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    未來能源產業將有哪些重大變革?

    人民論壇網發布時間:2023-11-13 13:19:49  作者:許勤華、張艷偉

      綠色發展是全球共同的目標,綠色能源正成為實現這一目標的核心抓手。據報道,中國石化川維化工公司的“萬噸級天然氣制乙炔成套技術”近日將再次走出國門,出口烏茲別克斯坦,為當地提供綠色能源技術“中國方案”,助力“一帶一路”。此前,白鶴灘水電站16臺機組全部投產,每天發電1億多度,長江干流上的6座巨型梯級水電站更是形成了世界最大的“清潔能源走廊”。

      當前,世界正處在從化石能源向新能源過渡的第三次能源轉型中,技術變革將為能源產業發展趨勢帶來哪些重要影響?一起關注《人民論壇》獨家文章。

      技術創新如何影響綠色能源發展?

      “綠色能源”這一詞匯是伴隨著氣候變化和環境保護而逐漸成為關注的焦點,在學術上并無明確的科學界定,更多是作為一種表達政治政策的話語而出現在政府和企業的規劃報告、媒體的新聞報道中,與“綠色新政”“綠色發展”“綠色經濟”等相呼應。從自然科學話語視角來看,能源本身并無黑色能源、綠色能源等色彩之分,主要是因人類生產消費能源的方式不同而導致的外部性效果不同。全球環境政治興起后,煤炭被冠以“黑煤”的身份,成為污染的代名詞,盡管經過幾十年的清潔化技術創新,煤炭的高碳排放依然讓煤電站成為國際氣候合作中極力限制的對象。未來,當二氧化碳捕集、利用與封存(CCUS)技術實現大規模商業應用時,煤炭利用不再污染環境,也就可以擺脫“黑煤”身份。

      與綠色能源概念相近的是清潔能源、低碳能源和可再生能源。本文中的綠色能源主要指在現有技術條件下可大規模商業開發的、對環境友好的、可持續的能源資源,主要包括太陽能、風能、水能、生物質能、海洋能、地熱能、綠氫等。核能是一種頗具爭議的能源,相對傳統能源,核能是一種新能源,能夠提供穩定可靠低碳的電力供應,但以核裂變方式運行的核電站會產生高放射性廢料,存在安全隱患,而核聚變產生的唯一廢料氦氣不具有放射性,被視為人類未來的“終極能源”,本文將核聚變能源也視為綠色能源。

      綠色能源是未來能源的發展趨勢,迎合了第三次能源轉型的低碳化和清潔化需求。同時,第三次能源轉型帶動能源特別是電力的智能與互聯,給綠色能源提出了更多的技術創新要求,而正是因為綠色能源持續技術創新的累積效應,使得全球的能源結構向著更為低碳、清潔的方向發展。

      太陽能光伏發電產業的發展就是一個例證。1905年愛因斯坦發現了光電效應,1953年美國貝爾實驗室發明實驗裝備驗證了光電效應,1973年太陽能技術創新得以商業化,現代太陽能工業開啟發展步伐,20世紀90年代德國逐漸形成昂貴的太陽能市場,21世紀初光伏技術得到巨額投資,中國光伏電板制造商開始快速增加,太陽能電池板效率開始大幅提高,電池板的價格大幅下降,2021年中國光伏成本已經低于傳統燃煤發電。太陽能光伏技術完成了“發現→發明→技術創新商業化→規模擴散”全過程。需要說明的是,本文中的技術創新是指創新全過程,包括“研究與開發→新的發現與發明(新的產品、新的工藝)→商業化→創新擴散”的全過程。技術革新與技術突破都屬于技術創新,前者是漸進的、后者是突變的。全球太陽能發電產業的壯大,既有技術創新、成本大幅下降的因素,也是全球產業政策體系推動的結果。2021年全球太陽能光伏發電量已超過1000TWh,相較于2010年的32.2TWh,實現了31倍的增長。光伏正在成為世界上大部分地區新增發電成本最低的發電方式之一,預計這將推動未來幾年的投資。

      風能發電產業的發展也提供了例證。人類利用風能的歷史久遠,20世紀70年代現代風能產業開始出現,并于21世紀初得到迅速增長。推動風能發電增長的因素首先是技術創新,越來越高的風塔、更加智能復雜的控制系統和更精準有效的裝機與天氣預測模型,反映出持續的風電技術創新。如太陽能發電一樣,全球產業政策體系在風電產業發展中發揮了較大的推動作用。2021年全球風能發電量已超過1870TWh,相較于2010年的342.7TWh,實現了5.5倍的增長,風能領先于其它非水可再生能源,2021年發電量幾乎是所有其他可再生能源發電量的總和。

      技術創新和商業規?;榷喾N因素促使綠色能源發電效率提升、成本下降、裝機量快速增加,使得第三次世界能源低碳清潔轉型的趨勢更加明顯。當前多種綠色能源發電的度電成本已經低于燃煤發電。根據中金公司發布的研究報告,核電、光伏、風電、水電度電成本較燃煤發電分別低5%、17%、25%和34%。2010年—2020年間光伏發電成本下降89%,受益于規模效應、新材料替換和效率提升,未來10年成本有望再縮減一半,到2060年,光伏發電成本有望降至較火電低68%,成為最便宜的綠色電源。

      能源轉型成功的關鍵是什么?

      建立以儲能為核心的多種綠色能源互補體系是第三次世界能源轉型的發展方向,儲能、綠色能源、能源智能網等領域的技術突破將是能源轉型成功的關鍵,先進核能技術、CCUS技術的創新將帶來長期收益,而可控核聚變的技術突破與商業化將引發新的能源革命。

      就當前技術創新和商業化水平而言,太陽能、風能是全球裝機最多也是前景最好的綠色能源,但是太陽能和風能因受自然條件影響存在產能波動大、隨機性高的特點,屬于間歇性能源。能源結構中間歇性能源份額的增加,會對電網穩定平衡性造成巨大壓力,給間歇性能源電價帶來波動性,同時也容易造成大量的棄光、棄風現象。儲能技術是解決綠色能源有效利用的關鍵,可作為電網與供熱系統、燃氣網絡、電氣化交通網等的連接橋梁,對改善間歇性能源的波動性和實現電力供需的一致性非常重要。在未來的低碳能源系統中,綠色能源和儲能的多種靈活性組合,將會成為最具經濟性的解決方案。因此,在未來的能源開發中,技術創新的主要目標是實現綠色能源供給端、儲能端的降本增效和靈活可靠,發展以儲能為核心的多種綠色能源互補體系。

      儲能技術分為電化學儲能技術與物理儲能技術等。電化學儲能技術包括液流電池、鋰離子電池、鉛炭電池、鈉基電池技術等,具有位置環境不受限的靈活優勢,在發電、輸配電和用電過程中均可進行規?;瘧?,更有利于綠色能源的消納。物理儲能技術包括儲電和儲熱,儲電有抽水儲能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能、超導儲電等,相較于電化學儲能技術,物理儲能技術具有規模大、成本低、壽命長、環保等特點,但較易受位置與環境限制。從技術特點和當前發展來看,物理儲能更適合于發電和輸配電過程,化學儲能更多應用于交通領域,尤其是電動汽車的電池需求。綠色能源發電和儲能技術的組合對傳統發電技術形成越來越強的競爭,競爭結果主要取決于電池技術的發展,同時電池回收與處理技術也會影響這一組合的未來發展。當前在地緣政治和能源安全考量增加的形勢下,電池作為礦物密集能源,鋰、鎳、錳、鈷、稀土等電池原料的獲取也會影響電化學儲能技術創新和產業發展。2023年4月,中關村儲能產業技術聯盟發布的《儲能產業研究白皮書2023》顯示,截至2022年年底,全球已投運電力儲能項目累計裝機規模237.2GW,其中抽水蓄能累計裝機規模占比為79.3%,鋰離子電池在新型儲能中的累計裝機占比為94.4%。

      氫儲能是一種新型儲能方式,具有調節周期長、儲能容量大的優勢,在促進可再生能源消納、電網調峰等應用場景中潛力巨大。氫是宇宙中儲量最為豐富的元素,也是普通燃料中能量密度最高的綠色能源之一,綠氫因其綠色高效的特點而被稱為21世紀的“終極能源”。然而因為技術創新少和成本較高等原因,氫能在工業應用領域的市場規模一直有限。在全球氣候加速變化的情境下,氫能逐漸被視為實現碳中和目標的關鍵燃料。氫能產業全鏈條包括上、中、下游。氫能產業鏈的上游為制氫,目前世界上多數氫氣來自對化石燃料的加工,屬于污染的“灰氫”,在這一制氫過程中采用碳捕集和封存(CCS)技術可使“灰氫”脫碳后變成“藍氫”。氫能利用的理想狀態是“綠氫”,即利用可再生能源通過電解水制氫。目前世界大部分地區生產“藍氫”的成本低于“綠氫”。隨著技術和制造效率的提高,可再生能源和電解槽的價格將降低,這種成本差異在未來會進一步縮小。氫能產業鏈的中游為氫儲運,有氣態氫、液氫和固態氫等儲運方式。高壓氣態氫儲運技術已商業化,具有體量小、距離短和靈活性高等特征。液氫和固態氫能量密度極高,運輸便捷,是未來實現大規模氫能儲運的方向。盡管當前液氫和固態氫儲運技術有了較大進步,但儲氫密度、安全性和成本之間的平衡關系尚未解決,離大規模商業化應用還有距離。氫能產業鏈的下游為氫應用,氫能燃料既可以替代天然氣作為工業和取暖燃料,又可以為重型卡車和輪船提供能源,還可以通過“綠電→氫→電”的轉化方式成為新型儲能手段。英國石油公司(BP)預測,2030年全球對低碳氫(藍氫和綠氫)的需求在30Mtpa—50Mtpa之間,2030年—2050年間全球對低碳氫的需求將增長10倍,大約為300Mtpa—460Mtpa。2030年全球綠氫占低碳氫的60%左右,2050年將增加到65%左右。“藍氫”作為“綠氫”的重要補充提供其余大部分氫。

      儲能和氫能的技術創新前景可以從專利申請中看到趨勢。以專利合作條約(PCT)形式提出的國際申請具有較高的價值和地位,代表著技術創新的最新成果,也是未來產業發展的風向標。從2000年—2020年間專利申請看,儲能技術、氫能技術、燃料電池、智能電網等位居綠色技術PCT專利申請前列,并在近年來呈現逐年增加趨勢,預計未來儲能和氫能將成為能源領域競爭的重點技術??稍偕茉窗l電領域的PCT專利申請量在2012年達到頂峰后,開始出現逐年下降趨勢。

      在所有能源利用技術的創新前景中,核聚變技術的突破可能引發劇烈的沖擊效應。核聚變使用氘和氚,反應后產生的氦氣不具有放射性,氘可以從海水中提取,一升海水中的氘聚變釋放能量達到300升汽油燃燒當量。人類從1952年第一顆氫彈爆炸后就開始了可控核聚變的研究,此后發明了托卡馬克裝置,2007年成立了國際熱核聚變實驗堆組織(ITER),2021年在中國,全超導托卡馬克核聚變實驗裝置(EAST)成功實現了可重復的1.2億攝氏度101秒和1.6億攝氏度20秒等離子體運行,2022年中國新一代“人造太陽”(HL-2M)裝置等離子體電流突破100萬安培(1兆安),同年美國科研人員在勞倫斯利弗莫爾國家實驗室“國家點燃實驗設施”進行了歷史上首次可控核聚變實驗,實現了凈能量增益的技術突破。經過幾十年的研究,全球可控核聚變技術創新已取得長足進步,私人資本大舉進入可控核聚變領域,但真正商業化運行可能還需要幾十年的努力??梢灶A見的是,一旦可控核聚變技術實現突破和大規模商業化,人類現有的用能結構將會發生顛覆性的變化。

      自工業革命以來,全球化石燃料的使用量隨著GDP的增長而增長,幾十年來化石燃料在全球能源結構中占比一直高居80%,即使到2050年仍將略高于60%。全球與能源相關的二氧化碳排放量將在2025年達到370億噸的峰值,到2050年回落到320億噸。在這一過程中,CCUS技術將發揮重要作用。CCUS技術是指可以在實現全球能源和氣候目標方面發揮重要和多樣化作用的技術,該技術通過化學吸附、物理分離等技術,從使用化石或生物質燃料的大型發電或工業設施捕獲二氧化碳,也可以直接從大氣中捕獲。捕獲的二氧化碳將通過管道、船舶、鐵路或卡車進行壓縮和運輸,以待后續應用,或注入深層地質構造(包括枯竭的油氣藏或鹽化層)永久儲存。目前,全球的CCUS設施每年可以捕獲超過40Mt的二氧化碳。CCUS的貢獻將隨著時間的推移而增長,并擴展到全球能源系統的幾乎所有部分。

      能源產業發展趨勢前瞻

      技術對能源的發展具有關鍵性影響,具體到能源產業的發展還需要考量資源、人口、氣候、環境、政治與經濟等其它因素。具體而言,資源的蘊藏和經濟可采、人口對能源的需求與偏好、環境對能源活動的容納度、政治訴求與政策體系、經濟發展水平與趨勢等,都對能源產業發展施加各種影響。技術創新主要是圍繞上述需求而開展,并通過技術擴散發揮作用。

      ▲從資源與環境角度來看,化石能源不可再生,只會逐漸減少。歷史上屢次出現的“石油峰值論”就是對化石能源枯竭的擔憂。圍繞化石能源的技術創新時間最長、底蘊最厚、成果最多,但依然擺脫不了化石能源終會枯竭的命運,盡管頁巖氣(油)革命延緩了這一進程?;茉词褂眠^程中會排放大量的二氧化碳,這也被認為是造成當今氣候變化的罪魁禍首。人類對石油的擔憂由原來的供應峰值變成了需求峰值——對石油的消費何時才能達峰?枯竭趨勢和高碳排放促使化石能源終將從主導性能源地位退下,被迅速崛起的可再生能源替代??稍偕茉磽碛衅鹾袭斀袷澜缒茉葱枨蟮亩喾N優勢:不會枯竭、清潔、低碳等,將會成為未來能源結構中的主導力量。

      IEA預測,在“現行政策情景”中,化石燃料在全球能源結構中的占比將從目前的80%下降至2050年的60%。煤炭需求將在未來幾年內達峰,石油需求將在21世紀30年代中期達峰,天然氣需求在2021年至2030年將增加約5%,隨后將趨于穩定。在“已公布的承諾情景”中,電力在能源消費中的占比將從2021年的20%上升到2050年的39%,可再生能源發電量在總發電量中的比重將從2021年的28%上升至2050年的80%,化石燃料發電量占比則從2021年的62%下降至2050年的26%。IEA預測,未來五年的太陽能光伏產能將逐年增加,2026年將超過天然氣,2027年將超過煤炭,成為全球最大的電力來源。

      可再生能源產能的增加為世界能源清潔低碳轉型帶來了機遇,但隨著可再生能源占比提高,“可再生能源+儲能”的組合對儲能電池的原料來源提出了新的挑戰,未來的礦產需求量和價格將會迅速增長。電池中鋰的使用推動了鋰需求的增長,到2040年鋰的需求將增長25倍至60倍,其中電池用途占鋰總需求的85%—95%。鎳的總需求也將增長2.5倍至4倍,其中65%—80%的增長是由于電動汽車電池使用的增加。全球關鍵礦石的分布集中于少數幾個國家,有些礦石僅分布在兩三個國家,擁有電池礦物豐富儲藏或生產加工技術能力的國家和企業未來將顯著獲益,而大國對關鍵礦產的競爭博弈和生產國的資源民族主義行為有可能進一步加劇供需失衡,綠色關鍵金屬供應鏈成為能源地緣政治關注的焦點。全球能源加速轉型導致綠色關鍵金屬需求長期持續上升,礦產資源豐富的國家將會獲得更多的能源權力。

      ▲世界能源需求增長還受到人口和經濟增長的影響。伴隨著全球人口增加和經濟進步,能源消費需求持續增長,能源質量偏好增多。聯合國統計數據顯示,截至2022年11月,全球人口已達80億,自2010年以來增加了10億,自1998年以來增加了20億。預計到2050年全球人口將增加至97億,并可能在21世紀80年代中期達到近104億的峰值。人口增加、城市化步伐加快及經濟增長為能源生產提供了持續的動力。根據BP能源數據庫公布的數據,經計算所得,全球一次能源消費從2000年的396.88艾焦耳上升到2021年的595.15艾焦耳,增長近1.5倍。此外,經濟發展程度不同的國家對能源利用和能源轉型有著不同的態度和意義。發展中國家在討論能源轉型方案時往往低估面臨的挑戰和困難,一些發展必需的清潔能源卻被發達國家認為是污染的能源。經濟發展程度的不一致影響了發展中國家與發達國家之間開展氣候國際合作的成效,能源轉型變成了發展權之爭。

      ▲隨著極端天氣增加,氣候變化已成為全球各國政府的核心議題之一。目前聯合國應對氣候變化的政策框架主要表現為實施碳中和行動計劃。截至目前,全球超過130個國家和地區提出了凈零排放或碳中和的目標。在全球氣候變化與碳中和的結構性壓力下,各國政府既要努力實現零碳目標,又要考慮本國能源安全和經濟發展韌性。因此,在設計制定本國能源政策時,核心是加快推進能源轉型,實現碳減排目標,包括提升可再生能源占比,提高能源利用效率,建設新核電機組,推進CCUS技術的部署等。除了增加公共資金投入外,政府還需制定政策,鼓勵民間資本參與清潔能源領域。IEA指出,預計到2030年清潔能源投資將從2021年的1.3萬億美元上升至2萬億美元,但是如果要實現2050年凈零排放目標,這一投資額到2030年需達到4萬億美元。

      一些發達經濟體為未來十年新制定了政策目標和政府計劃,為加速清潔能源發展奠定了基調,比如,美國出臺的《通脹削減法案》、歐盟發布的重新賦能歐洲計劃、澳大利亞出臺的氣候變化法案等。歐盟發布的重新賦能歐洲計劃以保障歐盟能源安全為核心,通過節能、能源進口多樣化和加速清潔能源轉型以提升能源系統抗風險能力。同時,歐盟允許成員國在能源轉型前可以適度的增加化石能源供給,以更好保障能源安全。

      ▲對能源產業發展而言,技術雖然不是決定性因素,但卻是最為重要的因素。人口和經濟的增長需要技術來開發、生產更多的資源和能源,資源開發遭遇環境壓力也需要技術創新來實現能源利用方式的轉型,而政治訴求和政策設計又極力促進技術擴散和大規模商業化。在全球實現碳中和目標的結構性壓力下,國家和企業都承擔著推動能源清潔化轉型、提升能源安全和韌性發展的任務,利用好既有優勢因素,發揮技術創新的催化和倍增效應,將影響國家能源產業的發展前景,也決定了國家和企業在未來能源產業中的地位與權力。

      上文略有刪減

      選自 | 《人民論壇》雜志

      原標題 | 綠色能源的技術突破和未來能源產業前瞻

      作者 | 中國人民大學國家發展與戰略研究院副院長、國際能源戰略研究中心主任,中國人民大學國際關系學院教授、博導 許勤華;

      中國人民大學國家發展與戰略研究院“一帶一路”研究中心研究員 張艷偉


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