为什么要开展风能、太阳能等新能源发电

本文为春节专题文章——“年度 科技 发展态势总结与展望”的第四篇能源篇。

世界能源领域2019年发展态势

全球油气供应安全风险大幅增加。 全球尤其是中东能源地缘政治冲突加剧，大大增加了油气供应的安全风险。4月，美国宣布终止对伊朗石油进口的制裁豁免，重启对伊朗原油出口的限制。7月，英国在直布罗陀海域扣押了伊朗油轮。随后，伊朗在霍尔木兹海峡查扣一艘英国油轮以示报复。9月，沙特阿美旗下的两处重要石油设施遭无人机袭击，原油产量一度锐减570万桶/日，引发了全球油价短期跳涨。此外，卡塔尔退出石油输出国组织“欧佩克”、叙利亚局势震荡也在一定程度上影响全球的油气供应安全。

动力电池梯次利用商业化加速。 德国大众集团推出一款新型移动充电站，其内部电能存储单元由二次回收的电动车动力电池组成，已在德国率先投放使用。日本本田 汽车 公司与美国电力公司（American Electric Power，AEP）展开合作，共同开发一个能够将废旧电动 汽车 电池集成至AEP电网中的新商业模式。中国北汽鹏龙、北汽新能源等企业合伙在河北省黄骅市实施了北汽鹏龙动力电池梯次利用及资源化项目。

世界能源领域2020年趋势展望

全球能源转型趋势愈发明显。 德国将逐渐停止以煤炭作为电力来源，并将可再生能源的发电比重从现在的38%提升至2030年的65%。法国能源部表示，到2030年要将可再生能源在法国能源结构中的比重提高到40%左右。韩国产业通商资源部公布《第三次能源基本计划》草案，提出力争到2040年将可再生能源占比提高到30%-35%，大幅降低煤炭发电比重。波兰公布2040能源政策草案，拟大幅增加核电和可再生能源在能源结构中的比例，以不断降低对煤炭的依赖。

可再生能源市场前景巨大。 国际能源署发布《可再生能源市场分析和2024年预期》报告称，从2019年到2024年，全球可再生能源装机将增加50%。美国能源信息署发布的《2019年度能源展望》报告指出，未来30年，可再生能源发电量（风力、太阳能、水力）将从2018年的5000亿千瓦时增加到2050年的1.5万亿千瓦时。欧洲风能协会发布《我们的能源，我们的未来》报告称，欧盟现在的海上风电装机容量是20吉瓦，到2050年欧盟海上风电装机容量要达到230至450吉瓦，比现有容量增长10倍以上。英国发布的《海上风电产业战略规划》提出，在2030年前将英国海上风电装机容量提高到3000万千瓦，将海上风力发电量提高到总发电量的30%。

先进核技术商业化应用加速。 根据麻省理工学院报告，先进、非常规的核反应堆将在2030年颠覆当前的核能行业。美国首座小型反应堆纽斯凯尔小堆将于2020年9月完成核管会的设计认证，并将于2026年下半年投入运行。俄罗斯首座浮动式核电厂“罗蒙诺索夫院士”号将于2020年4月开始全面投运。英国投资两亿英镑建造全球首个商用核聚变发电厂，并拟于2040年实现核聚变能源生产的商业化。加拿大启动核能研究倡议，加速推进小型模块堆的研发应用，并计划于2026年前在乔克河（Chalk River）建成首座小堆。

作者简介

张欢欢，国务院发展研究中心国际技术经济研究所 研究四室 研究助理

研究所简介

国际技术经济研究所（IITE）成立于1985年11月，是隶属于国务院发展研究中心的非营利性研究机构，主要职能是研究我国经济、 科技 社会 发展中的重大政策性、战略性、前瞻性问题，跟踪和分析世界 科技 、经济发展态势，为中央和有关部委提供决策咨询服务。“全球技术地图”为国际技术经济研究所官方微信账号，致力于向公众传递前沿技术资讯和 科技 创新洞见。

地址：北京市海淀区小南庄20号楼A座

电话：010-82635522

微信：iite_er

1.

填埋气发电厂概况

当垃圾填埋后，厌氧发酵过程产生沼气，主要成分为甲烷和二氧化碳，每吨填埋垃圾可产生沼气145立方米，集中收集后可发电200多千瓦时。利用填埋场产生的沼气，可回收能源，减少温室气体的排放。

项目建设周期：6-8个月。

采用内燃机发电机组，全系统包括沼气抽送、过滤设备、脱水设备、机组燃气管线及附属设备、内燃机发电机组、控制系统等。

每年可稳定运行5000～8000小时。

常备人员：3-5人。

所需土地：2000-3000平方米（约4～5亩）。

只要城市固体垃圾量不少于25-30万吨/年；还可以实现一边填埋，一边发电。

2.

填埋气发电厂政策

垃圾填埋气发电厂属于可再生能源，根据《中华人民共和国可再生能源法》第十三条规定：‘国家鼓励和支持可再生能源并网发电。’

根据环境保护部国家发展和改革委员会国家能源局环发〔2008〕82号《关于进一步加强生物质发电项目环境影响评价管理工作的通知》第四条规定：

生活垃圾填埋气发电只编制“环境影响报告表”，而垃圾焚烧发电要编制“环境影响报告书。”可见填埋气发电厂的环境影响远远低于焚烧发电厂。

5年内，中国将建30家垃圾气体回收的填埋场，并计划到2015年建立300家垃圾气体回收的填埋场，年处理垃圾1亿吨。

3.

填埋气发电厂环境问题

环保指数：

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能够减少填埋场臭气及甲烷温室气体的排放；

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发电机组采用集装箱式结构，内部进行隔音降噪处理，另外配备排气消声器，噪声指标达到国家标准要求。

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电站使用闭式冷却系统，日需水量不足1立方米（含括生活用水），无污水排放。

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不会产生其它危险废弃物，没有废渣、灰飞固化物等。

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不会产生二恶英。

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垃圾填埋气电站排放指标完全符合欧盟要求及中国标准，对环境的二次污染接近为零。

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不会出现民众抗议问题，有利于社会稳定。

4.

填埋气发电的效益

据有关部门分析调查，中国可开发和利用垃圾资源潜力十分巨大。城市生活垃圾来自于千家万户，如果一个三口之家，若每年形成一吨生活垃圾，一吨垃圾全部发酵后，可产生的填埋气体量约为300立方米，每立方米的可燃气体能够发一度半电，即每一吨生活垃圾实际上可以给我们提供400多度的电能，这个数量，基本上相当于一个三口之家半年的生活用电。

垃圾填埋气体发电投资小，为焚烧设备的1/10。

垃圾填埋气体发电的运行费用低，仅为焚烧费用的1/4。

与垃圾焚烧发电相比，不会产生垃圾处理费用，不会增加民众的负担。

使用期16～22年，填埋场产气寿命结束后，发电设备可拆除，移动到另外的地方使用，不存在永久占地问题。

占地少，一般只需5亩左右，比垃圾焚烧发电厂的120亩左右少得多。且为临时占地。

建填埋气发电厂是中国切实履行《京都议定书》的一个具体体现。可提高城市的知名度、提高城市品位。

如今,美、日、法、英、德、意等工业发达国家都将垃圾填埋气体发电列入政府议事日程,投入大量资金,运用现代化高科技手段,大规模开发城市垃圾发电新技术,并使其趋于商业化。

沼气发电的电价可享受国家优惠政策。

不计燃料费用，沼气发电运行成本约0.10元/kWh，以2000千瓦沼气发电站为例，机组年运行成本约160万元，年收入可达864万元。项目总体投资约4000万，四年多就可收回投资。

另外，沼气发电可以申请CDM项目，得到可观的减排费。具有非常良好的经济效益。

垃圾填埋气体发电同时还是联合国和国家重点扶持的环保项目,它不需要地方政府财政补贴,这从一定程度上来讲也缓解了地方政府的财政压力。如果采用BOT项目方式，政府不会投资一分钱。

5.

国内外填埋气发电厂实例

现在全球有800多座填埋气发电厂在运行，填埋气作为一种新能源，其开发前景广阔。在发达国家，由政府投资建设规范的垃圾填埋场，同时铺设气体收集装置，然后将气体使用权向社会公开拍卖，开发商通过竞标获取气体使用权。一般5～10年之内即可收回气体收集利用装置的投资。这种做法一方面规范了填埋场建设，另一方面也降低了开发商投资风险，提高了开发商的积极性。

2009年06月24日，重庆长生桥垃圾填埋场沼气发电厂正式投入运营后，每年可发电上网约1400万千瓦时。每年可减少向大气排放甲烷500万立方米，即减排二氧化碳当量为6万吨。

成都市首个沼气发电项目，将利用长安垃圾场填埋气体资源进行发电上网，并按照《京都议定书》《清洁发展机制项目运行管理办法》向联合国申报CDM项目。

2008年07月23日，工程总投资近2亿元、目前亚洲地区最大的垃圾填埋气体发电项目——上海老港再生能源有限公司填埋气体发电项目正式在上海投入运行。该项目全部建成后，平均每年可向国际上申请交易的二氧化碳减排量为60万吨左右，按现在市场价每吨12欧元测算，仅此一项每年就可增收720万欧元，折合人民币约7200万元。

海南颜春岭垃圾填埋气发电厂，该垃圾处理场日产生填埋气约2.6万立方，现日发电4.4万多度。该项目近期已安装2台1000kw发电机组，并计划3年后再增加一台，往后根据气量的衰减逐渐减少至一台。并网后每度电还可获国家补贴0.25元。预计运行12年，总发电量约为2.65亿度，年均发电量2200多万度，日发电量可满足8800多户居民的生活用电需求。

2008年6月1日，绵阳市垃圾发电厂已经建成发电。电站装机：2000千瓦，年发电约1100万千瓦时，可供2万户家庭用电。发电厂年效益：470多万元。从去年2008年6月到今年3月，9个月时间累计清洁燃烧870多万立方米废气，相当于减少2.5236万吨二氧化碳的排放。按照有关约定，这2.5万多吨减排指标将由发达国家二氧化碳排放企业以购买的方式进行资助，这是四川首家获联合国清洁发展机构资助的减轻二氧化碳排放项目。

所以垃圾焚烧发电厂好

生物质能（农林废弃物）直燃发电厂：8500—10000元/kw

生物质能气化发电：11000—15000元/kw

沼气发电站：9000—30000元/kw（进口设备造价较高）

太阳能光伏发电站：8.5—10元/Wp（光伏电站一般较小，以Wp——峰瓦表示，可以理解为瓦）

风电：8500—9000元/kw

小水电：8000—12000元/kw

地热能发电站：12000—15000元/kw

西门子在中国的生产工厂有：

博西威家用电器有限公司(原博世和西门子与小天鹅合资)，是设立在无锡的滚筒洗衣机生产基地。

博西华电器（江苏）有限公司，位于南京，主要产品包括厨房电器、洗衣机、电热水器、小家电等。

博西华电器（安徽）有限公司（博西华家用电器有限公司），位于中国安徽省滁州市。

简介

德国西门子股份公司创立于1847年，是全球电子电气工程领域的领先企业。西门子自1872年进入中国，140余年来以创新的技术、卓越的解决方案和产品坚持不懈地对中国的发展提供全面支持。

并以出众的品质和令人信赖的可靠性、不懈的创新追求，确立了在中国市场的领先地位。

　为了实现人类的可持续发展，我们必须减少CO2及其它有害气体的排放，创造一个绿色家园。从另外一个角度看化石能源的储量有限，根据有关数据分析，再过40年左右，石油将消耗所剩无几；再过60年左右，天然气也将宣布告竭而煤炭资源按目前的消耗量也只能供人类使用200年左右。从人类自身生存环境和能源消耗两方面看，都迫使我们寻找其它可再生能源替代现在的常规化石能源。

新能源是指传统能源之外的各种能源形式。目前技术比较成熟，已经开始大规模利用的新能源是风能、太阳能、沼气、燃料电池这四种。本文介绍沼气、燃料电池等几种发电技术。

1燃料电池

燃料电池是一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能，直接转化为电能的装置。当源源不断地从外部向燃料电池供给燃料和氧化剂时，它可以连续发电。依据电解质的不同，燃料电池分为碱性燃料电池（AFC）、磷酸型燃料电池（PAFC）、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）、固体氧化物燃料电池（SOFC）及质子交换膜燃料电池（PEMFC）等。按燃料电池所用原始燃料的类型，大致分为氢燃料电池、甲烷燃料电池、甲醇燃料电池和汽油燃料电池。燃料电池不受卡诺循环限制，能量转换效率高，洁净、无污染、噪声低，模块结构、积木性强、比功率高，既可以集中供电，也适合分散供电。

使用燃料电池发电，是将燃料的化学能直接转换为电能，不需要进行燃烧，没有转动部件，理论上能量转换率为100%，装置无论大小实际发电效率可达40%～60%，可以实现热电联产联用，没有输电输热损失，综合能源效率可达80%，装置为集木式结构，容量可小到只为手机供电、大到和目前的火力发电厂相比，非常灵活。

燃料电池其原理与一般电池相同。其单体电池是由正负两个电极（负极即燃料电极和正极即氧化剂电极）以及电解质组成。不同的是一般电池的活性物质贮存在电池内部，因此，限制了电池容量。而燃料电池的正、负极本身不包含活性物质，只是个催化转换元件。因此燃料电池是名副其实的把化学能转化为电能的能量转换机器。电池工作时，燃料和氧化剂由外部供给，进行反应。原则上只要反应物不断输入，反应产物不断排除，燃料电池就能连续地发电。

燃料电池具有高效率、无污染、建设周期短、易维护以及成本低的特点，它不仅是汽车最有前途的替代清洁能源，还能广泛用于航天飞机、潜艇、水下机器人、通讯系统、中小规模电站、家用电源，又非常适合提供移动、分散电源和接近终端用户的电力供给，还能解决电网调峰问题。随着燃料电池的商业化推广，市场前景十分广阔。人们预测，燃料电池将成为继火电、水电、核电后的第四代发电方式，它将引发21世纪新能源与环保的绿色革命。

2005年，从事燃料电池开发的公司总投资额已超过10亿美元。据统计，2005年全球拥有50万个固定的（静止式）燃料电池装置，到2010年，将有250万户家庭使用燃料电池，同时全球拥有60万台燃料电池汽车，占世界汽车生产量的1%。

2沼气发电

沼气具有较高热值，与其他燃气相比，抗爆性能较好，是一种可再生的清洁能源。沼气一般在农村比较多使用，传统上大多利用沼气取暖、炊事和照明。沼气发电是随着沼气综合利用的不断发展而出现的一项新型沼气利用技术，它将沼气用作发动机燃料，驱动发电机产生电能。由于城市化进程大城市，利用垃圾沼气发电也成为了可再生能源的一大热点。在我国，上海，北京，深圳等大城市正在或准备建立垃圾沼气发电厂。我国第一家垃圾沼气发电厂是在1998年10月，在杭州天子岭垃圾填埋场建成。在我国，目前拥有1000万座沼气池。但总体上沼气应用范围不够广，利用率也比较低。我国城市垃圾量以每年6%～7%的速度递增，而我国90%以上的城市处理垃圾的方式采取的是填埋方式，许多大城市垃圾填埋场日处理垃圾在千吨以上，如果能变废为宝，我国可以明显减少对化石能源的依赖，减少石油进口。

在国外，沼气发电也是蓬勃发展，在2006年12月12日，世界上最大规模的利用垃圾沼气发电站在韩国建成并正式投入运营，发电规模为50MW级，这座沼气发电站生产的电力可为18万户家庭供电，它将替代韩国每年50万桶重油进口。在此之前，全世界50MW级的沼气发电站仅在美国有1座。

随着沼气发电站的容量提高，沼气发电并网运行将会对整个电力系统造成冲击，继电保护相关问题也会随着容量提高而变得突出。文献[沼气发电机并网一次主接线及继电保护配置的探讨]阐述了沼气发电机并网的接线方式及保护配置问题。

3潮汐发电

潮汐能发电的工作原理与一般的水力发电原理差不多。它建筑一条大坝把靠海的河口或者海湾与大海隔开，形成一个大水库，发电机组安装在拦海大坝里面，大部分机器在地面下，利用潮汐涨落的位能差来推动水力涡轮发电机组发电。

潮汐发电与水力发电的原理相似，它是利用潮水涨、落产生的水位差所具有势能来发电的，也就是把海水涨、落潮的能量变为机械能，再把机械能转变为电能（发电）的过程。具体地说，由于潮水的流动与河水的流动不同，它是不断变换方向的，因此就使得潮汐发电出现了不同的型式，例如：（1）单库单向型，只能在落潮时发电。（2）单库双向型：在涨、落潮时都能发电。（3）双库双向型：可以连续发电，但经济上不合算，未见实际应用。

世界上第一座潮汐电站是法国的郎斯河口电站，其装机容量为240MW，年均发电量为544GWh。中国沿海已建成9座小型潮汐电站，1980年建成的江厦潮汐电站是我国第一座双向潮汐电站，也是世界上较大的一座，其总装机容量为3200kW，年发电量为10.70GWh。

世界较大的潮汐电站至今运行正常，证明潮汐发电在技术上是可行的，可是从20世纪80年代至今，近20年来几乎没有建新的潮汐电站，100MW级的潮汐电站没有一个建设投产。没建新的潮汐电站的原因主要是考虑电站的经济性和潮汐大坝对环境的影响。

4地热发电

地球是一个巨大的热仓库。其内部的热能根据科学家的推算，全球潜在地热能源的资源量约4×1013MW，相当于现在全球能耗的45×104倍。地热是一种洁净的可再生能源。地热发电是利用超过沸点的中、高温地热（蒸汽）直接进入并推动汽轮机，并带动发电机发电，或者通过热交换利用地热来加热某种低沸点的工作流体，使之变成蒸气，然后进入并推动汽轮机，带动发电机发电。最近发展起来的“热干研过程法”地热发电法不受地理限制，可以在任何地方进行地热开采。原理是首先将水通过压力泵压入地下4到6km深处，在此处岩石层的温度大约在200℃左右。睡在高温岩石层被加热后通过管道加压被提取到地面并输入一个热交换器中。热交换器推动汽轮发电机将地热转化成电能。而推动汽轮机工作的热水冷冻后再重新输入到地下供循环使用。

世界上第一座地热发电站要算是1904年在意大利的拉德雷诺建成的小型地热电站，它是用地热蒸汽推动涡轮机发电的，但功率很小，只点亮了5盏电灯。后来经过充实发展，目前该电站的装机容量已达548MW。当初这座电站虽然只能点亮5盏电灯，却开创了地热发电的历史。目前世界上最大的地热发电站装机容量已经达到了1000MW，位于美国加利福尼亚盖瑟尔斯。

我国地热发电在新中国成立后开始研究，于1970年，中国科学院在广东省丰顺县汤坑镇邓屋村建起了发电量60kW的地热发电站。这是我国第一座地热试验发电站。1976年，全世界海拔最高的地热发电站在我国羊八井盆地建成发电，现已兴起了一座崭新的地热城，地热开发利用正向综合性方向发展。目前，该电厂已有8台3000kW机组，总装机25MW，年发电量在拉萨电网中占到45％。羊八井地热发电站目前是我国最大的地热发电站。

结束语

本文综述了各种新能源发电技术的原理和研究现状，成本过高是限制它们大量推广应用的瓶颈，因此通过技术革新降低成本将是今后新能源发电技术的重要研究方向。虽然能源发电为未来人类解决能源短缺问题描绘了令人振奋的前景，但要使这幅蓝图真正成为现实的确还面临着诸多问题，需要科学家、研究人员和政府部门等来共同解决。相信随着科技的进步，电路电子器件的发展，新能源发电技术将会发挥出它们巨大的潜力，在电力系统中占据更重要的地位，为人类的持续发展铺平道路。