国能源结构现状及发展趋势

张芳  陈欢林*

浙江大学材料与化工学院 杭州，310027

摘要：我国目前的能源消费结构仍以煤炭为主，对进口石油依存度过高，能源安全和环保问题日益严峻。本文通过对各种可再生性能源的利用状况进行比较，认为我国发展生物质资源产能潜力巨大，如麻风树、油桐等陆生植物制备的生物柴油在近期会有较大的发展，特别以微藻为主的水生植物制备生物柴油，将有可能成为最有竞争力的替代性能源，在我国未来能源结构中占有举足轻重的比重。

关键词：能源安全；温室气体；可再生性能源；微藻；生物柴油

Abstract: Because of depleting supplies of petroleum fuels and the contribution of these fuels to the accumulation of carbon dioxide in the environment, all kinds of renewable energy are paid more and more attentions around the world. Biomass is the sole renewable carbon resource that can be transferred into gas，liquid and solid fuels as well as other chemicals．Biodiesel derived from microalgae as a potential and carbon neutral alternative to fossil fuels is competitive and promising.

Keywords: energy security；green-house gas；biomass energy；microalgae, biodiesel

随着经济的飞速发展，中国的能源消费总量连续多年都位居世界前列。统计数据表明2001～2006年间，我国每年一次性能源的消费比重均在90%以上（见表1），而风能，太阳能，生物质能等新能源的利用率仍然很低。我国能源消费构成的特点：（1）煤炭的生产和消费比重偏高。近五年来煤炭年产量占能源总产量的比重呈逐年递增趋势，2006年这一比重上升至76.7%。（2）石油的生产量低，消费量高，供需缺口需依赖进口石油满足。与煤炭资源相反，石油在能源总产量的比重逐年递减，2006年仅为11.9%，而其消费量的比重五年来均超过20%。（3）新能源利用率低，发展潜力大。目前对新能源的利用率不足10%，而我国地域辽阔，太阳能，风能，生物质等能源蕴藏丰富，开发潜力巨大。

表1 2001～2006年中国能源消费总量及构成（数据来源于中国统计年鉴2001～2006）

年份	能源消费总量(万吨标准煤)	占能源消费总量的比重 (%)
		煤炭	石油	天然气	新能源
2001	143199	66.7	22.9	2.6	7.9
2002	151797	66.3	23.4	2.6	7.7
2003	174990	68.4	22.2	2.6	6.8
2004	203227	68.0	22.3	2.6	7.1
2005	224682	69.1	21.0	2.8	7.1
2006	246270	69.4	20.4	3.0	7.2

 

我国石油储量占世界总量的2%，人均占有量仅为世界平均水平的十分之一，自1993年成为原油净进口国以来，到2002年已经成为世界第二大石油消费国、第七大石油进口国。中国统计年鉴数据显示（见表2），1995之后的十年间，随着经济飞速发展，中国对进口石油的依存度也基本呈逐年递增趋势，2006年，全国48.2%的石油消耗量需从国外进口。而2008年4月中国社科院发布的《中国能源发展报告（2008）》蓝皮书预计，2010年和2020年中国石油消费量将达4.07亿吨和5.63亿吨，分别比2006年提高17.42%和62.47%。BP世界能源统计（2008）的数据表明，全球石油探明储量约1.24万亿桶，以目前的开采速度仅够开采40多年。

石油资源的日益匮乏和中国对进口石油的过度依赖使我们不得不面对能源安全问题，特别是全球已进入高油价时代，能源安全更成为一个关系到国计民生和影响到中国整体经济可持续增长的关键性问题。

表2 1995～2006年中国石油年消耗量与净进口量（数据来源于中国统计年鉴2003～2006）

 

中国是世界第一产煤大国，煤炭产量占全世界的37%。作为中国的主要能源，在1995～2006十年间，煤炭在全国能源消费总量中所占比例均在65%以上，并且在未来相当长的时期内，中国能源消费结构仍将保持煤炭占据主导地位的状况。大量煤炭的燃烧导致二氧化碳、氮氧化物、粉尘等环境污染物的排放量逐年增大。据美国EIA（Energy Information Administration）统计，1990年世界二氧化碳的排放量约为215.6亿吨，预计2010年将为277.2亿吨，2025年达到371.2亿吨，年均增长1.85%。目前，我国二氧化碳的排放总量仅次于美国居世界第二位，二氧化硫的排放量居世界第一，而我国二氧化碳排放量的70%、二氧化硫排放量的90%、氮氧化物排放量的66.7%均来自燃煤。作为一次性能源，煤炭资源的不可再生性和环境问题的日益严峻使研究人员将越来越多的目光投向可再生性能源的开发利用上。

我国风能、太阳能、地热能、海洋能，生物质能源蕴藏丰富，但利用率很低，开发潜力较大。未来能源结构的发展趋势将逐步降低煤炭，石油等一次性能源的消费比重，而有利于社会和生态环境可持续发展的新能源将成为发展重心。

中国可开发的风能资源储量为2.53亿千瓦，新疆北部、内蒙古、甘肃北部，东南沿海及其附近岛屿都是风能资源丰富地区。中国2007年风力发电的装机容量为590万千瓦，位列世界第五。2008年3月，国家发展和改革委员会发布的可再生能源发展“十一五”规划中，将2010年我国风电累计装机容量的目标从500万千瓦调整到了1000万千瓦。目前，我国风能产业主要利用陆地风能进行发电，发电设备利用率不高，国内风电设备制造业实力还比较薄弱，在风能丰富的偏远地区风电并网还存在诸多问题。

中国约三分之二国土面积的年日照时数在2200h以上，太阳能理论储量相当于2.4×10⁴亿吨标准煤，其开发利用的潜力非常广阔。我国太阳能发电技术主要有太阳能热电技术和太阳能光伏电池发电技术，由于光伏电池材料晶硅价格较高，因此大面积使用高成本的光伏电还有一定困难。太阳能热电技术相对比较完备，其原理是通过聚光装置把太阳光线聚集在装有某种液体的管道或容器中，借助太阳热能，液体被加热到一定温度后，产生蒸汽驱动涡轮机发电，将热能转化为电能。2005年10月底，位于江宁的中国首座太阳能热电示范工程发电成功，但目前工业化规模的太阳能热电还处于起步阶段。

我国地热资源储备丰富，其远景储量相当于2×10³亿吨标准煤。中国地热资源主要分为三类： (1)高温对流型地热资源。 (2)中低温对流型地热资源。(3)中低温传导型地热资源。我国大陆的高温地热资源主要分布在西藏南部、四川西部、云南西部。通过对高温准高温地热系统热储热能的估算，高温发电潜力总计为2781MW；准高温地热系统的发电潜力总计为3036MW。但是我国实际地热发电装机容量还很小，不足总能量消费结构的0.5%。我国的工业性地热电站均分布在西藏自治区，目前作为国内规模最大的西藏羊八井高温地热电站，装机容量为25.18MW。

海洋能资源通常指海洋中所蕴藏的可再生的自然能源，主要为波浪能、潮汐能、潮流能、海水温差能和海水盐差能，目前只有潮汐能发电技术较为成熟，但电站的高成本建设导致潮汐发电成本也较高。

在全球石油储量越来越少和国际石油价格居高不下的大趋势下，近年来世界各国都积极探索能源的多元化，许多国家都将发展生物质能源作为国家能源战略的重点。

生物质能是植物和微生物将太阳能转化为化学能并以生物质为储存载体的能量形式。在各种可再生能源中，生物质能源是唯一可替代化石能源转化成液态和气态燃料以及其它化工原料或者产品的碳资源。生物质能源包括林业废弃物，农业生产和加工剩余物，水生植物，油料植物，城市和工业有机废弃物，动物粪便等。全球范围内, 每年通过光合作用生产1.7×10³亿吨生物质, 然而却只有3.5%得到利用。我国理论生物质能资源相当于50亿吨标准煤，是目前总能耗的4倍左右。

3.2.1 生物质燃烧能

    直接利用生物质燃烧能有两种形式：加工生物质压缩成型燃料和利用生活垃圾燃烧发电。

    生物质压缩成型燃料是将木质类的木屑，树叶、稻草等，在一定粒度和含水率的条件下，在50～200 MPa高压和150～300℃高温下，压缩成棒状、粒状、块状及其它形状，具有一定密实度的成型物。生物质压缩成型燃料具有较高的压缩比，极大地方便生物质资源的运输和储存，同时改善了生物质原料的燃烧性能，提高了生物质资源的利用效率。但在压制工艺流程中，原料需经烘干使含水率保持在12%左右，颗粒压制成型需在高温高压条件下进行，因此利用物理方法将生物质转化为压缩成型燃料的技术能耗大，积极研发新工艺和新设备，降低能耗，减少生产成本是目前努力的方向。

    据统计，我国城市人均年产垃圾440公斤，大量垃圾堆积不仅占用土地，还对周边环境造成严重污染。我国已建立多家垃圾焚烧发电厂，采用流化焚烧发电技术，对城市生活垃圾进行无害化处理和资源化利用，但普遍存在的问题是城市生活垃圾发热量低，即使在经济相对发达的广州和深圳，生活垃圾的低位发热量平均为6500千焦/公斤，属于中等偏低的热值。垃圾焚烧过程中产生的二恶英类致癌物、酸性气体、飞灰等有毒有害物质会产生二次污染。如何有效防治二次污染，使垃圾焚烧发电项目可以更好地发挥环境效益是今后发展的趋势。

3.2.2 生物燃气

生物燃气是指生物质经微生物厌氧作用后产生的氢气和甲烷等可燃气体。生物制氢有两种途径：（1）藻类或光合细菌利用光合作用产生氢气。（2）以城市污水、生活垃圾、动物粪便等有机物为原料，通过活性污泥中的微生物厌氧发酵获得氢气，同时净化水质，达到保护环境的作用，但厌氧发酵细菌生物制氢的产率较低，能量的转化率一般只有33%左右。氢气具有热值高，燃烧不产生温室气体等优势，目前,生物质产氢尚处于研究阶段，主要的应用障碍是降低成本和氢气的有效储存运输。

生物质发酵产甲烷的过程由水解液化、产酸和产甲烷三阶段组成，生物质经预处理和产甲烷菌作用后, 最终被分解为CH₄ (体积分数为55%～65%)，CO₂ (体积分数为30%～40%)和少量的氮气、氢气和硫化氢的气体混合物，俗称沼气。沼气已成为我国在农村全面提倡开发使用的新能源，统计表明，乡村用沼气池每年每户可节约原煤1.5吨，全国每年可节约原煤1.13亿吨。

3.2.3 燃料乙醇

生产燃料乙醇的生物质原料主要有两大类：第一类是含淀粉或糖的粮食和经济作物，如玉米、小麦、高粱、马铃薯，甘蔗、甜菜等；第二类是木质纤维素类农林废弃物，如秸秆、农作物壳皮等。2007年我国生产燃料乙醇产品约150万吨，乙醇汽油消费量约占全国汽油消费量的20%，成为世界第三大生物燃料乙醇生产国和消费国，主要生产原料为玉米和小麦等粮食作物。由于玉米等农作物的用量以及价格与日俱增，而且利用含糖和淀粉类原料发酵产乙醇存在与人争粮，成本较高等问题，应用前景不容乐观，利用纤维素类原料发酵制备乙醇是当前燃料乙醇的发展趋势。

木质纤维素生产燃料乙醇具有很大的发展前景，我国每年可利用的木质纤维素在7亿吨左右，纤维素可经酸或纤维素酶预处理成糖，再由微生物发酵产乙醇。目前全世界只有丹麦的诺维信和美国的杰能科生产用于纤维素工业化水解的酶制剂，这两家公司垄断着全球酶制剂市场份额的65%以上。如何降低纤维素酶的生产成本，提高酶催化效率是纤维素乙醇实现工业化生产的关键因素。

3.3.4 生物柴油

生物柴油是指以植物油脂，动物油脂以及餐饮业废油等为原料油通过酯交换工艺制成的可再生性燃料，一般由C₁₂～C₂₄的脂肪酸单烷基酯组成。生物柴油的分子量和性能与石化柴油接近，不含硫和芳香烃，十六烷值高，润滑性能好，普通柴油机无需改造即可使用，是一种优质的清洁能源。利用生物质资源制备柴油，在碳循环中不产生净增长，减少了CO₂等温室气体的排放量。同时生物柴油代替石化柴油，可降低对进口石油的依存度，缓解我国在经济发展过程中对石油的需求压力。此外，生物柴油还能生产可生物降解的精细化工产品和大宗化工产品，这是太阳能，风能等其他新能源所不具备的独特优势。

生物柴油的生产原料主要有油料作物和林木，餐饮业废弃油脂以及产油微藻三类。我国的生物柴油主要来源于餐饮业废油、榨油厂下脚料、猪皮油等劣质原料，餐饮废油中含有大量游离脂肪酸、水等杂质，存在质量不稳定、来源分散且产量小的问题，远不能满足社会经济发展所需的生物柴油量，而且在生产过程中会产生大量废水，需要采取相应的处理措施避免环境污染。因此从中、长期看，木本油料树种和微藻应作为发展我国生物柴油产业的战略资源。

目前我国可较大规模种植的木本油料植物主要有麻风树、黄连木、油棕等，油棕是单产最高的油料作物(4 t/10⁴ m²，是油菜的4倍和大豆的10倍)，麻风树等新兴非食用油料作物是利用我国境内低质土地发展生物柴油的主要潜在品种。我国山地资源丰富，山地、高原和丘陵约占国土总面积的69%，同时我国野生木本油料植物含油量在15%以上的约有1000种，其中含油量在20%以上的约300种。由于山地土层薄、肥力差、缺水等因素，不宜耕种农作物，因此，种植野生油料植物也是今后发展的方向之一。

工程微藻具有油脂含量高，生长速率快，可利用零成本的太阳光和温室气体CO₂合成有机质，生产的生物柴油不含硫，在碳循环中不产生净增长等诸多优势，是运输用油领域最有竞争力的可替代性能源。产油微藻生长速率很高，通常在24h以内即可增倍，在指数生长期，这一时间甚至缩短为3.5h，经筛选得到的产油藻种油脂含量可高达70%。海洋微藻可以天然海水为培养基，无需消耗淡水资源，同时可利用盐碱地，滩涂等不良耕地修建微藻培养基地，避免了与粮争地的局面，利用火力发电厂含高浓度CO₂的烟道气培养微藻，既能增加藻的生长密度，又能有效减少温室气体的排放量，达到一举多得的效果。如表2所示，微藻生物柴油生产力高，耕地占用率极低。与生物乙醇相比，微藻生物柴油也具有明显优势。生物乙醇的燃烧能仅为生物柴油能量的64%，若美国每年消耗的5.3亿立方米的生物柴油由生物乙醇代替，则需种植1.11×10⁸公顷甘蔗，相当于美国总耕地面积的61%。

表3 中国油料作物及林木与产油微藻生产力比较

a 满足中国运输燃料的50%

b 油脂含量占微藻细胞干重的70%

c 油脂含量占微藻细胞干重的30%

 

微藻强大的产能潜力使世界各国争相投入人力财力进行研发，以期在新能源领域率先夺得先机。2006年10月由美国Live Fuels公司资助，由Sandia National Laboratories牵头与众多科学家结成联盟启动了“A Mini-Manhattan Project” ，计划利用四年时间实现微藻柴油的工业化生产。2008年，英国碳基金公司(Carbon Trust)启动生物燃料项目，预计耗资2600万英镑（约2.8亿元人民币）于2020年前实现利用藻类生产运输燃料。近三年以来，美国的Solix Biofuel公司，Green Fuel Technology公司，加拿大的International Energy公司，荷兰的Algae Link公司，新西兰的Aquaflow Bionomic公司，以色列的Seambiotic公司等都致力于微藻的大规模培养和生物柴油的研发，掀起了全球性利用工程微藻制备生物柴油的浪潮。

我国发展生物柴油的关键问题在于保证原料油的低价稳定供应以及设法降低生产成本。从油料植物和工程微藻的育种培养，到收获加工，每一步都要降低成本，力求取得低成本的原料油，同时采用投资少、成本低的清洁生物柴油生产工艺，并通过生产高附加值的化工产品进一步缩减成本，增加收益。目前，我国在微藻柴油方面的研究还比较薄弱，从国家能源安全和节能减排角度出发，开展系统而深入的微藻柴油研发工作迫在眉睫，现提出两点建议：1.加大国家在该领域的科研投资力度。2.各大科研院所加强联系，结成联盟，统筹安排，资源共享，提高研发效率。

一是减少一次性能源消费比重，促进煤炭清洁高效利用。化石能源的日渐枯竭和环境问题的逐步加剧，使我国能源消费结构必须向降低一次性能源比重的方向发展，而我国资源储量的特点决定了在较长时间内煤炭仍为主要能源消费品，因此要加快推广先进清洁发展技术，促进煤炭清洁生产和清洁循环利用，提高煤炭产业附加值和使用效率，有效保护生态环境。

二是加强新能源的研发应用，提高可再生性能源的消费比重。我国石油储量少，对进口石油依存度高，要从根本上解决能源供应问题，必须大力推进能源科技进步与自主创新。积极推进太阳能，海洋能，核能，生物质能等新能源的研究开发，提高可再生能源的消费比例。预计至2050年，我国煤炭消耗量将由目前的70%降至40%，新能源的比重则增加至30%。

 

图1  2006年（左）和2050年（右）我国能源消费结构

我国的能源消费结构依然以煤炭为主，对进口石油依存度过高，能源安全岌岌可危，大量燃煤导致温室气体排放量过高，因此对环境友好的可再生性能源需求紧迫。对多种可再生性能源进行比较，生物质能源是唯一可替代化石能源转化成液态和气态燃料以及其它化工原料或者产品的碳资源，其中微藻生物柴油更因其得天独厚的优势。建议国家有关部门在我国的中长期能源发展规划中进一步突出和明确发展微藻生物柴油的目标，并逐步加大科研开发的投入，在不远的日子里，微藻生物柴油有可能成为最有竞争力的可替代性能源，到那时，我国的能源依赖进口的程度可以得到一定的缓解。

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