◇◇新语丝(www.xys.org)(xys.dxiong.com)(xys.3322.org)(xys.freedns.us)◇◇   风力发电和大型锂离子储能电池是解决海峡两岸能源短缺问题的重要途径   (在福州市海峡两岸科教创新研讨会上的报告)   中国科学院理论物理研究所 何祚庥   本次会议的议题是“合作、创新和发展”。在台湾海峡的海峡两岸都遭遇能 源短缺的问题。下面想就这一严峻问题,说一些不甚成熟的意见。   一、中国现有电力装机约4亿千瓦。其中煤供电约占80%,水能供电约占15%, 但风电仅约为50万千瓦,亦即约为电力装机0.13%。   新的统计数据表明:到2004年年底,发电装机至少高达4.4亿千瓦,全年用 电量达到21650亿千瓦时。2004年电力弹性系数将至少是1.5。   二、预计到2020年中国所需电力装机至少是10亿千瓦,到2050年将至少是25 亿千瓦。   三、实际上,如果从2000年到2020年的电力弹性系数是1.0,那么在GDP“翻 两番”的假设下,易算出,2020年的电力装机将是4x2.82=11.28亿千瓦。   四、为什么中国的发展竟出现如此巨大的电力需求?一个重要原因是:中国 所要实现的工业化将是13~15亿人的工业化,其人口超过美国、欧洲、俄罗斯、 日本、加拿大、澳大利亚等发达国家人口的总和。   五、在当前发展阶段,中国将不能遵循所谓“B模式”,亦即“大量”节约 能源、“大量”节约资源的发展道路。   有些经济学家甚而将“B模式”称为“中国应走的新型工业化道路”。我赞 成中国在走向工业化的进程中,要节约能量,节约资源。   不幸的是,这种“大量节约能源、大量节约资源”的所谓“新型工业化道 路”,在科学技术上并不存在!   六、还有些人写文章鼓吹所谓印度式道路。理由是印度的服务业已占到GDP 的48.2%,被称为“印度服务业之谜”,而我国仅为32.3%。印度软件产业在20世 纪90年代,一直保持着50%的增长率,因而主张向印度学习!   实际上印度软件业发展的“基础”或“前提”,是建筑在发达国家的“工业 化”基础上的。印度的第二产业约占印度国民经济的25%。   中国的工业化是建筑在中国居民需求基础之上的。我赞成适当地向印度软件 业学习,但不是走印度式的道路。   中国的工业化必须是全面的工业化,是满足13~15亿人的“工业化”,不能 搞成“工业东部”,“农业西部”!   生产力的发展有不依人们意志为转移的客观规律。生产力的结构是由居民需 求结构所决定的。   今天中国的国民需求结构决定了中国当前只能实施“以信息化带动工业化, 以工业化促进信息化”。正在走向工业化阶段的中国必定伴随着巨大的能源需求。   七、中国的巨大的能源需求将不能期望由化石能源来解决,而只能寄希望于 可再生能源。   1、煤炭   2003年我国能源消费总量为16.78亿吨标准煤,其中有54%用于发电。 如果2020年的电力需求是11.32亿千瓦,易算出中国的能源需求将至少是40 亿吨标准媒。   如果在2020年后维持年产40亿吨的开采不再增加,以已知探明可利用的煤炭 储量为1145亿吨,计我国经济可利用的煤炭资源仅能再维持30年!   历年来铁路运煤约占煤炭总量的60%,占铁路货运量的40%以上。如果16年间 煤炭的运量再增加两倍,必将造成铁路运输的全面紧张,甚而不堪承受!   2、石油和天然气   严重问题是石油资源不足。已知中国探明的石油储量是33亿吨,而去年中国 原油产量是1.7亿吨,去年消耗石油达2.7亿吨。到2003年底,我国进口原油9000 万吨,成品油2000万吨,共进口1.1亿吨。今年仅原油将至少进口1.2亿吨,成品 油将高达4000万吨。   我国已经成为世界第二大石油消费大国,并且已经是第一消费大国美国进口 量的1/4。如果我国石油进口量再增加一倍,将面临和美国以及其它发达国家, 如日本等国在国际市场上争夺石油的局面,这必将成为国际政治和国际经济的头 等重大问题。   我国能源发展必须跨越、或是缩短石油能源发展阶段,而这是一个亟待解决 的特殊问题,我们将另行讨论。   3、水能   当前的奋斗方向是大力开发水电资源。中国的水能资源,理论蕴藏量约为7 亿千瓦,技术可开采量约为5亿千瓦,经济可开采量约为4亿千瓦。   当前水电装机约为1亿千瓦。预期到2020年,在水电建设共约投入10000亿人 民币,水电装机达2.5亿千瓦。也许中国的水电开发可以更快一些,但最终将受 到资源的制约。   4、核能   核能问题与石油相似,关键是我国天然铀资源短缺。大力进口天然铀将碰到 和进口石油一样甚至更为严重的困难。现在有关核能的规划是希望在2020年,核 电占全部发电的比重仅为3.6%。   一些人建议到2050年核电比重占10%,或占20%,或占30%。但如果我国核能 到2050年装机容量占电力总装机的5%,亦即约达到120GW,(相当修建120座标准 核电站),那么到2050年,累积天然铀供应量将至少是63万吨。但目前我国并没 有这样大的资源!   出路之一是发展各种能增殖核燃料的新型中子堆。当前的问题是,我国现在 部署的钠冷却的快中子堆技术,其增殖系数较低,不能满足需求,而较为先进的 铅冷却技术却没有掌握。一些人说快中子增殖堆的利用,“铀资源状况会趋乐 观”,但现有部署,却难以“成为现实”。   核能面临的另一困难是发电成本较高,投资较大,投资周期较长,不能期望 短期内有较大的降价的空间。如果中国的未来,由核能来解决中国的能源短缺问 题,就还将面临处理大量放射性废料和发电站关闭后,仍要长期持续维持的问题。   八、中国初步探明风电资源在陆上约为2.53亿千瓦,沿海“估计”为7.5亿 千瓦,亦即约为10亿千瓦。但这一风电资源仅计及10米低空范围内的风能,如果 扩展到50米~60米以上高空,将至少再扩展一倍,亦即可“期望”有20~25亿千瓦 的风力资源。   需要质疑的是:这一“理论”上的风力资源估计值是否可靠?据所知,在全 世界范围内,风能资源约是水能资源的10倍。中国的水能资源特别丰富,约占世 界水能资源的18%。现在给出的估计值,约是中国水能资源的4~5倍。   如果能开发出风能资源中2/3的份额,将能提供约15亿千瓦的电力,再加上 约5亿千瓦的水电,将能大幅度补充2050年所需25亿千瓦电力的缺额。   在世界范围内,风电技术已相当成熟。风电成本已具有市场竞争能力,在国 外风电成本已下降到和煤电成本相当,并仍在不断下降中。   九、中国现有风电装机约为50万千瓦。如果到2020年,年平均以40%的速度 上升,将能“期望”上升至1亿千瓦,亦即占2020年电力装机10亿千瓦的10%,占 发电站总量的5%。   参考欧洲各国迅速发展风电的经验,平均年增长40%,并不是不可设想发展 速度!近5~6年来,德国风电以年平均36%的速度上升,法国更以60%的速度急起 直追!从2020年到2050年,如果进一步年平均以9%~10%的速度上升,将能“期望” 风电由1亿千瓦的装机,上升到约16亿千瓦的装机。   当然,仅靠风电和水电并不能充分满足中国未来的巨大能源需求。在2050年 以后,也许要用到太阳能电池技术。中国有84万平方公里的沙漠地区。这将是中 国太阳能能源的宝库。为实施这一理想,这需要大幅度降低太阳能发电成本!当 前约是风电成本的5~8倍!   中国的风电资源分布可见以下三个图:   从图上可以看出,中国陆上的风电资源,集中在内蒙古以及东北、西北的部 分地区。海上风电资源尤其丰富,特别是跨台湾海峡两岸的台风地区。   十三、中国将能期望由西南地区的水电,东南沿海地区风电和北部、东北西 北地区的风电,较为均衡地分别实现各不同地区发展所需电力。   十四、注意到我国的沙尘暴有60%的份额来自外蒙古地区,可以期望在蒙古 人民共和国境内,有比内蒙地区更为丰富的风电资源。所以,我国风电产业进一 步的发展方向,将是和蒙古人民共和国合作开发属外蒙地区的风电资源。   十五、风力发电还能有效地遏制温室效应和沙尘暴灾害   十六、风力发电也是解决边远农村独立供电的重要途径   十七、我国大力发展风电的障碍和相应采取的措施   (一)政策障碍   1、从我国来看,首先是缺乏大力发展风电的战略意识。   2、在政策措施上,我赞成给风电产业,以高利润的发展空间,这将迅速促 进风力发电的高速发展!   十八、   (二)技术障碍   1、风电与电网的连接   十九、   2、储能问题   如果风电的比重超过整个电力的10%,需要进一步考虑储能问题。目前可供 解决的方案有以下几种途径:   (1)修建抽水蓄能发电站。这种方式缺点在于转化效率约为80%,并且受地 域限制,但是福建地区的特点是“七山、一水、两分田”,福建省有采用这一储 能方式的特有的地理条件。   (2)蓄电池储能。如具有高能量密度的锂离子蓄电池等。   (3)在风能丰富地区,利用便宜的风电电解海水生产氢,用氢来储存风能, 通过燃料电池发电并生产高纯度的水,这也是解决我国淡水紧缺的一个重要途径。   二十、从我们的认识来看,在三种储能方式中,最值得重视的,是锂离子蓄 电池储能。锂离子蓄电池有高达90%以上的充放电转化率,这比抽水储能发电站 的转化效率还要高出一些,甚而也比氢燃料电池的80%发电效率还要高。至于氢 燃料电池技术目前并不成熟,并且其发电成本也将十分昂贵。   二十一、当前我国锂离子蓄电池正在大力推进动力电池的研究和开发,已取 得较好的初步成果。(参见附录《一种新的安全型锂离子蓄电池出现了》)由于 重量体积以及安全因素等限制,开发车用动力电池要比开发大型动力储能电池的 难度要大出很多。   二十二、开发大型动力储能电池可不必过份计较它的单位重量和单位体积的 储能量,其安全性的要求也比车用电池小很多,重要的是低廉的价格、较长的循 环寿命和长期的稳定的充放电性能。这些技术都有望在短期内即能获得解决。   二十三、有兴趣的是,含钒(V)的废渣将对建造大型锂离子电池储能发挥 重要作用,锂离子电池储能也是有效利用我国大量钒废料的战略途径。大型动力 储能电池的开发还能为广大农村提供经济而持续稳定供应的小型电源,在解决农 村现代化的问题上,无疑也是要解决的关键问题之一。遗憾的是,这一领域的开 拓,尚未引起有关领导部门的关注,甚而也还没引起业内人士的重视。   二十四、需要强调的是,在未来的大规模的太阳能发电的阵列中,也需要解 决大型蓄电池储能问题。   二十五、但是以上这些技术方面的障碍都不是原则上的困难,关键是必须大 力增加研究和开发技术上的投入,大力培养风电人才。   二十六、结论   风电是电力行业的先进生产力,资源无尽、成本低廉!确立能源领域的科学 发展观,将风电提高到战略地位刻不容缓!   福建省更有建立大型风电场的特殊条件!   二十七、能源短缺是世界经济面临的重大课题。这不仅困扰着中国大陆地区, 也困扰着中国台湾地区的经济。在如何解决能源短缺的问题上,我们既需要战略 创新,也要有科技创新。建议海峡两岸,携手合作,共同发展海上大型风电产业。   注意到德国的风电产业,已超越小轿车,并成为德国的机械制造业的第一位 的产业,预计中国的未来,风力发电(包括风机及电能)将成为未来中国的第一 大产业!   二十八、感谢福州大学等单位邀请参加此次研讨会。愿以上述不甚成熟的建 议贡献于福建省和台湾海峡两岸的朋友们!   附录:   一种新的安全型的锂离子蓄电池出现了   中国科学院院士 何祚庥   (一)锂离子电池已在手机、笔记本电脑、摄像机领域中得到广泛利用。锂 离子电池的进一步发展是向动力应用的方向发展,亦即要求充放电的性能适应更 大的储能,更高的功率。当前所要解决的是适用于电动自行车所需要的锂离子电 池,其总重量约是3~4公斤,进一步是适用于电动摩托车,其重量约为15~20公斤 的锂离子蓄电池,再进一步是重量为300~400公斤适用于电动小轿车的锂离子蓄 电池,最终将是适用于电动大巴或电动大货车,其总重量约为1500~2000公斤的 锂离子蓄电池。   一部手机用的锂离子蓄电池的重量约是60克,其安全性的指标要求发生爆炸 的概率必须小于百万分之一。这是社会公众所能接受的最低的安全指标,实际做 到的比千万分之一还要小。然而,安全指标是和锂离子电池的重量成正比的。电 动自行车所用锂离子的重量约是手机电池的50~60倍,亦即其“不安全性”约比 手机大了50~60倍。至于电动大巴或电动大货车的电池用量将是“手机”用量的 25000~30000倍!所以,将锂离子蓄电池做成动力电池,就必须提高其安全性能; 其用量的愈大,其要求达到的安全性指标也就愈高。   然而,锂离子蓄电池的安全性能的提高是一个过程,这就是我们坚持认为电 动交通工具,必须“由小到大”,亦即沿着“电动自行车→电动摩托车→电动小 轿车→电动大货车”的技术路线而“逐步上升”。现在在全国各地拼凑“电动大 巴”的做法,只不过是做“表演”用的样机,离长期、安全、可靠地运行还有很 长的一段距离!   (二)当前我国手机电池常用钴酸锂做为锂离子电池的负极材料。这一负极 材料在充放电过程中较易折出金属状态的锂原子,从而发生爆炸。如果用钴酸锂 制作动力电池,必须设法提高其安全性能。据我们所知,目前国外用钴酸锂所能 做到的最佳充放电性能和最佳安全性能是:   表一   容量 18.5安时   标名电压 3.7伏   尺寸 340毫米×150毫米×7毫米   重量 0.58公斤   储能 118瓦时/公斤   体积储能 280瓦时/公升   表二   项目 条件 测试结果   钉扎 室温和4.3伏 电解质泄漏,不着火,无爆炸   压毁 室温和满负荷 不着火,无爆炸   过充 5伏和0.2C 不着火,无爆炸    10伏和3C 着火,无爆炸   其中0.2C和3C是说所通过电流是C值是18.5安培的0.2倍和3倍。目前国内用 钴酸锂所制造的锂离子动力电池一般均难达到表二所列安全指标,尤以钉扎和10 伏过充很难通过,仅有个别厂家可能达到表二所列指标。但是,在若干国家中, 即令已达到如表二所列安全性能较好的钴酸锂的动力电池,仍被认为尚不够安全, 并禁止应用于电动自行车行业。因为在急刹车或发生意外碰撞事故的条件下,可 能出现有较大的反电动势,从而引起锂离子动力电池的着火或爆炸。在中国市场 上销售的电动自行车,也许并不向国外市场那样要求有较高的安全系数,但如果 大量使用由钴酸锂制作的锂离子蓄电池,必需估计到其可能出现安全问题。   (三)安全性能较好的蓄电池,是用锰酸锂为负极材料的锂离子动力电池。 在发达国家中所达到的先进指标是:   表三   容量 12.7安时   标名电压 3.8伏   尺寸 340毫米×150毫米×7毫米   重量 0.57公斤   储能 84瓦时/公斤   体积储能 200瓦时/公斤   其相应的安全指标却达到甚高的水平,如表四所示:   表四   项目 状态 测试结果    17安时的锰系电池 3.2安时的锰系电池   钉扎 不着火,不爆炸 不着火,不爆炸   过充 室温及5伏及0.2C 不着火,不爆炸 不着火,不爆炸    12伏3C 不着火,不爆炸 不着火,不爆炸    20伏3C 不着火,不爆炸 不着火,不爆炸   这里最为“惊人”的一项成就,是当所加电压高达20伏,所通过电流为3C, 亦即三倍所设计电流的条件下,竟然也“不着火,不爆炸”!可以认为这一安全 指标,不仅足以保证电动自行车的安全行驶,甚而也能应用于电动摩托车和由电 力和内燃机混合驱动的小轿车。但是,一些安全问题专家仍然认为,上述安全性 指标仍不能满足电动小轿车和电动大货车等蓄电池用量较多的交通工具的安全要 求。所以,安全性能十分良好的锂离子蓄电池的研究和开发,仍有待于进一步努 力。   但是,对于电动自行车来说,用锰酸锂做负极材料的锂离子蓄电池,已能足 够保证其行驶的安全。如果再注意到国际市场上的锰的价格比钴的价格要低廉的 很多。所以,在锂离子蓄电池的推广和应用上,其安全性能的改善,反而可能使 制造成本有所降低!   非常值得庆幸的是:这种有较高安全性的以锰酸锂为负极材料的锂离子蓄电 池,已在国内做了出来,并将在1~2年后大量投放市场。   (四)锂离子蓄电池进一步的发展方向是:寻求有更高安全性能的新型锂离 子蓄电池,并努力改善其充放电性能,延长其使用寿命;寻求廉价制造隔膜的新 方法。目前,在新型锂离子蓄电池成本核算中,隔膜几乎占了成本的40%!   (五)锂离子蓄电池又一重大应用领域是解决电力系统的生产和消费过程中 所可能出现的巨大不均衡问题。锂离子蓄电池有极好的充放电性能,其转化效率 可高达90%。这一转化效率不仅大大高出抽水储能发电站,甚而也超过了某些人 没想的用氢能储能所能达到的转化效率。例如,由于昼夜用电量需求的巨大差异, 因而形成了白天用电的“高峰”和夜间用电的“低谷”。为调节“峰”“谷”比, 一些地区所推出的昼夜不同的两种电价,甚而可高达6:1或7:1。因此,在一些发 达国家中,就用锂离子蓄电池调整这种“峰”“谷”比。如在日本的居民,就大 量使用这种蓄电池,夜间蓄电,白天用电。又如,风力发电是世界上新崛起的一 种干净的可再生能源,其售价已下降到只比燃煤发电成本略高一些,有些国家甚 而计划在2050年将风力发电提高占整个电能供应的50%的水平!但是,风力发电 的严重困难是“有风有电,无风无电”。如果风力发电仅占全部电能的3~5%,这 一浮动将能由电网调节;而如果所占比重超过了10%,就必需用储能技术来调节 供求。因此,廉价的安全并且可长期使用的锂离子蓄能电池就将成为未来电力工 业中的宠儿。   (六)正如社会公众所广泛关注的,中国现在正面临严重的石油短缺问题。 中国已是世界上第二位石油消费大国,也是世界上第二位石油进口大国。各方预 计,今年中国将至少进口石油1.2亿吨,并且正以年递增20%速度增长!现在世界 上有许多国家,正在石油市场争夺石油份额,并力图控制运送石油的通道。所以, 如何节油,如何寻求油的替代动力已是未来中国所要迫切解决的重大问题。所以, 我们更应加快发展电力来驱动的各种交通运输工具。   万事起头难。首先是将锂离子蓄电池技术应用于电动自行车。 (XYS20041201) ◇◇新语丝(www.xys.org)(xys.dxiong.com)(xys.3322.org)(xys.freedns.us)◇◇