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能源科技:可持续发展的动力支撑 —专访《国家中长期科学和技术发展规划纲要》能源专家组成员倪维斗院士 采写/张文娟 本刊记者 “认识自然、热爱自然、善待自然、争取与自然最大可能和谐相处，是一个民族、一个国家，乃至整个世界可持续发展的前提。应该说，由于人类对于自然无序的、掠夺性的索取已经造成了当前十分严重的、不可逆转的后果，并且还在不断凸现出来。人类已经遭到了大自然的惩罚，并还要继续加重。在这种情况下，教育年轻人认识自然、理解自然有迫切的意义”，在清华大学舜德楼倪维斗院士的办公室里，倪维斗以他为《理解自然》这本书里所作的序言为开端，开始了我们的谈话，“自然资源的有限性和人们使用的无限性，将会导致我们吃子孙的饭，断子孙的路，因此，政府需要有一个宏观的纲领性的文件，从而对未来相当长一段时间内的中国发展作出建设性的规划”，倪维斗话锋一转，进入了我们采访的正题。 《规划纲要》 意义隽永 记者：《国家中长期科学和技术发展规划纲要》是我国科技发展的纲领性文件，为什么国家要选择这样一个时期，出台这样的一个文件？ 倪维斗：未来20年，是中国经济和社会发展的重大机遇期。《国家中长期科学和技术发展规划纲要》是关系我们新世纪现代化事业和实现中华民族伟大复兴的重大战略性文件。 首先，全面建设小康社会、走新型工业化道路对科技发展提出了新的要求，要实现我国GDP到2020年比2000年翻两番，经济总量将可能进入世界前三位，必须走新型工业化道路，坚持以科技进步与创新为主要动力，对经济结构进行战略性调整，有效解决能源供应、生态环境和自然资源的约束，解决城乡之间、地区之间发展的不平衡性问题，逐步形成以高新技术产业为先导的产业格局。因此，制定新时期的中长期科技发展规划，是站在国家前途和民族命运的战略高度，统筹考虑，全面规划的战略之举。 其次，从国际政治经济形势来说，随着经济全球化，尤其是科学技术的迅猛发展，世界政治经济格局已进入了一个最为活跃的变动时期，新的主导技术结构以及新的技术经济范式正在迅速形成。科学技术已经成为推动经济发展、促进社会进步、维护国家安全的主导力量，科技竞争成为综合国力竞争的焦点，各国政府纷纷调整其发展战略，把促进科技进步与创新当作其基本国策之一。目前， 我国的科技发展水平与发达国家相比还有很大差距，科技竞争力较弱。我们必须抓住机遇，从积极参与国际竞争的高度安排科技发展战略，发展科技事业，提高科技竞争力。 此外，科技自身发展的新趋势迫使我们必须从战略的高度做出前瞻性的部署。21世纪，纳米科技、生命科学与生物技术、信息技术，以及认知科学等新兴领域的诸多技术将有机结合，学科交叉、渗透、融合将日益增强，科技发展正在孕育着历史性的重大突破，面临质的飞跃，对国民经济、社会发展与国家安全的影响越来越大。许多国家政府在相应领域进行了重点部署，实施了一批重大科技战略工程，推动科学技术的发展。因此，我们必须根据科技自身发展规律，在总体布局和发展方向上做出战略性、前瞻性的部署。《国家中长期科学和技术发展规划纲要》是新时期我国科技发展的重要的战略举措。 能源形势 考验中国 记者：作为能源领域的专家，《国家中长期科学技术发展规划》能源组的专家成员之一，请您介绍一下我国能源发展的形势状况。 倪维斗：能源是人类赖以生存的五大要素之一，是国民经济和社会发展的重要战略物资。经济、能源与环境的协调发展，是实现中国现代化目标的重要前提。由于能源对于国家经济、文化和安全的重要作用，能源问题，过去是，现在是，将来仍然是各国发展战略中优先考虑的问题，在国际政治经济的舞台上，从来都占据着极为重要的地位。我国改革开放以来的二十多年经济持续增长，相应的我国能源发展取得了巨大成就。但是，由于需求量巨大，供应不足，以及全国的环境不断恶化，能源作为国民经济发展的支撑，瓶颈问题十分突出，主要表现在以下几个方面： 首先，能源需求的持续增长与能源供给之间产生了巨大的矛盾。我国是当今世界第二大能源生产国和第二大能源消费国。2004年，我国一次能源生产量增长1%，而能源消费量增长1%，占世界能源消费总量的5%，是当今世界上能源消费增长最快的国家。我国存在巨大能源需求，目前中国人均能源消费水平只是世界平均水平的一半左右，甚至只是经合组织(OECD)国家平均水平的六分之一（中国人均能源消费量约为3吨标准煤，世界平均值是38吨标准煤左右，OECD国家能源消费量为8吨标准煤，北美人均能源消费量超过11吨标准煤）。据有关部门分析得出的结果，我国能源消耗总量大致是2020年一次能源的需求在25亿～33亿吨标准煤之间，2050年的一次能源需求将在50亿吨标准煤左右。我国的常规商品能源资源占世界总量的7%，水能资源居世界的第1位，煤炭第3位，石油第12位，天然气第22位，但是由于我国人口众多，人均可开采储量远远低于世界平均水平，保持能源供应量将是我国长期面临的严重挑战。 第二，液体燃料的短缺问题十分严重。能源需求日益增长的同时，我国液体燃料消费量必然会逐年增加，目前我国石油进口依靠率已达到40%，根据国际能源机构（IEA）预测，到2010年、2020年我国的年液体燃料消费将分别达到55亿～71亿吨、06亿～41亿吨，进口依靠率将要超过60%。我国的石油供需矛盾日益突出，关系到国家的能源战略安全，更为严重的是，将有可能导致社会的动荡不安，因此，解决大规模石油短缺问题将是我国能源战略的一个极为重要的问题。 第三，能源利用中的环境污染问题日益严重。同发达国家相比，中国能源利用效率仍然相对较低、能源消费的总体结构仍然处在相当不合理的状态。目前中国单位产值能耗是发达国家的3～4倍，主要工业产品能量单耗比国外平均高40%，在今后的相当长一段时间内，煤炭仍然将是我国最主要的一次能源。我国的煤炭利用存在高污染、低效率的问题。在我国SO2排放总量中由于煤炭直接燃烧占90%，在NOX排放总量中煤炭占67%，在CO2的排放中煤炭占85%，随着煤炭及其他化石燃料消费总量的增加，来自环境负担和控制费用的压力将进一步加重。如何大幅度提高煤炭及其他化石燃料的利用效率，降低污染物排放，改善对生态环境的影响是能源领域可持续发展所面临的另一个严峻的挑战。 第四，农村及边远地区用能问题。我国目前农村人口多，居住面积广，收入水平低，目前仍有60%的农村依靠柴草、秸秆做饭取暖，不仅效率低下（仅10%～15%），而且造成较大的烟气和微颗粒污染，低效率的利用还造成了对燃料的过度需求，是造成毁林、草场破坏、水土流失、沙化面积逐年扩大等问题的重要因素之一，随着新农村政策的提出，解决农村能源的使用问题也日益提上议事日程。 第五，温室气体和气候变化问题。中国是《京都协议书》的成员国之一，虽然目前我国还没有承诺温室气体二氧化碳的减排任务，但是由于我国庞大的人口基数，温室气体的排放量仅次于美国，到2030年前，中国有可能超过美国居世界第1位。温室气体的减排压力将会越来越大，如果等到不得不减排的时候再着手处理这一问题，将会使我国付出巨大的代价。因此，从现在开始，就应该从各个方面做好减排的准备。 直面挑战 谋划发展 记者：从您刚才的介绍，我们可以看出，我国能源发展存在“供需矛盾突出、利用效率低下、环境污染严重”的三大挑战，您能否结合《国家中长期科学技术发展规划》谈谈解决的途径。 倪维斗：《国家中长期科学和技术发展规划纲要》将能源作为第一个重点发展的领域和优先主题，可见国家政策的高瞻远瞩，我国能源科技的发展应为我国实施“保障供应、节能优先、结构优化、环境友好”的能源可持续发展战略提供经济、高效、清洁的先进能源技术。研究的重点主要表现在以下的几个方面： 首先，要加强对煤的高效开发和清洁利用的研究。它包含三个方面的内容。(1)煤的高效洁净发电过程的研究。未来我国经济发展过程中的主要一次性能源中，煤炭担当主力军的角色，至2030年，我国将有70%的煤用于发电，因此，应大力探索有可能广泛使用的洁净高效发电的途径。应大力开展燃煤联合循环发电技术的研究，如IGCC和APFBC，其中，APFBC技术能够和超临界、超超临界技术相结合。鉴于我国是煤炭大国，煤种复杂且地区分布极广，因此宜于发展多种有希望的技术路线。(2)开展煤的大规模气化研究。煤气化是煤高效清洁利用的重要途径。洁净、高效的燃烧和发电、多联产、用煤制造液体燃料的第一步都是气化，我国应及早争取建立适合中国国情的大规模气化装置。(3)开展多联产技术的研究。煤气化生成的合成气用于生产液体燃料、化工产品和发电，并把这些过程优化耦合起来。 第二，开展解决液体燃料短缺问题的研究。它也包含三个方面的内容。(1)开展常规及非常规石油资源、天然气资源的高效开采。包括深层资源形成机理，多选回叠合盆地油气形成与分布研究，海相、岩性和不整合底层圈闭油气藏形成规律，以及地物勘探新方法和非常规油气藏的勘探等等。(2)加强煤基液体车用燃料的技术研究，液体燃料包括F-7合成燃料，甲醇和二甲醚，与此同时，要加强这类替代燃料在发动机中的应用研究。(3)展开大规模氢能系统的建立的研究。由于我国以煤为主的能源结构，开展煤制氢技术的研究对于我国意义与前景重大。在多联气条件下，如何捕捉和利用CO2是实现煤的高效及近零排放的主要途径之一，是当前国际上煤利用技术研究的热点，我国有必要抓紧时间开展相关研究，为我国的煤的可持续发展打下基础。 第三，展开可再生能源利用的研究。可再生能源是指在自然界中可以不断再生、永续利用、取之不尽、用之不竭的资源，它对环境无害或危害极小，而且资源分布广泛，适宜就地开发利用。可再生能源主要包括太阳能、风能、水能、生物质能等。风能是指风所负载的能量，风能的大小决定于风速和空气的密度。我国北方地区和东南沿海地区一些岛屿，风能资源丰富。据国家气象部门有关资料显示，我国陆地可开发利用的风能资源为53亿千瓦，10米高度主要分布在东南沿海及岛屿、新疆、甘肃、内蒙古和东北地区。此外，我国海上风能资源也很丰富，初步估计是陆地风能资源的3倍左右，可开发利用的资源总量为5亿千瓦。太阳能是指太阳所负载的能量，它的计量一般以阳光照射到地面的辐射总量，包括太阳的直接辐射和天空散射辐射的总和。太阳能的利用方式主要有：光伏（太阳能电池）发电系统，将太阳能直接转换为电能；太阳能聚热系统，即太阳能集热器;被动式太阳房；太阳能热水系统；太阳能取暖和制冷等。水的流动可产生能量，通过捕获水流动的能量发电，称为水电。小水电在我国是指总装机容量小于或等于5万千瓦的水电站。生物质能生物质能包括自然界可用作能源用途的各种植物、人畜排泄物以及城乡有机废物转化成的能源，如薪柴、沼气、生物柴油、燃料乙醇、林业加工废弃物、农作物秸秆、城市有机垃圾、工农业有机废水和其他野生植物等。整体来说，可再生能源是十分分散、能量密度很低的，尤其是生物质能，所以对它的应用不能照抄外国，必须结合我国广大小农经济的具体情况，原则上应是分散的能源分散用。譬如说，秸秆低耗能冷压缩成颗粒，用于广大农村的炊事，采暖和小城镇的小容量工业锅炉就是一个很好的应用方向。 第四，展开节能技术的研究。据有关机构研究，按现行汇率计算的每百万美元国内生产总值能耗，我国为1274吨标准煤，比世界平均水平高4倍，比美国、欧盟、日本、印度分别高5倍、9倍、7倍和43倍。单位产品能耗方面，电力、钢铁、有色、石化、建材、化工、轻工、纺织8个行业主要产品单位能耗平均比国际先进水平高40%。主要耗能设备能源效率方面，燃煤工业锅炉平均运行效率65%左右，比国际先进水平低15～20个百分点；中小电动机平均效率87%，风机、水泵平均设计效率75%，均比国际先进水平低5个百分点，系统运行效率低近20个百分点；机动车燃油经济性水平比欧洲低25%，比日本低20%，比美国整体水平低10%；载货汽车百公里油耗6升，比国外先进水平高1倍以上；内河运输船舶油耗比国外先进水平高10％～20%。单位建筑面积能耗方面，我国单位建筑面积采暖能耗相当于气候条件相近发达国家的2～3倍。我国能源利用效率低下的主要原因是粗放型经济增长方式，结构不合理，技术装备落后，管理水平低。 节能除了依靠技术进步以外，更重要的是相关的政策、法规及其实施的“刚”度。改革开放以来，我国开发、示范（引进）和推广了一大批节能新技术、新工艺和新设备，节能技术水平有了很大提高。但从总体上看，投入不足，创新能力弱，先进适用的节能技术，特别是一些有重大带动作用的共性和关键技术开发不够。同时由于缺乏鼓励节能技术推广的政策和机制，多数企业融资困难，节能技术推广应用难。针对工业部门能耗巨大的现实和交通运输、居民生活用能快速增长的趋势，应着重加强重点部门和共性关键节能技术的研究和推广应用，在2010年前，坚持自主开发和技术引进相结合的路线，大力推广现有成熟的、先进的节能技术，解决节能设备和产品的经济使用、高可靠性、大批量生产的工艺和技术问题，实现跨越式发展，通过大规模应用达到普遍节能。2010年后，大力发展节能高新技术，在新型能源使用及转化技术、可再生能源技术、高效节能技术及产品等方面取得突破，大幅度挖掘节煤、节油和节电潜力。 第五，加强其他与能源相关的技术研究，如石油、天然气储量的探测、高效利用的研究。加强民用核能技术的研究，加强电网安全性与可靠性研究等。 高校肩负发展重任 记者：作为国家创新体系的重要组成部分，我国高校在能源科技发展中该怎样做？ 倪维斗：未来相当长一段时间内，我国高校科技工作的重点就是要注重优化结构、创新体制、凝练目标、重点突破，为国家的现代化建设提供基本的人才支持和一大批创新性科技成果。在能源科技领域，高校要在国家的支持下，结合高等学校在能源领域的研究特色和长处，强化高校之间的合作，努力将成果转化成生产力，建设国际上具有一流水平的清洁能源、新能源和环境保护高新技术实验研究的开发平台。保障措施有如下几个方面： 首先，要注重学科的融合，加强和整合现有的能源科技研究机构，建立具有强大技术集成能力的综合性国家重点实验室。主要任务其一是从事清洁能源技术和新能源的研究开发，其二是注重国家能源供应系统研究，研究不同发展选择路径对生产成本、进口替代的影响，重视人文、管理学科的相互结合。 第二，要吸引优秀人才，组织团队进行大项目攻关，保持精干和高效的科研管理队伍；积极争取国家在能源及相关领域下达的重大研究课题，提高科研的起点和质量，推动与国家大型科研机构及大型企业建立联合关系，促进科技成果的迅速转化，形成新的经济增长点；扩大国际合作，加强与国际一流大学、科研机构及大型公司的交流合作。 第三，高校应突出高技术研究的特色，集中力量研究宏观思路，开展多学科交叉（如与交通、水利、土木行业的交叉）和基础性、战略性、前瞻性的工作，这是高校的优势所在。 
热能与动力工程是以工程热物理学科为主要理论基础，以内燃机和正在发展中的其它新型动力机械及系统为研究对象，运用工程力学、机械工程学、自动控制、计算机、环境科学、微电子技术等学科的知识和内容，研究如何把燃料的化学能和液体的动能安全、高效、低（或无）污染地转换成动力的基本规律和过程，研究转换过程中的系统和设备的自动控制技术。随着常规能源的日渐短缺，人类环境保护意识的不断增强，节能、高效、降低或消除污染排放物、发展新能源及其它可再生能源成为本学科的重要任务，在能源、交通运输、汽车、船舶、电力、航空宇航工程、农业工程和环境科学等诸多领域获得越来越广泛的应用，在国民经济各部门发挥着越来越重要的作用。 这方面人才在加强学生基础理论和综合素质教育的同时，加强计算机及自动控制技术的应用，强化专业实践教学，注重全能训练，全面提高自己的实践动手能力和科学研究潜力我国能源动力类专业形成于20世纪50年代。以交通大学为例，1952年院系调整时，当时设在机械系中的动力组就单独成立了动力机械系。由于受当时苏联教育体制的影响，在该学科的发展过程中，专业面曾一度越分越细。50年代初期只有锅炉、气轮机、内燃机等专业，以后又先后办起制冷专业与风机专业，制冷专业又细分出压缩机，制冷及低温专业。在50年代末又创办了核能专业，在60～70年代有些学校先后设立了工程热物理专业。这样能源动力学科中的专业就先后包括有锅炉、涡轮机、电厂热能、风机、压缩机、制冷、低温、内燃机、工程热物理，水力机械以及核能工程等11个专业，形成了明显的以产品带教学的基本格局。热能与动力工程专业中包含的水利水电动力工程专业的前身为水电站动力装置专业。该专业形成于20世纪50年代。新中国成立以后，随着国家对水患的治理和经济建设的发展，国家设立了华东水利学院、武汉水利水电学院、华北水利水电学院等一些专门的水利院校，1958年起在这些院校和西安交通大学水利系（西安理工大学水电学院的前身）设立了水电站动力装置专业，以满足国家对水电建设人才的迫切需求。1977年恢复高考招生后，该专业更名为水电站动力设备专业。1984年该专业更名为水利水电动力工程专业，涵盖了原水能动力工程、水电站动力装置、水电站动力设备、水能动力及其自动化、机电排灌工程、水能动力与提水工程等专业，昆明工业学院、成都科技大学等一些院校都设置了该专业。1998年，按照国家教育部颁布的新的专业目录，水利水电动力工程专业并入热能与动力工程专业，新的热能与动力工程专业包含了原来的热力发动机、流体机械及流体工程、热能工程与动力机械、热能工程、制冷与低温技术、能源工程、工程热物理、水利水电动力、工程冷冻冷藏工程等9个专业。客观上说，这种专业划分与当时我国计划经济的体制以及工业发展的实际情况，在一定程度上是相适应的。过窄的专业面，但却培养了专业工作能力较强的学生。因此，在当时对我国经济的发展和工业体系的重建，曾经起到过积极的作用。但随着社会经济向现代化方向的发展和高新科学技术的进步，特别是我国改革开放以后，国外先进科技、管理体系的大量引进，学科的交叉融合不断产生新的经济增长点，当时实际存在的过细过窄的工科专业设置，总体上已不能适应新的形势和发展对人才的需要，必须进行专业调整。因此，在1993年原国家教委进行的专业目录调整中，将能源动力学科的上述前10个专业压缩为4个专业，即热能工程，热力发动机，制冷与低温工程，流体机械与流体工程，核工程与核技术保留。1998年，教育部颁布了新的专业目录，将上述前4个专业进一步合并为热能与动力工程专业，核工程与核技术专业单独设立，而在引导性的专业目录中，则建议将热能工程与核能工程合并。但当时我国大多数学校还是采用了热能工程与核能工程单独设专业的方案。因此，在2000年教育部设立的新一轮教学指导委员中，在能源动力学科教学指导委员会下分设了三个委员会：热能动力工程，核工程与核技术以及热工基础课程教学指导分委员会。能源动力工业是我国国民经济与国防建设的重要基础和支柱型产业，同时也是涉及多个领域高新技术的集成产业，在国家经济建设与社会发展中一直起着极其重要的作用。近年来，随着我国各个方面改革的深化发展，包括市场经济的逐步建立，国有大中型企业机制的转换，加入WTO后面临的挑战，以及能源动力领域技术的发展，并考虑到我国核科技工业“十一五”以及到2020年发展所面临的形势与任务，我国能源动力类以及核相关专业人才的培养面临着严峻的挑战。能源动力及环境是目前世界各国所面临的头等重大的社会问题，我国能源工业面临着经济增长、环境保护和社会发展的重大压力。我国是世界上最大的煤炭生产和消费国，煤炭占商品能源消费的76％，已成为我国大气污染的主要来源。已经探明的常规能源剩余储量(煤炭、石油、天然气等)及可开采年限十分有限，2000年的统计资料表明，我国化石能源剩余可储采比煤炭为92年，石油5年，仅为世界储采比的一半；天然气为63年，优质能源十分匮乏。我国已成为世界第二大石油进口国，对国际石油市场的依赖度逐年提高，能源安全面临挑战，存在着十分危险的潜在危机，比世界总的能源形势更加严峻。现在，能源资源的国际间竞争愈演愈烈，从伊拉克战争及战后重建，到中日双方在俄罗斯输油管线走向上的角逐等一系列国际问题，无不是国家间能源战略利益冲突、斗争的具体反映。因此开发利用可再生能源、实现能源工业的可持续发展具有应该说更加迫切、更具重大意义。我们应该清楚地认识到：我国的能源资源是有限的，我国现有能源开发利用程度与效率很低，在清洁能源开发、能源综合高效利用和环境保护领域内，与发达国家存在着较大的差距：我国水能资源理论蕴藏量（未包括台湾省）为76亿KW，可开发容量78亿KW，相应年发电量19200亿KWh，均居世界第一；至2003年底水电装机容量达到9139万KW，年电量2710亿KWh，开发率按电量算只有14％，按装机容量算只有2％，远远落后于美国、加拿大、西欧等发达国家，也落后于巴西、埃及、印度等发展中国家。高耗能产品能源单耗比发达国家平均水平高40%左右，单位产值能耗是世界平均水平的3倍。同时，实施可持续发展战略对能源发展提出了更高的要求。长期以来，粗放型的增长方式使能源发展与保护环境、资源之间的矛盾日益尖锐。未来能源发展中，如何充分利用天然气、水电、核电等清洁能源，加快新能源与可再生能源开发，推广应用洁净煤技术，逐步降低用于终端消费煤炭的比重，实现能源、经济、环境的可持续发展将是"十五"以及中长期能源发展面临的重要选择。特别地，我国核科技工业是国家的战略行业。完善的核科技工业体系是确立一个国家核大国地位的基本条件。它既是国家战略威慑力量和国防科技工业的重要组成部分，是国家政治、国防安全的重要保障和外交利益所在，同时又是国民经济的重要产业。核军工、核能、核燃料和核应用技术产业，是我国核科技工业的主要组成部分。与此相适应，如何培养适应上述21世纪社会需要的能源动力类以及核相关专业人才，是每个大学相关专业以及每位从事能源动力类专业教育的工作者需要解决的重要问题。常规化石能源的使用是能源动力学科专业教学的主要内容之一，而常规化石能源的使用与环境问题密切相关。目前，煤炭、石油、天然气等化石能源仍在整个能源构成中占据主导地位，而且估计在今后几十年地时间内这一局面还不会改变。这些常规化石能源主要直接应用于火力发电，这会带来一系列严重的环境问题，比如硫氧化物、氮氧化物等的大气污染、固体废物、水污染和热污染等。据最近的报载，当前我国每年火力发电的煤炭耗量超过8亿吨，电厂的烟尘排放量约为350万吨，占全国烟尘排放量的35％。其中微细粒子（小于10微米）排放量超过250万吨，是影响大城市大气质量和能见度的主要因数，并严重危害人体健康。因此，对能源动力生产过程中的这些环境问题必须进行妥善处理和控制，实现其环境友好化，才能保证人类的生存和社会经济的可持续发展。环境问题已经成为能源动力技术研究中的重要组成部分，也必须在专业课程的教学中有相应的体现。也正是基于这一原因，浙江大学已经将原来的热能与动力工程专业改名为能源与环境系统工程专业。核能发电虽然没有上述火力发电那样的问题，但有其独特的问题，如辐射防护与保健、核废料的处置与处理等均与环境保护有关。迫于环境方面对能源开发与利用的巨大压力，作为常规能源的水能由于具有清洁与可再生的特点，其开发与利用越来越得到重视，在我国能源发展战略占有十分重要的地位。
