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全球能源发展趋势及能源开发方式

全球能源发展趋势  

   

根据国际能源署“2002世界能源展望”最新统计资料表明:
    ·近30年内,世界能源需求量将增长2/3;
    ·矿物燃料在能源结构中仍将占主导地位;
    ·近2/3的能源增长将发生在发展中国家;
    ·对所需新能源产业的投资将是一个巨大的挑战,主要取决于政府所制订的框架政策;
    ·国际能源贸易将大幅度增长;
    ·天然气需求量的增长将超过其它任何燃料,但却不及可再生能源(表1显示:2000年至2003年期间,天然气年平均增长率将为4.5%,而其它可再生能源将为5.9%);
    ·石油需求量的增长将取决于运输;
    ·电力需求量将比其它能源增长得快。

    世界能源需求趋势如下图所示。


    世界能源组织对电力需求做了以下分析:
    “电力与其它能源相比,将发展迅速,年平均增长率可达2.4%。至2030年,世界电力需求将翻一番,而其在能源总消耗中所占的比例也将从2000年的18%提高到22%。电力需求在发展中国家将增长最快。”(世界能源组织,2002)
    美国能源信息局预计,全球电力消费在1990年至2020年期间将增长73%。图2显示了世界电力生产装机容量。


                      世界能源组织,2002)

    1997年至2020年期间,全世界计划新增装机容量近3000GW,而其中半数以上发生在发展中国家及经济过渡期。也就是说,发展中国家及经济过渡期对新电厂的投资约为1.7万亿美元,而这并不包括对输、配电网络进行扩建的费用。(国际能源署“2002世界能源展望”,pp25,64)

1.1发展中国家的能源趋势
    世界能源组织还认为电力需求的扩大主要将发生在居民区及发展中国家。
    电力需求在居民区,特别是发展中国家增长最快。然而,经济合作与发展组织(欧洲)与发展中国家之间所存在的人均用电量上的巨大差异在预测期内将难以改变。石油与天然气在全球总消耗中所占的比例也将保持不变。至2003年,石油产品在最终能源消耗中将占约一半的比例。煤所占的比例将从9%降至7%。煤在工业中的使用将扩大,但仅限于经济合作与发展组织之外的国家。而在居民区及服务行业,煤的使用将趋于萎缩。
    如图3所示,低收入的国家依靠生物能,然而由于其严重的室内污染会损害成千上万的人们,特别是儿童和妇女们的健康。每年,空气污染,主要是颗粒污染,造成300多万人丧生。

1.2能源与贫困
    “世界能源展望”一书中有一个章节(13)专门阐述了能源与贫困之间的关系。关键的几个问题摘录如下:


          图3世界能源短缺地区(世界能源组织,2002)

    ·全世界1/4的人口,也就是大约16亿人还没有用上电。由于缺乏有效的政策,至2030年,仍会有14亿人口缺电。
    ·缺电人口中,4?5生活在发展中国家的农村,主要是南亚及非洲撒哈拉沙漠周边一带。然而,由于在以后的30年中,人口增长的95%都将发生在城市,因而缺电模式也将随之改变。
    ·大约24亿人口依靠传统的生物能(木材、农业残渣及粪便)来做饭和取暖。至2030,人数还将增加为26亿。在发展中国家,生物能的使用到2030年底仍将占居民能源总消耗的一半以上。
    ·电力短缺而过分依赖传统的生物能是发展中国家的贫困特点。电力短缺限制了许多产业发展,影响就业机会,因而使得贫困加剧并且难以脱贫。
    ·发展中国家应注重对包括生物能在内的多种能源进行投资,热能和机械能的应用,可以带来多种形式的创收。然而,电气化及先进能源服务本身并不保证脱贫。
    ·对一些电网延伸不到的地方,可以选择太阳能、风能和生物能等可再生能源技术作为经济有效的方式;而对于电网扩容,传统的燃料及相关技术则显出其优势。

2 能源开发方式
    如图4所示,大约2/3的全球电力仍来自矿物燃料,而在由可再生能源开发的电力中,水电占据了重大份额。预计这种趋势不会改变(表1)。

2.1电力开发的主要方式
    国际能源署认为:“在2000年至2030年期间,电力开发将以每年2.3%的速率递增。当今,煤是应用最为广泛的电力资源,占40%的份额。而其余的份额则主要由天然气、核能及水电平分秋色。接下来的30年中,电力燃料结构将会发生明显改变,天然气将占据优势。”(国际能源署,2002)。
    燃料结构的改变预计主要由如下几点:



    ·2000年至2020年期间,煤在总的发电中的份额将缩减,而在这之后又将略微回升。而整个过程中,煤在总发电量中仍然保持最大份额。
    ·尽管石油在总发电量中的份额已经很小,但仍将缩减。
    ·由于新建的发电厂中,大部分将为天然气电厂,因而天然气的份额将大大增加。自2000年至2030年,将从17%增至31%。考虑到价格将上升的因素,预计在预测期后半段时期里,对天然气需求的增长速率将有所下降。
    ·核发电将略微增加,但由于新建电厂不多而现有的许多又要报废,所以核电在总发电量中的份额将减少一半。
    ·预测期内,水电开发将增长60%,但所占份额却有所下降。
    ·除水电以外的其它可再生能源将比其它任何能源都发展迅速,年增长率达6%。在2000年至2030年期间,可再生能源总发电量可增长近6倍,在2003年全球总电量中的份额可达4.4%。风能和生物将占居整个增长量的80%。
    ·预计利用天然气中提取的氢而形成的燃料电池将成为一种新型的电力资源,特别是在2020年以后。至2030年,氢燃料电池在总电量中所占份额将略超过1%。

    表1对全球电力平衡做了一个总结。


    正如最近一届世界可持续发展大会(2002年,约翰内斯堡召开)的实施计划里所述,大家普遍认同能源持续发展的必要性。
    “通过开发先进、清洁、廉价及高效节资的能源技术,包括矿物燃料技术及如水电等可再生能源技术,并在共同认可的方式下将技术转让给发展中国家,这样可使能源供应多样化。大力开发全球可再生资源已迫在眉睫。在此基础上,可以扩大总的能源供应。要弄清国家和地区的目标以及存在的主动性的作用,要保证能源政策支持发展中国家为脱贫而做的努力,并对获得的数据定期地评估来跟踪进展。”(第19e条)
    虽然开发可再生能源具有明显的优势,但正如任何一种发电方式一样,无论在当地、区域或全球范围内,都存在一定的负面影响。

2.2各种供能方式的影响
    考虑到各种基本资源及转换技术的多样化,要比较它们相对的环境特点并不简单。能源转换和节能措施无疑是避免一些不良影响的最佳办法。然而,这些应用并不能完全满足电力的需求,尤其对发展中国家而言。
    从环境的角度,对电力开发方式的比较必须建立在一种综合分析的基础上,即应该将每一种可替代能源开发过程中所形成的生物循环里的所有因素都考虑进去。生物循环评估(有关电力开发方式中生物循环评估的更多信息详见附录C-i及ii)具有广泛范围,从头至尾“从摇篮到坟墓”地贯穿每一种方式的始终,要评价整个过程中每一步的环境影响,包括资源提取、燃料加工及运输、厂房建设、电力生产和废渣处理等内容。
    所有能源资源的使用都影响着环境,并带来或多或少的后果。煤、石油和天然气等矿物燃料的燃
    烧会产生许多不利于环境和人类健康的因素。尽管利用技术来减轻这些影响,然而大气污染还是会造成地球变暖、酸雨、烟雾及呼吸道方面的严重疾病等等。
    非矿物燃料同样具有不良影响。引起公众关注的问题是核能领域中出现的操作安全、危险物质的处理和储藏,甚至涉及潜在的核武器泛滥等问题。同样地,这些问题都有望通过技术来减轻。通过控制电厂规模及产品种类还可降低成本。
    大型水电项目也受到争议,主要集中在人口迁移、鱼类和生态影响、贫瘠河流管理等。这些问题通常都是由于缺乏有效的影响消除、法律不健全和腐败。
    大规模生物能的开发也会带来农村的单一经营、生物差异、耕地与水源之间的矛盾,以及对农作物与燃料等方面产生的负面影响。
    风能和太阳能由于被认为是不可靠的和不可预见的而受到批评。尤其是风能,由于其风轮机对视线有干扰、产生噪音,而且在有些地方还引起鸟类的死亡,因而备受指责。太阳光伏电池的制造和处理难免要破坏环境,而且还很昂贵。
    潮汐发电(源自江河拦河坝)造成浅滩被水淹没,妨碍了涉水鸟的觅食。迁移的及过冬的鸟类数量遭受影响。此外,由于盐度受到破坏,海洋能问题也令人担忧。
    无论选择哪一种来作为最为合适的电力供应方式,都存在着优缺点的平衡问题。这就要求要以综合的认识及合适的管理来提供持续的能源服务。

2.3承受能力—成本问题
    电力价格如何趋于更易被承受是一个基本要求,尤其对那些较贫穷的发展中国家来说。因而,电力成本是决策的一个根本标准。如表2所示,最廉价的可再生能源是水电。而且,此处的成本核算还没有将水库综合利用(防洪、供水、航运、娱乐等)方面的附加效益计算在内。


    通常,对于城区的电网供电,用电低谷时的电价为2~3¢/kWh,而到了用电高峰时就升为15~25¢/kWh。(联合国开发计划署,2000,p15)
    在注重消费者所要承受的价格的同时,还应充分考虑每一种方式的服务水平、灵活性、舒适性以及能源开发过程中的效率等问题。

2.4服务水平
    在一年中每一天的电力需求都是变化的,但是电力却不象木材、石油或天然气那样可以方便而又经济地储存。所以它具有这样的特点:一旦电力需求发生变化,电力生产就必须立即做出相应的调整来匹配。如果需求增大,而供电跟不上,电压就会下降,引起电力系统“电力不足”和供电中断。这对于经济活动、健康教育基本服务以及安全等方面都有很大的影响。
    为了能够应付电力需求的波动,通常会将几个电厂结合起来使用,它们各自为保证供电的连续性而发挥不同的作用。表3对此作了说明。一些电厂适合于用作基荷电厂,而另一些则作为峰荷电厂。例如,核电厂通常保持固定的输出,一般让它们来负担基本负荷。相反,按照不同的设计,水电厂可以满足不同的电力需求,可以是基荷或是峰荷,甚至可以做到同时都满足。这种供电的灵活性正是水电、柴油和天然气的特性之一。


    由此可见,系统所能提供的服务水平是对发电方式进行比较的一个基本因素。由于有些发电方式一年中大部分时间都满负荷运行,而有些却长期不运行,所以不选用单位装机容量(MW)进行方式比较。而对于给定时期内的单位能量产出应考虑环境影响。
    此外,单位能量(kWh)并不是等同产出的。有些方式,如风能、太阳能等间断性供能系统要求有后备支持。因而,对此类间断性能源的效果评估也应包括对所有后备支持能源方式的评估。例如,靠柴油辅助的风能发电系统在环保方面要逊于靠水电扶助的风能发电系统。
    同时,单位能量(kWh)并不一定等价。有些供电方式在价格方面很大程度取决于原材料的价格波动,如天然气或石油等;而可再生能源不会受这种市场变化的影响。

2.5能源效率
    优化使用能源是未来持续发展的保证。在能源领域,效率基于以下两个因素:
    ·能源转化率
    ·能源回收率
    (注:能源转化率指一个电站在正常寿命期内产出的总能量,与电站建设、维护及发电设备所需的能量投入相除所得的商(国际能源署2000,“水电与环境:现状及未来行动方针”,第二卷—主报告—第三章,p.55)。此值越大,说明能源系统性能越好。)
    能源转换率涉及到从一种能源的最初形式转化到电能所经历的过程。例如,水电和风能是将自然风力和水流直接转化成电力,与矿物燃料相比,它们的能源转化过程显得很短且高效。在所有能源方式中,水电站所提供的能源转化效率最高。当今的电站将水能转换为电能的效率可达到95%以上,而即使是最好的矿物燃料厂也只能达到60%左右的效率。
    如图5所示,水电的能源偿还率也是最高的。一个水电站在寿命期内所产出的总能量通常是建设、维护与运行它所需的能量投入的200多倍。


        图5 发电方式与能源偿还率 (资料来源:能源政策2002,p.1276)

2.6气候变化
    在国际专家中,越来越多的人认为,气候变化是人类在本世纪将要面临的最重要的挑战之一(详见附录A-i)。站在全球的角度,能源生产使用与气候变化之间的关系如今已被认识到。主要由矿物燃烧而造成的温室气体(GHG)的释放被认为对全球变暖乃至气候变化起作用。即使对于由传统生物能燃烧或一些特殊大型水电项目(特别是对一些典型的大水库,应采取更多的措施来获知精确的净温室气体释放量)引起的温室气体释放量尚存在一些不明之处,人们对于日益依靠可再生能源将大大减轻气候变化这一点却深信不疑。图6显示了不同的电力开发方式所产生的二氧化碳(CO2)量(最常见的温室气体),结果是建立在生物循环分析基础上的。


    数据表明在所有系统中,径流电站性能最好。紧接着是核能、水库式电站和风能等,有着较类似的释放因素。显然,煤电厂(无论新旧)的释放因素最高,约为综合循环天然气汽轮机的两倍。

2.7大气问题
    除了气候,另一个有关全球环境持续性的重要问题就是我们的大气状况。空气污染造成每年300多万人口的死亡,大多数是因为颗粒污染(联合国报告2002,p.20)。死亡人群中大部分是发展中国家的儿童,他们死于由于燃烧木料、庄稼废渣或动物粪便造成室内空气污染而引起的严重的呼吸道传染病。然而,在发达国家,往往将控制污染的重点放在室外空气污染方面。“对工业及汽车等方面的矿物燃料的燃烧疏于控制导致许多城市在工业化与都市化的早期遭受巨大的空气污染。随着生活标准的提高,改善空气质量成为首要任务,必须建立和加强污染控制措施,降低颗粒及二氧化硫的含量”。正如表4所显示,能源及电力生产与大气问题密切相关。



   
基于生物循环分析,图7反映了不同电力开发方式中产生二氧化硫排放的情况。


    二氧化硫主要产生于煤或燃油发电厂。对于这些电力开发方式,用当今的高科技手段已经可以使其二氧化硫发生量降低90%以上,但由于成本高而会降低电厂的效率。另一种办法是使用含硫量低的石油或煤,但由于往往需要长途运输,因而成本就更高了。总之,经济问题是关键,而未来石油与煤发电的走向将取决于政策导向而非新技术。

2.8对土地的需求
    关于持续性的另一个问题是:不同的能源方式的土地使用与人类及生态系统活动之间如何发生相互作用的问题。所有的电力开发系统都直接或间接地影响着土地的使用。例如:
    ·水库式水电工程将森林和土地转变为水态环境;
    ·煤电厂由于采矿而对大面积的区域造成影响,同时产生酸雨;
    ·生物能燃烧要求对森林或植被进行大面积的开伐;
    ·核电站由于需要对辐射性垃圾进行处理,因而要求占用大量的地下土地面积;
    ·温室气体释放以及伴随而来的气候变化对地球上所有的自然的或人为的生态系统的影响日益增大。
    对于生物循环分析,将物质设备生产厂需要的土地所涉及的所有资源都加以考虑是非常必要的。人口增长意味着无论农村还是城市都需要更多的土地;而工业发展也使得另作它用的土地显得不足。另外,生物燃料、风能或太阳能等新兴可再生能源电力都要求占用大面积的土地。
    图8显示了在一定的服务水平下,不同的电力开发方式对土地的要求。


              图8 不同的电力开发方式对土地的要求 (资料来源:能源政策2002,p.1274)

    这样的生物循环分析应该引起警觉。然而由于在此没有考虑影响强度以及兼容性程度等问题,每种电力开发方式还有可能伴随其他土地使用情况。另外,图8中的数据只反映了对土地的直接使用情况。与气候变化有关的损失(如海面上升造成的土地损失)等间接影响没有包括在内。
    综合以上分析可知,生物燃料系统生产单位电能所要求的土地最多。水电、风能及太阳能等其它可再生资源有着类似的土地要求,但不同的具体情况会引起较大变化。水电站的数据是以水库总面积,而非以水域面积为基准的,往往会更小(在围坝前,河水或湖水已经占据了很大面积)。
    已知数据表明,矿物燃料比任何一种再生能源对土地的需求量都要少得多。然而这种评估只是基于对土地的直接需求(电厂或采矿)。如前所述,与大气辐射或气候变化等有关的间接的土地需求并没有包括在内。而这些问题也是值得考虑的,因为它们可使矿物燃料的土地使用因素大大增加。
    研究表明,核电是对土地需求最低的一种发电方式,而在此并没有将对核垃圾作长期处理所需的土地考虑在内。这部分的土地使用将会使整个土地需求量大增。即使对辐射性垃圾的处理只需要不大的一块区域,但这个空间却要被占用几千年(假设垃圾处理对土地的需求因素为0.1km2/TWh,乘上30-000年,按发电30年计算,土地使用因素将从0.5km2/TWh/y增加到100km2/TWh/y)。
    选择最优化的供电方式应考虑以下一系列的决定性的因素:
    ·自然资源状况及当地能源开发途径;
    ·地理状况,包括气候条件及大都市间的距离;
    ·人口、年龄、劳动力就业率、家庭结构及城市化程度等方面的统计;
    ·经济结构、经济活动、收入水平及分配、资本来源、相对价格及市场状况等;
    ·技术支持、现有基础设施、改革程度、研究开发手段、工艺水平及技术传播等;
    ·生活方式、居住形式、迁移率、个体与社会的侧重、文化风俗等;
    ·影响经济趋势、能源、环境、标准与规则、补贴与社会福利等方面的政策因素;
    ·法律、法规与制度
    大力开发充足、价廉、可靠、质量好、安全以及环保的能源方式是发展的必要条件,同时尚需作其他方面的努力。

(根据第3届世界水论坛报告“水电在可持续发展中的作用”第5、6章编译,亚太地区小水电研究培训中心 沈学群翻译,程夏蕾校核。刊登在《小水电》2004年第1期)


    来源:《小水电》编辑部编辑供稿

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