进入21世纪，中国能源面临着五大严峻挑战：能源需求总量的急剧增加和能源供应的巨大压力、液体燃料短缺、环境污染严重、温室气体排放、8亿农民及快速城镇化所需的清洁能源供应，这五大挑战严重制约了中国的可持续发展。因此，能源战略、能源科技、能源政策都应以解决以上五点为出发点。
从中长期来看，中国能源有以下几个无法改变的事实。煤的开采和直接燃烧已引起严重的生态和环境污染问题，70%-80%以上的SO2、NOX、Hg、PM2.5-10、CO2等都是由于煤炭直接燃烧所引起的。但根据对能源需求和能源供应的预测，煤炭现在以至将来（直到2050 年或更晚）仍将在中国能源消费中起主导作用，预计到2050 年煤炭将占中国能源消费总量的50%-60%（目前为70%），但总量不会低于20亿吨标准煤。并且，煤炭用于发电的比例会越来越大，目前为50%，预计到2020 年将达到70%以上。这意味着燃煤电厂排放的CO2将占中国CO2排放总量的60%以上，而从燃煤电厂尾气中捕捉CO2成本高昂。
面对能源资源紧张、环境污染、生态退化、全球变暖等日益紧迫的危机，大力发展可再生能源，尤其是大规模风力发电是中国能源系统的重要发展趋势之一。
从数量上而言，中国风能资源较丰富。据估计，风能资源经济可开发量中，陆上6 – 10 亿kW，海上1–2 亿kW。中国规划到2020 年风力发电总装机容量将达3000 万kW，准备修改的规划是2020年风电总装机容量达到1 亿kW，考虑到每单位装机容量的满负荷工作时间平均只有2000 小时，则1亿kW 的风电相当于火电3200 万kW 左右，占2020 年中国发电总装机容量14 亿kW的2.29%左右。太阳能热发电最多几万千瓦的示范，光伏发电不会比风电多。生物质能可利用的农作物秸秆折合 3 亿吨标煤，可利用的森林折合 3 亿吨标煤。
由于中国能源消费总量的急剧增长，单是发电设备（其中主要是燃煤的发电），每年增长的装机容量是60~80GW，超过3个长江三峡。在这个高速增长量中，可再生能源所能起的作用是很有限的，更不用说去替代原有的化石能源消耗。因此，可再生能源在2020年以前很难在总能源平衡中占有一定分量的比例，也就是说，2020年以前可再生能源不能解决中国能源的主要问题。必须从中国的现实出发，在一次能源以煤为主的情况下，构建能源、经济、环境整体化的可持续发展的能源系统。
可再生能源的根本特点是能流密度低、随机性大、不可控因素多。对中国而言，能源种类繁多（煤、石油、天然气、核能、水能、风能等），应当有一个能让各种能源取长补短、相互配合、发挥各自优势的战略布局，而不是各提指标，“各打各的仗”，“各吹各的号”。一个国家的能源系统是一个有机整体，是一个各种不同能源的转换、输送，并且以各种不同形式或产品服务于终端用户的庞大且复杂的广义总能系统。在多种能源输入、多种产品输出的广义总能系统中，每种能源必须发挥其特殊长处。若把可再生能源当作一种有份额的一次能源“插入”到整个能源系统中，则必须根据不同可再生能源的特点，从而确定其在整个能源系统中的战略地位，使之各得其所，发挥长处。因此，可再生能源利用一定要从国情，从各地区的具体情况出发，因地制宜，因应用制宜，从国家高度把“合适的能源放在合适的地方”。
根据上述广义能源系统利用的原理，可再生能源应当与化石能源集成利用，如生物质和煤的混烧发电、太阳能集热器+热泵+天然气（建筑能源供应）、太阳能加热火力发电厂的锅炉给水、大规模风场+燃气轮机或压缩空气蓄能、风能和煤化工的集成等，均是目前可再生能源发展中的“合适的位置”。
中国风力资源丰富的地区（新疆、内蒙、甘肃、宁夏等）基本是边远地区，当地用电负荷小，又远离负荷中心。而这些地区的风电规划都超过10 GW 以上（被称为风电“三峡”）。当地的电网结构比较薄弱，容量小；风电具有随机性，不易控制和调度，大规模地接入电网必然会导致电网的不稳定；如果要接入电网，风机的结构和控制系统将不得不复杂化，引起风电基本投资增加；且由于风电的随机性，电网必须要有相应的旋转备用电源，从而导致总投资增加。目前，电网已成为制约风电发展的一大瓶颈。
另一方面，中国石油短缺，对外依存度高又会引起一系列的能源安全问题，液体燃料短缺的大规模缓解只能通过煤基替代燃料如甲醇、二甲醚等实现，生物柴油和玉米等纤维素合成的乙醇只能解决一小部分问题。当然，煤炭对中国来说也是稀缺资源，但相对于其它能源资源，煤炭仍较为“丰富”，若每年将煤炭产量的1/8用于车用液体燃料的生产，从总的能源供应角度看，将不会带来很大的不平衡。所以煤基替代燃料（甲醇、二甲醚）和替代石油基塑料、纤维等是目前煤化工高速发展的动力。到2020 年中国用于化工生产的煤炭将达到3-4 亿吨标煤。但以甲醇生产为代表的煤化工都要排放大量的CO2，同时煤化工也要消耗大量的水，中国煤炭资源丰富的地区通常水资源都非常匮乏。产生的问题是大量的CO2 排放，这和发展低碳经济、应对气候变化不相容。
由于大规模风电的发展已成为必然趋势，而风电的上网问题是目前的一大难题；煤化工的发展面临着CO2排放的巨大压力。现实要求，一方面要给大量风电找“合适”的利用方式；另一方面，要大幅度降低现代煤化工CO2 排放，使之变得更“绿色”。
根据中国能源资源的分布特点，上述风电丰富、准备建设风电“三峡”的地区恰好是煤炭资源丰富、准备建设大规模现代煤化工的地区。在这些地区，风电的规模是十几个GW，每年煤化工的甲醇产量至少上千万吨。资源在地理上的耦合为风电和煤化工的集成利用提供了有利的条件。这是机遇，也是重大挑战。为此可以发展风电与甲醇生产集成系统，使甲醇生产更“绿色”。
在中国规划的具有大型煤化工基地的省市，如内蒙、宁夏、陕西、甘肃等，已提出年产千万吨的煤制甲醇项目和建设风电“三峡”的宏伟计划。若不认真整体规划，各行其是，这些项目将会成为一个大量排放温室气体、大量消耗水资源，与生态、可持续发展不能相容的工业群体，从长远来看，将长期影响中国能源、环境和生态的发展。
因而从现在开始，有必要按照各地区的具体情况，认真研究多种能源的集成优化配置，从示范到商业化再到大规模化，总体规划、分步实施。否则一旦风能、煤等各种资源在大能源基地没有整合，导致技术路线锁定，形成行业壁垒，几十年内都很难改变。这将导致新型、高效的能源系统很难推进和发展，节能减排困难重重。
作者：倪维斗是清华大学热能工程系教授，中国工程院院士。曾任清华大学副校长。现任北京市科协副主席，中国环境与发展国际合作委员会能源战略与技术工作组中方组长。
首页图片由LHOON摄
