美國近期發(fā)布《技術(shù)與變革：美國能源的未來》報告，該報告是由美國能源部立項啟動支持的技術(shù)報告，對美國能源優(yōu)先發(fā)展領(lǐng)域，戰(zhàn)略能源技術(shù)發(fā)展和有關(guān)政策進行研究，并對當前使用的技術(shù)和未來二三十年的系列潛在技術(shù)的發(fā)展狀態(tài)、成本、執(zhí)行的障礙和影響做出評估。本文介紹和分析了報告的主要內(nèi)容，對我們了解美國現(xiàn)階段能源狀況和未來走向很有幫助。
未來能源策略：應(yīng)用新能源技術(shù)并確保持續(xù)創(chuàng)新
美國智庫的觀點認為，通過更積極的政策和獎勵措施而達到更加節(jié)能是有可能的，節(jié)能增效的技術(shù)目前絕大多數(shù)具有成本效益，并同樣可能對未來的能源選擇保持競爭力，此外，提高能效的技術(shù)還將不斷涌現(xiàn)。
用好現(xiàn)有節(jié)能增效技術(shù)
《技術(shù)與變革：美國能源的未來》提出，通過在建筑、運輸和工業(yè)部門加快推廣現(xiàn)有節(jié)能增效的技術(shù)，預(yù)計到2020年能夠節(jié)省15%的能源消費，到2030年能夠節(jié)省30%，節(jié)省的能源可以抵消美國能源信息管理局預(yù)估的同期能源消費增加量。建筑行業(yè)占美國能源消費的40%和用電量的73%，是節(jié)能增效潛力最大的行業(yè)。
事實上，到2030年，利用現(xiàn)有或新興的建筑節(jié)能增效技術(shù)，即使預(yù)期消費需求有所增長，相比美國能源信息管理局的情景測算，仍可降低建筑部門25%到30%的能源使用。所節(jié)約的能源，假如不被其他部門所增加的用電量占用，就足以解決為平衡區(qū)域供電而在2030年前建立新電廠或?qū)で蟓h(huán)境更加友好的電力資源替代等一系列問題。
工業(yè)和交通運輸部門也可以大大提高其能源效率。到2020年，與美國能源信息管理局預(yù)期的趨勢相比，工業(yè)部門可以減少14%到22%的能耗。無論是電力生產(chǎn)還是余熱回收，都可以同其他特定的工藝技術(shù)一起擴大現(xiàn)有系統(tǒng)的使用。在交通運輸部門，到2020年，能效技術(shù)可能會使輕型車輛(轎車和越野車)超過每加侖35英里的平均燃油水平。相比目前每加侖25英里的平均燃油，燃油經(jīng)濟性提高了40%，這種改善能夠抵消預(yù)計增加的燃油需求。插件式混合動力電動汽車和電池電動汽車的應(yīng)用增加，可以明顯減少汽油的使用，但其市場成功的關(guān)鍵還有賴于電池性能的發(fā)展和比現(xiàn)行車輛更低的成本。此外，燃料電池汽車技術(shù)的改進可以為其在2035年至2050年期間大規(guī)模應(yīng)用鋪平道路。中型和重型車輛，預(yù)計到2020年也能減少10%到20%的能耗。增加貨運鐵路的使用也能減少交通運輸部門的能耗，因為在能效方面它是卡車運輸?shù)?0倍。
未來電力供應(yīng)結(jié)構(gòu)可能發(fā)生改變
在未來二三十年，特別是如能按需對碳捕獲和儲存以及先進核能進行規(guī)?；渴鹋c應(yīng)用，將有許多選擇途徑來獲得新的電力供應(yīng)并改變電力供應(yīng)結(jié)構(gòu)。目前，燃燒化石燃料生產(chǎn)的電力超過全美電量的70%，但幾個非傳統(tǒng)的電力生產(chǎn)來源在未來二三十年將明顯有可能改變供應(yīng)結(jié)構(gòu)。它們能夠顯著減少溫室氣體排放，但同時也可能增加用電成本。
1、可再生能源，如風能、太陽能、水能、地熱能和生物能，在未來的電力系統(tǒng)中會發(fā)揮重要作用，預(yù)計到2020年每年可以額外提供大約500萬億千瓦時的電力，到2035年，這個數(shù)字則增加到1100萬億千瓦時(美國總耗電量目前大約每年4000萬億千瓦時)。
目前，常規(guī)水電占美國電力供應(yīng)的6%，但受環(huán)境所限難以擴張?？傮w而言，太陽能發(fā)電在美國的潛力最大，其次是風能。除了成本相對較高，技術(shù)層面兩者擴展都不受限制。預(yù)計太陽能和風能提供的用電量在2020年能達到10%，2035年達到20%。到2035年，可再生能源發(fā)電量可能會超過集成碳捕捉和儲存的煤電或核電。
2、集成碳捕獲和儲存的燃煤發(fā)電，通過對現(xiàn)有電廠的技術(shù)改造和設(shè)備翻新，到2035年可以提供每年高達1200萬億千瓦時的電力，而通過建設(shè)新電廠則可以達到1800萬億千瓦時。
目前，燃煤電廠生產(chǎn)美國一半的電力，國內(nèi)煤炭儲備能夠滿足未來一個多世紀大幅增長的用電需求。由于這些電廠產(chǎn)生大量二氧化碳，因此除非能夠?qū)崿F(xiàn)碳捕獲和儲存，否則對溫室氣體排放的控制必然會限制燃煤電廠的生產(chǎn)。碳捕獲和儲存技術(shù)將二氧化碳注入到地下安全的巖層，如石油和天然氣儲層、深層的含鹽堿水層和深層的煤層。現(xiàn)有的地質(zhì)調(diào)查表明，主要燃煤廠附近的地下巖層足夠存放幾十年的二氧化碳排放。運用碳捕獲和儲存改造現(xiàn)有的燃煤發(fā)電可以減少50%的二氧化碳排放，而集成碳捕獲和儲存的新廠最終可減少90%的二氧化碳排放。盡管成本顯著增加，但到2035年所有現(xiàn)有燃煤電廠被集成碳捕獲和儲存的煤電廠替代還是可能的。
3、核電預(yù)計到2020年能夠每年增加160萬億千瓦時的電力，到2035年則可以增加850萬億千瓦時。目前核能提供全美用電量的19%，升級現(xiàn)有電廠和興建新電廠來提高生產(chǎn)能力，從而增加電力生產(chǎn)份額的潛力還很大，而升級電廠的成本還不到新建電廠成本的1/3。
4、到2035年，擴大天然氣發(fā)電可以滿足美國電力需求的很大一部分。不過，隨著大幅提高的電力需求，屆時是否有足夠的且具備競爭力價格的天然氣供應(yīng)還難以知曉，而這種擴大則可能使美國更加依賴進口和導(dǎo)致二氧化碳排放量的增加。
擴建改造國家電力傳輸和分配系統(tǒng)
電網(wǎng)擴建及現(xiàn)代化將增強可靠性和安全性，適應(yīng)負荷增長和電力需求的變化，擴大能源效率技術(shù)的使用，使新能源的技術(shù)供給和效能發(fā)揮成為可能，特別是間歇性的風能和太陽能。
目前，美國電網(wǎng)營運的技術(shù)已經(jīng)過時，由于自然和人為的原因很容易中斷。而更新電網(wǎng)所需的技術(shù)可以幫助消費者節(jié)約能源，提高運營商的信息管理，并入可再生能源以及適應(yīng)插件式混合動力與電動汽車的要求。經(jīng)過大約20年，電網(wǎng)的擴建和現(xiàn)代化即智能電網(wǎng)的建設(shè)可以全部完成，預(yù)計帶來的收益將遠遠超過改造成本。完成電網(wǎng)的擴建和現(xiàn)代化同時將進一步降低營運成本與更迅速地執(zhí)行修正要求。兩者一同操作的費用經(jīng)測算，要比單獨擴建或現(xiàn)代化節(jié)省2500億美元。然而，建設(shè)智能電網(wǎng)要付出很高的成本，同時它還涉及許多政策問題，比如需要制定鼓勵投資的法律和規(guī)章。
石油將繼續(xù)發(fā)揮不可或缺作用
在2020年之前，石油替代或減少石油使用的選擇有限，但從長期來看，在2030至2035年可能會出現(xiàn)較大變化，因此要有目的的減少運輸部門的石油使用。
提高汽車能效。汽車節(jié)能的技術(shù)，現(xiàn)在已可以應(yīng)用，而且新技術(shù)還在不斷涌現(xiàn)。汽車節(jié)能是近期減少石油使用的最佳選擇，此外，一些替代燃料在2020年后預(yù)計能夠商業(yè)化。
開發(fā)將生物質(zhì)和煤轉(zhuǎn)化為液體燃料的技術(shù)。纖維素乙醇是一個主要的石油替代方案，雖然纖維素能源作物的轉(zhuǎn)換還沒有商業(yè)規(guī)模的示范。生物質(zhì)是可再生的，但有限的土地和水資源將限制年產(chǎn)量。按當前的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)能力，到2020年每年可以生產(chǎn)五億干噸(dry tons)生物質(zhì)。如果屆時纖維素乙醇已經(jīng)實現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)，那么每天可以提供50萬桶燃料，到2035年，每天可以提供170萬桶燃料，接近目前輕型汽車燃料用量的20%。
為了達到每年供應(yīng)五億干噸生物質(zhì)的能力，不僅需要政府制定鼓勵農(nóng)民種植纖維素能源作物的激勵措施，還要求政府為數(shù)以百計的轉(zhuǎn)化廠和配套基礎(chǔ)設(shè)施提供許可。
煤制液體燃料技術(shù)在美國以外得到了應(yīng)用示范，盡管其轉(zhuǎn)換過程產(chǎn)生的二氧化碳是石油的兩倍。集成碳捕獲和儲存的液體煤燃料達到每天300萬桶的生產(chǎn)能力，大約能滿足目前運輸部門燃料用量的25%，但對減排二氧化碳幾乎沒有作用。而且，要達到上述指標就需要增加比目前水平高50%的煤炭產(chǎn)量，這會導(dǎo)致增加額外的基礎(chǔ)設(shè)施，包括煤炭開采、交通運輸、煤制液體燃料廠與碳捕獲和儲存系統(tǒng)。這除了對環(huán)境產(chǎn)生一系列潛在的影響，還可能由于碳捕獲和儲存的成功商業(yè)化帶來的煤炭消費量持續(xù)增長而抬高煤炭價格。結(jié)合碳捕獲和儲存技術(shù)的生物質(zhì)煤混合液體燃料可以達到二氧化碳的零排放。60%為煤、40%為生物質(zhì)的混合液體燃料達到每天250萬桶的生產(chǎn)能力，就相當于美國運輸部門燃料用量的20%。
先進生物質(zhì)轉(zhuǎn)換技術(shù)的研發(fā)要求生物工程和生物技術(shù)在基礎(chǔ)研究上有所突破。
通過擴展插件式混合動力車、電池電動車和氫燃料電池車的應(yīng)用，使輕型汽車電氣化。這種轉(zhuǎn)變需要先進電池和燃料電池技術(shù)的發(fā)展，以及為管理電力需求增加而對電網(wǎng)的現(xiàn)代化改造。
電力行業(yè)有望減少溫室氣體排放
報告認為，通過能效技術(shù)的廣泛應(yīng)用，制定可再生能源、煤炭、天然氣、生物質(zhì)能以及核能等多種電力供應(yīng)技術(shù)替代的組合，電力行業(yè)在未來二三十年減少大量溫室氣體排放是可以實現(xiàn)的。
碳捕獲和儲存與先進核電對這個技術(shù)組合的決策特別重要，為此，電力部門在未來10年必須盡快啟動和完成對這兩項關(guān)鍵技術(shù)的示范，以便其在2020年左右開始大規(guī)模應(yīng)用。
(1)對用煤炭和天然氣發(fā)電的現(xiàn)有和新的發(fā)電廠來說，使用碳捕獲和儲存技術(shù)來封存二氧化碳，在技術(shù)上和成本上能否被市場接受還需驗證。在2020年之前，這可能要求興建(新建或改造)15到20個具備碳捕獲和儲存的示范電廠，來驗證各種燃料、技術(shù)以及碳捕獲和存儲戰(zhàn)略的可行性，關(guān)鍵是要表明碳捕獲和儲存在各類地質(zhì)構(gòu)造條件下可以按所需規(guī)模安全地應(yīng)用。電力部門實現(xiàn)大幅度減排，可能需要數(shù)十年。
(2)在未來十年，需興建約五個示范核電廠來驗證先進核能在美國是否可以商用。如果這些示范項目能夠滿足成本、進度和性能指標的要求，從2020年到2035年，每年可能都會建造三至五個新電廠。這種擴張將大大增加美國能源供應(yīng)的多樣性，彌補同階段集成碳捕捉和儲存與可再生能源不能滿足的電力需求。
在美國發(fā)展核電的障礙主要面臨高成本、可能的應(yīng)用管理瓶頸以及公眾對安全的高度關(guān)注。來自集成碳捕捉和儲存的燃煤發(fā)電、先進核電，海上風力發(fā)電、太陽能發(fā)電的電力成本，很可能會大大超過目前的電力生產(chǎn)成本。此外，關(guān)于用地、用水和潛在的健康安全影響等問題，可能會限制如碳捕捉和儲存與核能等一些技術(shù)的應(yīng)用。
加快部署應(yīng)用新能源技術(shù)
未來十年，公共和私營部門需要開展廣泛的研究、開發(fā)和示范工作。由于新技術(shù)的應(yīng)用包含大量的不確定因素，加之各區(qū)域條件和技術(shù)需求不盡相同，因此對基礎(chǔ)研究到示范推廣創(chuàng)新鏈上的廣泛型組合支持，可能會比單一的以確定和選擇技術(shù)成敗為目標的支持更為有效。在未來十年，高優(yōu)先級的推廣示范技術(shù)，包括碳捕獲和儲存、先進核電、纖維素乙醇和先進輕型車輛；而高優(yōu)先級的研發(fā)則包括先進電池和燃料電池、大規(guī)模的電力負載存儲管理、地熱發(fā)電和先進的太陽能光伏發(fā)電技術(shù)。
許多新興能源供求技術(shù)的廣泛應(yīng)用遇到了障礙，包括周轉(zhuǎn)緩慢的基礎(chǔ)設(shè)施、有限的資源、潛在的高成本、性能以及有關(guān)溫室氣體排放限制的不確定等。要克服這些障礙，就需要制定包括獎勵措施在內(nèi)的有關(guān)法規(guī)和政策，比如建立能效標準，支持發(fā)展可再生能源，鼓勵碳捕獲與儲存、先進核能和纖維素燃料技術(shù)的示范推廣等。性能、易用性和成本等方面都能對投資人、購買者與用戶產(chǎn)生強烈吸引的技術(shù)才是市場能夠接受的技術(shù)。對性能指標要求明確的技術(shù)法規(guī)和標準可以刺激技術(shù)發(fā)展，并幫助改善市場的吸引力。報告指出：盡管這些新能源技術(shù)在未來二三十年具有可行性，但在科學技術(shù)領(lǐng)域、政策邊界以及能源市場上仍然存在很多不確定性。
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背景與目標
由于能源市場的劇烈波動，全球日益增加的能源需求以及美國對石油、天然氣進口及其來源的嚴重依賴，美國的能源安全愈益脆弱。目前，美國超過85%的能源供應(yīng)由化石燃料提供，而化石燃料也占世界能源和消費的21%。美國運輸業(yè)的能源幾乎完全依賴石油，其中56%的石油消費需要進口。美國化石能源消耗每年產(chǎn)生約60億噸的二氧化碳，約占世界二氧化碳總排放量的1/4。主要由溫室氣體排放導(dǎo)致的氣候變化問題，同國家利益和政治利益聯(lián)系愈加密切，也引起了對未來能源問題的日益關(guān)注。
面對上述問題，美國未來如何提供足夠的、廉價的以及可持續(xù)的能源供應(yīng)是該報告研究的背景。
報告的目標是促使決策者通過技術(shù)選擇進行合理的能源生產(chǎn)、分配和運用，提高可持續(xù)發(fā)展能力，支持經(jīng)濟長期繁榮，促進能源安全，減少對環(huán)境的不利影響，并為后續(xù)的相關(guān)政策研究打好堅實基礎(chǔ)。由于正在開發(fā)與將來可能應(yīng)用的能源技術(shù)種類繁多，因此報告按2008—2020年、2020—2035年和2035—2050年三個階段，對每個階段最可能成熟應(yīng)用的技術(shù)給予了重點關(guān)注和前景分析。報告指出，通過有效部署現(xiàn)有和新興能源的供應(yīng)，加快發(fā)展上述技術(shù)，并使兩者有效組合，將有助于減少能源供應(yīng)來源，實現(xiàn)大幅度的溫室氣體減排，從而實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展、經(jīng)濟長期繁榮和促進能源安全的目標。
