参天水利资源工程研考会《工作通报》No.2007-22
2007年5月17日
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现代化需要多少能源？
— 能源经济概观之二
柯堤
我们在文献中， 对“节能是根本出路”这一观点作了分析，指出它对于我国的实际情况是不能成立的。由于目前我国人均能源消费量只有一吨多标煤，即使其能源利用效率达到国际先进水平，它所生产出的GDP也只有发达国家人均水平的五分之一左右，这很难称之为现代化。那么，中国若要在今后40几年的时间里基本实现现代化（如用人均GDP来衡量，则应达到发达国家20世纪90年代初水平的80％以上），需要多少及什么样的能源呢？本文将对此做出分析。我们的一个基本结论是：我国现代化水平与西方发达国家的巨大差距主要表现在二者人均用能水平相差悬殊；因此，大幅度提高人均用能水平就是推进我国现代化进程的题中应有之义，同时，也只有在这个过程中，我们才能不断提高自身的能源使用效率。
一、能源使用与现代化水平的关系
本节先概述二者关系的机理，然后再对我国实现现代化所需的能源限界进行讨论。
生产、生活与能源
人类的生活和生产方式与能源的使用有着非常密切的联系，前者的形态和水平极大的依赖于能源供给的形态和水平，例如：食品能量就是生命存在与发展的极为重要的必需品。自20世纪以来，人们除了把能源用作汽车燃料外，所有其它资源的利用也有赖于将能源用于采矿、加工和储运。我们把各种原料加工制造成各种产品，也都需要消耗能源。在发达国家中，甚至食品的生产也大量地消耗着能源。例如，在美国的总能耗中，大约有15~17％是用于食品的生产、收割、贮运、加工和调制。
当用物质资本和基础设施来考量时，从劳动生产率的角度看，人类的整体生活水平也与能源消耗量有着十分密切的联系。在一个没有动力机器的社会里，它很难为广大人民群众生产出多于最为基本需要的食品、衣着和住房等，因而其生活水平只能是很低的。反之，劳动生产率随着机械化程度的提高而增加，工业生产的自动化程度越高，劳动生产率就越高。一个具有高度发达生产力的社会，不仅能生产出其基本的必需品，而且还可生产出非常丰富的其它物品和服务，而其成员能有很多闲暇时间可用于服务性行业、娱乐和休闲活动。总之，与机械化、自动化（及信息化）紧密相连的高劳动生产率才能使全社会普遍享受到高生活水平。然而，机器的运转需要与其所作功相适应的能量或燃料（例如，内燃机的能量效率只有25％左右，再提高一、两个百分点都很困难），这就是说来自高生产率的高生活水平也意味着高水平的能量消耗。在不同的国家之间进行比较时，其能量消耗和生活水平之间有着直接的、相当密切的关联。
当然，要注意这两者的关系不是绝对的。有些国家的生活水平和另外一些国家大体相当，但能源消耗量却明显有别，例如目前的美国和日本。这在一定程度上是由于能量的利用效率不同，例如美国的小汽车和日本的相比，前者明显低于后者。但是，一个能量单位只能做出与其相应的作功单位；因此，尽管能效可以改进，但在能量、劳动生产率和生活水平之间的基本关系仍然保持稳定。使能耗和生活水平之间产生不一致的第二个重要因素是利用能量的产业类型。例如，假设产品的价值相同，但金属冶炼比装配钟表所需的能量要多得多。不过，如果比较的是产业门类齐全的工业强国时，则能量、生产率和生活水平（或方式）之间的基本关系仍然是适用的。因此，达到高生活水平必然与用能量的增加有密切的联系。同时，高用能量不仅是实现高生活水平而且也是保持高生活水平所必需的，例如开动较大型的小汽车、为较宽敞的住宅取暖，等等。
现代化的能源限界
由于在能量消费、劳动生产率和生活水平之间存在着稳定的基本关系，因此有人断言：没有一个国家既能享有高度的人均收入水平，又不消耗大量的能源。世界银行的《世界发展报告（1999）》对不同收入组的人均能耗进行了统计，可以明显地看出随人均收入水平的提高，人均能耗也在增加（人均GDP以购买力平价计算）：1999年，日本人均能耗为我国的4.96倍，人均GDP为我国的七倍；美国人均能耗为我国9.4倍，人均GDP为我国的8.8倍；加拿大人均能耗为我国的9.13倍，人均GDP为我国的7.3倍；其它欧洲发达国家人均能耗为我国的4~7倍，人均GDP为我国的5~7倍。 由此可见，我国人均GDP水平与西方发达国家的差距基本体现在人均能耗水平的差距上。下表概括了一些具有代表性的数据。
表~1：世界人均一次能源消费量（石油当量：吨∕人）
|
1973 |
1980 |
1985 |
1990 |
1995 |
1998 |
1999 |
2000 |
| 日本 |
2.99 |
2.97 |
3.30 |
3.55 |
3.97 |
4.04 |
4.07 |
4.14 |
| 美国 |
8.19 |
7.79 |
7.49 |
7.73 |
7.89 |
7.94 |
8.08 |
8.17 |
| 加拿大 |
7.20 |
7.85 |
7.45 |
7.52 |
7.89 |
7.85 |
7.97 |
8.16 |
| 英国 |
3.93 |
3.57 |
3.60 |
3.69 |
3.83 |
3.88 |
3.89 |
3.89 |
| 德国 |
4.28 |
4.60 |
4.65 |
4.48 |
4.16 |
4.20 |
4.15 |
4.13 |
| 法国 |
3.39 |
3.48 |
3.60 |
3.98 |
4.15 |
4.36 |
4.35 |
4.37 |
| 意大利 |
2.35 |
2.46 |
2.39 |
2.67 |
2.97 |
2.88 |
2.93 |
2.97 |
| OECO |
4.17 |
4.23 |
4.12 |
4.33 |
4.50 |
4.60 |
4.66 |
4.72 |
资料来源：来自日本节能中心ECCJ。
在上表中是以石油当量来计算的，将其乘以1.43便可折算成标煤当量。由此可知，在1990年，人均一次能源消费量：日本为五吨（标煤，下同），美国为11吨，加拿大为10.8吨，英国为5.3吨，德国为6.4吨，法国为5.7吨，意大利为3.8吨，OECD平均为6.2吨。除了意大利外，其它工业发达国家人均能耗水平均在五吨标煤以上。如果我国要在2050年前后，达到发达国家20世纪90年代初期人均GDP水平的80％以上，则届时我国人均用能水平应达到四吨标煤左右；应当说这是一个相当紧张的标准，必须付出极大努力才能实现。
二、能源供应总量与结构
到2050年，我国人口将达16亿左右，如其人均用能水平达到四吨标煤，则其总量将为64亿吨标煤。
目前世界能源消费中的百分之30几为石油，以此为据，则中国消费的石油应为15亿吨左右，这接近目前全球石油贸易量的80％；显然，这条路很难走得通。
在中国目前的能源消费结构中，煤炭所占比例近70％；据此，到2050年，中国消费的煤炭应为63亿吨原煤（一吨标煤折1.4吨原煤），相当于2004年我国原煤开采量的3.4倍，其环境成本很难想像。看来，这条路很难走得长。
第三条道路在哪里？在于大规模地开发和高效利用生物质能及可更新能源。如此，中国将为全人类开辟出一个新的天地。
可更新能源
水电和风电。中国水电的可开发量约四亿千瓦，以年利用4000小时计，约合电量1.6万亿度；如以供发一度电耗标煤310克来计算，1.6万亿度电相当于近五亿吨标煤。
到2003年初，全球风力发电装机容量达到3200万千瓦；过去五年中全球风电累计装机容量的平均增长率一直保持在33％左右。据欧洲风能协会等机构的研究和预测：2020年全球风力发电装机将达到12.31亿千瓦，年安装量达到1.5亿千瓦，届时风力发电量将占全球发电总量的12％。 我国初步探明：陆地上可开发的风能资源即达2.53亿千瓦，加上近海（15米深的浅海地带）的风能资源，全国可开发的风能资源估计在十亿千瓦以上。 如到2050年，可设我国风电装机四亿千瓦，年利用3000小时，则届时风电总量为1.2万亿度；按上述标准，折合标煤约3.8亿吨。
生物质能。目前我国约有七亿多吨农作物秸秆和两亿多吨林地废弃物，两者之和约十亿吨生物质能（干重，下同）。目前全国尚有一亿公顷宜林、宜农荒地、荒山，可以用于发展能源林业和能源农业， 如能选用合适的生物物种（如中国象草），每亩每年可提供两吨生物质能； 则一亿公顷的边际土地每年可生产出生物质总量约30亿吨。上述两项之和约40亿吨。利用现代的压缩成型技术和高效率的燃烧技术，等重量的生物质能与原煤（如徐州一号煤）的实际燃烧热值效果大体相当， 故我们可按1.5吨生物质能折合一吨标煤来计算（通常的算法是两吨生物质能折合一吨标煤）。如此，上述40亿吨生物质能约折合27亿吨标煤。在这个基础上，我们可以使用丹麦的燃柴发电技术来替代燃煤发电。
目前我国约有25亿吨畜禽粪便，到2050年这一生物量可达50亿吨以上（湿重），折合干物质重量约为五亿吨。以其每吨干物质产沼气300立方米来计算，年产沼气1500亿立方米，如每方沼气发电1.5度，就是2250亿度电；按前述标准，折合标煤近一亿吨。
上述各项可更新能源总量约合37亿吨标煤，在64亿吨标煤中所占比例为57.8％；其中最为关键的是生物质能资源，它在64亿吨标煤中所占比例为44％。大规模地高效利用生物质能从技术上来说已经成熟，从土地和生物资源可获量上来说，也不存在颠覆性的障碍。
不可更新能源
核电。如其在一次能源中的比重达到5％（或说在电能中达到10％左右），则其可折合标煤3.2亿吨。
石油和天然气。可以设想到2050年前后，我国石油消费达四亿吨，天然气（含煤层气）消费达到4000亿立方米，两者合计折合石油当量约八亿吨，折标煤11.4亿吨。这样一个油气消费水平，大体可以自给。例如，目前我国原油产量约为1.7亿吨，如按年增1.8％来计算，则46年后，可以达到四亿吨的年生产水平；我国天然气和煤层气总储量约70万亿立方米，在2050年后，达到年利用3~4千亿立方米，应是完全可能的。
再退一两步说，今后几十年的时间里，我国的油气进口量应该可以最终控制在两亿吨石油当量左右。
煤炭。用64亿吨标煤减去上述各项，得数为12.4亿吨标煤，折合17.36亿吨原煤；这与2004年我国原煤的开采水平大体相当。当然这要经历一个先上升后下降的消长过程，其中的关键因素是看生物质能替代煤炭的进展状况。
以上三项不可更新能源合计约27亿吨标煤，在64亿吨标煤中所占比例为42.2％。与2004年相比，不可更新能源使用的总量增长35％，在40几年的时间里，年均增率不到1％。特别是，如果我们能在2050年把原煤开采水平控制在20亿吨以内，那么我们的环境成本就可保持在本世纪前十年的水平。如此，二氧化碳排放量第一的帽子仍将由美国人戴着，或者由印度人取而戴之。
三、能源需求结构
仅从能源供应结构来看问题还不够，因为从需求结构的角度来看，二者的能源形态之间很可能存在着重大的不一致。这是一个需要专门讨论的问题，其中最关键的就是交通用能的形态。
交通用能的形态特征
下面是美国70年代国民经济四部门的用能结构及其用能效率：电力占25％，（平均用能效率为30~36％），家庭和商业占21％（平均用能效率为65~75％），工业占27％（平均用能效率为40~50％），交通运输占27％（平均用能效率为12~15％）； 通过加权平均可知，70年代美国国民经济的能源效率为38％左右（对上述括号中的数字取中值）。如果我们对上述括号中的数字取高限作加权平均，则其整体的能源效率约为42.3％（假设用能结构不变），这就是发达国家今天的图景。由上述可知，在发达国家，交通运输部门既是国民经济系统中的用能大户，又是用油大户，还是能源效率最低的部门。几十年来，这个特征没有根本的改变。
目前，世界石油的70％左右是作为各种交通运输工具的燃料来消耗的。从目前的技术体系看，这不是一个用电能或其它能源形态（如煤炭、天然气）可以简单地加以替代的。另外，内燃机经过上百年的发展，已臻于完善，要想使其热效率（目前为20％稍多）哪怕再提高2~3个百分点，也是很困难的。
通常发达国家的交通运输部门用能在能耗总量中要占到四分之一左右。以其乘以64亿吨标煤，则其值为16亿吨标煤。这就是说，到2050年，我国人均能耗四吨标煤中，约有一吨标煤的能源是作为交通运输工具的燃料消耗的，其总量为16亿吨标煤，相当于2004年我国能耗总量的80％。
在前述能源供应中，我国人均油气供应以石油当量计为0.5吨，如设其中的一半作为化工原料，另一半作为交通运输工具的燃料，则后者的总量为四亿吨石油，折合标煤为5.7亿吨，与上述16亿吨标煤（燃料用）相比，缺口约十亿吨标煤，相当不小。
由上述能源供求总量及结构的比较分析来看，在今后几十年里，能源对我国社会经济发展的关键制约因素主要表现在交通运输部门的用能形态上。换言之，即我们应选择何种非油燃料来大规模地（以亿吨计）替代交通用油。下面将对此略作讨论。
交通用油的替代分析
下面我们从经济性和能源效率这两个方面，对几种可能的替代方案略作分析。
煤炭制油及二甲醚。一般来说，用煤炭制油一吨，需耗用四吨煤炭。四吨原煤的热值与二吨石油的热值大体相当，因此煤制油的第一步转化效率只有50％。如内燃机的效率以22％计，则煤制油的能源效率只有11％（50％×22％=11％）；这很难令人满意。从经济上说，现在一般认为，当每桶石油的价格在30美元以上时，用煤制油是合算的；但如考虑到环境成本（如由原煤采掘造成的地面塌陷等），则这种经济性也要打不少折扣。
一般说来，可用2.3吨煤炭制成一吨二甲醚，其热值与一吨石油大体相等。由于二甲醚在内燃机里可充分燃烧，其效率比燃油可提高三个百分点，故使用二甲醚做汽车燃料时，其能源效率可达21.7％（10000÷11500×25％=21.7％）。这相当于煤制油的两倍，且其环境成本仅为煤制油的二分之一。与煤制油相比，其不利的方面是要增加一定的投资建设加气站。
综合比较来看，煤制油可以作为战略燃油储备的平衡阀，以千万吨的规模为宜；而煤制二甲醚可以成为交通用油的主要替代方式之一，可以达到上亿吨的规模。
燃料电池和动力电池。目前世界上已有使用100％甲、乙醇作为内燃机燃料的汽车，但若以这种方式燃烧数亿吨的甲、乙醇，除了对汽车相关部件的腐蚀外，至少还有两个重大问题需要考虑。其一，大量排放醛类物质会造成严重的环境问题；即使加装了催化装置的甲、乙醇汽车在启动时也会排放一定量的醛类气体。其二，更为重要的是，甲、乙醇作为内燃机燃料，其能源效率只有20％左右；且因其能量密度低于汽柴油，同等的油箱，以前者作为燃料的汽车行程只有后者的60％左右。因此，我们认为这种替代方式可以作为一种辅助或过渡措施。
与此相比，以燃料电池作为车载动力，同样使用甲、乙醇，其能源效率可以达到40~80％，相当于汽柴油的2~3倍。这就一举扭转了交通运输这一耗能大户的用能效率最低的传统格局。到2050年，我国交运部门如以传统方式用能，其用能总量将达16亿吨标煤（折合11.2亿吨原油）；而以新的方式来对其进行替代，则仅用八亿吨标煤就可完成同样的运输量。动力电池（如锂电池）的能效完全可与燃料电池相比美，且其还有一个很大的优点，即电力网线的覆盖面是最普遍的。
当然，用燃料电池和动力电池作为车载动力，在经济性的获得上还要有一个过程。但只要明确了方向，它们的产业化一定会比内燃机的产业化过程短得多。因为在油价不断高升和石油日益稀缺的条件下，替代能源的丰富性及其利用效率是压倒性的指标。对于我国经济社会的现代化，这一点更为关键。
四、结语
展望2050年，届时我国将基本实现四个现代化，人均用能水平将达四吨标煤左右，用能总量约64亿吨标煤。如能大力开发可更新资源（约占供能总量的60％左右），在能源供给总量上，应该可以满足社会经济发展的要求；对于环境的影响，可大体控制在2010年前后的水平上。但在需求结构上，有一个突出的限制，即交通运输部门如何从传统的石油燃料转向新型的非油燃料。从目前的技术进展看，最有希望的三个方向是二甲醚、直接醇类燃料电池和新型动力电池。循此途径，中国在用能的方式和效率方面有可能超越西方发达国家。
