能源的未来

◆郑明光/文



能源的未来

◆郑明光/文

编者按

上海核工程设计研究院院长郑明光，是一位享誉世界的核电专家。他是美国质协《2015质量未来发展报告》11篇专题报告中唯一来自中国的撰写者。在第21届亚太质量组织国际会议暨第10届上海国际质量研讨会上，他发表了题为《能源的未来》的精彩演讲。本篇根据演讲速记整理。

非常高兴有机会跟大家一起就未来的能源主题进行讨论。本人是从事核电工程、核电设计和技术和安全的研究工作的，所以能够从整个能源发展的角度来看世界整个经济、社会发展跟能源之间的相互关系，当今与能源的发展、经济的发展对环境提出了哪些挑战，以及形成对未来能源发展的思考。

大家知道，能源的未来其实是机遇，它和质量的未来紧密相连。任何的科学的发展，技术的发展，社会的进步都跟质量有关；质量与技术的发展又支撑了能源的发展，所以能源和技术、质量实际上是互动的关系。

一、能源现状与挑战

大家知道，世界上所有生活的变化、社会的进步、技术的发展都与能源的发展相关。在原始社会靠钻木取火，能源的利用水平非常低，所以社会经济和生活水平都非常低。第一次工业革命呈现煤炭革命，经济和能源的发展发生了很大的变化。后来还有电力革命，特别是石油革命带来了交通的重大变化。形成了能源发展、社会发展互为支撑、互为发展的格局。最后进入到核能原子时代。

能源的发展，能源的消耗也逐步带来一些对社会其它方面的重要影响。比如1973年的中东石油危机，促进了像核能的发展，以及其他能源方面的进步。

从我国经济与社会发展对电力需求的情况来看，1988年电力装机容量达到亿千瓦，随着国家整个经济的快速发展，到今年已达到14.4亿千瓦。我国的装机容量增长了十几倍。这些电力的装机容量主要是基于煤炭的化石能源。一般来说，1亿千瓦装机容量一年要消耗2.81亿吨的煤，10亿千瓦一年就要28亿吨煤。这种基于常规的化石能源的方式，对整个环境方面有很大的负面影响，这是第一。

第二，化石能源的资源总量是有限的，当今的开采过量对未来的使用造成了非常大的负面效应。整个全球利用能源的曲线也预示着世界整个经济、技术的变化，特别是核能及其它可再生能源的变化对未来的发展至关重要。这些石油、煤炭、天然气等能源将来都会枯竭的，因为用到一定时间化石能源都会消失。

巨大的能源消耗特别是化石能源的消耗，给整个环境带来非常大的负面影响，尤其是对生态的影响，环境的污染。对于环境的污染，我国的发达城市特别是北方的城市，这几年感觉越来越明显。包括开采资源的耗尽，包括酸雨的产生，对整个社会的未来发展，提出非常大的挑战。

这是一张二氧化碳产生和消耗曲线图。二氧化碳的产生和消耗实际上是一个动态平衡的过程，当二氧化碳产生得多，空气当中相对的量就多，生态环境就有很大的变化；如果消耗得多，比如种更多的树，二氧化碳大量消耗。甚至冰川时代，二氧化碳的消耗有一个起伏，在一个低水平上。进入21世纪随着全球经济的发展，二氧化碳产生量非常巨大，但是消耗量相对来讲有限，是某一个相对固定的值。这个对环境的影响是非常大的。

二、未来能源愿景

在上个世纪人类消耗的化石能源超过了有史以来几千年总量。同时化石能源总量是有限的，对环境的破坏又非常大。所以这种经济发展方式肯定是不可持续的。对于我们来说，世界能源的未来到底在哪里？

我们认为，世界整个发展预期对能源应该有基本的属性。第一是商品属性，就是都买得起，如果这种能源大家买不起，那么对满足基本生活需求的能源就保证不了。

第二，应该是清洁的，可再生的。

第三应该是可靠的。当今世界对于电力供应来讲，可靠尤为重要。因为我们进入一个互联网的时代，所有的电都跟计算机有关，如果这个时候电不可靠，问题就大了，如上海一天没有电整个城市就会陷入混乱。所以电的安全，就变成了国家的安全问题。

第四必须要可持续，生态上的可持续，供应上的可持续，包括服务、发展上的可持续。未来的能源的总的方式应该就是化石能源、再生能源，包括核能、生物质能等的有机组合。

我们大胆预测未来的能源发展趋势：一是化石能源将逐步淘汰，变成一个补充，新型能源，比如像太阳能、风能这种可再生能源将成为能源发展的一个主体。这些发展主体必须有技术上的保证。太阳给地球提供的能量大约一天的13%就够人类使用一年，所以太阳能是非常巨大的。但是要把太阳能利用起来，在整个技术和能力上要有相当大的变化。

二是整个产生模式将有很大的变化。从开采获得的形式变成制造能源的形式。

三是使用方式也会发生根本性的变化。世界上做得比较好的国家像德国，对太阳能的使用就比较普及。德国对能源的调整和转型有大量的研究。开始他们有地热，后来发现地热不具有持续供给的能力。随后使用生物质能，使用生物质能与老百姓的吃饭，包括与将来人类自身的需求产生矛盾。后来感觉太阳能真正能够解决未来能源的需求。

未来每个家庭都可以变成一个小的发电站。比如你有太阳能发电及储能装置，作为一个家庭来讲，就是太阳能发电厂，同时你的汽车、家用电器等等都可以成为能源的使用方。

假如你电多，还可以送电上网，当然这种电上网需要比较高智能的电网配置。这样就把每家每户多下来的电送上网，电不够去电网取。对于每个小家庭来讲，每天的天气不一样，今天可能有太阳，明天可能没有太阳。作为一个大的区域来讲，对于地球来讲，总有一个地方有太阳，总有一个地方有风。所以当这个电网变成一个全球互联网，是一个大区的网络的时候，这个电力的供应就会非常的稳定。

从本质上来讲，未来新的能源都有两个基础，一个是技术，另一个是知识。未来能源的发展与社会发展水平是密切相关的。清洁能源，特别是以家庭为单位的能源产生和消耗的组织，必定是建立在高科技的基础上。

这种高科技的产业未必就能直接用于发展中国家，特别是生活水平和经济水平比较低的国家。所以，一些发达国家和经济走在前列的国家，有责任对发展中国家给予帮助。

三、技术解决方案

首先是理论先行。如我们讲质量的时候，往往讲质量管理的理论基础和模式，相关的模型。对于能源发展，特别是未来可持续发展，就要对整个生命周期进行全过程的评价。只有应用技术先进，污染严格可控的新能源，在环境、健康、温室气体排放等方面才具有优势。

同时，解决方案里面必须要有新材料的使用。这对未来能源，特别是对以太阳能、风能为基础的智能电网是很大的基础支撑。比如大容量的电池储能设施，最新发明的石墨烯储能。这对于未来以家庭为单位的太阳能的产生和消耗会带来非常大的好处，对于交通能源的解决也有非常大的好处。

包括超导体减少能耗。现在电网传输的电能有8%到9%在传输中消耗了。超导的使用对于未来的绿色电网也有很大的作用。以及怎么提高太阳能的吸收能力等等，未来新技术、新材料始终是支撑能源发展的主要因素。

对于环境来说，碳的大量排放造成了负面影响，现在世界上也在研究是不是可以把二氧化碳储存起来，这是一种方案。第二是对二氧化碳加一定的水或者是催化处理，使它变成各种的烯烃或者是烷烃，变成另外一种能源形式。这种形式往往是以消耗能源为代价的，但是二氧化碳的平衡和消耗对于未来也是非常重要的。

这是一个厂房，屋顶全部覆盖了太阳能发电技术装置，将来会成为一个能源产生和消耗的集散地，包括高效的光伏电池、发电装置等等的使用。地球上对于太阳的吸收能量是足够的，每天的13%够人类使用一年。所以只要把这些利用效益提高，就有足够的能源支持可持续发展能力。

有数据显示，十年间，世界上的风能增加了一百倍，从原来的300万千瓦增加到3亿千瓦。所以很多东西只要技术上先导，理论上先行，投资上有保证，新技术的发展空间是无限的。

发展生物质能与人类自身的生存需要有一个平衡。如果生物质能都去当燃料的话，那么你吃什么？这方面怎么来平衡，需要考虑周全，不能跟人类需要的粮食对立或者抢资源。

所以未来的电力供应主要还是智能技术，特别是智能配电，智能输电等等。技术的要素包括模块化技术的要素，包括分布式发电、分布式送配电，包括大数据、云计算等等，这些技术构成了未来分布式能源供应的技术支撑。

四、中国能源变革

我国从整体上来讲还是发展中国家。与美国相比，我国的人均装机容量是一千千瓦，美国是四千千瓦；我国的装机容量已经超过美国，总的发电量两国基本相当。但是我们电力的使用的结构是不一样的，我国近47%的电量用于工业，服务业占43%，农业占10%。其中12%用于居民的生活，12%用于商业。所以我们的结构就是重工业耗掉了大量的资源，贸易和生活总体上消耗还是非常小的。对于美国来讲服务业用电30%多，老百姓生活用电30%多，工业用电是35%，所以总体上来讲都是三分之一。所以我国的老百姓，特别是边缘地区，农村地区的生活水平和美国人相比基本有十倍的差距。所以，能源的消耗代表着一个国家的生活质量。

我们的能源使用效率还相对比较低，像GDP的能耗还比较高，所以我国对能源的开发，在上技术投资还是有很大的空间。

我国能源变革的特殊性。最近二十年还是以煤炭为基础，我国电力装机容量14亿千瓦，其中9.6亿千瓦是煤电，占68%左右。我国前十年大力发展水电，像山西、二滩、葛洲坝、长江上游、金沙江上游的一些水电站，已经有近3亿千瓦的水电。从理论上分析，我国有6亿千瓦的水电资源，但是技术上可行5亿千瓦，技术和经济可行4亿千瓦，所以总的来讲水电不足以支撑我国未来的发展。而火电的发展已经使整个环境不堪重负，火电的发展也就比较难了。

2001年之后我国经济的快速发展，也带动了能源的快速发展。能源的发展从某种程度上来讲是国家能力的提升，能源的发展往往和国家的重工业有很大的关系，和装备工业也有很大的关系。

另外我国城市化、工业化、电气化、自动化的发展需要更多的能源。我国现在有14亿千瓦的装机用量，在未来几年来装机用量还会持续的提升，但是环境已经难以承受了，未来怎么办？未来就需要绿色的环境来作为大的支撑。我国也意识到能源结构的不合理，所以政府对能源的发展，特别是对新能源提出非常高的要求。这里包括整个风能的增加，2009年开始还不多，今年已超过1亿千瓦。太阳能每年都有1500万千瓦的提升。

我做了一个大胆的预测，2015年我国的装机容量是14.4亿千瓦，2030年以后随着整个经济的发展，特别是成为中等发达国家以后装机容量可能会到30亿千瓦。怎么样的能源结构比较合理呢？我们认为合理的构成是，化石能源、油气、煤炭将近三分之一，清洁能源三分之一，水电和原子能加起来达到三分之一。

对于我国来讲，实现这样的一个目标其实是非常困难的，有很大的挑战。绿色革命或者是低碳经济发展对整个社会，对整个技术的开发要求提出来很多的挑战。

五、中国需要核电

对于我国来讲，核能是必须的，因为我国的能源供需不匹配。我国的西部地区主要是水电，西北部地区主要就是有煤电，北部地区像山西有煤电，有风电，西北部、东北部地区也有风电。但是东部地区，像广东、福建、浙江、江苏、上海、山东，这些地区基本上没有一次能源，从国家安全来讲，任何地方如果不平衡，是不安全的。比如说从鄂尔多斯、从东北地区用高压电网送电到上海，这个电网如果一垮，上海就乱了。要让各个地区局部平衡就需要大容量的电源物质来满足电源消耗的要求。这个物质核电是最合适的，所以未来核电发展主要是沿海，以及像湖北、湖南、江西（因为没有能源），将来是核电发展的主要地区。

因为要发展大量的核电，中国政府考虑使用世界上最安全、可靠的核电技术。为此2003年开始中国政府进行世界招标，寻找世界最新型第三代的技术。美国西屋公司作为美国政府的代表中了这次招投标，中美两国政府签订了和平利用核能协议，中方从美国西屋公司引进世界上最先进的核能技术。2007年正式签约，经过八年的努力，到现在2015年所有与核电最新技术相关的，像AP技术的引进基本结束。在此基础上我们把AP国产化，开发了CAP1000，目前基本完成。同时依托国家重大的专项，开发了CAP1400，形成了世界上最先进的两个核电型号。

作为依托项目，三代核电基本建成。因为是最先进的第三代核电技术，所以在技术上也很大的挑战，在设备制造上有很大的难度。包括像美国最先进的几家企业在设备制造上也碰到了很大的困难。其中有一个设备叫控制棒经过了六年的实验，最终才成功。最近将用到中国的设备上，后续的控制棒都是我们国内自己生产了，将来能支撑我们自己的核电发展。

国家重大专项CAP1400，作为2008年到2020年中国中长期16个重大专项的第六号重大专项，就是由我们负责技术的引进消化吸收，形成CAP1400的自主开发。

在安全方面引进使用最先进的非能动理念。众所周知，非能动和能动相比尤如地球和太阳的关系。非能动的概念就是利用重力，利用自然界的一些规律，包括温度高了会蒸发，温度低了会冷凝。把热量带出去，保证核电的安全；同时还有更好的安全性、经济性、环境相容性。

同时要立足于自主知识产权。因为世界未来的发展，包括技术的发展、安全的发展都建立在高质量的基础上。所以未来核电的安全、性能也都是基于高质量的设计的安全。

我曾向国际质量科学院院长提到设计的安全占整个安全性的70%以上。一个设备或者一个工程，如果设计不好，工程制造的再好，用起来安全始终会有问题。所以设计对安全的保证超过了70%。同时要优质的制造，优质的管理，优质的施工，优质的用心和维护，才能保证安全。所以质量优质在整个工程的过程中要始终贯彻落实的。

这是关于CAP1400开发的参数。以前我们认为国际标准是最高标准，通过这几十年的发展，我们的思想逐步在变化。特别是整个技术程度逐步在提高，国际标准其实就是一个基本的要求，对原来的强制标准要求，现在已经直接体现在我们设计里了。这也显示，我们国家在技术领域的一个巨大的跨越。

这对于我国来讲是一个很大的进步。所有的企业，所有从事质量的人员一定要关注标准，实际上标准就是底线要求。一个开发型企业应该提出更高的要求，以满足社会不断发展的要求，以满足未来的要求。

CAP1400是一个新开发的型号，经历了各种各样的实验、考核。这些实验、考核，特别是实验装置的科学性对于实验机构非常关键。有些实验在清华大学，有些在交通大学，用国家重大专项资金，建立了世界一流的实验平台。解决了相关的非能动的安全问题，也解决了很多设备的性能问题。同时也是世界上第一次最大范围地提升这些能力，进行安全研究。花了将近18个月的时间，提出了5377个问题，对于整个型号进行审评。召集了全国的专家，最多的时候400名专家，少的时候280名专家进行安全报告的审查，包括了核电的整个安全。

这个CAP1400国家重大专项，是目前世界最好、最安全、有非常好的环境优势的核电型号。它对国家未来的发展，特别是东部沿海地区的经济发展、能源的安全，将会起到非常重要的作用。

核电也是国家一张非常重要的名片，包括和南非签订培训协议，大量的工程师到中国来接受培训。包括和土耳其能源部长一起签订相关的三方合作协议，以及巴西也提交了相关的技术问题清单。

六、总结

首先，未来的能源始终是建立在技术创新、技术变革、不断发展的基础之上，必定是以低碳、绿色为导向。

同时我们始终要考虑到世界上还有14亿人生活在没有电的环境里，所以作为能源的消耗者还要尽量节省能源，以节约的方式满足生活的需求。

第二，作为银行等金融机构，还是要绿色贷款，支持绿色能源的发展。

第三，作为企业，要不断发展储能技术，开发先进的核电技术，开发先进的智能技术和智能电网。

另外，作为政治家，整个的执政过程还是要推动绿色执政，在发展的时候要考虑到社会、环境、经济的可持续。

所以能源的未来就是人类的未来，就是社会的未来，就是技术的未来，也是我们质量的未来。