□倪維斗 陳貞
　　節(jié)能是能源可持續(xù)發(fā)展的根本出路，人類要抑制自身用能的“胃口”，要使節(jié)能成為一種先進(jìn)文化，一種社會道德，一種世界觀，一種生活方式。
　　從現(xiàn)在到2050年，中國需利用1000億～1100 億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，這龐大的煤炭總量如何利用好將是嚴(yán)重挑戰(zhàn)，必須作好頂層設(shè)計(jì)的戰(zhàn)略安排。
　　調(diào)動一切可用能源，以能源多樣性來應(yīng)對挑戰(zhàn)。根據(jù)能源產(chǎn)業(yè)鏈，要發(fā)展各種能源資源自身及和其他能源資源的協(xié)同，轉(zhuǎn)換過程的協(xié)同，儲運(yùn)和供應(yīng)過程的協(xié)同，以及在終端利用中的協(xié)同。
　　在中國現(xiàn)有條件下，以煤為核心的高碳能源協(xié)同利用并和各種能源的協(xié)同是低碳發(fā)展的關(guān)鍵。就目前來看，“IGCC+多聯(lián)產(chǎn)+CCUS”是一個(gè)戰(zhàn)略方向。
　　協(xié)同的指導(dǎo)思想是：把合適的能源放在合適的地方，在合適的系統(tǒng)中與其他能源有合適的協(xié)同，發(fā)揮合適的作用（即5個(gè)“合適”）。
　　協(xié)同將開啟新的思路，在能源系統(tǒng)中開辟基礎(chǔ)研究、應(yīng)用研究和工業(yè)示范的廣闊創(chuàng)新空間。
　　我國能源消費(fèi)總量急劇增長，在新形勢下，本文提出作為我國主力能源——煤的協(xié)同利用以及和其他能源協(xié)同才能更有效地應(yīng)對新的挑戰(zhàn)，是我國低碳發(fā)展的關(guān)鍵。
　　協(xié)同（synergy）是各種能源根據(jù)自身的特點(diǎn)綜合利用，包括與其他能源相互配合，發(fā)揮最大的效益。本文將重點(diǎn)描述煤本身的協(xié)同利用，進(jìn)而分析和其他能源之間的協(xié)同，提出要達(dá)到這個(gè)目的所要解決的科學(xué)技術(shù)問題。由于要得到更好的協(xié)同，必須建立智能能源網(wǎng)絡(luò)，使發(fā)達(dá)的信息技術(shù)和能源技術(shù)融合，以達(dá)到我國和世界能源的可持續(xù)發(fā)展。

　　2020年前我國可再生能源發(fā)展無法改變以煤為主的現(xiàn)實(shí)
　　由于我國能源消費(fèi)總量的急劇增長，可再生能源（主要是風(fēng)能、太陽能和生物質(zhì)能）在2020年以前很難在總能源平衡中占有一定份額的比例，因此2020年以前可再生能源在份額上難以解決我國能源的主要問題。
　　目前，以美國為代表的高耗能國家，人均能耗為11噸標(biāo)準(zhǔn)煤左右；以歐洲和日本為代表的中等耗能國家，人均能耗為5~6噸標(biāo)準(zhǔn)煤。從可持續(xù)發(fā)展的角度，以及2050年我國要達(dá)到中等發(fā)達(dá)國家水平的目標(biāo)考慮，我國人均能耗的穩(wěn)定值應(yīng)爭取控制在更低水平以及更加節(jié)儉的生活方式，例如將人均能耗定位于4～4.3噸標(biāo)準(zhǔn)煤。
　　在最可能情景下，2050年我國人口達(dá)到15億左右，則總能耗65億噸標(biāo)準(zhǔn)煤左右，取65 億噸標(biāo)準(zhǔn)煤作為2050年一次能源消費(fèi)總量的“天花板”。按新的國家能源規(guī)劃，“十二五”的能源總耗量是45億噸標(biāo)準(zhǔn)煤。即使考慮了各種可再生能源、核電、天然氣、石油需求等較快發(fā)展，并充分考慮節(jié)能的潛力和節(jié)儉的生活方式，2050年煤炭在一次能源構(gòu)成中仍占約40%，而年煤炭需求量不會低于25億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，未來40年（2010~2050）累計(jì)消耗的煤炭總量將在1000億～1100億噸標(biāo)準(zhǔn)煤以上。

　　1000億～1100億噸標(biāo)準(zhǔn)煤的協(xié)同利用是中國低碳發(fā)展的關(guān)鍵
　　目前中國年CO2排放總量已超過70億噸，中國正處于CO2排放的上升期，在哥本哈根會議上，中國承諾2020年單位GDP的CO2排放比2005年降低40%~45%。國際上更加感興趣的是：未來中國的CO2年排放峰值何時(shí)出現(xiàn)，絕對值是多少，80億噸、90億噸、還是100億噸？什么時(shí)候會開始下降？
　　從現(xiàn)在到2050年，中國累計(jì)耗煤將達(dá)1000億~1100 億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，如何利用好這1000億～1100 億噸標(biāo)準(zhǔn)煤是我國能源工作者面臨的大問題。對這個(gè)問題必須要有創(chuàng)新的思路和詳細(xì)的規(guī)劃。
　　超超臨界燃煤發(fā)電（USC）不一定是煤高效利用的唯一重點(diǎn)方向
　　自1998年歐盟國家重點(diǎn)發(fā)展超超臨界燃煤發(fā)電（USC），至今10余年過去了沒有實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，計(jì)劃可能還要延時(shí)。
　　我國600 ℃、28 MPa超超臨界參數(shù)鍋爐所用的材料主要是靠進(jìn)口，1000 MW級機(jī)組鍋爐成本約5億，其中2.5億用于進(jìn)口材料（應(yīng)用于高蒸汽參數(shù)的鍋爐）。但是，目前已運(yùn)行的超超臨界鍋爐已發(fā)生過熱器管汽側(cè)較嚴(yán)重的腐蝕和氧化皮脫落等問題。
　　若要進(jìn)一步提高蒸汽溫度（如720 ℃或以上）和相應(yīng)壓力，材料的腐蝕可能有新的問題。此外，材料的價(jià)格將進(jìn)一步攀升。同時(shí)，由于環(huán)保要求越來越高，尾部煙氣所需脫除的污染物標(biāo)準(zhǔn)越來越嚴(yán)，除SO2、NOX，還有Hg和PM2.5，溫室氣體CO2在用空氣直接燃燒條件下脫除要耗費(fèi)較大能源和成本。
　　因此，從長遠(yuǎn)看，燃煤超超臨界蒸汽發(fā)電從技術(shù)上、經(jīng)濟(jì)上、常規(guī)污染物的脫除上、CO2減排上都存在先天性的缺陷，其主力軍的位置可能會逐漸遇到挑戰(zhàn)。
　　整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)（IGCC）具有大幅度提高效率和減排CO2的優(yōu)勢
　　燃用天然氣的燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)（NGCC）近年來在技術(shù)上有很大進(jìn)展，燃?xì)獬鯗貜?100 ℃提高到1430 ℃，并且還在向更高溫度前進(jìn)。NGCC的熱效率已從52%提高到了58%~60%。
　　燃?xì)廨啓C(jī)是最具有循環(huán)最高溫度潛力的動力機(jī)械。若把燃?xì)鉁囟忍岣叩?700 ℃，則由其組成的NGCC的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電效率可達(dá)62%以上。
　　大功率高初溫燃?xì)廨啓C(jī)是IGCC、也是煤高效清潔利用的核心動力裝備，真正要做到燃?xì)獬鯗剡_(dá)1700 ℃或以上，還有大量的科學(xué)和技術(shù)問題需要解決。此外，從IGCC的發(fā)展趨勢看，在氣化爐、氧氣制備、凈化工藝等多個(gè)方面還有大量的改進(jìn)余地，熱效率還有提高4~5個(gè)百分點(diǎn)的潛力。IGCC最大的優(yōu)勢是在燃燒前，在較高CO2濃度、較高壓力（4~7 MPa）條件下，通過變換過程捕捉CO2。顯然，IGCC電站和煤粉電站相比，由CO2捕捉所引起的建造成本和發(fā)電成本的增加要小得多。
　　隨著燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)的發(fā)展，低碳排放的煤基能源系統(tǒng)也已初見端倪，它將是2020~2030 年以后解決中國核心能源問題的戰(zhàn)略措施，即先進(jìn)燃?xì)廨啓C(jī)透平前溫1700 ℃以上，壓比35以上，合成氣事先脫碳處理，含氫60%~70%以上。捕捉后的CO2或利用或埋存，使煤這類高碳燃料實(shí)現(xiàn)低碳利用。

　　煤基多聯(lián)產(chǎn)是我國高效協(xié)同利用煤的重要戰(zhàn)略方向
　　煤的協(xié)同利用包括生產(chǎn)產(chǎn)品之間的協(xié)同，如電、液體燃料、化工產(chǎn)品，也包括工藝手段的協(xié)同，如干餾、裂解、氣化、合成、燃燒以及目前世界眾所關(guān)注的CO2最佳脫除點(diǎn)、CO2利用的協(xié)同。
　　經(jīng)過多年的示范、商業(yè)化實(shí)踐，IGCC的可用率逐步提升，其主要問題是發(fā)電裝機(jī)容量單位基本投資大，且不適宜于經(jīng)常變負(fù)荷運(yùn)行。煤作為一次能源，它具有更好的全價(jià)利用的“天性”，完全可以根據(jù)需求采取協(xié)同的工藝路線，互相配合，簡化流程，簡化設(shè)備，降低成本，提高效率，生產(chǎn)出各種產(chǎn)品，如電力、化工產(chǎn)品……在成本上，由于這種協(xié)同，使電力生產(chǎn)和化工產(chǎn)品生產(chǎn)優(yōu)勢互補(bǔ)，從而克服了純發(fā)電IGCC 的缺點(diǎn)。
　　以煤氣化為核心的多聯(lián)產(chǎn)能源系統(tǒng)（煤基多聯(lián)產(chǎn)）就是以煤、渣油或石油焦為原料，經(jīng)氣化后成為合成氣（CO+H2），凈化以后可用于實(shí)現(xiàn)電力、化工、熱、氣的聯(lián)產(chǎn)，即在發(fā)電的同時(shí)，聯(lián)產(chǎn)包括液體燃料在內(nèi)的多種高附加值的化工產(chǎn)品、城市煤氣等。其中的清潔煤發(fā)電技術(shù)被稱為整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電，是潔凈的煤氣化技術(shù)與高效的聯(lián)合循環(huán)技術(shù)的結(jié)合。
　　煤基多聯(lián)產(chǎn)打破不同行業(yè)之間的界限，按照系統(tǒng)最優(yōu)原則對如發(fā)電、化工、冶金等生產(chǎn)中的物質(zhì)流、能量流和火用流（Exergy）進(jìn)行充分集成與優(yōu)化，改變傳統(tǒng)的工藝過程，實(shí)現(xiàn)氣體成分（如氫碳比）、壓力、溫度、物質(zhì)、燃料“品質(zhì)”等的梯級利用，這種多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)在化工產(chǎn)品、液體燃料和電力之間可以按市場需求或是發(fā)電的“峰－谷”差進(jìn)行適當(dāng)調(diào)節(jié)，有很好的靈活性，可以達(dá)到系統(tǒng)的能源、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)效益最優(yōu)的目的。
　　目前，我國由于資源特點(diǎn)，現(xiàn)代煤化工發(fā)展迅速，新過程、新技術(shù)、新催化劑不斷出現(xiàn)和掌握，為煤的協(xié)同利用提供新的動力和技術(shù)支撐。我國應(yīng)有充分信心，在煤的協(xié)同利用方面引領(lǐng)世界潮流。
　　中國減排CO2應(yīng)從煤化工開始逐步過渡到“IGCC+多聯(lián)產(chǎn)+CCUS”
　　如果煤直接燃燒，因?yàn)闊煔庵蠧O2濃度低（濃度大約13~14%，70~80%都是氮?dú)猓?、壓力低、處理的煙氣體積流量大，收集起來很困難，而且以目前的技術(shù)，將發(fā)電廠煙囪里的CO2分離出來，處理后埋入地下，整個(gè)燃煤發(fā)電效率會降低11個(gè)百分點(diǎn)。
　　在IGCC多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)中，從煤氣化后的合成氣中捕捉高濃度、高壓的CO2，相對較容易，雖然也要耗能，但是效率降低大概為6~7個(gè)百分點(diǎn)。所耗費(fèi)的能量與成本比常規(guī)電站煙氣中捕捉CO2低得多，且IGCC多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)有多種產(chǎn)品，在成本方面可以實(shí)現(xiàn)互補(bǔ)，單位電能耗水少，能量可以得到綜合利用，又能夠提供較低成本的CO2的減排辦法。因此“IGCC+多聯(lián)產(chǎn)+CCUS（CO2的捕捉、利用和埋存）”是中國CO2減排的戰(zhàn)略方向。
　　中國應(yīng)當(dāng)按照國情走自己的路，從現(xiàn)在開始考慮分階段逐步推進(jìn)減排CO2的問題。目前我國正大力發(fā)展煤化工（甲醇、二甲醚、MTO、MTP、直接煤變油、間接煤變油等），在煤化工過程中排放的CO2已經(jīng)具有很高的濃度和壓力，而實(shí)際的情況是這些 “現(xiàn)成”的CO2都直接排放到大氣中。如我國每年僅甲醇生產(chǎn)排放CO2 4000余萬噸，總量巨大。因此，我國的CO2減排應(yīng)從煤化工做起，國家應(yīng)予以政策支持，如碳稅、補(bǔ)貼等，在此過程中，對CO2的處理（化學(xué)、物理應(yīng)用，輸運(yùn)、埋存等）積累經(jīng)驗(yàn)。
考慮未來清潔煤發(fā)電，“IGCC+多聯(lián)產(chǎn)”應(yīng)盡快地示范，逐步走向大規(guī)模發(fā)展，按CO2減排需要逐步過渡到“IGCC+多聯(lián)產(chǎn)+CCUS”。從直接燃煤電廠煙氣中捕捉CO2，在目前技術(shù)條件下需要耗費(fèi)大量的能源資源和投資，在這方面我們也需要作研究和小規(guī)模示范，但是大規(guī)模的商業(yè)實(shí)施還需要觀察一段時(shí)期。
　　實(shí)施“IGCC+多聯(lián)產(chǎn)”能源戰(zhàn)略刻不容緩
　　盡管目前IGCC發(fā)電電價(jià)成本較高，但是考慮到將來對污染物二氧化硫、氮氧化物、顆粒物、汞的控制要求，以及下一步要進(jìn)行CO2的捕捉、利用和埋存，目前可行的是可以通過多聯(lián)產(chǎn)化工產(chǎn)品來降低成本。
　　近年來，新建的幾億kW的火電裝機(jī)采用的基本上是煤直接燃燒的超臨界、超超臨界發(fā)電機(jī)組。如不及時(shí)考慮IGCC+多聯(lián)產(chǎn)的發(fā)展，從某種意義上來說，這就意味著今后一段時(shí)期內(nèi)我國電力發(fā)展的技術(shù)路徑將被鎖定在煤直接燃燒發(fā)電的模式上。一個(gè)能源系統(tǒng)的發(fā)展與成熟需要多年時(shí)間，現(xiàn)在不推進(jìn)IGCC多聯(lián)產(chǎn)示范就會延誤時(shí)機(jī)，將來再做要付出更大的代價(jià)。
　　煤基多聯(lián)產(chǎn)所生產(chǎn)的液體燃料，尤其是甲醇和二甲醚是絕好的煤基車用替代燃料，可以有份額地緩解我國石油的短缺。同時(shí)，甲醇還可以用來生產(chǎn)烯烴和丙烯，用煤化工去“替代”一部分傳統(tǒng)的石油化工，以減少石油消耗。
　　煤基多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)組成部件的絕大部分技術(shù)是成熟的，如大型煤氣化裝置、各種化學(xué)反應(yīng)器和相應(yīng)的催化劑、燃用合成氣的燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)等。中國已掌握多聯(lián)產(chǎn)的“龍頭”技術(shù)——大型煤氣化技術(shù)，并且已有成功的工業(yè)化應(yīng)用：兗礦集團(tuán)在山東的IGCC 發(fā)電與甲醇聯(lián)產(chǎn)裝置屬于世界首創(chuàng)，已實(shí)現(xiàn)長周期穩(wěn)定運(yùn)行，并實(shí)現(xiàn)了連續(xù)贏利。兗礦的煤基甲醇—電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)總能利用效率達(dá)到了57.16%，較同比甲醇、電獨(dú)立生產(chǎn)系統(tǒng)提高了3.14個(gè)百分點(diǎn)，供電效率折算達(dá)39.5%（同比自備電廠為29%）。只要我國各部門（煤炭、化工、電力）打破行業(yè)界線，通力合作，加上國際合作，推廣多聯(lián)產(chǎn)在中國的應(yīng)用，可以深入挖掘提高能源利用效率、減少環(huán)境污染的潛力。

　　化石能源和可再生能源的協(xié)同利用
　　2010年我國風(fēng)機(jī)裝機(jī)容量達(dá)4182.7萬kW，位居世界第一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國已安裝的風(fēng)機(jī)大約有30%沒有并網(wǎng)，即使有些風(fēng)場已并網(wǎng)，也由于種種原因被限制發(fā)電，形成能力的浪費(fèi)。
　　我國大規(guī)模風(fēng)電如何應(yīng)用？怎樣和其他能源協(xié)同考慮是中國比較特殊的問題。是否大型風(fēng)電場并網(wǎng)運(yùn)行是唯一的出路？
　　中國有大量的耗能工業(yè)，如氯堿（每噸耗電3000 kWh）、電解鋁（每噸耗電15000~16000 kWh），這些工業(yè)都由電網(wǎng)供電，且要從高壓交流通過降壓、整流轉(zhuǎn)換成低壓、直流電。經(jīng)過科技部“十一五”“973”項(xiàng)目“非并網(wǎng)風(fēng)電”，提出風(fēng)電和網(wǎng)電的協(xié)同利用。根據(jù)實(shí)際情況，可以是風(fēng)電為主，網(wǎng)電為輔，或反之，或是兩者之間有其他的分配比例，已初步得到成果的有電解鋁（采取保溫和調(diào)節(jié)電解液成分）、氯堿工業(yè)、海水淡化、電解水生成氫氣和氧氣以及為油田大量抽油機(jī)供電等。
　　還可以仔細(xì)研究和開拓其他的用途，只要用電對象對電的波動性沒有嚴(yán)格要求，網(wǎng)電可用來對風(fēng)電進(jìn)行互補(bǔ)和支撐。
　　另一個(gè)值得深入探討的是風(fēng)電和我國迅速發(fā)展的煤化工的協(xié)同。由于我國風(fēng)電豐富的邊遠(yuǎn)地區(qū)，恰好煤炭資源也十分豐富，輸煤、輸電都有一定難度。并且面臨著如何利用這些資源給全國提供清潔能源和發(fā)展地方經(jīng)濟(jì)的問題。
　　其中一個(gè)例子是風(fēng)電和甲醇生產(chǎn)的協(xié)同。風(fēng)電和甲醇協(xié)同生產(chǎn)系統(tǒng)的主要思想是：非并網(wǎng)風(fēng)電電解水產(chǎn)生氧氣和氫氣；其中氧氣作為提供氣化爐所需的氧氣；氫氣與氣化爐生產(chǎn)的富碳合成氣摻混，將氫氣和一氧化碳的比例（H2/CO）調(diào)整至甲醇生產(chǎn)的合適比例。與傳統(tǒng)的煤基甲醇生產(chǎn)系統(tǒng)相比：此協(xié)同系統(tǒng)省去了昂貴且高能耗的空分裝置；大大減少了變換的氣體量；同樣的煤量，兩者協(xié)同方案，甲醇的產(chǎn)量增加約1 倍；煤中大部分碳元素進(jìn)入甲醇產(chǎn)品而被利用，大大減少了CO2的排放，從而達(dá)到能量和資源利用整體最優(yōu)的效果。這是結(jié)合我國資源分布特點(diǎn)，現(xiàn)代煤化工與風(fēng)能協(xié)同的一個(gè)范例，既解決風(fēng)電的應(yīng)用，又解決了受人們詬病的煤化工大量排放CO2的問題。
　　近年來，由于很多大城市渴望得到更多的清潔能源，很多煤資源豐富地區(qū)（尤其是邊遠(yuǎn)的新疆）和大企業(yè)都把眼光投向合成天然氣（SNG）的新產(chǎn)業(yè)鏈。雖然從煤轉(zhuǎn)換成SNG能效只有60%左右，但長輸氣管線在遠(yuǎn)距離輸運(yùn)方面更為高效，在終端應(yīng)用上，由于是清潔氣體燃料，可以采用各種先進(jìn)用能系統(tǒng)、技術(shù)與設(shè)備（如分布式供能，熱、電、冷三聯(lián)供）加以高效應(yīng)用。這樣，從整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈考慮可能得到提高總體能源利用效率和減排CO2的好處。這里，一個(gè)關(guān)鍵問題仍是煤制SNG時(shí)CO2的排放和處理。若把風(fēng)電和SNG兩者協(xié)同起來，通過風(fēng)電電解水得到氫氣和氧氣，則可像上面甲醇生產(chǎn)一樣，成倍地增加每單位煤量SNG的產(chǎn)出，大大減少CO2的排放。
　　從整個(gè)能源系統(tǒng)看，這類的協(xié)同值得從系統(tǒng)高度進(jìn)行深入研究，解決必要的科學(xué)問題和技術(shù)關(guān)鍵。盡快地進(jìn)行示范，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步應(yīng)用推廣。對這類地區(qū)的戰(zhàn)略安排應(yīng)及早規(guī)劃，否則，會形成技術(shù)路線鎖定，將來要改變不得不付出更大的代價(jià)。

　　儲能和各種能源互補(bǔ)方面的協(xié)同可再生能源發(fā)展與蓄能
　　由于太陽能、風(fēng)能分布的間歇性及隨機(jī)性，給其利用帶來很大的困難。一些隨機(jī)電源接入電網(wǎng)，當(dāng)份額較小時(shí)，不會對電網(wǎng)造成大的不利影響；但大規(guī)模、大比例份額的隨機(jī)電源接入，仍是一個(gè)技術(shù)上未解決的難題。所以，隨著可再生能源的發(fā)展，非并網(wǎng)利用和能量存儲問題顯得越來越重要。
　　電的儲存雖經(jīng)過多年努力，大規(guī)模儲存還沒有技術(shù)上的根本性突破。將來，由于可再生能源的應(yīng)用，一些中小型的分布式電網(wǎng)在整個(gè)電力系統(tǒng)中也會占一席之地，蓄能（也包括蓄電）裝置也是一個(gè)關(guān)鍵。此時(shí)，蓄能以什么為載能介質(zhì)是一個(gè)值得探討的問題。
　　根據(jù)各個(gè)國家的具體條件，各種能源應(yīng)從可持續(xù)發(fā)展能源系統(tǒng)的高度協(xié)同發(fā)展，各自“揚(yáng)長避短”。不連續(xù)、隨機(jī)性較強(qiáng)的能量（各大型發(fā)電裝置的多余電量、風(fēng)力發(fā)電、太陽能發(fā)電）變成大規(guī)模高效利用、可調(diào)度的能量，是現(xiàn)代電力系統(tǒng)面臨的重大戰(zhàn)略課題，高效大、中、小規(guī)模儲能問題越來越突出。大規(guī)模蓄能系統(tǒng)中，除抽水蓄能外，有發(fā)展?jié)摿Φ氖菈嚎s空氣蓄能（如與不穩(wěn)定風(fēng)電的協(xié)同），Brayton和 Rankine整體化循環(huán)（與核電和超超臨界的谷電協(xié)同）。
　　壓縮空氣蓄能
　　壓縮空氣蓄能是在用電低谷或不穩(wěn)定的風(fēng)電，用電能驅(qū)動壓縮機(jī)工作，將空氣由大氣壓壓縮到貯藏室。在用電高峰時(shí)，利用外界附加熱量（如天然氣燃燒）加熱空氣，然后熱空氣通過透平做功，驅(qū)動發(fā)電機(jī)發(fā)電。
　　德國的Huntorf電站建于1978年，Huntorf電站系統(tǒng)的效率在42%左右。若在高壓燃燒室前配置廢熱回收裝置，利用經(jīng)過低壓膨脹后的廢氣來加熱剛離開空氣儲藏室的冷空氣，可以提高效率。這種系統(tǒng)的典型代表為美國的McIntosh 電站，建于1991年，其效率達(dá)54%。
　　Brayton和Rankine整體化循環(huán)系統(tǒng)——用于火電、核電在儲能的協(xié)同
　　目前由于人民生活質(zhì)量的提高，尤其是大中城市，用電負(fù)荷的峰谷差越來越大，有時(shí)達(dá)50%。為保證可靠的電力供應(yīng)，削峰填谷是電力系統(tǒng)和電源十分頭疼的問題。一方面對火電“上大壓小”政策的實(shí)施，關(guān)停20萬kW以下的機(jī)組，甚至30萬機(jī)組，使越來越多的大型機(jī)組不得不承擔(dān)調(diào)峰任務(wù)，大型機(jī)組在穩(wěn)定和滿負(fù)荷運(yùn)行有較好的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益。另一方面，核電正快速發(fā)展，核電要求穩(wěn)定和基本負(fù)荷運(yùn)行。
　　再者，可再生能源發(fā)展迅速，尤其是風(fēng)電，而可再生能源電隨機(jī)性和波動性大，其消納也是面臨的重要問題。所以，電網(wǎng)調(diào)峰和大規(guī)模蓄能一直是未解決的難題，需要發(fā)展先進(jìn)的大規(guī)模調(diào)峰、蓄能系統(tǒng)?；贐rayton—Rankine整體化循環(huán)的調(diào)峰加力系統(tǒng)是有潛力的解決方式之一。
　　Brayton和Rankine整體化循環(huán)系統(tǒng)中，作為主要燃料煤和H2的熱能作為“原料的‘梯級利用’”，循環(huán)的前半部分從給水加熱到600 ℃的過熱蒸汽由煤“負(fù)責(zé)”，通過外燃來達(dá)到。循環(huán)的后半部分，過熱蒸汽溫度要提升到1400℃~1500℃，外燃已無法完成，只能通過氫氧在燃燒室中內(nèi)燃完成。即在常規(guī)汽輪機(jī)發(fā)電系統(tǒng)上加氫氧燃燒加力裝置，經(jīng)初步分析，在這個(gè)系統(tǒng)中，H2的能量轉(zhuǎn)換效率可達(dá)62%，并使整個(gè)系統(tǒng)的熱效率從常規(guī)的超臨界蒸汽發(fā)電44%的熱效率提升到52%以上。
　　這樣可以說，兩種燃料各司其職，氫氣“站”在煤的“肩膀”上發(fā)揮作用。此系統(tǒng)把內(nèi)燃和外燃結(jié)合起來，克服常規(guī)的Brayton和Rankine循環(huán)固有的缺點(diǎn)，發(fā)揮它們的長處。最有效地利用氫氣起到削峰填谷的作用。
　　這種循環(huán)如若只為了提高效率，由于功率大，要求連續(xù)運(yùn)行，氫、氧的存儲是個(gè)大問題。所以，最好是從大規(guī)模儲電角度加以應(yīng)用，作為常規(guī)超超臨界汽輪發(fā)電機(jī)組的“加力裝置”。在用電高峰時(shí)，“加力”裝置投入，可以增加輸出功率約100%。

　　集中和分布式供能的協(xié)同
　　現(xiàn)代化的能源系統(tǒng)，不僅要求高效率，而且需要足夠的靈活度和安全性，此外能源供應(yīng)和終端能源需求在形式和距離上，也應(yīng)當(dāng)更加靠近，減少轉(zhuǎn)換、輸運(yùn)、存儲的環(huán)節(jié)和消耗。因此，當(dāng)前人們又開始探討如何從集中式的能源系統(tǒng)向轉(zhuǎn)集中和分布式能源系統(tǒng)的協(xié)同問題。
　　分布式能源系統(tǒng)直接安裝在用戶端，通過現(xiàn)場的能源生產(chǎn)，輔以各種控制和優(yōu)化的技術(shù)，實(shí)現(xiàn)能量的梯級利用，同時(shí)減少中間輸送環(huán)節(jié)損耗，達(dá)到資源利用最大化。分布式能源系統(tǒng)的一次能源以氣體燃料（天然氣等）為主，可再生能源為輔，可以利用一切當(dāng)?shù)乜色@得的資源。
　　分布式能源系統(tǒng)有許多集中能源系統(tǒng)所不能實(shí)現(xiàn)的優(yōu)勢，主要體現(xiàn)在：（1）能量利用效率高。（2）就地生產(chǎn)，就地利用，能量輸配的損失小。（3）各種能源來源的協(xié)同配合，使利用效率發(fā)揮到最優(yōu)狀態(tài)。（4）能源系統(tǒng)的安全性高。
　　由于分布式能源的這些優(yōu)勢可以彌補(bǔ)集中式能源系統(tǒng)在效率和可靠性上的不足，將來的能源系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)是分布式能源和集中式能源協(xié)同供應(yīng)的能源系統(tǒng)，以及在分布式能源系統(tǒng)內(nèi)部，各種能源的協(xié)同利用。分布式能源系統(tǒng)在歐洲已經(jīng)有大規(guī)模的發(fā)展，尤其是丹麥、荷蘭、芬蘭等國，分布式能源的發(fā)展水平居世界領(lǐng)先水平。美國、加拿大、英國、澳大利亞等國在經(jīng)歷了大停電事故后也意識到了建立分布式能源系統(tǒng)的重要性，促使它們推進(jìn)分布式能源系統(tǒng)的建立。
　　在中國，關(guān)于分布式能源技術(shù)應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)較少，缺乏系統(tǒng)科學(xué)的解決方案和符合中國實(shí)際的優(yōu)化決策控制體系。但是，目前也已經(jīng)有一些成功的案例，比如北京燃?xì)饧瘓F(tuán)的三聯(lián)供項(xiàng)目通過燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)和余熱直燃機(jī)對接，為3.2萬平方米的樓宇提供全部的冷熱電，已經(jīng)安全運(yùn)行5年。中國應(yīng)該給分布式能源系統(tǒng)的發(fā)展投入更大的支持，最主要的是要在系統(tǒng)控制和優(yōu)化上進(jìn)行更多的探索。

　　電網(wǎng)、天然氣網(wǎng)、熱（冷）網(wǎng)及水網(wǎng)的協(xié)同
　　近年來由美國發(fā)起，全世界各國都在進(jìn)行智能電網(wǎng)的發(fā)展。建設(shè)智能電網(wǎng)，最主要的是調(diào)動各種電源點(diǎn)的潛力和“積極性”，尤其是不同規(guī)模的可再生能源的接入，大到GW級的大風(fēng)電場，小到個(gè)人屋頂發(fā)電。各種余熱、余壓發(fā)電，各種生產(chǎn)過程的聯(lián)產(chǎn)發(fā)電，各種分布式微電網(wǎng)都能發(fā)揮應(yīng)有的作用。從發(fā)展角度來看，電源與用戶一體化的傾向越來越強(qiáng)。
　　但是，正如上一節(jié)分布式供能系統(tǒng)所說，對電力的需求只是人們對能源服務(wù)的一個(gè)方面（是最主要的），除此之外，還有供熱、供冷、氣體燃料、用水的需求。所以隨著電力網(wǎng)的發(fā)展，城市天然氣網(wǎng)、城市熱網(wǎng)和城市用水網(wǎng)，近年來也得到相應(yīng)的發(fā)展。這些網(wǎng)從本質(zhì)上是相互協(xié)同、相互耦合、相互支撐的，可以統(tǒng)稱為能源網(wǎng)。隨著電網(wǎng)的智能化，必然會帶動天然氣網(wǎng)、熱網(wǎng)、水網(wǎng)的智能化，使其成為一個(gè)智能整體。
　　在熱網(wǎng)方面，一個(gè)明顯的例子是北方城鎮(zhèn)的冬季采暖能耗1.5 億噸標(biāo)煤，占中國城鎮(zhèn)民用建筑能耗的40%，隨著大型城市的發(fā)展，目前面臨熱源嚴(yán)重不足和現(xiàn)有熱網(wǎng)輸送能力不足的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。其出路是發(fā)電與供熱協(xié)同，一方面采用300 MW或更大容量的汽輪發(fā)電機(jī)組作為核心推廣熱電聯(lián)產(chǎn)、集中供熱，另一方面利用吸收式熱泵技術(shù)“拉大”供回水溫差，（例如供水130 ℃，回水15℃~20 ℃），使原通過發(fā)電廠冷卻水塔排入大氣的熱量（約占汽輪機(jī)最大供熱量的20%~50%）被利用起來，同時(shí)也使已建成的城市熱網(wǎng)輸送能力提高近一倍，形成一個(gè)新的供熱網(wǎng)絡(luò)。
　　雖然中國對天然氣的需求迅速增長，但對天然氣的高效應(yīng)用仍沒有一個(gè)科學(xué)的論證和明確的說法。對大型城市來說，除了每天24小時(shí)對電、熱、氣的需求各不相同，更為困難的是一年四季的需求差別。兩者都有較大的峰谷，且剛好相反，而儲氣問題和儲電問題到目前仍沒有得到很好解決。若把城市中天然氣應(yīng)用劃分成若干個(gè)層次，從大規(guī)模熱電聯(lián)產(chǎn)到大小不同的局部分布式能源系統(tǒng)，各個(gè)局部之間，各層次之間進(jìn)行優(yōu)化、交互和調(diào)控，從長遠(yuǎn)來看，形成一個(gè)智能氣網(wǎng)也是一個(gè)趨勢。
　　如何節(jié)約用水，如何來規(guī)劃不同用途的水（如純凈飲水、生活用水、工業(yè)用水、綠化用水）的優(yōu)化配置，各種水源的合理開發(fā)（包括海水淡化，中水高度凈化），以及水的供給、回水處理等……這必然形成網(wǎng)絡(luò)，都和能源息息相關(guān)，相互促進(jìn)、相互制約。
　　因此，為了更好地協(xié)同利用各種能源，除了電網(wǎng)已逐步向智能電網(wǎng)發(fā)展，天然氣網(wǎng)、熱力網(wǎng)、水網(wǎng)也必然向這個(gè)方向前進(jìn)。四網(wǎng)（或更多）協(xié)同，形成以智能電網(wǎng)為主干的智能能源網(wǎng)。

　　建立可持續(xù)能源系統(tǒng)——各種能源協(xié)同的IDDD+N原則
　　轉(zhuǎn)換整合化（Integration of the Processes）
　　轉(zhuǎn)換整合化就是要打破不同行業(yè)之間的界限，按照系統(tǒng)最優(yōu)原則對如發(fā)電、化工、冶金等生產(chǎn)中的物質(zhì)流和能量流進(jìn)行充分集成與協(xié)同，改變傳統(tǒng)的工藝過程，達(dá)到系統(tǒng)的能源、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)效益最優(yōu)的目的。
　　需求精細(xì)化（Differentiation of the Demand）
　　對終端用戶的用能需求進(jìn)行精細(xì)的分解，按不同的用能需求、需求的不同層次和動態(tài)變化，為能源供應(yīng)、規(guī)劃和配置提供指導(dǎo)信息和基礎(chǔ)。只有在終端需求精細(xì)化的基礎(chǔ)上，多樣化的供應(yīng)才能更大程度地滿足能源系統(tǒng)的需求，可再生能源才能在能源系統(tǒng)中起到較大的作用。
　　供給多樣化（Diversification of the Supply）
　　各種能源都具有自身的特性，需要重點(diǎn)研究的不是各種能源能做什么，而是它們在整個(gè)協(xié)同能源系統(tǒng)中應(yīng)該做什么，并盡量用較少的能耗代價(jià)滿足終端用戶精細(xì)化的需求。
　　布局分布化（Decentralization of the Grid），集中和分布的協(xié)同
　　在可持續(xù)的能源系統(tǒng)中，因地制宜地進(jìn)行分布式布局，集中電網(wǎng)、分布式電網(wǎng)和離網(wǎng)運(yùn)行相協(xié)同，不同種類的能源應(yīng)當(dāng)以互補(bǔ)的方式進(jìn)行協(xié)同，提高能源供應(yīng)安全性。從目前傳統(tǒng)的電網(wǎng)過渡到“智能電網(wǎng)”（Smart Grid），進(jìn)而在大城市范圍內(nèi)將發(fā)展成“智能能源網(wǎng)”（Smart Energy Grid）。
　　調(diào)度、控制、管理智能網(wǎng)絡(luò)化（Network）
　　靈活性、可控性、可靠性、在線靜態(tài)和動態(tài)的優(yōu)化都是能源系統(tǒng)面臨的新挑戰(zhàn)。快速發(fā)展的信息技術(shù)可用于促進(jìn)新的可持續(xù)能源系統(tǒng)的建立，如數(shù)據(jù)搜集、網(wǎng)絡(luò)傳感、在線監(jiān)測、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)挖掘、數(shù)據(jù)預(yù)測等，特別是針對具有較強(qiáng)隨機(jī)性和不穩(wěn)定性的可再生能源；建立起覆蓋面廣的能源信息平臺和多層次優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)；充分利用信息技術(shù)，在全國、各省市、各地區(qū)全面搜集、整合、細(xì)分各種需求和供給信息，進(jìn)行多層次協(xié)同優(yōu)化。最近迅速發(fā)展的云計(jì)算將會提供有力的技術(shù)支撐。
　　上面這幾點(diǎn)可以簡稱為“IDDD+N”。由于能源供應(yīng)多元化，轉(zhuǎn)換多元化，終端需求供應(yīng)一體化，尤其是氣候變化問題的嚴(yán)重性，能源技術(shù)（Energy Technology，ET）將要有一個(gè)十分大的變化，時(shí)間尺度在30~50年左右。且各國都不會一樣，中國更有其特殊性，因?yàn)闊o先例可循。除了能源技術(shù)的進(jìn)步外，信息技術(shù)（Information Technology，IT）的深度介入必不可少，因?yàn)槟茉聪到y(tǒng)是一個(gè)龐大的系統(tǒng)工程。ET和IT的融合是必然趨勢。
　　建立各種能源分層次協(xié)同的可持續(xù)能源系統(tǒng)、實(shí)施IDDD+N原則是一個(gè)漸變過程，但目標(biāo)要明確、政策要清晰、措施要果斷。應(yīng)將IDDD+N的原則和要求，分解成各行業(yè)、各地區(qū)的實(shí)施細(xì)則，建立大小不同的可操作的模板和示范工程。弄清現(xiàn)有系統(tǒng)分階段、分層次向IDDD+N靠攏的路線圖。國家應(yīng)有專門的機(jī)構(gòu)，多方面加以牽引，向這些模板靠攏，如規(guī)章制度、鼓勵(lì)政策、價(jià)格政策、各種國家資助（立項(xiàng)與資金投入）、科研和工程中心建立、人才培養(yǎng)、民間投資引導(dǎo)等。（本文作者倪維斗為中國工程院院士、清華大學(xué)教授，陳貞為清華大學(xué)博士研究生）

來源：科學(xué)時(shí)報(bào)