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能源技术视角下的能源安全问题探讨

2019年11月26日来源:《中国能源》2019年10期    作者:王蕾 裴庆冰

摘要:传统能源安全观念侧重于能源供应量有持续充足的保障,伴随能源技术发展,传统以化石能源为基础的大规模生产、远距离运输的能源体系正逐步向新的能源体系过渡,在这个过程中,能源技术对能源安全的影响愈发重要,也将影响着新的世界能源格局的形成。本文阐述了能源技术视角对保障能源安全的重要意义,并对能源技术发展趋势及我国能源技术现状进行了分析评价。提出了能源安全战略应将能源技术作为核心内容,重视能源体系转换中出现的新的安全问题;加强能源领域技术创新,提升关键技术自主化水平,突破前沿性技术;坚持能源技术产业目标导向,加强创新性技术的应用等政策建议。

关键词:能源技术;能源体系变革;能源安全

 

1 基于能源技术视角的能源安全内涵

传统观点认为,能源安全是指能源供应在数量上可持续、有保障,且价格保持基本稳定的状态。近年来,环境、气候变化等问题日渐凸显,以供应安全为目标的传统能源安全观正逐步向以低碳、清洁、可持续为目标的新的能源安全观转变。转变的背后是决定能源安全的现实环境正在发生变化,从而对未来世界能源体系产生深刻的影响。在传统以化石能源为基础而构建的大规模生产、远距离运输的能源体系向新的能源体系过渡过程中,基于各国能源战略需求(包括能源安全战略),世界新的能源格局将在主要国家之间的博弈中逐渐形成。与传统能源安全不同,在新时期的世界能源格局下,能源安全不仅依赖于军事、金融、外交等传统手段,能源技术将会成为各国布局世界能源版图,保障能源安全的重要手段。

1.1 传统能源安全观的局限性

传统能源安全主要指保障石油供给,是在围绕化石能源构建的世界能源格局下形成的。一个国家在世界能源格局下的位置决定其面临的能源形势。因此,在传统能源体系下,国际地位、资源禀赋、军事力量、金融主导权等因素客观决定了一个国家的能源安全状况。

20世纪70年代第一次石油危机以后,为了解决石油供给中断问题,以美国为代表的石油消费大国成立了旨在控制石油需求,保障成员国石油供给安全的国际能源署(IEA)。通过有目的的对话和其他形式的合作,促进与石油生产国(主要是石油输出国一分快三正规官方平台,即OPEC国家)和其他石油消费国的合作关系是IEA的宗旨之一。与此同时,为了控制石油供给,保障本国能源安全,获得最大的经济利益,发达国家通过强大的军事实力和政治影响力,构建世界能源格局。这一格局具有鲜明的特点:一是基于油气资源的地理分布而形成,中东、俄罗斯与中亚、南美成为世界主要石油供给地区;二是以IEA和OPEC为代表的一分快三正规官方平台成为主导世界能源格局的重要力量。国际石油市场的历次动荡到最后平衡,多是这两大一分快三正规官方平台博弈的结果。

随着全球气候变化和大气环境污染等问题凸显,环境保护和可持续发展问题在世界范围内逐渐达成共识。世界大部分国家已在积极推进能源转型实践,向清洁低碳的能源体系转型。因此,仅仅强调以保障能源供给为核心的传统能源安全,在能源转型不断推进的背景下将会失去现实基础。如果继续以传统能源安全观指导未来能源安全战略,其政策逻辑仍将是在美国等主要国家主导的世界能源格局中,通过对外投资、能源外交等手段去争取有利于本国的话语权和主导权。事实证明,像中国这样的发展中大国,尽管是能源消费、进口大国,但是目前还不具备与美国同等的影响能源格局的能力,也不具备原油价格国际市场控制力。比如,因为缺失原油市场定价权导致的亚洲溢价,使得中国每年多付出数百亿元成本。随着中国油气进口依存度不断升高,在不改变传统能源格局的前提下,很长一段时期,中国能源安全会持续受到外部因素的挑战,这意味着能源安全战略不得不继续围绕传统地缘政治等因素展开,不利于从根本上改变中国能源安全形势。

1.2 技术视角下的能源安全及其现实意义

随着可再生能源技术发展以及智能电网、储能等关键领域技术不断取得突破,传统化石能源体系受到了挑战,处在向新的能源体系转变的过程中。尽管在总量中占比还较为有限,但在增量部分可再生能源已经成为主角,2017年可再生能源发电已经占到了全球发电量增量的70%(REN21,2018)。在逐步进入平价时代后,风能、太阳能等非化石能源规模将进一步扩大,能源转型进程可能会呈现超预期发展,以风电、光伏发电等新能源为基础的新的能源体系将会形成。

新的能源体系将改变世界能源格局。传统能源体系以化石能源为核心,化石能源的分布有明显的区域特点,受地理因素影响大,新的能源体系对化石能源依赖程度将降低,风电、光伏发电以及核能、氢能等新能源在新的能源体系中占据重要地位。由于这类新兴能源具有分布广、受地理因素影响较小的特点,新的能源体系将冲击并逐渐改变传统世界能源格局。世界各国能源安全形势不再仅仅取决于(甚至不取决于)对油气资源的控制能力,将极大突破地理因素,更多取决于对新能源利用的技术水平和开发能力。例如,依靠风电和光伏发电等新能源利用技术,德国可再生能源发电占全社会用电量的比重迅速增加到30%左右,风电、光伏发电、生物质发电、垃圾发电等发电比重合计达到60%以上,在较短时间内扭转了长期依赖油气进口的局面,使得德国面临的能源安全形势发生了根本性改变。又如,美国页岩气技术革命虽未改变化石能源为主的能源体系,但也使得美国短时间内由能源进口国变为能源出口国,改变了本国能源安全形势,直接推动了美国能源战略调整。

当今世界正处在新兴能源技术不断涌现的高潮期。在应对气候变化的形势下,很多国家利用各自优势技术发展低碳能源以摆脱高碳化石能源,这一过程虽有反复,但向低碳能源体系转型的大趋势不可逆转。世界能源格局将会在能源转型过程中发生根本性改变:掌握化石能源资源不再是决定世界能源格局的最重要因素,掌握关键能源技术才决定了未来世界的能源格局。在这一视角下,能源安全不再仅强调能源量的供给,而是更强调对关键能源技术的掌握,因此,基于传统能源安全而制定能源战略也应随之调整。

一是掌握核心新能源技术能够降低能源对外依存度。传统化石能源体系下,由于资源地理分布特征,掌握化石能源开采利用技术并不是保证能源安全的必要条件。发达国家之所以能够以先进技术水平在全球范围内布局能源格局,离不开强大的政治、军事和经济能力,以及地缘政治等因素。新的能源体系对化石能源依赖程度降低,而大多数国家具有丰富的、适合开发的风能、太阳能、生物质能等可再生能源资源,掌握新能源开发利用技术,在一定程度上能够跳出基于化石能源体系构建的世界能源格局,从而降低能源对外依存度。不少化石能源资源禀赋较差的国家也在积极通过掌握能源技术来提升本国能源安全水平。例如,以色列自然资源严重匮乏,大部分能源来自于进口,政府长期鼓励科技创新,通过发展替代能源,降低了对石油的依赖,缓解了该国的能源安全压力。其中,包括发展煤制甲醇、植物制生物燃料替代石油,发展电动汽车智能基础设备替代燃油车等措施都取得了积极成效。又如,富煤少油的南非,依靠煤制油技术克服了国际社会长期石油禁运带来的困难,一定程度上提升了能源供应安全的保障能力,目前南非的煤制油技术处于世界领先水平。

二是控制新兴能源技术能够在新的世界能源格局中占据重要地位。20世纪70年代石油危机以后,以OPEC和IEA为代表的石油生产国一分快三正规官方平台和石油消费国一分快三正规官方平台之间经历多次博弈形成了世界能源格局的基本框架。其后俄罗斯在国际能源格局中的话语权大幅提升,也成为世界能源格局中不可忽视的重要一极。进入新世纪以来,全球能源需求增长的重心逐步向发展中经济体,尤其是亚洲地区转移,但因为缺乏控制油气资源和影响市场的有效手段,导致亚洲地区在国际能源市场中缺少话语权。目前的世界能源格局仍是以美国为代表的发达国家和主要油气生产国占据主导。长期以来,中国通过外交、对外投资、金融市场等多种方式力图在既有的能源格局中争取话语权,但与预期效果仍有差距。从当前全球能源技术发展和能源转型趋势判断,太阳能、风能、生物质能等新能源的开发成本仍会进一步下降,即将进入平价时代,新能源对化石能源的替代作用日益增强,在一些国家已经在能源增量中占主要部分。与此同时,储能、氢能等前沿能源技术也得到了发展。世界能源体系正从大规模集中生产、远距离输送的传统模式转向各种能源利用模式(例如,小规模、分布式、就近优先利用模式)并存的新的能源体系。这一转变的持续发生将会对传统能源格局带来冲击,并极有可能会以能源技术能力为核心,新能源产业链全球布局为战略,在世界范围内形成多极化的能源新格局。

三是能源技术推动能源体系变革并重塑工业体系,从更广泛意义上来看,能源安全就是经济安全。能源系统变革或许将比信息革命的影响更为重大深远,是21世纪最大规模的经济、社会和环境革命。能源系统本身是工业体系的一部分,从能源系统变革与工业转型两者的内在逻辑来看,能源安全也是经济安全。很早就有学者将工业系统与能源系统相结合,从能源层面来解释工业转型或工业革命,认为工业革命本质上是“能源革命”或“能源转型”,能源转型是工业革命的核心和原动力。

回顾工业革命历程,不难发现能源的核心和原动力作用在几次重大转变中均有明显体现。例如,由于技术取得突破,以煤炭为代表的化石能源系统取代了以薪柴为代表的能源系统,使得英国工业重新获得了竞争优势。发电机发明使用,推动能源向“电气化”转型,不仅改变了企业用能方式,而且涌现出大批以电为驱动力的工业产品,最终形成了以电为驱动力的工业生产体系。

在新的工业体系形成初期,工业变革对能源系统提出新的要求。例如,当前工业绿色低碳转型需要更加清洁低碳的能源。当能源系统出现根本性的变革时(比如以可再生能源为代表的清洁能源系统取代化石能源系统),工业体系与能源系统关系发生了变化,能源将成为未来工业转型的方向标,契合于新的能源系统特点的工业业态将会出现,构成未来工业体系,推动整个工业发展进入新的阶段。因此从工业体系与能源变革的内在逻辑来看,控制了未来前沿的能源技术,就有能力建立相对独立的本国的能源系统,进而在带动本国工业体系全面转型升级过程中获得强大的产业竞争力。

2 能源技术发展趋势

考虑到中国的资源禀赋以及单一品种的可再生能源不足以成为主导能源的技术特性,未来中国新的能源体系将是由包含化石能源以及多品种的可再生能源有机结合而成。决定中国能源安全的技术不仅包括以风能、光伏发电为代表的相对成熟的可再生能源技术,还包括以智能电网、储能、氢能等为代表的前沿技术,诸如超超临界燃煤发电、现代煤化工等传统化石能源清洁利用技术,以及将不同类型能源相互渗透和有机融合的能源系统集成技术。从能源转型趋势来看,能源技术发展趋势将呈现以下特征。

2.1 能源技术低碳化

一是核电、风能、光伏发电等清洁能源利用技术成熟将很大程度上降低能源系统碳含量。清洁能源技术的发展可以大幅减少能源生产过程污染排放,提高能源系统的清洁性,对减少环境影响、应对气候变化有明显贡献。我国核电技术发展日趋成熟,已达到世界先进水平。风能、太阳能、生物质能、地热能、海洋能等可再生能源利用技术近年来快速发展,其中又以风、光利用技术最具代表性,技术和应用相互促进,向着更高效率、更低成本的方向发展。

二是节能技术进步带来能源效率的不断提升,并仍具有提升空间,这对能源安全的贡献是不可忽视的。《BP技术展望(2018年)》中提到对35种技术的全球使用情况的考查,研究认为,拥有巨大节能潜力的领域包括汽车、供暖、烹饪、洗涤和电厂等,如果在最大程度上实现节能,则煤炭、石油、天然气和生物质能的需求将分别降低31%、47%、40%和40%。

2.2 能源技术智能化

根据《BP技术展望2018》的估计,随着数字工具(包括传感器、超级计算、数据分析、自动化、人工智能等)依托“云”网络而得到应用,到2050年能源系统内各分支的一次能源需求和成本将降低20%~30%。信息化、智能化技术渗透到能源开发利用的各个领域,工业、建筑、交通、生活中的能源智慧化应用,智能电网、能源互联网、分布式能源等,都与信息化、智能化发展紧密相关。在工业领域,企业建立能源管理、计量的数字化系统可以帮助企业更好地进行流程管理,实现提效降耗的目标。在电力生产中的应用,可以提高电厂的智能化程度,提升电厂效率。智能电网的发展能够促进可再生能源就地消纳并实现终端能效提升。

例如,智慧电厂本质是信息化与智能化技术在发电领域的高度发展与深度融合,主要特征是泛在感知、自适应、智能融合与互动化。再如,能源互联网的发展离不开大数据、云计算、人工智能等先进信息技术、智能技术支持。智能电网与能源融合模式也将呈现出三种不同的形态:以智能电网广域互联为载体,实现可再生能源集中式消纳与跨区域能源资源配置;以区域与用户级综合能源系统为载体,实现可再生能源就地消纳与终端能效提升;以智能装备与泛在能源网络为载体,构建零边际成本能源网络,实现能源生产和消费的新业态、新模式。

2.3 能源技术集成化

不同类型能源技术不断融合,能源综合利用协同程度增加,能源系统集成优化将使得不同能源形式的相互转换成为可行。通过对能源的存储、转换,电能、热能、化学能等可以交互。如光热电站与其他能源形式(包括风电、生物质能等)的整合与集成;天然气系统通过耦合设备与电力系统实现交互;热力系统通过耦合和存储技术及设备与电力系统结合等。

3 我国能源技术现状评价

目前我国可再生能源、核能、氢能和节能等领域总体上已经接近国际先进水平,智能电网和洁净煤等领域也基本达到国际先进水平,甚至在某些技术方面领先于其他国家。经过多年的科技研发,多个关键环节的技术取得了突破进展。但是在大型或尖端能源装备、材料以及新的能源系统关键环节技术等方面,与先进国家相比仍存在差距,例如,重型燃气轮机、新型高效光伏技术及装备、大型风电装备、承压或耐高温特种材料等,需要从国外引进或购买,等等。

3.1 总体现状

随着能源科技进步,中国在能源领域一批关键技术取得重大突破,能源产业国际竞争力明显提升。

从技术产业化程度来看,当前常规能源、可再生能源等领域的技术绝大部分都已经处在产业化阶段。而储能、氢能以及可再生能源配套支撑领域技术(比如能源互联网)产业化水平不高,有一定比例还处在实验室或中试阶段。而中国总体上能源领域技术处于产业化阶段的比例要低于国际水平。例如,氢能等新兴能源,甚至在相对成熟并具有很强竞争力的常规能源清洁利用、可再生能源领域,国内技术处在产业化阶段的比例也低于国际水平。从技术产业化维度来看,中国能源技术总体上还处在降低能源对外依存度的层面,还不具备在世界范围内布局产业链的能力。

从技术水平来看,可再生能源领域总体技术水平最接近世界先进水平,但是该领域突出的前沿技术主要集中在美国、欧洲、日本。常规能源清洁利用、可再生能源配套支撑领域(如,能源互联网)接近一半技术与世界主要发达国家保持同步。从技术水平现状来看,中国能源技术总体上还处在与世界水平并跑阶段,在个别环节处于世界领先水平,但还不具备绝对优势。

3.2 各类能源技术的评价

正如本文所提到的,我们将能源技术对能源安全的影响分为三个层次,即降低本国对外依存度、布局世界新能源格局、引领世界产业革命。从这三个层次考虑,目前我国在常规能源清洁化利用方面技术水平总体上接近或达到了世界先进水平。但是在全球能源系统向清洁低碳能源系统转型的趋势下,常规能源清洁化利用,只能减低中国油气进口依存度,在第一层次保障我国能源的供应安全,还不足以提供第二个层次的能源安全。

可再生能源技术在大多数环节处在世界领先水平,尤其是光伏发电、风能发电技术,已经形成了成熟完整的产业体系。从装机增长速度来看,我国风电和光伏发电具有替代大比例燃煤发电的潜力,但是在大型或尖端可再生能源装备及材料方面,与工业先进国家相比,存在较大差距。

支撑可再生能源规模化发展的配套能源技术中,高效大容量远距离输电技术方面是我国智能电网的重要研究领域,也是我国智能电网研发有别于国外智能电网的最大特色。但是,在大电网运行技术方面我国与国际先进水平相比仍有差距。国外智能电网一分快三正规官方平台的重点和核心在智能配用电技术领域,电动汽车充换电技术、分布式电源接入和微电网技术、智能用电技术等方面都领先于我国。

从自身属性来看,核能有能力成为基础性能源,但由于对安全性问题难形成一致性观念,加之当前世界上不少国家采取去核化行动,这使得核能在未来能源体系中的地位存在着较多不确定性。

氢能及其利用技术的发展将有可能在未来带来能源体系的变革。我国自“十五”以来已经初步形成了氢能与燃料电池技术研发体系,产氢量居世界第一,氢能源利用产业也已经起步。包括我国在内的大部分国家在氢能燃料电池技术领域,尤其在成本和寿命方面仍面临商业化应用的瓶颈。目前我国能源化利用的氢能还比较少,主要用于工业领域。氢能燃料汽车能够提供与传统燃油车大体相同的性能,而且又能够实现与纯电动车类似的环境效应,未来能源化利用,特别是在重型交通领域潜力很大。欧盟和日本已经将氢能源利用规划为国家能源体系中重要组成部分。如氢能应用趋向成熟会对我国降低石油进口依赖有直接贡献,也将对能源系统和能源格局产生重大影响。

当前中国各类能源技术主要集中在第一层次,即降低本国能源对外依存度范畴。未来如能在技术能力上不断提升,随着能源体系变革的不断演进,能源技术水平的先进将会转化成为影响世界新的能源格局乃至引领世界产业变革的能力。

1 中国各类能源技术的能源安全影响简图

 

4 提升能源技术水平保障能源安全的政策建议

伴随世界能源转型,掌握先进能源技术的国家将会在新的能源格局中占据主动。中国应在新的能源格局构建过程中,准确定位符合中国实际、顺应世界能源发展趋势的能源技术领域,争取国际能源市场话语权,从而掌握能源安全主动权。

一是能源安全战略应将能源技术作为核心内容,同时要重视能源体系转换中出现的新的安全问题。国家能源安全战略的制定和调整要与国际国内能源技术发展状况相契合。在重视传统能源安全的同时,将能源技术发展以及对前沿技术的掌握作为保障能源安全的一项核心内容。一分快三正规官方平台专家开展能源技术水平评价,厘清世界能源技术发展阶段、分布格局,对关键领域技术差距进行评估,对符合能源转型趋势、符合中国实际的技术给予长远谋划和布局。关注并重视向新的能源体系转变中出现的新的能源安全问题,如能源互联程度日益加深后愈加凸显的信息安全、网络安全等问题,对可能出现的新的能源安全问题建立防范机制。

二是加强能源领域的技术创新,提升关键技术的自主化水平,力争在前沿性技术研发中取得突破。完善能源技术创新体制机制,激发企业科技创新积极性。集中科研力量,重点突破自主化程度较低的关键技术。对于在能源体系演进中可能带来变革性影响的前沿技术,应加强基础研究。例如,对于储能、氢能等领域的重点技术,可布局重大科技项目进行重点突破,持续提升前沿基础科学的创新能力。

三是坚持能源技术的产业目标导向,加强创新性技术的应用。对于创新性技术具备一定应用基础的领域,如可再生能源、能源互联网等,要积极促进“产-学-研”之间的高效协作与转化,推动技术发展与产业发展的迭代升级。发挥市场机制的作用,加快能源技术的产业化进程,提升相关能源产业的国际竞争力。

 

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