五大战略应对能源挑战
□中国工程院院士 倪维斗
近年来，能源及与之相关的环境问题成为全球关注的热点。对我国来说，由于人均能源资源短缺、环境容量
有限以及西部生态脆弱，能源与环境问题尤为严重。尤其近年我国GDP每年以10%的速度发展，能源消耗急骤增
加，环境、生态日益恶化。这种对自然无序、掠夺性索取的发展模式难以为继，已造成十分严重的、不可逆转
的后果，大自然的惩罚已经凸现出来，并且还会继续加重。
一、 几个无法改变的现实
● 煤炭在现在和将来（直到2050年或更晚）都是我国能源的主力，虽然在总能源（energy mix）中所占
的比例会逐渐下降（从75%下降到60%左右），但其总量仍会不断增加。
● 煤用于发电的比例会越来越大，将从目前的50%增加到70%以上。
● 目前煤的开采和直接燃烧已引起严重的生态破坏
和环境污染问题，我国70%～80%以上的SO2、NOx、Hg、颗粒物、CO2等都是由煤炭直接燃烧所产生的。
● 石油短缺，2005年我国进口原油及其成品油约1.9亿t，对外依存度达48%，估计2010年将进口石油
2.5亿t，对外依存度将超过50%，这会引起一系列的能源安全问题。
● 在煤的直接燃烧条件下很难解决温室气体的减排问题，因为从电厂的大容积流量的烟气中收集浓度在
13%～14%的CO2将耗费很多能量，使发电效率降低10个百分点左右。目前我国温室气体排放已居世界第二位，
近年来还在不断增长，如此下去在10年或略长一段时间内将超过美国，居世界第一。
● 可再生能源（主要是风能、太阳能和生物质能）在2020年以前很难在总能源平衡中占有一定分量的比
重，这和欧洲国家有很大区别。一些欧洲国家的总能耗已经不再增长（或增长很少），可再生能源正逐步替代目
前在用的化石能源。而我国却处于总能耗急剧增长之中，单是发电设备（主要是燃煤的发电）每年增长的装机
容量是60G～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。
二、面临五大严峻挑战
1．总需求量增长迅速
2000～2020年，国家规划全国GDP增长4倍，能源消耗增长1倍，这意味着能源弹性系数应为0.5。但是
最近3年，这个系数为1.3以上，即能源需求远远大于规划。从发展趋势来看，我国工业已进入重化阶段，按
照世界各国发展的历史规律，能耗迅速增长阶段似不可逾越。问题在于这么大的一次能源需求我国是否能够供
应，其所引起的污染是否有足够的环境容量，如何解决这一矛盾？
2．液体燃料短缺
我国石油对进口的依赖度越来越大，能源安全如何保证？如何加速石油的替代？我国的汽车工业、石化工
业如何用创新的发展模式来适应这个形势？在车用替代燃料方面我国应以此为契机走出自主创新的道路。
3．环境污染严重
SO2、NOx、PM2.5-10、Hg和CO2等污染物80%是由于化石能源的应用产生的，尤其是煤的直接燃烧所引起。
目前我国30%～40%的地区（尤其是西南地区）出现酸雨现象，呼吸系统疾病不断增加。摆在我们面前的一个严
峻问题是我国对这些污染物“可容忍”的环境容量究竟有多大？
4．温室气体减排责任
目前全球每年排放250多亿吨CO2，空气中的CO2浓度在工业化150多年以来已从280ppm增至380ppm，目
前以3ppm/a的速度增长，温室气体将给地球带来灾难性的后果。所以，全世界都在采取多种措施减排CO2，我
国已于2002年成为“京都议定书”的第37个签约国。作为一个负责任的大国，我国在不远的将来必然要承担
一定量、甚至大幅度温室气体的减排任务。因而，从现在开始就应该认真考虑CO2如何分阶段减排的有关战略
技术和政策问题，否则今后几十年我国将会为此付出更大的代价。
5．农村及城镇化能源需求巨大
到目前为止，相当数量的农民没有得到良好的能源服务，他们仍依赖当地的农业废弃物（秸秆、柴草等）
作为主要能源，有些地方甚至仍在砍伐森林和破坏生态。此外，我国城镇化率以每年1%的速度在增长，每年有
将近1000万人口进入新的城镇，每个城镇居民人均消耗的能源是农村人均的3.5倍。这部分份额巨大的能源供
应来自何处？怎样供给广大农村和新建中、小城镇符合中国国情的现代化能源服务？这是整体能源战略的重要
组成部分。
以上五点是我国能源面临的严峻的挑战，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和
落脚点。
三、若干重要战略对策
整个能源、环境问题是一个庞大的系统工程，涉及科学、技术、文化、历史传统、教育、外交、政治等方
面，且这些方面是相互耦合、相互影响的。本文仅从技术层面提出若干战略对策。
1．节能为本
我国虽然人均资源短缺，供应压力较大，但另一方面单位GDP的能耗强度（Energy Intensity）也很大，
大约是日本的5～6倍。从科学技术层次考虑，节能有非常大的覆盖面，从基础研究到应用研究，一直到节能产
品的研发和商业化推广，有大量的工作要做，例如强化传热、传质，两相、多相流动，可再生能源的高效、合
理利用，新型蓄能（热、电）装置、新型热力系统，以及复杂工业系统的集成、优化等等。
2．煤的现代化利用
我国的一次能源在相当长时间内主要是煤，而煤的直接燃烧会引起严重的环境问题，因此煤的现代化利用
——以煤气化为龙头的多联产系统是应对我国能源挑战的战略方向。煤经气化后成为合成气，净化以后可用于
生产化工原料、液体燃料（合成油、甲醇、二甲醚）和提供电力。这些生产过程产生的能量流、物质流等按最
优原则耦合在一起，与分别生产相关产品相比，在基本投资、单位产品成本、污染排放、环境保护等方面都有
显著的效益。这种多联产系统在化工产品、液体燃料和电力之间可以按市场需求或发电的“峰-谷”差适当调节，
具有很好的灵活性。
多联产系统所生产的液体燃料，尤其是甲醇和二甲醚是很好的煤基车用替代燃料，可以有份额的缓解我国
石油的短缺。同时，甲醇可以用来生产烯烃，用煤化工“替代”一部分传统的石油化工，以减少石油消耗；二
甲醚除了替代柴油外，还是一种很好的民用燃料。在整个工艺过程中可以捕捉高浓度、高压的CO2，为温室气体
减排创造条件，所耗费的能量与成本比常规电站烟气中捕捉CO2低得多。随着技术的进一步发展，例如大容量
高温固体氧化物燃料电池（SOFC）的商业化，这类多联产系统可以把SOFC耦合进来，使发电效率提高到60%～
65%。这种多联产系统组成部件的绝大部分技术比较成熟，只要各部门（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年内我国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。
3．煤基醇醚燃料和车用动力的应用
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，煤基醇醚燃料的替代成为我国必然的
战略方向。
用于替代汽油的甲醇有很高的辛烷值，在汽油机车中应用可以提高压缩比（从9到12，甚至14），从而提
高发动机的热效率。当然，燃料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（甲醛等）等，但是经过多年努力，这些问题都可得到适当解决。甲醇低比例掺烧（10%）对原发动机只需
作小量的改动，而高比例（85%）或是纯甲醇则需重新设计发动机，对此，国内有关研究单位已设计并成功试运
行纯甲醇汽车，但还需进行大量的科研和开发工作。
用于替代柴油的二甲醚有很高的十六烷值，燃烧完全，排放满足欧Ⅲ，经优化可满足欧Ⅳ标准。NOx排放可
比常规柴油机降低50%以上，运行噪声低，无黑烟排放。但二甲醚常温下为气态，所以车的燃油系统必需加压。
此外，二甲醚粘度只有柴油的1/30，且杨氏模量小，燃油喷射系统的零件磨损以及喷射时间的严格控制问题还
有待解决。
非粮食乙醇也是一个可行的发展方向，关键是这种能源作物不能和其他农作物争地、争水，且单位面积要
有高产出率。生物柴油技术基本成熟，关键在于含油植物资源的获取。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。
说到车用燃料替代，就要提到燃料电池汽车。关于燃料电池汽车，还有很多关键技术有待突破，如氢的制
备、压缩、储运、车载、加氢的基础设施建设、铂催化剂等价格昂贵等问题。对于燃料电池汽车，积极开展基
础性研究是必需的，但距离其真正商业化少说也得15～20年。目前以电为载能体的交通工具正在迅速发展，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。因此把氢能燃料电池看作汽车动力的“最
高目标”是不妥的，况且现在电能网络已经基本覆盖全球，没有必要再去建立氢能网络。
4．加速发展核能
核能在运行过程中基本没有排放（核废料除外），能提供清洁的电能。人们对核电的顾虑主要有两点：一是
单位装机容量基本投资较大，是常规火电的1.5～2.0倍；二是运行安全性，包括最终核废料的处理。其实，由
于环保要求越来越高，常规火电站要加FGD、SCR、脱汞、脱微颗粒、最后脱CO2等装置，造价一定会不断攀升，
与核电站的价差会逐渐消失。再考虑到核电站每年运行时间长，设备寿命也大于常规火电站，因此，从总体上
来看，基本投资应不是问题。随着科技发展，反应堆技术、自动控制技术、故障诊断和预报技术日臻完善，核
电站应是十分安全的。我国应该加速发展自主设计、建造的百万千瓦级的先进压水堆核电站。此外，要加速发
展快中子堆和快中子燃烧器，主要用于处理压水堆的乏燃料，使其增值，以形成合理的核燃料循环，缓解我国
核燃料不足的问题。
5．充分利用可再生能源
可再生能源的根本特点是能量密度低、随机性大、不可控因素多，与一个国家或地区的经济和资源分布、
人口分布、人均占有量、用能形式、技术水平、社会发展阶段等有十分紧密的联系，适用的技术和所起的作用
各不相同。所以，可再生能源的应用一定要从我国国情、从各地区的具体情况出发，千万不能套用国外的模式。
一个国家的能源系统是一个整体，是一个各种能源的转换、输送，以不同形式（交流电、直流电、高温热、低
温热、机械能等）服务于不同的终端用户的庞大复杂系统。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，必须对整个能源系统作相应的调整，使之各得其所，发挥各自的长处，这是需要我们深入
研究的。所以说，因地制宜，因不同的需求制宜是一个原则，一定要从国家高度把“合适的能源放在合适的地
方”。
四、结束语
● 按以往的过量消耗资源、能源和污染环境的发展模式已难以为继，必须果断、迅速地走向十分节约、十
分勤俭、与大自然和谐相处的发展模式。否则大自然的惩罚会越来越凸现，我们必将付出越来越沉重的代价。
● 我国在能源方面的科学研究和技术发展的主流应是有份额地、显著地缓解我国面临的严峻
挑战。当然一些基础性和前瞻性的课题也应作适当安排，但要轻重有分，前后有序。此外，一定要从我国的国
情出发，认真作科学分析，千万不要受国内外炒作的影响。
● 21世纪能源发展的一个重要趋势是多类能源转换系统的集成，以及物理能、化学能和物理、化学的优化
梯级利用。化工、石化、发电、钢铁集成一体化，可以带来能源、环境、经济（3E）的最大效益。我国的工业
部门一定要站在整体3E最大效益的高度，打破原来的行业界线，整体集成。
● 对可再生能源一定要结合我国具体情况，探索其在我国整体能源系统中的最佳“位置”。我们需要重点
研究的不是这些可再生能源能做什么，而是它们在我国能源系统中应该做什么。
● 可再生图能源利用、车用液体燃料用电动替代以及将来发电的峰－谷调节，电能的大、中、小容量的存
储是关键，应该集中力量在基础研究、应用研究、示范、商业化多个方面全面推进。