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能源可持续发展的途径
李永旺 研究员
煤炭间接液化国家工程实验室
煤转化国家重点实验室
中科合成油技术有限公司
中国科学院山西煤炭化学研究所
可再生的电力系统构建，含碳化石资源和生物质转化为油品和化工产品将是可持续的能源供应体系的必然途径。能源体系涉及能源资源、转化和应用技术以及终端能源产品，下面分别陈述可持续能源体系的建设问题。
一、能源资源的可持续性
纵观人类社会的发展，从资源角度，世界一次能源资源的开发经历了由薪柴到煤炭、由煤炭到石油和天然气的两次重大变革。每一次能源资源的变革都必然带动着转化技术的进步和终端能源产品的结构性变化，同时带来人类文明的高度发展。到今天，以电力和液体燃料（和化学品）为主要终端能源产品的发电、和石油天然气加工工业构成了现代的能源体系的主体。
进入21世纪以来，人类目前的能源体系结构面临着来自社会经济发展需求的重大挑战：一方面煤炭燃烧发电不仅消耗了大量的含碳资源，同时造成了难以抑制的温室气体排放增长的局面，另一方面，石油、天然气等优质含碳资源不足以可持续地保障液体燃料和化工产品的供应。显然，目前的能源体系的延伸将是恶性和不可持续的。同时，这种挑战也前所未有地促进着替代能源技术的开发。应该注意到，只有构建以非含碳资源为基础的新型电力系统（核电、太阳能、风能）、而含碳资源（包括石油、天然气、煤炭、生物质、有机垃圾等）应该主要保障人类社会在未来发展中对液体燃料和化学品的需求的能源体系，人类社会可持续发展的问题才能得到根本的解决。为此，目前我们在能源领域面临的挑战其实可以转化为巨大的发展机遇，抓住这一机遇的意义一方面可以解决能源资源的持续供应，另一方面可以通过洁净的电力系统最终彻底排除排放的困扰。能源的朴素的哲学实际上遵循如下的可持续途径：
无碳电力系统==>扩大的电的应用体系==>除了现有的电力应用外，通过电动车、电制热/冷的日常民用体系的发展以大幅度降低或最终消除含碳资源在各个领域中作为能源的利用份额==>含碳资源从保障相对清洁的液体/气体燃料以及化学品到最终只保障化学品的供应，而生物质是人类唯一可以依赖的最后的含碳资源只需要满足化学工业的需要。
认识目前科学大数和技术方向：
1、太阳能、风能和核能资源量足以保证人类发展的电力需要，时间没有限制，迫切需要太阳能直接转化为电力技术上的突破。
2、相对作为能源利用，化石资源可以支持化学工业数10倍长的时间段，转化技术进步的时间足够长。
3、富余生物质提供的含碳资源支持化学工业需求依赖于生物资源的培育技术，技术进步的时间足够长。
4、如果太阳能作为能源利用部分地需要通过生物质转化后利用，则高效的基于光合作用的物质的培育技术研发将更加迫切。
二、可持续能源哲学和实践存在的挑战
能源资源结构的变化必然会引起能源系统的变革，但是从社会发展的成本角度，在变革中如何充分利用现有的基础设施和技术成果就显得至关重要。
本次能源资源的可持续化变革首先将是能源转化技术源头的变革，对电力系统，非含碳资源发电技术将必须替代现有的热电系统的大部分，同时，由于分散式的电源布局必然需要构建源头的智能电网，而主干电网系统和终端用电系统将利用现有电力系统、并发展多种用电终端形成最终可持续电力系统。为此，可持续性电力系统的构建需要解决如下方面的技术进步问题：
1、大规模清洁核电技术的不断进步问题；
2、太阳能直接或间接转化为电力的科学和技术突破；
3、风能技术的进步；
4、其他非碳电力资源转化为电力的高效技术；
5、连接风能、太阳能等分散电源的智能网络建设和完善。
显然，统一认识、大力开展技术创新，在未来10－20年的时间内逐步形成现有电力体系向可持续电力系统的过渡将对人类社会的可持续发展具有重要的意义。
在保障可持续电力供应的前提下，对含碳资源的高效清洁转化为石油产品是另一个可持续能源体系建设的重要方面，在未来很长一段时期内，液体/气体燃料为主要产品同时提供非能源的化工产品将是含碳资源转化体系的主要功能，在可持续电力体系保障下，含碳资源的消耗量将降低到目前能源体系下的30%-40%, 同时在终端发展电动车等交通技术，将进一步大幅度降低含碳资源的消耗，如果能够将地面交通系统完全实现电力驱动，人类对含碳资源的消耗只相当于传统结构消耗的15％左右。而含碳资源转化为终端产品的技术进步将显著提高含碳资源利用效率，最终人类对含碳资源的消耗将进一步降低。也就是说，就化石含碳资源而言，实现了可持续的能源体系目标，人类可以依靠含碳化石资源的时间段将从现在的200年左右提高到1000年以上。而当含碳化石资源逐步耗尽的时候，人类可以依赖的含碳资源只有生物质。显然，含碳资源的利用对目前以石油利用为核心的液体燃料和化学品生产系统提出了技术变革的挑战。原料的不同，必然对转化技术提出不同的要求。
三、煤转化产业的战略地位和需求
从能源资源的可持续发展角度，发展煤炭转化产业的重要性在于：（1）在近中期内提供部分液体燃料和化学品，在远期支撑化学工业的原料供应，弥补石油资源的不足；（2）煤炭转化产业技术的发展将最终实现煤炭、劣质原油、含碳垃圾以及生物质等含碳资源和石油资源的统一，提供更加可持续的含碳石油产品的供应体系；（3）煤炭转化体系可以方便地应用于生物质转化，最终实现从不可再生的含碳资源向可再生的含碳资源的能源化工体系过渡。
为此，含碳资源的转化生产石油替代产品体系的建设是人类可持续能源体系建设的重要组成部分。其核心是发展高效清洁的煤炭、天然气、生物质、有机垃圾等含碳资源转化为石油产品形成补充石油资源的技术体系，支撑人类社会的可持续发展。其中，以高效合成气生产技术、高效合成技术以及温和加氢技术将在未来含碳资源的转化和降低这一体系的构建成本中扮演关键的角色。
煤炭转化产业的发展首先应该对能源可持续发展客观规律有正确认识，克服惯性思维，其次是认清煤炭转化产业的主要任务是实现石油产品生产和供应的可持续性、并为人类做好应对含碳化石资源枯竭后对生物质含碳资源利用的产业体系准备。
就煤炭等非石油含碳资源的利用问题，提高效率、降低排放、提高产品质量将是未来可持续能源发展体系建立的重要具体内容。例如，与传统的燃煤发电30-43%的效率相比，煤炭转化为成品油相当的石油产品在能源效率上可以达到40-65%。高效的煤炭转化系统的另外一个重要的特点是比燃烧发电更加清洁。
综上所述，能源系统得可持续性的唯一途径是：（1）通过科学和技术的不断创新，建立可再生的非含碳资源支撑下的电力系统；（2）含碳化石资源（煤炭、石油、天然气）与生物质等可再生含碳资源用于保障液体燃料（化学品）等石油产品的供应、最终过渡到生物质支撑下的化学品生产体系，发展相应高效转化技术将是实现可持续能源系统建设的重要内容。
环境问题思辨
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