3.2　可再生能源的利用

根据前述能源现状，为满足全球经济发展的需要，无论从发展的可持续性，还是地缘政治对能源安全的影响等因素来看，开发和利用可再生能源成为一种必然趋势。虽然2008年经济危机后的全球经济尚未走出衰退的阴影，但可再生能源仍保持了高速发展态势，特别是太阳能和风力发电。发展可再生能源已经逐步成为国际社会的一项长期战略，可再生能源市场规模在逐步扩大。

3.2.1　发展可再生能源的必要性

当今全球能源生产和消费模式是不可持续的，一是化石能源终将耗竭，二是引起的环境变化将不可逆转。

美国地球物理学家哈伯特在20世纪中叶发现矿产资源的“钟形曲线”规律，提出石油等资源的峰值理论，即化石燃料作为可耗竭资源，世界各地的产量都会有一个最高点，过了这个峰值点后，该地区的化石燃料资源产量将不可避免地下降，哈伯特对美国石油产量的预测是，到20世纪70年代早期达到峰值，显然这个预测不符合事实。虽然对哈伯理论的科学性还存在不同看法[4]，但至少从目前的能源数据统计上看，化石燃料可探明储量在近年来都呈现增长趋势，仅以过去的十年而论，石油和天然气在全球的探明储量分别增加27％和19％，其产量增幅为11％和29％，煤炭在亚太地区的产量在近十年中急剧上升。鉴于研究方法及工具的不同，峰值时间的预测存在争议，故目前的问题不再是石油产量是否存在峰值，而是何时到达峰值的问题。随着能源需求的增大，产量提高，化石能源终究会走向稀缺并耗竭，并且随着价格上涨，人们不得不减少对可耗竭能源的需求，促进节能和替代能源的发展。

此外，工业革命以来，化石能源的广泛使用，特别是煤炭和石油在能源结构中的比重极高，带来了严重的负面效应，主要包括环境污染和全球气候变化。20世纪五六十年代，烟尘、SO2笼罩在工业大城市的上空，导致许多人患上呼吸系统疾病；20世纪70年代，汽车排出的尾气，未完全燃烧的汽油及其所含的铅具有更大毒性；大型热电站的发展又引发了“热污染”等新问题。从前文看到，使用化石能源排放了大量的温室气体，造成全球气温上升和气候变化，可能导致各种极端天气冰川消融海平面上升和物种灭绝等。

气候科学家观察到，大气中的二氧化碳（CO2）体积浓度在工业革命前相当稳定，约为280×10-6，但在那之后的几个世纪中，该浓度一直在显著上升，于2013年达到396×10-6，比19世纪中叶上升约40％，尤其是在过去十年间，平均每年增长2×10-6。甲烷（CH4）和一氧化二氮（N2O）的水平也显著增长[3]。政府间气候变化专门委员会（IPCC）是由世界气象组织（WWO）和联合国环境规划署（UNEP）于1988年联合建立的联合国政府间机构，是国际上公认的气候变化科学评估组织。IPCC第五次评估报告（2013）指出：温室气体浓度增高所带来的影响可能不是立刻显现的，其浓度的稳定是由气候系统、生态系统和社会经济系统相互影响、相互作用决定的。即使大气中CO2浓度稳定后，人类活动产生的全球变暖和海平面上升也将持续数个世纪，因为气候变化过程和反馈对应于这样的时间尺度，可以说相对于人类生命周期，气候系统中的某些改变是不可逆转的。

鉴于CO2在大气中漫长的生命周期，欲将温室气体的浓度值稳定于任何一种水平，都需要从目前的水平上大大削减全球CO2排放量。联合国气候变化框架公约（UNFCCC）提供了一种模式，由各国政府间合作，共同应对气候变化带来的挑战。该公约的最终目标是将温室气体浓度稳定到一个水平上以阻止人类活动干扰并危及气候系统。公约缔约方进一步认识到：为了将全球平均温度的提高控制在工业化前水平之上的2℃以内，必须做到更大幅度地削减全球排放。这就是当今世界向低碳型发展的必要性。

传统观念认为，工业化国家排放了绝大多数的温室气体。但近年来，发展中国家的排放比重超过了工业化国家，并持续迅速上升。发展低碳型社会需要全球所有国家的共同努力，将工业化国家能源供应低碳化，将发展中国家纳入低碳发展的轨道。环境的恶化和气候的变化已成为全球各个国家亟待解决的问题，而开发和利用可再生能源是解决这些问题的重要途径。

自20世纪中叶，一些国家（如法国、俄罗斯）为了减少对化石能源的依赖，重视核能的开发利用，根据国际能源署（IEA）和国际原子能机构（IAEA）的统计资料[5]可以看到，至2012年底，全球核能发电量达到总发电量的10.9％，见表3-1。

尽管核能资源较为丰富，体积小能量高，发电成本低，污染小，但历史上由于人为因素或自然灾害导致放射性物质大量泄漏的事故，给生态环境和人类造成了毁灭性的灾难，并且使核工业遭到沉重打击。1986年苏联切尔诺贝利核泄漏事件曾一度使欧盟全面停止新建核电站，后来迫于能源紧张形势，部分国家才重新启动核能利用。2011年日本发生9.0级地震，由地震引发的福岛核电站事故再次引起全球的广泛关注，一时间反核呼声高涨，次年全球核能发电量下降6.9％，日本核能发电量下降89％，占全球降幅的82％。2012年核能发电占全球能源消费的4.5％，2013年这一比例继续下降至4.4％，连创1984年以来的最低比例[2，6]。在这种局面下，开发和利用可再生能源显得更为需要和迫切。

化石能源的枯竭，核能利用的不安全性都说明了能源供应应该是多样化的。能源供应的多样性，主要涉及能源资源种类多样性、进口来源的多样性和过境运输的多样性，是保障能源安全的最直接方式。能源资源在全球分布的不均匀性、稀缺性，和化石能源的不可再生性决定了能源的地缘属性。对于能源资源匮乏或种类不平衡，依赖进口的国家来说，具有受制于他国的政治风险，其能源安全与地缘政治紧密联系，面对严峻的能源地缘政治形势，许多国家和地区采取了一些战略措施，比如欧盟，加强成员国之间的合作，创建共同能源市场。当然，一个更重要的措施是发展可再生能源。发展各种可再生能源对于增加能源供应多样性，增强能源供应体系的安全性具有重要的作用。

自然界提供了丰富的、多种多样的可再生能源，为人类社会持续稳定地发展奠定了物质基础。长久以来，由于技术条件的限制，可再生能源的利用受到诸多限制，但随着技术的进步，政府激励政策的出台，可再生能源的开发和利用将逐步成为绿色能源的支柱。

3.2.2　可再生能源种类

可再生能源是能源体系的重要组成部分，在地球上分布广、开发潜力大、环境影响小，相对于人类生命周期来说可再生利用，因此有利于人与自然的和谐发展。可再生能源属于一次能源，包括水能、风能、太阳能、地热能、生物质能和海洋能六类，除了水能之外，其余都属于新能源范畴，按照《BP世界能源统计年鉴》的分类，这五类新能源被称作“其他可再生能源”。在比较各类能源的消费量时，常转换成一定数量的“百万吨油当量”来表示，单位符号为Mtoe。以2013年为例，“其他可再生能源”的发电量达到279.3Mtoe（见图3-9），是当年水力发电量的1/3，而水电占全球能源消费的6.7％，可再生能源发电量达到了历史最高水平。

3.2.2.1　风能

风力发电在各种可再生能源中技术最为成熟、产业发展最快，经济性最优。陆上风机经过逐渐发展已经能够适应复杂气候和地理环境，海上风机（离岸风机）也逐渐向深海发展。

如图3-10所示，受全球经济疲软的影响，2013年新增装机容量3529万kW，不及前四年每年的新增装机量，结束了自1996年来连续增长的态势。但截至2013年底，全球累计装机容量已超过3.18亿kW。全球87个国家和地区拥有商业化的风力发电项目。中国和美国累计装机容量遥遥领先，分别达到9141万kW和6109万kW。欧盟28国累计装机容量达到1.17亿kW[7]。

世界风电大国仍主要集中在亚洲和欧美地区，如图3-11所示，但近年来其他国家的风电装机容量也在不断上升，所占全球比例也在逐年上升。欧盟除了整体装机容量居于世界之首外，在离岸风电的装机容量上也占据绝对优势比例，图3-12表明了这点。风电在欧洲一些国家已经发挥了替代能源的战略作用。

随着风电技术的发展，风电机组单机容量和风轮直径持续增大。在土地资源紧张的普遍情况下，陆上大功率风机具有占地面积更小、安装数量更少、维护效率更高等优势。在风力涡轮形式上，水平轴风电机组是大型机组的主流机型，几乎占有市场的全部份额。垂直轴风电机组由于风能转换效率偏低，结构动力学特性复杂和启动停机控制上的问题，尚未得到市场认可和推广，但垂直轴风电机组具备一些水平轴机组没有的优势，学术界一直在对其进行研究和开发[8]。另外，随着电子技术的进步，在兆瓦级风电机组中已广泛应用叶片变桨距技术和发电机变速恒频技术。在德国新安装的风电机组中，直驱变速恒频风电机组占有率近半，这种无齿轮箱的机组能大大减少运行故障和维护成本，在中国也得到了应用。此外，利用高空中的风力发电的空中风力涡轮机已经在一些前沿科研机构中研制。

小型（<100kW）风机产业也在继续成熟，全球数百家制造商拓展了经销商网络，并提高了风机认证的重要性。独立的小型风机的使用越来越多，应用范围包括国防、农村电气化、水泵、电池充电、电信和其他远程利用。离网和微网应用在发展中国家比较流行。虽然许多国家已经在使用一些小型风机，但主要装机容量仍集中在中国和美国，据估计，至2012年底两个国家的容量分别是274MW和216MW[9]。

现存风电场的更新改造近年来也在不断发展。在提高电网兼容性、减少噪声和鸟类死亡率的同时，实现技术改进和提高产量的愿望的驱动下，用更少、更大、更高、更有效、更可靠的风机替换老旧风机。政府激励机制的出台也是驱使风场改造的因素。

为保证风能利用行业的良好发展，风电大国在管理上各有不同的政策措施。中国对风电的管理进入细化管理阶段，2011年中国政府出台了18项行业技术标准，加强风机的质量管理，明确并网技术规范；同年国家能源局出台了《风电开发建设管理暂行办法》；风电产业被列入“十二五”能源发展规划。美国大部分州实行强制配额政策，对电力销售商所销售电力的可再生能源发电比例做出明确规定，积极推动美国风电产业的发展。德国累计装机容量排名世界第三，保持欧洲地区的领先地位。2011年，德国政府决定在十年后关停所有核电站，修订了《可再生能源法》，制定了各阶段的电力消费来自可再生能源的百分比，尤其对离岸风电装机容量给出具体目标。

3.2.2.2　太阳能

太阳能的利用分为光伏发电（PV）、聚光太阳能热发电（CSP）、太阳能热利用三个主要方面。此外，太阳能光热混合利用系统也得到了研究和发展。

1.太阳能光伏发电

近年来，在世界主要消费市场的带动下，太阳能光伏发电市场和产业规模持续扩大，光伏发电的技术水平也在不断提高，市场经济性进一步改善，但行业竞争也更加激烈，同时各个国家也不同程度地削减了产业补贴力度。

如图3-13所示，2013年太阳能光伏市场新增装机容量大于39GW，超过当年风电的新增容量，累计容量已达139GW。而中国创造了一个12.9GW的全年新增装机的纪录，占了近1/3的全球新增装机份额，日本和美国分列新增容量的第二、三位，如图3-14所示。在一些国家，特别是欧洲，光伏发电已起到实质性的作用。而日渐降低的生产和安装价格开拓了新的光伏市场，从非洲、中东到亚洲和拉丁美洲，随着光伏系统数量和规模的增大，商业利益持续增长。在持续了两年的低迷过程中，由于产能过剩导致了光伏组件价格的下降，许多组件制造企业出现了利润的负增长，在2013年光伏产业开始回暖，但市场前景仍极具挑战性，特别是在欧洲。随着生产成本继续下降，太阳能电池效率也逐渐提高，光伏模块价格稳定，部分生产商开始扩大生产能力以适应市场需求的提高。

太阳能光伏电池的技术水平不断提高。晶体硅太阳能电池占据市场最大份额，一直在80％以上。未来的技术进步主要体现在新型硅材料研发制造、电池制造工艺和生产装备技术的改进、硅片加工技术提高等方面。预计2020年商业化单晶硅电池组件效率有望达到23％，2030年有望达到25％，商业化多晶硅电池组件效率也将有不同程度的提高。

由于晶体硅制造业的标准化、合理化以及较低的硅价格，2010年以来太阳能薄膜电池（CIGS）制造商面临着巨大的挑战，一些公司因此破产或者退出行业，薄膜电池市场占有率在近五年呈下降趋势。未来薄膜电池技术发展将主要依赖于电池制造工艺的进步、集成效率的提高、生产规模的提升等。

2009年科学家发现钙钛矿型光吸收剂的特性将在光伏领域表现出良好的前景，有关钙钛矿型太阳能电池的研究已在部分科研机构中进行。在2012和2013年期间，钙钛矿材料效能得到了显著的提高，尽管这些技术在进入市场前仍需克服巨大的挑战，但在高性能而廉价的太阳能电池发展方向上又前进了一步。

光伏系统组件中，为了更好地实现对电网管理的支持，太阳能逆变器的产品设计越来越复杂。而降低光伏系统成本的需要也对逆变器等平衡系统的技术提出了更高的要求，意味着逆变器制造商将承受更大的降价压力。

2.聚光太阳能热发电

聚光太阳能热发电又称聚焦型太阳能热发电，是集热式的太阳能发电系统。它使用反射镜或透镜，利用光学原理将大面积的阳光汇聚到一个相对细小的集光区中，集中的太阳能转化为热能，热能通过热机（通常是蒸汽涡轮发动机）做功驱动发电机，从而产生电力。图3-15所示为位于美国加利福尼亚的两座太阳能热发电厂，分别是槽式和塔式的反光镜。

自20世纪70年代欧洲共同体委员会开始对太阳能热发电进行可行性研究，20世纪80年代初，意大利首先建成了兆瓦级塔式电站，接下来的十年美国也有数十座太阳能热发电站投入商业化运行。随后直至21世纪初，欧洲一些国家启动的太阳能发电激励政策重新带动了太阳能热发电市场的复苏。如图3-16所示，截至2013年底，全球已经建成投入使用的太阳能热发电装机容量达到3425MW，当年新增装机量接近900MW，西班牙和美国继续保持全球市场绝对主导地位。但聚光太阳能热发电市场在亚洲、拉美、非洲和中东地区继续发展，2013年新增装机国有阿联酋、印度、中国、阿尔及利亚、埃及、摩洛哥、澳大利亚和泰国，南非也是活跃的市场，科威特为一个50MW的聚光太阳能热发电厂启动了招标程序。沙特阿拉伯宣布，计划至2023年在超过50GW的可再生能源项目中，25GW将来自于聚光太阳能热发电项目。全球市场正在加速向日照强烈、高直射区域的发展中国家扩张。

现有及新增发电设施中，采用抛物槽技术为主，塔式中央接收器技术所占比例也在增长，菲涅耳抛物面天线技术依然处于初始发展阶段。由于系统效率随温度升高，实践经验表明大规模发电厂具有成本降低的倾向，因此许多在建的发电厂规模越来越大。另外，通过完善设计，改进制造和施工技术，聚光太阳能热发电的成本也将不断降低。在聚光太阳能热发电系统中设置热能存储（thermal energy storage，TES）装置，能在太阳能不足时将储存的热能释放出来以满足发电需求，这种储热系统对太阳能热发电站连续、稳定的发电发挥着重要作用。

聚光太阳能热发电的另一个技术发展趋势是混合发电，以及在煤、天然气和地热发电的工厂中用于提高蒸汽产量。美国可再生能源研究室（NREL）等对聚光太阳能与地热或天然气的集成发电系统进行了研究；澳大利亚的一个在建的44 MW太阳能工程，预计在建成运营时，将能够辅助现有的以燃煤为基础的蒸汽发电系统。

另一方面，聚光太阳能热发电仍然面临着来自太阳能光伏发电技术和环境问题的强大竞争与挑战。太阳能光伏发电成本的降低所带来的巨大竞争导致了许多聚光太阳能热发电厂的关闭。2013年在美国，有几个CSP发电厂被延期、倒闭或转换为太阳能光伏发电。但设置热能存储TES装置的CSP系统，由于能提高系统发电效率、稳定性和可靠性并且降低发电成本，仍然具有一定的竞争力。特别是对作为储热装置中的合成油、融熔盐等的研究，开发了一系列替代产品，如三元盐、石墨存储、陶瓷存储。西班牙Gemasolar发电厂的TES系统能连续36天不间断发电，显示了这种系统的潜力。沙特阿拉伯和智利等新兴市场已经对TES系统进行强制规定。

3.太阳能热利用

太阳能热利用技术是应用最成熟、最广泛的可再生能源技术之一，主要应用于水的加热，建筑物的供暖与制冷、工农业的热能供应等领域。

十年来太阳能热利用的发展十分迅速，从图3-17看到新增和累计装机容量持续稳定增长。根据国际能源署（IEA）的太阳能制热和制冷部（SHC）2014年度报告[11]，来自58个国家约占全球95％的太阳能热利用市场的数据表明，2012年新增太阳能热装机容量52.7GW，相当于新增集热器安装面积7530万m2。至2012年底，这58个国家的太阳能热利用运行的装机容量为269.3GW，相当于集热总面积3.847亿m2。仅次于风电的装机容量。另据REN21的统计数据，2013年底全球太阳能热装机容量已达326GW。

世界最主要的装机容量在中国，为180.4GW；其次为欧洲，为42.8GW，两者共占据了全球83％的份额。各主要装机国可从图3-18反映出来。

在人均拥有太阳能热水集热器方面，地中海岛国塞浦路斯仍保持领先地位，每千人拥有548kW，其次为奥地利，中国每千人拥有134kW，位列第九，可见太阳能利用上的差距，以及太阳能利用对于岛国的重要性。

太阳能集热器有很多分类方法[12]，根据不同的集热方法可分为非聚焦型集热器和聚焦型集热器；根据不同的结构可分为平板型集热器、真空管集热器；根据不同的工作温度范围可以分为低温集热器、中温集热器和高温集热器。此外，区别于上述以水或其他液体做热媒的集热器，以空气为热媒的叫空气集热器。

平板集热器承压性能好，适用于强制循环的热水系统；真空集热器性价比高，适用于户式分散的小系统，常用自然循环方式；还有一种无盖板的平板集热器结构简单，造价低，属于低温集热器，适用于游泳池热水系统。至2012年底全球累计运行的各类集热器中，真空管集热器仍为市场主力，接近全球2/3的比例，平板集热器约占1/4，其余为少数的无盖板平板集热器和空气集热器，如图3-19所示。

从全球范围看，三种集热器产品有明显的地区分布，中国90％以上的系统采用真空管集热器，欧洲90％以上的系统采用平板集热器，美国和澳大利亚以无盖板集热器为主。

另外，按照太阳能热水系统的循环方式不同，可分为自然循环系统和强制循环系统，国际上又称为虹吸式太阳能热水系统和水泵太阳能热水系统。根据IEA-SHC的统计，全球的太阳能热水系统3/4为自然循环系统，其余1/4为强制循环系统；在2012年新增的系统中，89％的系统属于自然循环系统，这也是由自然循环系统为主导的中国市场决定的。一般来说，国际上自然循环系统多用于温暖地带，诸如非洲、拉丁美洲、南欧和地中海地区，与中国采用真空管集热器为主的情况不同，这些地区的自然循环系统大多结合平板集热器。这两种太阳能热水系统大多数用于家用热水，通常能满足40％～80％的需求量。另外，适用于宾馆、学校、住宅或其他大型公共建筑群的大型热水系统，成为太阳能热利用的发展趋势，这种系统往往提供生活热水供应以及室内供暖，在欧洲中部国家较为普遍。

近年来世界上出现越来越多的兆瓦级规模太阳能热利用系统。根据截至2013年6月的统计，最大系统在南美的智利，装机容量为32MW，采用了39300m2的平板集热器和4000m3的储热器，预计年输出热量51.8GW·h，能够满足当地铜矿提炼生产用热需求的85％。另外，丹麦也将兆瓦级太阳能热系统用于区域集中供热，沙特阿拉伯将大规模太阳能系统与集中供热网络相连，以提供一个大学校园的采暖和生活热水。加拿大、美国、新加坡、中国还有许多欧洲国家也建立了类似的大规模太阳能热利用系统以满足生活或工业生产需求。目前主要的工业应用包括食品加工、烹饪和纺织品制造业。这些不同的应用以及不同的生产工艺要求不同的供热温度，需要采用不同的集热器，包括从空气集热器（50℃以下）、平板或真空管非聚焦型集热器（200℃以下）到聚焦型的抛物线槽式、蝶式和线性菲涅尔式集热器（最高可达400℃）。

太阳能热利用系统可结合各种备用热源，其中与地源热泵或空气源热泵结合的混合系统在欧洲越来越受欢迎；结合生物质热源的区域供热系统也有所发展，欧洲国家尤其对这些混合系统的市场兴趣浓厚。至2014年初，已有超过130个太阳能热泵混合型强制循环系统用于提供生活热水和采暖，这些系统主要来自80个以上的生产企业（主要在欧洲）。还有大约来自12个国家的30个生产商在制造各种各样的光伏光热（PV-T）混合型太阳能集热器，用于同时满足电力和热能的需求[9]。

太阳能制冷、空调是太阳能的另一种热利用方式，常见的有利用光热转换驱动的吸收式制冷和吸附式制冷系统，还有较少应用的太阳能蒸汽喷射制冷和热机驱动压缩式制冷。另外，利用太阳能光电转换产生的电能驱动的常规压缩式制冷系统成本较高，应用尚未得到推广。太阳能在除湿空调中的应用是通过太阳能集热器提供除湿溶液或除湿转轮再生的热量，与制冷系统相对独立，但能使整个系统合理分担潜热和显热负荷，提高整个系统的节能潜力。

太阳能制冷系统的成本在不断下降，2007—2012年间下降了45％～55％。2013年以来太阳能制冷机组更丰富和多样化，行业标准也在完善。至少两家欧洲企业开发了制冷量5kW以下的小型机组。

2004—2013年间，太阳能制冷市场显示出不断增长的趋势，增长率在2007—2008年间达到32％，却在2012—2013年降为11％。到2013年底，全球约有1050个安装运行的太阳能制冷系统，如图3-20所示，包括不同规模和不同的形式，其中80％的系统在欧洲，尤其是在西班牙、德国和意大利。大多数系统采用了平板和真空管集热器，相比之下，印度、澳大利亚和土耳其的一些系统采用了聚焦型集热器驱动的吸收式制冷系统。

总的来说，集中供热网络、太阳能空调和太阳能工业用热工艺目前仅占全球太阳能热利用容量的1％。此外，太阳能在水处理和海水淡化方面存在大量未被开发的潜力，这些方面的研究和市场空白有待填补。

3.2.2.3　地热能

地热资源是指能够为人类经济开发和利用的地热能、地热流体及其有用组分，包括浅层地热能和地心热。浅层地热能主要来自于太阳辐射，蕴藏在地表至深度数百米范围内岩土、地下水和地表水中，温度一般低于25℃，通过热泵技术可将这种低品位的能源提取加以利用，可供建筑物内的空气调节。而地心热是来自地球内部的一种资源，主要是由一些地球内部半衰期很长的放射性元素如U238、Th232和K40衰变产生的热能，传到地表，一般来说温度高，可直接利用或用于发电，分布于地热田或深度数千米以下的岩体中。虽然世界地热资源蕴藏量大且分布很广，精确判断地热总资源量却不容易，因为该资源绝大部分深藏于地表以下，且随着开发和鉴定地热技术的创新和成本的降低，新的资源和容量将不断被发现。

地热能利用包括直接热利用、地源热泵利用和地热发电三个方面。“地心热”利用一方面是地热流体的利用，即地热流体的发电（温度>130℃）或直接热利用（温度≤130℃）。另一方面，在于利用深度3～10km热岩体中巨大的地热能潜力，可采用增强型地热系统发电（简称EGS）。EGS发电潜力大小主要取决于钻探可达深度上的热储存量，恢复因子和允许温降。国际能源署IEA的地热实施协议执行委员会（geothermal implementing agreement，GIA）年度报告中估计全球每年平均地热能利用的30％为直接热利用[13]。IEA还预估，到2050年，装机容量大约为200GWe（一半来自地热流体发电、一半来自增强型地热系统EGS发电）的地热电厂每年将产生大约1400TW·h的电量，占全球发电量的3.5％，并减少了每年0.76Gt的CO2的排放量。在直接热利用方面，到2050年，将达到每年1600TW·h，约占计划热能需求量的3.9％。全球地热发电装机的增长情况如图3-21所示。

由于数据统计来源和国家不同，来自REN21的报告和IEA-GIA的估计有所不同。根据《全球可再生能源报告2014》，2013年地热能利用共计约有167TW·h（不含地源热泵的输出），其中约有76TW·h为发电输出，其余91TW·h为直接热能利用。一些地热厂既发电，又将地热输出用于各种供热。2013年的净增地热发电装机容量约465MW，增速达4％。全球总容量达到12GW。2013年全球地热发电装机容量排名前十的国家如图3-22所示。

地热直接利用不包括热泵，而是指直接利用地热供热和冷却，最主要的方式是采暖、生活热水供应、泳池供热、生产工艺热、水产养殖和工业烘干。地热直接利用的国家集中在少数拥有良好地热资源的国家，如冰岛，见表3-2。另外，日本、土耳其和意大利也盛行利用地热的温泉浴。中国仍然是地热直接利用量最大的国家，从2009年的13TW·h到2011年的45TW·h，占世界产量的20％～50％。在欧洲近年来很多领域都在努力提高地热直接利用，特别是浴疗领域，如温泉、游泳池。

地源热泵的利用在许多国家快速增长，2013年累计装机容量达到约91GW。热泵是通过外部能源（电力或热能）的驱动，使用制冷/热泵循环将热能从冷源/热源向目标进行转移，冷热源可以是蓄存低品位热能的土地、空气或水体（如湖泊、河流或海洋）中的一种。地源热泵以土壤作为冷热源，为住宅、商业和工业应用提供冷暖空调和生活热水。依据热泵自身的内在效率和其外部的操作条件，可以提供数倍于驱动热泵能耗的能量。一个现代电力驱动的热泵的典型输出输入比例为4：1，即热泵提供的能量为其消耗的能量的4倍，这也被称为制热能效比4。增加的能量被认为是热泵输出的可再生部分，即以能效比4运行的热泵的可再生部分在最终能源的基础上占到75％（3/4）。然而，在一次能源的基础上可再生的比例所占份额要低一些。例如，由热电厂的电力驱动的热泵，按发电效率40％计，4/（1/0.4）=1.6，为最终消耗的一次能源的1.6倍。因此，对于电力驱动的热泵，整体效率和可再生成分依赖于发电效率和产生电力的一次能源种类（可再生能源、化石燃料或核能）。如果一次能源100％来自可再生能源，那么热泵的输出也全部为可再生的。

2009年，欧盟委员会针对热泵输出设定了标准计算方法，用以计算可再生能源部分的输出量。这个算法既考虑到了热泵本身的运行效率（须考虑性能系数的季节性变化），又参照整个欧盟一次能源输入到电力生产的平均效率。此新方法计算出的最终能源净输出将会超出用于驱动热泵的一次能源量。2013年3月，欧盟委员会颁布了此公式的其他适用规则，包括针对各种热泵的特定气候的平均等效满负荷运行小时数和季节性性能因子的默认值，最终确定了电力驱动型热泵的默认值最小为能效比2.5[9]。

全球热泵市场、装机容量和输出量的数据很零散并且范围有限。《可再生能源2014全球现状报告》提供了全球2013年地源热泵累计装机容量，并且给出了输出量的预计值，通常欧洲的调查数据更新较为及时，其他地区的更新滞后。但欧洲的热泵系统以空气源热泵为主，占据市场的绝大部分。截至2008年，欧洲热泵市场稳步增长，但2011—2012年间已表现出相对的停滞状态，实际上发生了整体的收缩。由于空气源热泵的效率和经济性不断提高，在新建建筑中，热泵正在由地源型向空气源型进行转变，地源热泵对大型和超大型建筑物更具吸引力，但在单户住宅中的应用有限。总的来说，热泵已经在欧洲供热系统安装中达到了一个相对稳定的15％的份额。

热泵最显著的趋势是用于互补混合系统，这将集成多种能源资源（如热泵与光热或生物质）用于多种热利用。区域供热工程对大型热泵的使用也越来越感兴趣，例如丹麦已经开发出用于区域供热的吸收式热泵，其中2014在Hjørring建成的系统规模为当时世界之最。

3.2.2.4　生物质能

生物质是指植物和动物（包括有生命的或已死亡的）以及这些有机体产生的废物，和有机体所在的社会产生的废物。生物质能是太阳能以化学能形式储存在生物中的一种能量形式，它直接或间接地来源于植物的光合作用，是以生物质为载体的能量。简单地说，生物质能就是生物质中储存的化学能。化石燃料可以说是包含了远古时代植物的生物质能，但它们不是新近产生的生物质，当然属于不可再生的。所以，所谓的生物质能、生物质、生物燃料（从生物质制取的燃料）是不包括化石燃料的[14]。生物质能也是唯一可再生的碳源，是目前应用广泛的可再生能源。生物质能除了可再生性、低污染性，还具有广泛分布性和可制取生物质燃料的特点[15]。生物燃料有液态的，如乙醇、生物柴油、各种植物油；还有气态的，如甲烷；以及固态的，如木片和木炭。

人类利用生物质能具有悠久的历史，如传统的炊事、照明、供暖等。如图3-23所示，用作能源的生物质总量中约有60％属于传统生物质，包括薪材（部分转变为木炭）、农作物剩余物和动物粪便。这些生物质由手工收集，通常会被直接燃烧或通过低效炉灶用于烹饪和取暖，有些也会用于照明，特别是在发展中国家，属于分布式可再生能源。其余的生物质被用作现代生物能源。现代生物能源是由多种生物质资源生产而成的多样能源载体，这些生物质能源包括有机废弃物、以能源为目的种植的作物和藻类，它们能提供一系列有用的能源服务，如照明、通信、取暖、制冷、热电联产和交通服务。固体、液体或气体的生物质资源在未来可用于存储化学能源，调节并入小型电网或现有大电网的风能和太阳能系统所发出的电量。

随着技术的发展，生物质能的利用方式在逐渐发展，它在可再生能源中的地位也日益重要，在未来清洁能源中，生物质发电将作为主要的可再生能源资源，发展潜力大。2013年，生物质能约占全球一次能源供应的10％，约为55.6EJ（1EJ=1018J）。图3-23中的“现代生物能源”份额约占当年生物质总能源供应的40％。其中建筑物和工业领域的供热约为13EJ；另外约有5EJ转化为约1160亿L生物柴油（假设原始生物质的转换效率为60％）；还有约等量的生物质用于发电，发电量预计可达405TW·h（假设转换效率为30％）。其中，生物能热电联产（CHP）还能产生热能，但不易被监测统计。

生物质能源的主要市场是多样的，根据燃料种类的不同而变化。现代生物质的使用正在迅速蔓延，特别是在亚洲，并在一些国家的能源需求中占据了很大的份额。例如，在瑞典、芬兰、拉脱维亚和爱沙尼亚的终端使用份额超过了25％。

用作能源的生物质最主要是固体形态的，包括燃料木炭、木材、农作物剩余物（主要用于传统取暖和烹饪）、城市有机固体废物MSW、木材颗粒和木屑（主要来自现代和/或大型设施）。木材颗粒和木屑燃料，生物柴油和乙醇已经在国际贸易中进行大量的交易。此外，一些生物甲烷（沼气）正在通过燃气网在欧洲进行交易。固体生物质也在进行着区域性和跨国界的大量非正式贸易。

燃烧固体、液体和气体生物质燃料可以提供较高温度的热能（200～400℃），用于工业、区域供热方案和农业生产，而较低温度热能（<100℃）可用于烘干、家用或工业热水、建筑供暖。2013年，大约有3GW的新增生物质供热容量，全球总量累计约为296GW。目前，生物质是供热方面使用最广泛的可再生能源，约90％的热能来自现代的可再生能源，而固体生物质是最主要的燃料来源。欧洲是世界上最大的现代生物质供热地区，并且大部分是由区域供热网络生产的，欧盟是木材颗粒最大的消费区，最大的市场份额来自住宅取暖。生物质在小型设备上的应用也与日俱增，截至2013年，欧洲小型生物质锅炉总量约800万台，年销售量约30万台。用于热能生产的生物质的使用在北美也开始增加，特别是美国东北部，包括木材颗粒燃料[9]。

沼气越来越多地用于热力生产。在发达国家，沼气主要用于热电联产项目。2012年，欧洲生产的沼气主要在现场使用或在当地交易。大多数用于燃烧，产生了110TJ的热量和44.5GW·h的电力。用于交通运输的为生物甲烷，生物甲烷是由沼气除去二氧化碳和硫化氢后产生的，它可以输入到天然气管网中。亚洲和非洲有一大批沼气大型工厂正在运行，其中包括许多提供工业生产用热的项目。小型家庭规模沼气池产生的沼气可直接燃烧用于烹饪，主要应用于发展中国家（包括中国、印度、尼泊尔和卢旺达）。

据《可再生能源2014全球现状报告》统计，截至2013年底，全球生物质发电新增容量5GW，总运行容量达到88GW。假设平均利用率超过50％，2013年全球发电量中的405TW·h来自生物质能。美国的生物质发电量最高，其次为德国、中国和巴西。其他生物质发电排名较前的国家包括印度、英国、意大利和瑞典。在美国生物质发电中，固体生物质提供了2/3的燃料，其余来自垃圾填埋气（16％）、有机垃圾（12％）和其他废弃物（6％）。

参与全球交易的木材颗粒大部分用于发电。在欧盟，虽然木材颗粒大多用于住宅供暖，但是进口木材颗粒用来发电的需求已经越来越大。欧洲沼气发电也在快速增长，截至2012年底，运行中的沼气电厂已超过13800个（年增加约1400个），总装机容量7.5GW。在生物质发电需求的驱动下，老旧和闲置的燃煤电厂的翻新以及向100％生物质发电的转换成为一个趋势。将化石燃料电厂向可以与不同份额的固体生物质或沼气/垃圾填埋气等燃料混燃的电厂转换的案例在逐渐增加。截至2013年，约有230家燃烧商品煤和天然气的电厂和热电联产工厂已经进行了改造，主要分布在欧洲、美国、亚洲、澳大利亚和其他一些地区。以部分替代性木屑和其他生物质为燃料的生物质发电改造，虽然减少了对煤炭的依赖，但随着生物质份额的增加输出功率也将降低，这在一定程度上限制了进一步发展。

2013年，全球生物燃料消耗量和生产量增加了7％，总量达1166亿L，全球燃料乙醇产量增加了约5％，达到872亿L，生物柴油的产量也上涨了11％，达到263亿L。加氢精制植物油（HVO）继续增加，但基数较低。北美仍为乙醇生产和消耗的重要地区，其次为拉丁美洲。欧洲再次占有生物柴油生产和消耗的最大份额。在亚洲，乙醇和生物柴油的产量继续快速增长，详见表3-3。

全球乙醇产量由美国和巴西统治，位于全球前两位，占全球总产量的87％。近几年，欧盟已经成为最大的区域生物柴油生产者，占全球份额约40％，但美国和巴西的生物柴油产量也在快速增长中。中国生物柴油的需求部分来自税收和贸易优惠的驱动。

尽管全球生物燃料的产量增加，但其市场仍面临着挑战，包括对可持续发展的关注，车辆效率提高导致的运输燃料需求的降低，以及以电力和压缩天然气为燃料的车辆的增加。

以生物甲烷作为运输燃料日益增加。以瑞典为例，已有十几个城市的公交车完全使用生物甲烷，超过60％的生物甲烷来自当地工厂，并且在2012年末和2013年开设了更多的加油站。而在挪威，CAmbi公司为当地巴士提供液化甲烷作为燃料。

3.2.2.5　海洋能

海洋能指依附在海水中的可再生能源，海洋通过各种物理过程接收、储存和散发能量，这些能量以潮汐、波浪、温度差、盐度梯度、海流等形式存在于海洋之中。故海洋能包括潮汐能、潮流能、波浪能、温差能、盐差能、海底地热能等。其中，潮汐能、波浪能是较早引起人类关注并加以开发的海洋能。

虽然海洋能蕴藏量丰富，海洋能的利用还处在一个相当初始的阶段，可以类比于20世纪80年代初期的风电产业。目前许多海洋能发电工程的设计标准化程度低，到2013年底，全球商业化海洋能装机容量约为527MW，几乎全部来自潮汐能和波浪能。最大的装机量为韩国的254MW的Sihwa电厂和法国北部240MW的潮汐能设施Rance电厂[16]。其余小规模的项目在美国和葡萄牙运行。但许多国家或地区政府继续支持海洋能研究和发展，一些大型项目在2013—2014年获得英国政府批准，预计今后几年开始建设。

潮流能和温差能发电技术也不断取得进展，目前处于示范项目阶段，有望成为下一个海洋能商业化应用领域。盐差能、海底地热能等还处于理论研究或试验的阶段。根据欧洲海洋能协会2010年发布的《欧洲2010—2050年海洋能路线图》，欧洲海洋能发电的装机容量到2020年可达3600MW，占欧盟27国电力需求的0.3％；到2050年可达190GW，占欧盟27国电力需求的15％。

潮汐发电的工作原理和一般水力发电原理相近，可利用成熟的水力涡轮发电机。潮流发电装置包括水平轴、垂直轴等多种形式，水平轴形式逐渐成为主流。由于海水密度是空气的800多倍，故潮流发电场占地面积仅为相同装机容量风电场的1/200。波浪能发电技术趋于多样化，发电装置主要分为五种类型：振荡水柱式、摆式、振荡浮子式、筏式、收缩坡道式。单机100千瓦，总体转换效率不低于25％，整机无故障运行时间不低于2000h的波浪能发电机是“十三五”重点发展的海洋能技术之一。

由于海洋热能转换在热带海域的复杂性，并与海水淡化有密切关系，近30年来吸引了国际社会的研发兴趣，美国、日本、荷兰、法国、英国、印度都在研究设计10～100MW级的温差能电站。除了盐差能、海底地热能尚处于理论研究和探索阶段，海藻生物质能也是新近开拓的海洋能应用领域。

总体来说，海洋能技术开发成本仍然较高。目前世界上共有近30个沿海国家在开发。英国在海洋能开发技术上世界领先，美国、韩国、日本、加拿大、挪威、澳大利亚和丹麦也正在积极从事相关研究和开发，并建成了一些代表性项目。中国在20世纪80年代独立研发建造的江夏潮汐能实验电站，容量3.9MW，暂居世界第四。

3.2.2.6　水电

水电是目前技术最成熟、最具市场竞争力的清洁能源。目前全球有159个国家建有水电站，水电总装机容量为1000GW，其他可再生能源的总装机容量仅为560GW。2013年的全球水电发电量约为3750TW·h，约合856Mtoe，与图3-9对比，约为同期其他可再生能源发电量的3倍，占全球能源消费的6.7％，保持了近年来的最高份额[2]。同时，2013年水电占全球电力消费的16％左右[10]，高于风电、核电等其他非化石能源发电量。全球历年分区域水电发电情况如图3-24所示。

抽水蓄能的方式使水电可调节利用，解决了输出的不稳定性和需求负荷之间的矛盾，和风能及太阳能类似，这些输出不稳定的可再生能源有助于调节电网峰值负荷和峰值功率的价格，故扩大抽水蓄能容量越来越受到重视。2013年中国和欧洲的抽水蓄能容量得到进一步扩大。中国纯抽水蓄能容量增加了1.2GW，总量达到了21.5GW，而同时全球总量达到了135～140GW。抽水蓄能发展的另一个方向将越来越多地用于平衡各种其他资源的变化。例如，日本的26GW抽水蓄能容量主要用于跟踪支持核电的基本负荷。

尽管如此，全世界未开发的水电资源蕴藏量仍然巨大，特别是在非洲、亚洲和拉丁美洲，国际能源署预计：到2050年全球水电装机容量将达到现在的2倍，约2000GW，并将年发电量7000TW·h；抽水蓄能容量将是目前水平的3～5倍[17]。

水电开发重点已由发达国家转向发展中国家及新兴经济体。中国是水电装机量最大的国家，2013年达到260GW，超过全球总量的1/4。其次是巴西，在2013年底达到86GW。加上加拿大和美国的水电，四国的水电总和约占全球水电发电量的一半。

能源和淡水供应的双重安全需求驱使了水电项目跨领域、跨越国家和地区的合作。许多国家间有跨边界传输水电的项目，如埃塞俄比亚和肯尼亚之间的东电高速路，加拿大曼尼托巴水电厂协议向美国北达科他风电场提供250MW用于平衡和补充电力供应。这一趋势显示了水电和其他能源的联用，以及补充输出不稳定的可再生能源系统的潜力[10]。

水电行业正在攻克更大容量的项目，制造商正在创造单机容量的新纪录（每台≥800MW）。同时，致力于减少水库容量和开发多机运行的河道项目，为适应这一趋势，开发出可变流量的涡轮机，以适应不同的流量。此外，减少水电产业对环境的破坏和影响的努力也在进行中，美国电力研究所（EPRI）承担了鱼类友好型水电基础设施的研究，旨在开发鱼类友好型水轮机，能使鱼类通过它时所受损伤最小，同时收集鱼类在通过引水通道和压力通道时的行为信息[16]。

综上所述，世界可再生能源的资源潜力巨大，但由于成本和技术因素的限制，其利用率还很低。水能、生物质能的应用技术相对成熟；风能、地热能、太阳能得益于政策的支持，近年来迅猛发展；海洋能特别是其中的温差能和盐差能等尚处于研发和考察阶段，离大规模商业化应用还有一段距离。