文/ 中國科學院院士 徐建中
一、我國目前在能源方面的形勢
能源和環境問題是制約我國經濟和社會發展的重要因素，是始終必須高度重視的重大問題。現在的形勢下，我們面臨能源總量的供應問題。我國經濟和社會的發展需要大量能源，而我們能源產品的供應是很難滿足要求的，供需矛盾很尖銳，因此能源市場的缺口是一個非常大的問題。國家規劃中已經把能源作為未來重點發展的領域，超過生物領域，放在了第一位。我國以煤炭作為主要能源這樣的一個簡單的、粗放的發展模式造成了嚴重的環境污染。這種環境污染是一種局部性的污染。現在以二氧化碳為代表的溫室氣體，造成了全球性的氣侯變暖和氣候異常，對人類未來的發展提出非常重大的挑戰。所以在這樣的能源形勢下，必須要探討可持續發展的道路，使得國民經濟保持一定的發展速度，節約資源又不污染環境，由此我們提出了低碳經濟的概念。
二、低碳經濟是我國可持續發展的必然選擇
在科學發展觀的指導下，走節約型社會的道路，本身和低碳經濟是一致的。低碳經濟是一種低污染、低能耗的經濟，從經濟上的層面上，要轉變經濟發展方式、調整產業結構；從社會層面上講，要改變生活觀念和方式；從能源層面上講，要調整能源結構、發展和利用無碳和低碳能源、提高能源效率，建立可持續的能源體系。可持續的能源體系主要由三部分內容組成，一是低碳的能源結構。這個能源結構強調以低碳為主，是可造能源，也就是說現在的化學能源還必須經過低碳排放的處理；二是先進的電網，以智能電網為代表。上個世紀我們的動力和能源是大電力，電網發展越來越強，在新世紀里，除了大電力、大電網以外，我們還要搞一些中層的電力，比如微電網、智能電網等，這應該是未來發展的一個方向；三是科學利用，提高能效。目前我國能源利用率普遍偏低，還存在許多問題。
三、我國能源利用存在的問題和原因
1.能源消耗量巨大，且增速快，已成為世界第一大能耗國家。
據IEA（國際能源機構，International Energy Agency）預測，至2030年，全球平均能源消耗年增長率為1.8％，而中國為3.5%，高于其他國家尤其是經濟合作組織國家。（見圖1）
2.能源效率低，產品能耗與國際先進水平有較大差距。我國的開采效率是35.8%；中間效率包括運輸、轉換等，在69.6%；終端的利用效率，工業53.4%，農業33%，交通的更低，這些總的綜合在一起是52.2%，最后再乘以中間效率、開采效率，我們整個能源系統的總效率只有13%，跟國外相比大概差了10個百分點。（見圖2）
造成我國能源利用的這些問題的主要原因有：
1.對節能科學技術認識與投入不足，缺少自主知識產權的關鍵技術。2008年，節能科技投入占我國國民生產總值的1.54%，與世界領先國家3%的水平差距很大。
2.節能產業市場化程度差，產業集中度低、企業規模小，低水平運營比較嚴重。
3.政策法規有待進一步建立和完善。
此外，從科技角度分析，還有以下原因：
1.生產過程工藝、技術和設備落后。電力行業效率低、污染重，小火電比例大。2007年，20萬千瓦以下的火電發電容量占27%左右。鋼鐵工業小焦爐、小高爐、小轉爐、小電爐、落后軋機比例大，全國1000立方米以下高爐占煉鐵能力的60%以上。燃煤工業鍋爐比重大，單臺容量小，設備老化。煤鍋爐占工業鍋爐總容量的85%，20蒸噸/小時以下超過80%。水泥行業近50%采用立窯和濕法等落后工藝。
2.余熱余能浪費巨大。鋼鐵企業副產焦爐煤氣、高爐煤氣、轉爐煤氣等可燃氣體，還伴生紅焦顯熱及爐頂煤氣壓力能等。噸鋼余熱余能總量455千克標煤，我國回收率為45.6%，而發達國家在90%以上。2007年放散焦爐煤氣175億立方米，相當西氣東輸天然氣體積量的1.45倍。每年煤炭生產直接排放的煤層氣130億立方米，折合1600萬噸標煤。
3.能源轉換、利用技術水平落后。動力機械量大面廣，電能綜合利用率低。我國擁有3700余萬臺泵和風機，電能綜合利用率為30%-40%，而國際先進水平在70%以上，每年造成的電力浪費達上百億千瓦時。
四、節能和科學用能
節能是指加強用能管理，采取技術上可行、經濟上合理及環境和社會可承受的措施，從能源生產到消費的各個環節，降低消耗、減少損失和污染物排放，有效、合理地利用能源。科學用能是研究用能系統的合理配置和用能過程中物質與能量轉化的規律以及它們的應用，以提高能源利用率和減少污染，最終減少能源的消耗。科學用能有三重涵義：一是“分配得當、各得所需、溫度對口、梯級利用”，提高能源和資源的綜合利用率；二是能源與環境的協調，把能量轉換與物質轉換緊密結合，注重控制廢棄物與污染物的形成、遷移、轉化與分離，在能源利用的同時，分離、回收污染物；三是轉變傳統的能源利用模式，形成資源、能源、環境一體化模式，實現資源循環利用，最大限度地減少“廢物”和“廢能”。（見圖3）
節能是長遠解決我國能源問題重大任務，是能源戰略的基本指導思想和核心，應當“節能為本”。雖然我國目前能源利用率低，但我國節能潛力很大。未來10年，節能空間高達33%～50%。此外，節能減排對控制二氧化碳的貢獻很大，對降低我國單位GDP碳強度的貢獻率約80％左右，到2020年，其貢獻率將在50％以上。
五、科學用能的重點領域和技術
1.熱能的綜合梯級利用
熱能的階梯利用（見圖4）就是指把燃料產生的高溫氣體進行回收，高溫的用來發電，中溫的用來制冷，低溫的用來采暖和生活用水，剩下的一小部分再排放出來，這就是我們通常講的溫度對口，梯級利用。我們要采用先進的燃燒技術，包括水煤漿、煤粉燃燒，還有現在正在考核的高溫空氣燃燒技術等。這里要注意一個問題，為了提高換熱的效果，我們常常會增加流速，而增加流速的同時能耗也會增加，所以我們要把這兩者協調處理。
2.能源、資源的綜合梯級利用
（1）化工－動力對聯產系統
通過系統集成把化工過程和動力系統有機地耦合，在完成發電、供熱等能量轉換利用功能的同時，生產替代燃料或化工產品，從而同時滿足能源、化工以及環境等多功能、多目標需求。相對于化工與動力分產系統可節能15%以上，替代燃料生產與發電成本有望下降20%以上。
（2）生態工業園
一個建立在一塊固定的地域之內的企業集群，不同工業企業間以及工業企業、居民和自然生態系統進行良好的合作，有計劃地進行物質與能源的交換與循環利用，實現有效的資源共享。它可以使能源與原材料使用最小化，廢物最小化，提高經濟與環境效益。
（3）膜分離技術
這項技術兼有分離、濃縮、純化和精制的功能，又有高效、節能、環保、分子級過濾及過濾過程簡單、易于控制等特征，廣泛應用于食品、醫藥、生物、環保、化工、冶金、能源、石油、水處理、電子、仿生等領域，經濟和社會效益巨大。
3.動力機械節能
（1）采用變頻調速技術，一般可節能20％～30％以上。
（2）動葉可調技術以及計算流體力學技術，可大幅提高動力機械設備的運行效率。
（3）研制運行控制調整與專家分析系統，建立礦用風機智能安全運行節能控制模塊。
（4）提高電機系統的節能能力，采用冷軋矽鋼片代替熱軋矽鋼片，發展超高效率三相異步電動機等。
4.余熱余能回收利用
我國鋼鐵、有色、石化、建材、化工、煤炭等行業產生大量余熱余能，對其回收利用是節能減排的重點工程。
例如在鋼鐵工業，干熄焦（CDQ）余熱利用技術，利用惰性氣體冷卻紅焦，加熱后的高溫惰性氣體送入余熱鍋爐換熱，產生的蒸汽用于發電和供熱，可使噸鋼能耗降低15千克標煤，目前全國普及率為30％。
高爐爐頂煤氣余壓回收透平發電裝置（TRT），利用高爐爐頂煤氣壓力驅動透平做功，將煤氣壓力能轉化為機械能。TRT是典型的高效節能環保裝置，不需燃料，不改變原高爐煤氣品質，回收能量，降低噪聲，無污染。可回收高爐鼓風機所需能量的30-50％。
低熱值燃氣-蒸汽聯合循環（CCPP），煤氣經煤氣壓縮機壓縮后在燃氣輪機中燃燒膨脹做功，做功后高溫煙氣在余熱鍋爐余熱回收，產生的水蒸汽驅動汽輪機膨脹做功。可以有效回收煤氣余能，發電效率為40-50%。目前國內有10余個鋼鐵企業在應用，基本為進口。
5.電力電子與節能
電力電子技術是綜合控制、電力、電子等于一體的技術，它利用大功率電子器件對能量進行高效變換，控制其輸出，從而為用電設備提供所需要的電源。其核心是電能形式的轉換，主要特征是控制和變換的高效率。目前在所有能源中電力方面能源約占40%，降低電能消耗具有重要意義。在發達國家，利用電力電子技術對電能處理后利用的節能效果可達15％～40％。電力電子節能的關鍵技術包括開關變頻技術、軟開關技術、高頻技術、有源功率因數校正技術等。
6.交通節能
我國每年消耗的石油大約66%用于汽車、工程機械、農機、船舶等。汽車的節能主要取決于動力系統和城市交通系統，未來二、三十年內，汽車動力仍以內燃機為主，內燃機節能有很大的潛力。內燃機用于動力輸出功率僅占燃油燃燒總熱量的30％～40％，以熱量形式排出車外的能量占總能量的60％～70%，熱效率提高有25-50%的潛力。
關鍵技術有：分層燃燒和均質壓燃燒，回收、利用尾氣排放的熱量，先進燃油和空氣供給系統等。
7.建筑節能
目前，能耗高、能效低、污染嚴重是建筑業可持續發展面臨的最大問題。現有城鄉建筑面積400多億平方米，約95%是高耗能建筑。建筑能耗占全社會終端能耗的27.5%，單位建筑面積采暖能耗相當于相同氣候地區發達國家的2-3倍。建筑用能污染嚴重，大氣中二氧化碳濃度值采暖期平均為非采暖期的6倍。我國建筑節能任重道遠，應該尋找一條適合我國國情的建筑節能道路。
具體的說，建筑能耗設計維持建筑功能和建筑物運行過程中的各種能量，包括建筑施工、采暖、空調、照明、電梯、熱水、烹調、家用電器及辦公設備等的能耗。應在圍護結構、供暖空調系統和功能設備能效三方面開展節能活動。在建材生產、設備制造、建筑工程、運行管理、節能服務以及節能監管等各方面提高能效水平。
建筑節能的技術路線包括：一是節能環保建材的開發與推廣應用；二是集中供熱系統高效調節、計量與監控研究；三是節能環保家電的研發和推廣；四是既有居住建筑綜合改造；五是大型公共建筑節能改造；六是村鎮建筑節能技術體系和關鍵技術研究；七是節能環保的綠色建筑技術體系；八是開展建筑能源審計，建立不同建筑類型的能效標識制度等。在分析建筑用能特點的基礎上，把利用可再生能源、環境能源和發揮熱泵作用作為建筑科學用能的一個重點。從梯級利用、提高能效出發，考慮到可再生能源的特點，大力發展多能源互補的分布式能源系統，以此來達到建筑節能的目標，實現各個環節的系統能效最大化。
建筑科學用能是一項龐大的系統工程，需要多層次、多角度地加以研究。應研發和應用高新技術，利用科技進步促進節能。同時加強政策管理，完善能源立法。在國家低碳技術發展規劃的指導下，我國必將在低碳經濟方面取得重大成果，為人類發展做出貢獻。（根據“十一五”全國建筑業節能減排經驗交流大會錄音整理）
