密砂岩气资源量约为100万亿立方米,还有可燃冰206万亿立方米。

    而中国非常规天然气可采资源量如下:

    致密砂岩气  9~13万亿立方米

    煤层气   11万亿立方米

    页岩气 10~13万亿立方米

    所以从资源上讲,中国并不是一个少气的国家,只是我国的开采天然气技术尚有待开发和提高,未来大规模天然气替代煤炭是可期的。

    《能源大转型》一书指出,气体能源时代才是人类通向可持续发展的道路,氢经济是人类文明的终极能源目标。那么,什么是氢经济呢?氢经济是指以氢气、风能、太阳能和最终的聚变为燃料(能源)的经济。氢作为燃料燃烧与氧结合生成水,它的使用是环境无害的水。但是氢由于其化学性能活泼,一般都与其他元素结合成化合物,要想分离氢是需要付出能量,问题是在21世纪中期我们可以承受的能源成本是什么?是多少?它和我们使用碳经济时的付出极比较,会怎样?

    海夫纳在其著作中提供了一个参照系。书中说,今天,氢能源可以从天然气的商业规模中分离出来,一些实验预测氢的成本约为每百万英热单位11美元[注],为比较起见,列出其他能源成本,石油,2009年初价格为每百万英热单位8.2美元,天然气为3.78美元,由于氢可以由水电解生成,也有人设想开发风电和太阳能发电,用以电解水得氢,从而将随机的电力变为可控可调的能源,不失为一种选择。

    氢能的进一步发展是氢聚变(人造小太阳),目前只是在研究中值得指出的是中国是为数不多的研究国家之一。

       [注1]:煤层气、页岩气资源为国家评估,致密砂岩气为社会机构评估,可燃冰为中国工程院评估。

      [注2]2008年10月2日与Todd R.Campbell的电子邮件。


    (作者为中国电力发展促进会专职顾问  姜绍俊)

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