文/ 中國科學(xué)院院士 徐建中
一、我國目前在能源方面的形勢
能源和環(huán)境問題是制約我國經(jīng)濟和社會發(fā)展的重要因素，是始終必須高度重視的重大問題。現(xiàn)在的形勢下，我們面臨能源總量的供應(yīng)問題。我國經(jīng)濟和社會的發(fā)展需要大量能源，而我們能源產(chǎn)品的供應(yīng)是很難滿足要求的，供需矛盾很尖銳，因此能源市場的缺口是一個非常大的問題。國家規(guī)劃中已經(jīng)把能源作為未來重點發(fā)展的領(lǐng)域，超過生物領(lǐng)域，放在了第一位。我國以煤炭作為主要能源這樣的一個簡單的、粗放的發(fā)展模式造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染。這種環(huán)境污染是一種局部性的污染。現(xiàn)在以二氧化碳為代表的溫室氣體，造成了全球性的氣侯變暖和氣候異常，對人類未來的發(fā)展提出非常重大的挑戰(zhàn)。所以在這樣的能源形勢下，必須要探討可持續(xù)發(fā)展的道路，使得國民經(jīng)濟保持一定的發(fā)展速度，節(jié)約資源又不污染環(huán)境，由此我們提出了低碳經(jīng)濟的概念。
二、低碳經(jīng)濟是我國可持續(xù)發(fā)展的必然選擇
在科學(xué)發(fā)展觀的指導(dǎo)下，走節(jié)約型社會的道路，本身和低碳經(jīng)濟是一致的。低碳經(jīng)濟是一種低污染、低能耗的經(jīng)濟，從經(jīng)濟上的層面上，要轉(zhuǎn)變經(jīng)濟發(fā)展方式、調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)；從社會層面上講，要改變生活觀念和方式；從能源層面上講，要調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、發(fā)展和利用無碳和低碳能源、提高能源效率，建立可持續(xù)的能源體系。可持續(xù)的能源體系主要由三部分內(nèi)容組成，一是低碳的能源結(jié)構(gòu)。這個能源結(jié)構(gòu)強調(diào)以低碳為主，是可造能源，也就是說現(xiàn)在的化學(xué)能源還必須經(jīng)過低碳排放的處理；二是先進(jìn)的電網(wǎng)，以智能電網(wǎng)為代表。上個世紀(jì)我們的動力和能源是大電力，電網(wǎng)發(fā)展越來越強，在新世紀(jì)里，除了大電力、大電網(wǎng)以外，我們還要搞一些中層的電力，比如微電網(wǎng)、智能電網(wǎng)等，這應(yīng)該是未來發(fā)展的一個方向；三是科學(xué)利用，提高能效。目前我國能源利用率普遍偏低，還存在許多問題。
三、我國能源利用存在的問題和原因
1.能源消耗量巨大，且增速快，已成為世界第一大能耗國家。
據(jù)IEA（國際能源機構(gòu)，International Energy Agency）預(yù)測，至2030年，全球平均能源消耗年增長率為1.8％，而中國為3.5%，高于其他國家尤其是經(jīng)濟合作組織國家。（見圖1）
2.能源效率低，產(chǎn)品能耗與國際先進(jìn)水平有較大差距。我國的開采效率是35.8%；中間效率包括運輸、轉(zhuǎn)換等，在69.6%；終端的利用效率，工業(yè)53.4%，農(nóng)業(yè)33%，交通的更低，這些總的綜合在一起是52.2%，最后再乘以中間效率、開采效率，我們整個能源系統(tǒng)的總效率只有13%，跟國外相比大概差了10個百分點。（見圖2）
造成我國能源利用的這些問題的主要原因有：
1.對節(jié)能科學(xué)技術(shù)認(rèn)識與投入不足，缺少自主知識產(chǎn)權(quán)的關(guān)鍵技術(shù)。2008年，節(jié)能科技投入占我國國民生產(chǎn)總值的1.54%，與世界領(lǐng)先國家3%的水平差距很大。
2.節(jié)能產(chǎn)業(yè)市場化程度差，產(chǎn)業(yè)集中度低、企業(yè)規(guī)模小，低水平運營比較嚴(yán)重。
3.政策法規(guī)有待進(jìn)一步建立和完善。
此外，從科技角度分析，還有以下原因：
1.生產(chǎn)過程工藝、技術(shù)和設(shè)備落后。電力行業(yè)效率低、污染重，小火電比例大。2007年，20萬千瓦以下的火電發(fā)電容量占27%左右。鋼鐵工業(yè)小焦?fàn)t、小高爐、小轉(zhuǎn)爐、小電爐、落后軋機比例大，全國1000立方米以下高爐占煉鐵能力的60%以上。燃煤工業(yè)鍋爐比重大，單臺容量小，設(shè)備老化。煤鍋爐占工業(yè)鍋爐總?cè)萘康?5%，20蒸噸/小時以下超過80%。水泥行業(yè)近50%采用立窯和濕法等落后工藝。
2.余熱余能浪費巨大。鋼鐵企業(yè)副產(chǎn)焦?fàn)t煤氣、高爐煤氣、轉(zhuǎn)爐煤氣等可燃?xì)怏w，還伴生紅焦顯熱及爐頂煤氣壓力能等。噸鋼余熱余能總量455千克標(biāo)煤，我國回收率為45.6%，而發(fā)達(dá)國家在90%以上。2007年放散焦?fàn)t煤氣175億立方米，相當(dāng)西氣東輸天然氣體積量的1.45倍。每年煤炭生產(chǎn)直接排放的煤層氣130億立方米，折合1600萬噸標(biāo)煤。
3.能源轉(zhuǎn)換、利用技術(shù)水平落后。動力機械量大面廣，電能綜合利用率低。我國擁有3700余萬臺泵和風(fēng)機，電能綜合利用率為30%-40%，而國際先進(jìn)水平在70%以上，每年造成的電力浪費達(dá)上百億千瓦時。
四、節(jié)能和科學(xué)用能
節(jié)能是指加強用能管理，采取技術(shù)上可行、經(jīng)濟上合理及環(huán)境和社會可承受的措施，從能源生產(chǎn)到消費的各個環(huán)節(jié)，降低消耗、減少損失和污染物排放，有效、合理地利用能源。科學(xué)用能是研究用能系統(tǒng)的合理配置和用能過程中物質(zhì)與能量轉(zhuǎn)化的規(guī)律以及它們的應(yīng)用，以提高能源利用率和減少污染，最終減少能源的消耗。科學(xué)用能有三重涵義：一是“分配得當(dāng)、各得所需、溫度對口、梯級利用”，提高能源和資源的綜合利用率；二是能源與環(huán)境的協(xié)調(diào)，把能量轉(zhuǎn)換與物質(zhì)轉(zhuǎn)換緊密結(jié)合，注重控制廢棄物與污染物的形成、遷移、轉(zhuǎn)化與分離，在能源利用的同時，分離、回收污染物；三是轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)的能源利用模式，形成資源、能源、環(huán)境一體化模式，實現(xiàn)資源循環(huán)利用，最大限度地減少“廢物”和“廢能”。（見圖3）
節(jié)能是長遠(yuǎn)解決我國能源問題重大任務(wù)，是能源戰(zhàn)略的基本指導(dǎo)思想和核心，應(yīng)當(dāng)“節(jié)能為本”。雖然我國目前能源利用率低，但我國節(jié)能潛力很大。未來10年，節(jié)能空間高達(dá)33%～50%。此外，節(jié)能減排對控制二氧化碳的貢獻(xiàn)很大，對降低我國單位GDP碳強度的貢獻(xiàn)率約80％左右，到2020年，其貢獻(xiàn)率將在50％以上。
五、科學(xué)用能的重點領(lǐng)域和技術(shù)
1.熱能的綜合梯級利用
熱能的階梯利用（見圖4）就是指把燃料產(chǎn)生的高溫氣體進(jìn)行回收，高溫的用來發(fā)電，中溫的用來制冷，低溫的用來采暖和生活用水，剩下的一小部分再排放出來，這就是我們通常講的溫度對口，梯級利用。我們要采用先進(jìn)的燃燒技術(shù)，包括水煤漿、煤粉燃燒，還有現(xiàn)在正在考核的高溫空氣燃燒技術(shù)等。這里要注意一個問題，為了提高換熱的效果，我們常常會增加流速，而增加流速的同時能耗也會增加，所以我們要把這兩者協(xié)調(diào)處理。
2.能源、資源的綜合梯級利用
（1）化工－動力對聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)
通過系統(tǒng)集成把化工過程和動力系統(tǒng)有機地耦合，在完成發(fā)電、供熱等能量轉(zhuǎn)換利用功能的同時，生產(chǎn)替代燃料或化工產(chǎn)品，從而同時滿足能源、化工以及環(huán)境等多功能、多目標(biāo)需求。相對于化工與動力分產(chǎn)系統(tǒng)可節(jié)能15%以上，替代燃料生產(chǎn)與發(fā)電成本有望下降20%以上。
（2）生態(tài)工業(yè)園
一個建立在一塊固定的地域之內(nèi)的企業(yè)集群，不同工業(yè)企業(yè)間以及工業(yè)企業(yè)、居民和自然生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行良好的合作，有計劃地進(jìn)行物質(zhì)與能源的交換與循環(huán)利用，實現(xiàn)有效的資源共享。它可以使能源與原材料使用最小化，廢物最小化，提高經(jīng)濟與環(huán)境效益。
（3）膜分離技術(shù)
這項技術(shù)兼有分離、濃縮、純化和精制的功能，又有高效、節(jié)能、環(huán)保、分子級過濾及過濾過程簡單、易于控制等特征，廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)藥、生物、環(huán)保、化工、冶金、能源、石油、水處理、電子、仿生等領(lǐng)域，經(jīng)濟和社會效益巨大。
3.動力機械節(jié)能
（1）采用變頻調(diào)速技術(shù)，一般可節(jié)能20％～30％以上。
（2）動葉可調(diào)技術(shù)以及計算流體力學(xué)技術(shù)，可大幅提高動力機械設(shè)備的運行效率。
（3）研制運行控制調(diào)整與專家分析系統(tǒng)，建立礦用風(fēng)機智能安全運行節(jié)能控制模塊。
（4）提高電機系統(tǒng)的節(jié)能能力，采用冷軋矽鋼片代替熱軋矽鋼片，發(fā)展超高效率三相異步電動機等。
4.余熱余能回收利用
我國鋼鐵、有色、石化、建材、化工、煤炭等行業(yè)產(chǎn)生大量余熱余能，對其回收利用是節(jié)能減排的重點工程。
例如在鋼鐵工業(yè)，干熄焦（CDQ）余熱利用技術(shù)，利用惰性氣體冷卻紅焦，加熱后的高溫惰性氣體送入余熱鍋爐換熱，產(chǎn)生的蒸汽用于發(fā)電和供熱，可使噸鋼能耗降低15千克標(biāo)煤，目前全國普及率為30％。
高爐爐頂煤氣余壓回收透平發(fā)電裝置（TRT），利用高爐爐頂煤氣壓力驅(qū)動透平做功，將煤氣壓力能轉(zhuǎn)化為機械能。TRT是典型的高效節(jié)能環(huán)保裝置，不需燃料，不改變原高爐煤氣品質(zhì)，回收能量，降低噪聲，無污染。可回收高爐鼓風(fēng)機所需能量的30-50％。
低熱值燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)（CCPP），煤氣經(jīng)煤氣壓縮機壓縮后在燃?xì)廨啓C中燃燒膨脹做功，做功后高溫?zé)煔庠谟酂徨仩t余熱回收，產(chǎn)生的水蒸汽驅(qū)動汽輪機膨脹做功。可以有效回收煤氣余能，發(fā)電效率為40-50%。目前國內(nèi)有10余個鋼鐵企業(yè)在應(yīng)用，基本為進(jìn)口。
5.電力電子與節(jié)能
電力電子技術(shù)是綜合控制、電力、電子等于一體的技術(shù)，它利用大功率電子器件對能量進(jìn)行高效變換，控制其輸出，從而為用電設(shè)備提供所需要的電源。其核心是電能形式的轉(zhuǎn)換，主要特征是控制和變換的高效率。目前在所有能源中電力方面能源約占40%，降低電能消耗具有重要意義。在發(fā)達(dá)國家，利用電力電子技術(shù)對電能處理后利用的節(jié)能效果可達(dá)15％～40％。電力電子節(jié)能的關(guān)鍵技術(shù)包括開關(guān)變頻技術(shù)、軟開關(guān)技術(shù)、高頻技術(shù)、有源功率因數(shù)校正技術(shù)等。
6.交通節(jié)能
我國每年消耗的石油大約66%用于汽車、工程機械、農(nóng)機、船舶等。汽車的節(jié)能主要取決于動力系統(tǒng)和城市交通系統(tǒng)，未來二、三十年內(nèi)，汽車動力仍以內(nèi)燃機為主，內(nèi)燃機節(jié)能有很大的潛力。內(nèi)燃機用于動力輸出功率僅占燃油燃燒總熱量的30％～40％，以熱量形式排出車外的能量占總能量的60％～70%，熱效率提高有25-50%的潛力。
關(guān)鍵技術(shù)有：分層燃燒和均質(zhì)壓燃燒，回收、利用尾氣排放的熱量，先進(jìn)燃油和空氣供給系統(tǒng)等。
7.建筑節(jié)能
目前，能耗高、能效低、污染嚴(yán)重是建筑業(yè)可持續(xù)發(fā)展面臨的最大問題。現(xiàn)有城鄉(xiāng)建筑面積400多億平方米，約95%是高耗能建筑。建筑能耗占全社會終端能耗的27.5%，單位建筑面積采暖能耗相當(dāng)于相同氣候地區(qū)發(fā)達(dá)國家的2-3倍。建筑用能污染嚴(yán)重，大氣中二氧化碳濃度值采暖期平均為非采暖期的6倍。我國建筑節(jié)能任重道遠(yuǎn)，應(yīng)該尋找一條適合我國國情的建筑節(jié)能道路。
具體的說，建筑能耗設(shè)計維持建筑功能和建筑物運行過程中的各種能量，包括建筑施工、采暖、空調(diào)、照明、電梯、熱水、烹調(diào)、家用電器及辦公設(shè)備等的能耗。應(yīng)在圍護(hù)結(jié)構(gòu)、供暖空調(diào)系統(tǒng)和功能設(shè)備能效三方面開展節(jié)能活動。在建材生產(chǎn)、設(shè)備制造、建筑工程、運行管理、節(jié)能服務(wù)以及節(jié)能監(jiān)管等各方面提高能效水平。
建筑節(jié)能的技術(shù)路線包括：一是節(jié)能環(huán)保建材的開發(fā)與推廣應(yīng)用；二是集中供熱系統(tǒng)高效調(diào)節(jié)、計量與監(jiān)控研究；三是節(jié)能環(huán)保家電的研發(fā)和推廣；四是既有居住建筑綜合改造；五是大型公共建筑節(jié)能改造；六是村鎮(zhèn)建筑節(jié)能技術(shù)體系和關(guān)鍵技術(shù)研究；七是節(jié)能環(huán)保的綠色建筑技術(shù)體系；八是開展建筑能源審計，建立不同建筑類型的能效標(biāo)識制度等。在分析建筑用能特點的基礎(chǔ)上，把利用可再生能源、環(huán)境能源和發(fā)揮熱泵作用作為建筑科學(xué)用能的一個重點。從梯級利用、提高能效出發(fā)，考慮到可再生能源的特點，大力發(fā)展多能源互補的分布式能源系統(tǒng)，以此來達(dá)到建筑節(jié)能的目標(biāo)，實現(xiàn)各個環(huán)節(jié)的系統(tǒng)能效最大化。
建筑科學(xué)用能是一項龐大的系統(tǒng)工程，需要多層次、多角度地加以研究。應(yīng)研發(fā)和應(yīng)用高新技術(shù)，利用科技進(jìn)步促進(jìn)節(jié)能。同時加強政策管理，完善能源立法。在國家低碳技術(shù)發(fā)展規(guī)劃的指導(dǎo)下，我國必將在低碳經(jīng)濟方面取得重大成果，為人類發(fā)展做出貢獻(xiàn)。（根據(jù)“十一五”全國建筑業(yè)節(jié)能減排經(jīng)驗交流大會錄音整理）
