【技术】美国智库预测美国未来能源走向

    美国智库预测美国未来能源走向

美国近期发布《技术与变革：美国能源的未来》报告，该报告是由美国能源部立项启动支持的技术报告，对美国能源优先发展领域，战略能源技术发展和有关政策进行研究，并对当前使用的技术和未来二三十年的系列潜在技术的发展状态、成本、执行的障碍和影响做出评估。本文介绍和分析了报告的主要内容，对我们了解美国现阶段能源状况和未来走向很有帮助。

未来能源策略：应用新能源技术并确保持续创新

美国智库的观点认为，通过更积极的政策和奖励措施而达到更加节能是有可能的，节能增效的技术目前绝大多数具有成本效益，并同样可能对未来的能源选择保持竞争力，此外，提高能效的技术还将不断涌现。

用好现有节能增效技术

《技术与变革：美国能源的未来》提出，通过在建筑、运输和工业部门加快推广现有节能增效的技术，预计到2020年能够节省15%的能源消费，到2030年能够节省30%，节省的能源可以抵消美国能源信息管理局预估的同期能源消费增加量。建筑行业占美国能源消费的40%和用电量的73%，是节能增效潜力最大的行业。

事实上，到2030年，利用现有或新兴的建筑节能增效技术，即使预期消费需求有所增长，相比美国能源信息管理局的情景测算，仍可降低建筑部门25%到30%的能源使用。所节约的能源，假如不被其他部门所增加的用电量占用，就足以解决为平衡区域供电而在2030年前建立新电厂或寻求环境更加友好的电力资源替代等一系列问题。

工业和交通运输部门也可以大大提高其能源效率。到2020年，与美国能源信息管理局预期的趋势相比，工业部门可以减少14%到22%的能耗。无论是电力生产还是余热回收，都可以同其他特定的工艺技术一起扩大现有系统的使用。在交通运输部门，到2020年，能效技术可能会使轻型车辆(轿车和越野车)超过每加仑35英里的平均燃油水平。相比目前每加仑25英里的平均燃油，燃油经济性提高了40%，这种改善能够抵消预计增加的燃油需求。插件式混合动力电动汽车和电池电动汽车的应用增加，可以明显减少汽油的使用，但其市场成功的关键还有赖于电池性能的发展和比现行车辆更低的成本。此外，燃料电池汽车技术的改进可以为其在2035年至2050年期间大规模应用铺平道路。中型和重型车辆，预计到2020年也能减少10%到20%的能耗。增加货运铁路的使用也能减少交通运输部门的能耗，因为在能效方面它是卡车运输的10倍。

未来电力供应结构可能发生改变

在未来二三十年，特别是如能按需对碳捕获和储存以及先进核能进行规模化部署与应用，将有许多选择途径来获得新的电力供应并改变电力供应结构。目前，燃烧化石燃料生产的电力超过全美电量的70%，但几个非传统的电力生产来源在未来二三十年将明显有可能改变供应结构。它们能够显著减少温室气体排放，但同时也可能增加用电成本。

1、可再生能源，如风能、太阳能、水能、地热能和生物能，在未来的电力系统中会发挥重要作用，预计到2020年每年可以额外提供大约500万亿千瓦时的电力，到2035年，这个数字则增加到1100万亿千瓦时(美国总耗电量目前大约每年4000万亿千瓦时)。

目前，常规水电占美国电力供应的6%，但受环境所限难以扩张。总体而言，太阳能发电在美国的潜力最大，其次是风能。除了成本相对较高，技术层面两者扩展都不受限制。预计太阳能和风能提供的用电量在2020年能达到10%，2035年达到20%。到2035年，可再生能源发电量可能会超过集成碳捕捉和储存的煤电或核电。

2、集成碳捕获和储存的燃煤发电，通过对现有电厂的技术改造和设备翻新，到2035年可以提供每年高达1200万亿千瓦时的电力，而通过建设新电厂则可以达到1800万亿千瓦时。

目前，燃煤电厂生产美国一半的电力，国内煤炭储备能够满足未来一个多世纪大幅增长的用电需求。由于这些电厂产生大量二氧化碳，因此除非能够实现碳捕获和储存，否则对温室气体排放的控制必然会限制燃煤电厂的生产。碳捕获和储存技术将二氧化碳注入到地下安全的岩层，如石油和天然气储层、深层的含盐碱水层和深层的煤层。现有的地质调查表明，主要燃煤厂附近的地下岩层足够存放几十年的二氧化碳排放。运用碳捕获和储存改造现有的燃煤发电可以减少50%的二氧化碳排放，而集成碳捕获和储存的新厂最终可减少90%的二氧化碳排放。尽管成本显著增加，但到2035年所有现有燃煤电厂被集成碳捕获和储存的煤电厂替代还是可能的。

3、核电预计到2020年能够每年增加160万亿千瓦时的电力，到2035年则可以增加850万亿千瓦时。目前核能提供全美用电量的19%，升级现有电厂和兴建新电厂来提高生产能力，从而增加电力生产份额的潜力还很大，而升级电厂的成本还不到新建电厂成本的1/3。

4、到2035年，扩大天然气发电可以满足美国电力需求的很大一部分。不过，随着大幅提高的电力需求，届时是否有足够的且具备竞争力价格的天然气供应还难以知晓，而这种扩大则可能使美国更加依赖进口和导致二氧化碳排放量的增加。

扩建改造国家电力传输和分配系统

电网扩建及现代化将增强可靠性和安全性，适应负荷增长和电力需求的变化，扩大能源效率技术的使用，使新能源的技术供给和效能发挥成为可能，特别是间歇性的风能和太阳能。

目前，美国电网营运的技术已经过时，由于自然和人为的原因很容易中断。而更新电网所需的技术可以帮助消费者节约能源，提高运营商的信息管理，并入可再生能源以及适应插件式混合动力与电动汽车的要求。经过大约20年，电网的扩建和现代化即智能电网的建设可以全部完成，预计带来的收益将远远超过改造成本。完成电网的扩建和现代化同时将进一步降低营运成本与更迅速地执行修正要求。两者一同操作的费用经测算，要比单独扩建或现代化节省2500亿美元。然而，建设智能电网要付出很高的成本，同时它还涉及许多政策问题，比如需要制定鼓励投资的法律和规章。

石油将继续发挥不可或缺作用

在2020年之前，石油替代或减少石油使用的选择有限，但从长期来看，在2030至2035年可能会出现较大变化，因此要有目的的减少运输部门的石油使用。

提高汽车能效。汽车节能的技术，现在已可以应用，而且新技术还在不断涌现。汽车节能是近期减少石油使用的最佳选择，此外，一些替代燃料在2020年后预计能够商业化。

开发将生物质和煤转化为液体燃料的技术。纤维素乙醇是一个主要的石油替代方案，虽然纤维素能源作物的转换还没有商业规模的示范。生物质是可再生的，但有限的土地和水资源将限制年产量。按当前的农业生产能力，到2020年每年可以生产五亿干吨(drytons)生物质。如果届时纤维素乙醇已经实现商业化生产，那么每天可以提供50万桶燃料，到2035年，每天可以提供170万桶燃料，接近目前轻型汽车燃料用量的20%。

为了达到每年供应五亿干吨生物质的能力，不仅需要政府制定鼓励农民种植纤维素能源作物的激励措施，还要求政府为数以百计的转化厂和配套基础设施提供许可。

煤制液体燃料技术在美国以外得到了应用示范，尽管其转换过程产生的二氧化碳是石油的两倍。集成碳捕获和储存的液体煤燃料达到每天300万桶的生产能力，大约能满足目前运输部门燃料用量的25%，但对减排二氧化碳几乎没有作用。而且，要达到上述指标就需要增加比目前水平高50%的煤炭产量，这会导致增加额外的基础设施，包括煤炭开采、交通运输、煤制液体燃料厂与碳捕获和储存系统。这除了对环境产生一系列潜在的影响，还可能由于碳捕获和储存的成功商业化带来的煤炭消费量持续增长而抬高煤炭价格。结合碳捕获和储存技术的生物质煤混合液体燃料可以达到二氧化碳的零排放。60%为煤、40%为生物质的混合液体燃料达到每天250万桶的生产能力，就相当于美国运输部门燃料用量的20%。

先进生物质转换技术的研发要求生物工程和生物技术在基础研究上有所突破。

通过扩展插件式混合动力车、电池电动车和氢燃料电池车的应用，使轻型汽车电气化。这种转变需要先进电池和燃料电池技术的发展，以及为管理电力需求增加而对电网的现代化改造。

电力行业有望减少温室气体排放

报告认为，通过能效技术的广泛应用，制定可再生能源、煤炭、天然气、生物质能以及核能等多种电力供应技术替代的组合，电力行业在未来二三十年减少大量温室气体排放是可以实现的。

碳捕获和储存与先进核电对这个技术组合的决策特别重要，为此，电力部门在未来10年必须尽快启动和完成对这两项关键技术的示范，以便其在2020年左右开始大规模应用。

(1)对用煤炭和天然气发电的现有和新的发电厂来说，使用碳捕获和储存技术来封存二氧化碳，在技术上和成本上能否被市场接受还需验证。在2020年之前，这可能要求兴建(新建或改造)15到20个具备碳捕获和储存的示范电厂，来验证各种燃料、技术以及碳捕获和存储战略的可行性，关键是要表明碳捕获和储存在各类地质构造条件下可以按所需规模安全地应用。电力部门实现大幅度减排，可能需要数十年。

(2)在未来十年，需兴建约五个示范核电厂来验证先进核能在美国是否可以商用。如果这些示范项目能够满足成本、进度和性能指标的要求，从2020年到2035年，每年可能都会建造三至五个新电厂。这种扩张将大大增加美国能源供应的多样性，弥补同阶段集成碳捕捉和储存与可再生能源不能满足的电力需求。

在美国发展核电的障碍主要面临高成本、可能的应用管理瓶颈以及公众对安全的高度关注。来自集成碳捕捉和储存的燃煤发电、先进核电，海上风力发电、太阳能发电的电力成本，很可能会大大超过目前的电力生产成本。此外，关于用地、用水和潜在的健康安全影响等问题，可能会限制如碳捕捉和储存与核能等一些技术的应用。

加快部署应用新能源技术

未来十年，公共和私营部门需要开展广泛的研究、开发和示范工作。由于新技术的应用包含大量的不确定因素，加之各区域条件和技术需求不尽相同，因此对基础研究到示范推广创新链上的广泛型组合支持，可能会比单一的以确定和选择技术成败为目标的支持更为有效。在未来十年，高优先级的推广示范技术，包括碳捕获和储存、先进核电、纤维素乙醇和先进轻型车辆。而高优先级的研发则包括先进电池和燃料电池、大规模的电力负载存储管理、地热发电和先进的太阳能光伏发电技术。

许多新兴能源供求技术的广泛应用遇到了障碍，包括周转缓慢的基础设施、有限的资源、潜在的高成本、性能以及有关温室气体排放限制的不确定等。要克服这些障碍，就需要制定包括奖励措施在内的有关法规和政策，比如建立能效标准，支持发展可再生能源，鼓励碳捕获与储存、先进核能和纤维素燃料技术的示范推广等。性能、易用性和成本等方面都能对投资人、购买者与用户产生强烈吸引的技术才是市场能够接受的技术。对性能指标要求明确的技术法规和标准可以刺激技术发展，并帮助改善市场的吸引力。报告指出：尽管这些新能源技术在未来二三十年具有可行性，但在科学技术领域、政策边界以及能源市场上仍然存在很多不确定性。

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