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前瞻!未来能源产业将有哪些重大变革?

时间:2024-01-15     【转载】   来自:人民论坛网

     绿色发展是全球共同的目标,绿色能源正成为实现这一目标的核心抓手。据报道,中国石化川维化工公司的“万吨级天然气制乙炔成套技术”近日将再次走出国门,出口乌兹别克斯坦,为当地提供绿色能源技术“中国方案”,助力“一带一路”。此前,白鹤滩水电站16台机组全部投产,每天发电1亿多度,长江干流上的6座巨型梯级水电站更是形成了世界最大的“清洁能源走廊”。

    当前,世界正处在从化石能源向新能源过渡的第三次能源转型中,技术变革将为能源产业发展趋势带来哪些重要影响?一起关注《人民论坛》独家文章。

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技术创新如何影响绿色能源发展?

     “绿色能源”这一词汇是伴随着气候变化和环境保护而逐渐成为关注的焦点,在学术上并无明确的科学界定,更多是作为一种表达政治政策的话语而出现在政府和企业的规划报告、媒体的新闻报道中,与“绿色新政”“绿色发展”“绿色经济”等相呼应。从自然科学话语视角来看,能源本身并无黑色能源、绿色能源等色彩之分,主要是因人类生产消费能源的方式不同而导致的外部性效果不同。全球环境政治兴起后,煤炭被冠以“黑煤”的身份,成为污染的代名词,尽管经过几十年的清洁化技术创新,煤炭的高碳排放依然让煤电站成为国际气候合作中极力限制的对象。未来,当二氧化碳捕集、利用与封存(CCUS)技术实现大规模商业应用时,煤炭利用不再污染环境,也就可以摆脱“黑煤”身份。

     与绿色能源概念相近的是清洁能源、低碳能源和可再生能源。本文中的绿色能源主要指在现有技术条件下可大规模商业开发的、对环境友好的、可持续的能源资源,主要包括太阳能、风能、水能、生物质能、海洋能、地热能、绿氢等。核能是一种颇具争议的能源,相对传统能源,核能是一种新能源,能够提供稳定可靠低碳的电力供应,但以核裂变方式运行的核电站会产生高放射性废料,存在安全隐患,而核聚变产生的唯一废料氦气不具有放射性,被视为人类未来的“终极能源”,本文将核聚变能源也视为绿色能源。

    绿色能源是未来能源的发展趋势,迎合了第三次能源转型的低碳化和清洁化需求。同时,第三次能源转型带动能源特别是电力的智能与互联,给绿色能源提出了更多的技术创新要求,而正是因为绿色能源持续技术创新的累积效应,使得全球的能源结构向着更为低碳、清洁的方向发展。

     太阳能光伏发电产业的发展就是一个例证。1905年爱因斯坦发现了光电效应,1953年美国贝尔实验室发明实验装备验证了光电效应,1973年太阳能技术创新得以商业化,现代太阳能工业开启发展步伐,20世纪90年代德国逐渐形成昂贵的太阳能市场,21世纪初光伏技术得到巨额投资,中国光伏电板制造商开始快速增加,太阳能电池板效率开始大幅提高,电池板的价格大幅下降,2021年中国光伏成本已经低于传统燃煤发电。太阳能光伏技术完成了“发现→发明→技术创新商业化→规模扩散”全过程。需要说明的是,本文中的技术创新是指创新全过程,包括“研究与开发→新的发现与发明(新的产品、新的工艺)→商业化→创新扩散”的全过程。技术革新与技术突破都属于技术创新,前者是渐进的、后者是突变的。全球太阳能发电产业的壮大,既有技术创新、成本大幅下降的因素,也是全球产业政策体系推动的结果。2021年全球太阳能光伏发电量已超过1000TWh,相较于2010年的32.2TWh,实现了31倍的增长。光伏正在成为世界上大部分地区新增发电成本最低的发电方式之一,预计这将推动未来几年的投资。

     风能发电产业的发展也提供了例证。人类利用风能的历史久远,20世纪70年代现代风能产业开始出现,并于21世纪初得到迅速增长。推动风能发电增长的因素首先是技术创新,越来越高的风塔、更加智能复杂的控制系统和更精准有效的装机与天气预测模型,反映出持续的风电技术创新。如太阳能发电一样,全球产业政策体系在风电产业发展中发挥了较大的推动作用。2021年全球风能发电量已超过1870TWh,相较于2010年的342.7TWh,实现了5.5倍的增长,风能领先于其它非水可再生能源,2021年发电量几乎是所有其他可再生能源发电量的总和。

      技术创新和商业规模化等多种因素促使绿色能源发电效率提升、成本下降、装机量快速增加,使得第三次世界能源低碳清洁转型的趋势更加明显。当前多种绿色能源发电的度电成本已经低于燃煤发电。根据中金公司发布的研究报告,核电、光伏、风电、水电度电成本较燃煤发电分别低5%、17%、25%和34%。2010年—2020年间光伏发电成本下降89%,受益于规模效应、新材料替换和效率提升,未来10年成本有望再缩减一半,到2060年,光伏发电成本有望降至较火电低68%,成为最便宜的绿色电源。


能源转型成功的关键是什么?

     建立以储能为核心的多种绿色能源互补体系是第三次世界能源转型的发展方向,储能、绿色能源、能源智能网等领域的技术突破将是能源转型成功的关键,先进核能技术、CCUS技术的创新将带来长期收益,而可控核聚变的技术突破与商业化将引发新的能源革命。

     就当前技术创新和商业化水平而言,太阳能、风能是全球装机最多也是前景最好的绿色能源,但是太阳能和风能因受自然条件影响存在产能波动大、随机性高的特点,属于间歇性能源。能源结构中间歇性能源份额的增加,会对电网稳定平衡性造成巨大压力,给间歇性能源电价带来波动性,同时也容易造成大量的弃光、弃风现象。储能技术是解决绿色能源有效利用的关键,可作为电网与供热系统、燃气网络、电气化交通网等的连接桥梁,对改善间歇性能源的波动性和实现电力供需的一致性非常重要。在未来的低碳能源系统中,绿色能源和储能的多种灵活性组合,将会成为最具经济性的解决方案。因此,在未来的能源开发中,技术创新的主要目标是实现绿色能源供给端、储能端的降本增效和灵活可靠,发展以储能为核心的多种绿色能源互补体系。

     储能技术分为电化学储能技术与物理储能技术等。电化学储能技术包括液流电池、锂离子电池、铅炭电池、钠基电池技术等,具有位置环境不受限的灵活优势,在发电、输配电和用电过程中均可进行规模化应用,更有利于绿色能源的消纳。物理储能技术包括储电和储热,储电有抽水储能、压缩空气储能、飞轮储能、超导储电等,相较于电化学储能技术,物理储能技术具有规模大、成本低、寿命长、环保等特点,但较易受位置与环境限制。从技术特点和当前发展来看,物理储能更适合于发电和输配电过程,化学储能更多应用于交通领域,尤其是电动汽车的电池需求。绿色能源发电和储能技术的组合对传统发电技术形成越来越强的竞争,竞争结果主要取决于电池技术的发展,同时电池回收与处理技术也会影响这一组合的未来发展。当前在地缘政治和能源安全考量增加的形势下,电池作为矿物密集能源,锂、镍、锰、钴、稀土等电池原料的获取也会影响电化学储能技术创新和产业发展。2023年4月,中关村储能产业技术联盟发布的《储能产业研究白皮书2023》显示,截至2022年年底,全球已投运电力储能项目累计装机规模237.2GW,其中抽水蓄能累计装机规模占比为79.3%,锂离子电池在新型储能中的累计装机占比为94.4%。

     氢储能是一种新型储能方式,具有调节周期长、储能容量大的优势,在促进可再生能源消纳、电网调峰等应用场景中潜力巨大。氢是宇宙中储量最为丰富的元素,也是普通燃料中能量密度最高的绿色能源之一,绿氢因其绿色高效的特点而被称为21世纪的“终极能源”。然而因为技术创新少和成本较高等原因,氢能在工业应用领域的市场规模一直有限。在全球气候加速变化的情境下,氢能逐渐被视为实现碳中和目标的关键燃料。氢能产业全链条包括上、中、下游。氢能产业链的上游为制氢,目前世界上多数氢气来自对化石燃料的加工,属于污染的“灰氢”,在这一制氢过程中采用碳捕集和封存(CCS)技术可使“灰氢”脱碳后变成“蓝氢”。氢能利用的理想状态是“绿氢”,即利用可再生能源通过电解水制氢。目前世界大部分地区生产“蓝氢”的成本低于“绿氢”。随着技术和制造效率的提高,可再生能源和电解槽的价格将降低,这种成本差异在未来会进一步缩小。氢能产业链的中游为氢储运,有气态氢、液氢和固态氢等储运方式。高压气态氢储运技术已商业化,具有体量小、距离短和灵活性高等特征。液氢和固态氢能量密度极高,运输便捷,是未来实现大规模氢能储运的方向。尽管当前液氢和固态氢储运技术有了较大进步,但储氢密度、安全性和成本之间的平衡关系尚未解决,离大规模商业化应用还有距离。氢能产业链的下游为氢应用,氢能燃料既可以替代天然气作为工业和取暖燃料,又可以为重型卡车和轮船提供能源,还可以通过“绿电→氢→电”的转化方式成为新型储能手段。英国石油公司(BP)预测,2030年全球对低碳氢(蓝氢和绿氢)的需求在30Mtpa—50Mtpa之间,2030年—2050年间全球对低碳氢的需求将增长10倍,大约为300Mtpa—460Mtpa。2030年全球绿氢占低碳氢的60%左右,2050年将增加到65%左右。“蓝氢”作为“绿氢”的重要补充提供其余大部分氢。

     储能和氢能的技术创新前景可以从专利申请中看到趋势。以专利合作条约(PCT)形式提出的国际申请具有较高的价值和地位,代表着技术创新的最新成果,也是未来产业发展的风向标。从2000年—2020年间专利申请看,储能技术、氢能技术、燃料电池、智能电网等位居绿色技术PCT专利申请前列,并在近年来呈现逐年增加趋势,预计未来储能和氢能将成为能源领域竞争的重点技术。可再生能源发电领域的PCT专利申请量在2012年达到顶峰后,开始出现逐年下降趋势。

     在所有能源利用技术的创新前景中,核聚变技术的突破可能引发剧烈的冲击效应。核聚变使用氘和氚,反应后产生的氦气不具有放射性,氘可以从海水中提取,一升海水中的氘聚变释放能量达到300升汽油燃烧当量。人类从1952年第一颗氢弹爆炸后就开始了可控核聚变的研究,此后发明了托卡马克装置,2007年成立了国际热核聚变实验堆组织(ITER),2021年在中国,全超导托卡马克核聚变实验装置(EAST)成功实现了可重复的1.2亿摄氏度101秒和1.6亿摄氏度20秒等离子体运行,2022年中国新一代“人造太阳”(HL-2M)装置等离子体电流突破100万安培(1兆安),同年美国科研人员在劳伦斯利弗莫尔国家实验室“国家点燃实验设施”进行了历史上首次可控核聚变实验,实现了净能量增益的技术突破。经过几十年的研究,全球可控核聚变技术创新已取得长足进步,私人资本大举进入可控核聚变领域,但真正商业化运行可能还需要几十年的努力。可以预见的是,一旦可控核聚变技术实现突破和大规模商业化,人类现有的用能结构将会发生颠覆性的变化。

     自工业革命以来,全球化石燃料的使用量随着GDP的增长而增长,几十年来化石燃料在全球能源结构中占比一直高居80%,即使到2050年仍将略高于60%。全球与能源相关的二氧化碳排放量将在2025年达到370亿吨的峰值,到2050年回落到320亿吨。在这一过程中,
CCUS技术将发挥重要作用。CCUS技术是指可以在实现全球能源和气候目标方面发挥重要和多样化作用的技术,该技术通过化学吸附、物理分离等技术,从使用化石或生物质燃料的大型发电或工业设施捕获二氧化碳,也可以直接从大气中捕获。捕获的二氧化碳将通过管道、船舶、铁路或卡车进行压缩和运输,以待后续应用,或注入深层地质构造(包括枯竭的油气藏或盐化层)永久储存。目前,全球的CCUS设施每年可以捕获超过40Mt的二氧化碳。CCUS的贡献将随着时间的推移而增长,并扩展到全球能源系统的几乎所有部分。


能源产业发展趋势前瞻

     技术对能源的发展具有关键性影响,具体到能源产业的发展还需要考量资源、人口、气候、环境、政治与经济等其它因素。具体而言,资源的蕴藏和经济可采、人口对能源的需求与偏好、环境对能源活动的容纳度、政治诉求与政策体系、经济发展水平与趋势等,都对能源产业发展施加各种影响。技术创新主要是围绕上述需求而开展,并通过技术扩散发挥作用。

     ▲从资源与环境角度来看,化石能源不可再生,只会逐渐减少。历史上屡次出现的“石油峰值论”就是对化石能源枯竭的担忧。围绕化石能源的技术创新时间最长、底蕴最厚、成果最多,但依然摆脱不了化石能源终会枯竭的命运,尽管页岩气(油)革命延缓了这一进程。化石能源使用过程中会排放大量的二氧化碳,这也被认为是造成当今气候变化的罪魁祸首。人类对石油的担忧由原来的供应峰值变成了需求峰值——对石油的消费何时才能达峰?枯竭趋势和高碳排放促使化石能源终将从主导性能源地位退下,被迅速崛起的可再生能源替代。可再生能源拥有契合当今世界能源需求的多种优势:不会枯竭、清洁、低碳等,将会成为未来能源结构中的主导力量


      IEA预测,在“现行政策情景”中,化石燃料在全球能源结构中的占比将从目前的80%下降至2050年的60%。煤炭需求将在未来几年内达峰,石油需求将在21世纪30年代中期达峰,天然气需求在2021年至2030年将增加约5%,随后将趋于稳定。在“已公布的承诺情景”中,电力在能源消费中的占比将从2021年的20%上升到2050年的39%,可再生能源发电量在总发电量中的比重将从2021年的28%上升至2050年的80%,化石燃料发电量占比则从2021年的62%下降至2050年的26%。IEA预测,未来五年的太阳能光伏产能将逐年增加,2026年将超过天然气,2027年将超过煤炭,成为全球最大的电力来源。


      可再生能源产能的增加为世界能源清洁低碳转型带来了机遇,但随着可再生能源占比提高,“可再生能源+储能”的组合对储能电池的原料来源提出了新的挑战,未来的矿产需求量和价格将会迅速增长。电池中锂的使用推动了锂需求的增长,到2040年锂的需求将增长25倍至60倍,其中电池用途占锂总需求的85%—95%。镍的总需求也将增长2.5倍至4倍,其中65%—80%的增长是由于电动汽车电池使用的增加。全球关键矿石的分布集中于少数几个国家,有些矿石仅分布在两三个国家,拥有电池矿物丰富储藏或生产加工技术能力的国家和企业未来将显著获益,而大国对关键矿产的竞争博弈和生产国的资源民族主义行为有可能进一步加剧供需失衡,绿色关键金属供应链成为能源地缘政治关注的焦点。全球能源加速转型导致绿色关键金属需求长期持续上升,矿产资源丰富的国家将会获得更多的能源权力。

      ▲世界能源需求增长还受到人口和经济增长的影响。伴随着全球人口增加和经济进步,能源消费需求持续增长,能源质量偏好增多。联合国统计数据显示,截至2022年11月,全球人口已达80亿,自2010年以来增加了10亿,自1998年以来增加了20亿。预计到2050年全球人口将增加至97亿,并可能在21世纪80年代中期达到近104亿的峰值。人口增加、城市化步伐加快及经济增长为能源生产提供了持续的动力。根据BP能源数据库公布的数据,经计算所得,全球一次能源消费从2000年的396.88艾焦耳上升到2021年的595.15艾焦耳,增长近1.5倍。此外,经济发展程度不同的国家对能源利用和能源转型有着不同的态度和意义。发展中国家在讨论能源转型方案时往往低估面临的挑战和困难,一些发展必需的清洁能源却被发达国家认为是污染的能源。经济发展程度的不一致影响了发展中国家与发达国家之间开展气候国际合作的成效,能源转型变成了发展权之争。

     ▲随着极端天气增加,气候变化已成为全球各国政府的核心议题之一
。目前联合国应对气候变化的政策框架主要表现为实施碳中和行动计划。截至目前,全球超过130个国家和地区提出了净零排放或碳中和的目标。在全球气候变化与碳中和的结构性压力下,各国政府既要努力实现零碳目标,又要考虑本国能源安全和经济发展韧性。因此,在设计制定本国能源政策时,核心是加快推进能源转型,实现碳减排目标,包括提升可再生能源占比,提高能源利用效率,建设新核电机组,推进CCUS技术的部署等。除了增加公共资金投入外,政府还需制定政策,鼓励民间资本参与清洁能源领域。IEA指出,预计到2030年清洁能源投资将从2021年的1.3万亿美元上升至2万亿美元,但是如果要实现2050年净零排放目标,这一投资额到2030年需达到4万亿美元。

     一些发达经济体为未来十年新制定了政策目标和政府计划,为加速清洁能源发展奠定了基调,比如,美国出台的《通胀削减法案》、欧盟发布的重新赋能欧洲计划、澳大利亚出台的气候变化法案等。欧盟发布的重新赋能欧洲计划以保障欧盟能源安全为核心,通过节能、能源进口多样化和加速清洁能源转型以提升能源系统抗风险能力。同时,欧盟允许成员国在能源转型前可以适度的增加化石能源供给,以更好保障能源安全。

      ▲对能源产业发展而言,技术虽然不是决定性因素,但却是最为重要的因素。人口和经济的增长需要技术来开发、生产更多的资源和能源,资源开发遭遇环境压力也需要技术创新来实现能源利用方式的转型,而政治诉求和政策设计又极力促进技术扩散和大规模商业化。在全球实现碳中和目标的结构性压力下,国家和企业都承担着推动能源清洁化转型、提升能源安全和韧性发展的任务,利用好既有优势因素,发挥技术创新的催化和倍增效应,将影响国家能源产业的发展前景,也决定了国家和企业在未来能源产业中的地位与权力。


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