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    2023全球能源領域前沿技術發展報告

    中能傳媒研究院發布時間:2023-12-07 13:48:21  作者:邱麗靜

      創新是引領科技發展的第一動力,更是推動能源轉型的重要突破口。當前,全球新一輪科技革命和產業變革方興未艾,能源科技創新進入持續高度活躍期。其中,氫能和核能成為支持清潔能源發展和碳中和進程的重要力量。在氫能方面,美國發布首個國家清潔氫戰略路線圖,明確了清潔氫能的戰略性地位,并提出了加速清潔氫能生產、加工、交付、存儲和使用的綜合發展框架。其他國家也在加大氫能支持力度,積極搶占發展先機。在核能方面,以先進核能技術、可控核聚變等為代表的新技術新方向成為熱點。此外,鋰離子電池、液流電池、壓縮空氣儲能等儲能技術在能源領域也占據了重要地位。這些技術的應用和推廣需要我們持續研究和探索。本文在梳理新形勢下全球能源投資現狀及趨勢基礎上,分析主要經濟體能源技術發展重點,研判能源領域低碳前沿技術發展趨勢,并提出對我國的啟示與建議,供參考。

      一、2023年全球能源投資現狀及趨勢

      當前,全球經濟復蘇進程放緩,綠色投資全面增長成為重要亮點。隨著全球氣候變化問題日益嚴重,各國政府和企業紛紛加大對清潔能源的投入,以減少溫室氣體排放,推動可持續發展。成本、氣候和能源安全目標以及工業戰略共同推動了清潔能源技術投資的強勁增長。

      (一)清潔能源技術投資強勁增長,太陽能投資將首次超過石油

      2021年以來清潔能源投資增長了24%。2022年,受經濟復蘇、能源危機以及化石能源市場劇烈波動等影響,全球能源投資和相關技術部署得到一定提振。根據國際能源署(IEA)發布的《2023年全球能源投資報告》,2022年全球能源投資總額為2.6萬億美元,這一增長主要受到天然氣投資的推動,因為各國紛紛尋求更清潔的能源替代煤炭作為發電燃料。而到2023年,IEA預計全球能源投資將達到約2.8萬億美元,其中清潔能源投資將超過1.7萬億美元,比2021年增長24%,包括可再生能源電力、核能、電網、儲能、低排放燃料、能效提升以及終端可再生能源和電氣化;剩余部分將用于化石能源供應和電力,其中約15%用于煤炭,其他為石油和天然氣。


    圖1 2015—2023年全球對清潔能源和化石燃料的投資情況 (來源:IEA)

      清潔能源與化石燃料投資之間的差距拉大。由于全球能源危機引發的可負擔性和安全擔憂,選擇更可持續能源的趨勢進一步加強,清潔能源技術的投資遠遠超過化石燃料支出,兩者投資的差距正在擴大。IEA指出,五年前,清潔能源與化石能源的投資比為1:1,如今這一比例已擴大至1.7:1。一方面,太陽能和風能等清潔能源的成本越來越低;另一方面,許多國家都認為,發展清潔能源不僅可以應對氣候變化,還是解決能源安全問題的持久方案。

      太陽能投資將在2023年首次超過石油生產投資。全球清潔能源投資增長具體體現在以太陽能為主導的可再生能源和電動汽車兩個方向,清潔能源投資增長由可再生能源和電動汽車引領,電池、熱泵和核能等領域也作出了重要貢獻。IEA預計,2023年,低排放電力投資將占發電總投資的近90%。其中,太陽能表現最佳,其投資將達到3800億美元,首次超過石油上游投資。另外,消費者對電動汽車的需求正在快速增長,預計電動汽車銷量在2022年創下歷史新高后,今年將增長三分之一以上。對電動汽車的投資自2021年以來翻了一番多,預計2023年將達到1300億美元。此外,全球熱泵銷售額自2021年以來實現了10%以上的增長。

    圖2 2015—2023年全球清潔能源投資情況 (來源:IEA)

      (二)全球清潔能源投資不均衡,區域較為集中

      清潔能源投資雖然增長強勁,但極不平衡。2021年以來超過90%的清潔能源投資增長來自發達經濟體和中國,其增長額超過了其他地區的投資總額。印度的太陽能投資、巴西和中東部分地區的可再生能源投資也有所增長,但這些國家和地區對太陽能投資增長的貢獻很小。如果其他國家的清潔能源轉型不加速進行,全球能源可能面臨新的不平衡發展。清潔能源投資中最大的短板存在于新興經濟體和發展中國家,主要的制約因素包括政策框架和市場設計不明確、電網等基礎設施薄弱、利率等資本成本高等。在這些地區,由于清潔能源投資回報率低,私人投資涉足意愿低,因此需要國際社會做更多的工作,特別是在推動私營資本一直不愿冒險的低收入經濟體的投資方面。

    圖3 2019—2023年主要國家和地區清潔能源投資情況 (來源:IEA)

      (三)投資正流向關鍵礦產領域,由電動汽車和電池研發制造引領

      電動汽車和電池是需求增長的主要驅動力。據統計,2022年,電動汽車銷量增長60%,超過1000萬輛,儲能系統裝機容量增加了一倍,太陽能光伏裝機繼續打破之前的紀錄,風電裝機在經歷了兩年的低迷后恢復上升勢頭。這導致對關鍵礦產的需求顯著增加,根據IEA《關鍵礦產市場評估2023》報告,2017—2022年,能源行業的發展推動全球鋰需求增長2倍,鈷和鎳的需求分別增長70%、40%。關鍵礦產中的清潔能源技術應用占比也在上升,到2022年,清潔能源應用占全部鋰、鎳、鈷需求比重分別較五年前提升了26%、10%、23%。清潔能源技術關鍵礦產需求將迅速增加,IEA預測,在2050年凈零排放情景中,到2030年關鍵礦物需求將增長3.5倍,達到3000多萬噸。電動汽車和電池是需求增長的主要驅動力,其次低排放發電和電網也是重要驅動因素。

    圖4 清潔能源應用占鋰、鎳、鈷需求比重 (來源:IEA)

      清潔能源制造、關鍵礦物和金屬供應的競爭是確保彈性轉型的關鍵。IEA發布《2023年世界能源展望》預測,2030年,全球主要清潔能源技術市場價值將達到約6500億美元,是目前水平的三倍多。清潔能源安全轉型取決于彈性和多樣化的清潔能源供應鏈,要實現全球氣溫上升控制在1.5攝氏度,IEA認為,2030年還需在清潔能源制造和關鍵礦產供應方面投資約1.2萬億美元。其中,電動汽車市場利好、儲能電池的強勁投資以及本土供應鏈政策,將推動全球新的鋰離子電池制造項目部署,到2030年有望達到5.2太瓦時的新產能。但由于資源勘探到開采加工需要十年以上時間,關鍵礦產投資將成為清潔技術制造和部署的制約因素。礦產開發也需要大量的資金投入,包括采礦權許可費、勘探費用、設備購置費用、勞動力成本等。繼2021年同比增長20%后,2022年關鍵礦產開發投資再次大幅增長30%。IEA通過對20家大型礦業企業投資水平進行詳細分析后發現,在清潔能源部署強勁勢頭刺激下,關鍵礦產的資本支出大幅增加。專門從事鋰開發企業的支出增長了50%,其次是專注于銅和鎳的企業。2022年,中國企業的礦產開發投資支出幾乎翻了一番。除礦產開采外,鈉離子電池在2023年初實現了飛躍,計劃產能超過100吉瓦時,且主要集中在中國。雖然絕大多數電池回收產能位于中國,但各國已宣布的制造計劃將在一定程度上降低中國市場的占有率。

      二、世界主要經濟體能源科技戰略與政策動態

      隨著全球應對氣候變化和能源轉型進程的不斷推進,能源產業成為大國博弈的重要領域。歐美大力發展太陽能、風能等清潔能源技術;美日相繼更新國家氫能戰略,釋放出氫能產業化加速信號;先進的小型模塊化反應堆、第四代核能系統以及熱核聚變堆,已經成為全球先進核能技術研發焦點;新產品、新技術已成為全球碳減排技術的競技場;不斷擴張的能源行業推動了全球對關鍵礦物的需求,歐美正通過一系列新政策實現礦產供應的多樣化,包括歐盟《關鍵原材料法案》、美國《通脹削減法案》等。

      (一)光伏風電技術

      在強有力的政策支持、具有吸引力的價格以及模塊化特性的推動下,光伏系統繼續快速滲透到全球能源系統中。歐美等發達經濟體出臺一系列政策措施和規劃:加速實現光伏供應鏈本地化;不斷完善促進風電產業發展的政策措施,加快風電技術水平提升和產業轉型升級;建立可再生能源中心,推進海洋能開發利用技術的研究、應用和示范工作;通過專項基金或研發稅減免提供支持,為清潔能源中小企業提供必要的創新條件。

      1.加速光伏供應鏈本地化

      美國開始加快光伏制造業的發展。根據Wood Mackenzie發布的《美國太陽能市場洞察報告》,2023年美國新增光伏裝機將同比增長50%以上,再創歷史新高,這得益于《通脹削減法案》《兩黨基礎設施法案》等提出的財政激勵措施等多種因素。美國能源部通過《兩黨基礎設施法案》投入4500萬美元資助太陽能晶硅制造和兩用光伏孵化器示范項目,用于持續降低太陽能成本,同時開發下一代太陽能技術和促進美國太陽能制造業發展,推動太陽能發電安全、穩健和可靠并入國家能源網絡。美國能源部還發布《推進聚光太陽能熱發電定日鏡技術的路線圖》,對聚光太陽能的重要部件定日鏡的研究和部署進行了規劃,目標是降低聚光太陽能發電系統成本,到2030年使其發電成本降到每千瓦時0.05美元。為促進美國國內太陽能制造業發展,美國能源部宣布一系列研發項目,例如投入3600萬美元資金推進鈣鈦礦和碲化鎘(CdTe)光伏等薄膜太陽能技術;投入5200萬美元強化美國本土太陽能供應鏈,投入3000萬美元資助太陽能并網技術;啟動400萬美元“美國制造太陽能獎”第七輪項目,激勵太陽能硬件和軟件技術創新。此外,美國公用事業規模的光伏系統開發商也在政府2024年6月取消新關稅禁令之前安裝更多的光伏系統。

      歐洲發展光伏產業加速能源轉型。由于歐洲天然氣和電力能源價格飛漲,歐洲各國從2022年開始出現新一輪安裝光伏發電系統的熱潮。根據相關統計,歐盟2022年的光伏新增裝機容量比前一年增長了47%,預計2023年裝機量將實現40%的增長。同時由于光伏組件價格上漲,2022年市場拍賣活動嚴重減弱,但現在歐洲的拍賣參與率已開始再次上升。在德國政府2023年8月最新招標中,采購的光伏系統裝機容量達到創紀錄的1.7吉瓦。為實現工業關鍵原材料的本土化生產,并反制美國的《通脹削減法案》,歐洲開始加強產業支持計劃以確保光伏產業回流。歐盟2022年5月發布REPowerEU計劃,提出到2025年將太陽能光伏發電裝機量翻一番,到2030年達到600吉瓦的發電能力,投資價值高達1950億歐元。歐盟委員會在2022年底成立了歐洲太陽能光伏產業聯盟,支持歐洲到2025年在整個太陽能光伏價值鏈上達到30吉瓦本土制造能力的目標。此外,歐盟還計劃到2030年將光伏和電池等關鍵綠色工業的本土產能提高到40%。同時也要看到,歐洲光伏市場依然存在挑戰,例如在歐洲生產太陽能電池板的成本是目前現貨價格的兩倍多;一些地區的電網容量瓶頸在增加。在西班牙,2023年上半年運營的光伏項目在批發市場實際獲得的價格下降幅度超過了歐洲其他市場。從中短期看,受本土制造規模、生產成本和生態鏈等限制,歐洲難以在短時間內大規模實現光伏供應鏈本土化。

      2.促進風電技術進步和升級

      在美國,美國能源部宣布在《兩黨基礎設施法案》框架下投入3000萬美元用于發展風電技術,降低陸上風電和海上風電項目成本,使美國到2030年達到30吉瓦的海上風電裝機規模。在浮動式海上風電部署方面,美國能源部利用美國《通脹削減法案》的資金啟動了新的西海岸海上風電傳輸研究,這是一項為期20個月的分析,旨在研究該國如何擴大傳輸以利用西海岸社區浮動海上風電的電力。美國能源部將根據其研究結果制定到2050年的發展規劃,以解決目前限制美國西海岸海上風電發展的輸電限制。美國能源部、內政部、商務部和交通部聯合啟動了漂浮式海上風電行動計劃(Floating Offshore Wind Shot),推動美國漂浮式海上風電設計、開發和制造。美國三分之二的海上風能資源位于需要浮動平臺的深水區,抓住這一巨大潛力可為數百萬美國家庭和企業帶來清潔能源。

      在歐洲,歐盟委員會于2023年10月發布了風力發電一致行動計劃,規定了歐盟委員會、成員國和行業將對風電產業共同采取的立即行動,包括加強金融支持、加快項目審批速度、審查外國補貼、改進拍賣設計、為采購中的非價格標準引入新的立法等15項。歐盟還宣布投入20.8億歐元支持法國海上風電技術,到2028年在法國南部沿海建成該國首個漂浮式海上風電場,該風電場裝機容量預計達到230~270兆瓦,風力發電產能將達到1太瓦時/年,每年將減少43萬噸二氧化碳排放量。除歐盟外,德國和丹麥在波羅的海投資90億美元新建一個海上風力發電中心。德國、丹麥、瑞典、波蘭、芬蘭、愛沙尼亞、拉脫維亞、立陶宛八國簽署《馬林堡宣言》(Marienborg Declarations),加強海上風電合作,計劃在2030年將波羅的海地區海上風電裝機容量從目前的2.8吉瓦提高至19.6吉瓦。歐洲曾是全球風電領域的領軍者,且具有較強競爭力,但近年來隨著中國風電行業的強勁發展,歐洲風電產業進程放緩。從裝機量來看,2022年歐盟新增風電裝機容量16.3吉瓦,同比增長47%,創歷史最高紀錄,但這一數字遠低于實現歐盟2030年可再生能源目標所需的每年37吉瓦的目標。

      在亞洲,當前中國風電不僅具備大兆瓦級風電整機自主研發能力,而且形成了完整的風電裝備產業制造鏈,制造企業的整體實力與競爭力大幅提升,在大容量機組研發、長葉片、高塔架應用等方面處于國際領先水平,新技術應用不斷涌現,以激光雷達為代表的新型傳感技術、以大數據分析為基礎的智能技術,使得風電的整體管理變得更加高效。在風機大型化、中遠海趨勢明確的背景下,目前中國風電企業都在加速布局20兆瓦甚至22兆瓦的風機。

      3.創新形式開展海洋能技術研究

      海洋能源的來源包括海上的風能、太陽能、潮汐能、波浪能等,海上能源的轉型離不開海上儲能和大自然包容型的設計。在整個技術發展過程中,創新尤為重要。美國能源部宣布通過“供能藍色經濟倡議”(Powering the Blue Economy Initiative)投入近1000萬美元,資助用于海水淡化的波浪能技術研究,并為潛在洋流能測試設施的可行性研究提供支持。英國投入1750萬英鎊支持3個“超級影響中心”(Supergen Impact Hubs),其中包括“海上可再生能源影響中心”,該中心位于普利茅斯大學,專注于波浪能、潮汐能、太陽能和風能等領域創新。此外,荷蘭海洋能源中心也在尋找最適合的創新形式,不僅包含大型海洋能源場,同時還有能源產業園等,聚合多種來源的能源。中心可以為海上太陽能、海上風能等多個來源的海上能源項目發展鋪平道路,有時也可以將多種海洋能和海上風能結合在一起,更加高效地利用空間,生產出更多可再生能源,為社會提供優秀的商業案例。

      4.支持中小企業清潔能源技術研發

      為了鼓勵中小企業進行清潔能源創新和研發,美國、英國等國家出臺了一系列創新優惠政策,包括專項基金、研發稅減免等財政支持。例如,美國能源部宣布撥款7200萬美元支持小型企業研發,為296個清潔能源和氣候相關項目提供資金,旨在推進創新氣候解決方案。這些項目涉及可再生能源、核能、網絡安全、先進材料和制造、微電子和人工智能等領域。同時,能源領域的中小企業可以享受到研發費用的稅收抵免。例如,英國政府推出了一項針對虧損研發密集型中小企業(SME)的新研發計劃。該計劃主要內容為:如果一家公司是研發密集型公司,其合格的研發支出占總支出的40%或以上。符合條件的公司每投入100英鎊的研發投資,就可以向英國稅務海關總署申請27英鎊。但在核能領域,考慮到該行業非常專業的性質、高昂的成本和老牌企業的存在,這一研發稅收計劃可能低于其他行業。英國政府將這種研發稅減免擴大到大型公司,但有一個限制,即研發必須與綠色技術直接相關,并且研發必須在英國境內進行。這樣,符合政府能源脫碳戰略的技術,如核能等將得到激勵。英國研發稅收抵免可分為兩種方案,一個用于中小企業的研發減免計劃,另一個用于大企業的研發支出抵免(RDEC)。這兩者共同構成了英國政府為各類企業提供的最大的單一政府供資機制之一。

      (二)清潔氫技術

      2023年以來,全球主要經濟體加快氫能政策布局、推動氫能產業發展。美國發布首個《美國國家清潔氫能戰略及路線圖》,大力發展氫能,建立清潔能源體系;歐盟規定到2030年可再生氫在工業氫需求中所占比例要達到42%,進一步激發綠氫需求;日本更新《氫能基本戰略(草案)》,并將加強競爭力、發展全球市場納入布局。中國出臺首個氫能全產業鏈標準體系建設指南,系統構建了氫能制、儲、輸、用全產業鏈標準體系。

      1.美國更加注重清潔氫能技術研發創新

      發布首個國家清潔氫能戰略和路線圖。2023年6月,美國發布首份《國家清潔氫能戰略和路線圖》,提出到2030年美國每年生產1000萬噸清潔氫,2040年達2000萬噸,2050年達5000萬噸。美國擬2027年開始以氨的形式出口清潔氫,2030年成為最大的氫能出口國之一。8月,美國能源部宣布投入3400萬美元,支持19個清潔氫能前沿技術研發項目。10月,美國政府宣布將利用《兩黨基礎設施法案》提供的70億美元資金,在全美建立7個地區性清潔氫氣中心,目標是每年生產300多萬噸清潔氫氣,達到2030年美國清潔氫氣產量目標的近三分之一,這些中心的公共和私人投資總額達到近500億美元。

      加速低成本清潔氫的商業化應用。美國在《國家清潔氫能戰略和路線圖》中將“降低清潔氫能成本”作為三大關鍵優先戰略之一,同時強調要促進整個氫能供應鏈發展,解決關鍵材料和供應鏈的脆弱性。加上對中游基礎設施的投資,不僅可以降低清潔氫的生產成本,還可以降低交付成本。預期在2029—2036年間,可將氫供應成本降至4美元/千克,其中包括生產、運輸和加氫等環節。除了上述計劃,美國《通脹削減法案》為能源安全和氣候變化倡議撥款約3690億美元,為制氫提供每千克最高3美元的稅收抵免,或使美國清潔氫能成本與價格全球最低?!锻浵鳒p法案》還為美國能源部的貸款計劃辦公室提供超過300億美元額外的貸款授權,為包括制氫在內的清潔能源項目提供資金??梢钥闯?,拜登政府的目標是要到2030年將氫氣的生產成本降低80%,降至每千克1美元。然而,目前美國的清潔氫氣市場還處于起步階段,需要更多的投資和支持來推動其發展,這也是美國投入巨資的重要原因。

      2.歐洲多措并舉推進氫能規?;?/p>

      推進綠氫規?;?。2023年2月,歐盟重新定義了可再生氫的構成,要求生產氫氣的電解槽必須與新的可再生電力生產相連,以確??稍偕鷼涞纳a能夠激勵可再生能源并網。3月,歐盟規定到2030年可再生氫在工業氫需求中所占比例要達到42%,為了滿足這個配額,預計將需要210萬~420萬噸的可再生氫總產量。同時,到2030年需要安裝22~43吉瓦的電解槽裝機容量。除了歐盟,德國政府于2023年7月通過新版的《國家氫能戰略》指出,預計到2030年,德國的氫能需求量將達到130太瓦時。法國政府重申了到2030年電解槽達到6.5吉瓦的目標,到2035年電解槽將增至10吉瓦,以生產低碳氫氣。

      加速推進氫能交易。德國計劃在2024年開設全球首個氫交易所。英國2022年就提出,生產者出售氫的價格與發電用液化天然氣價格的差額將由政府支付。除了歐洲,日本也在研究向氫生產者支付氫價與現有能源價格差額的援助手段。眾所周知,氫燃燒時不會排放溫室氣體,因而作為一種脫碳能源備受期待,但其生產成本居高不下。氫交易所的開設有望增加交易量、拉低價格,帶動氫能源普及。

      實施財政補貼、稅收優惠等支持政策。據公開資料統計,截至2023年8月底,歐盟、法國、荷蘭、西班牙等地相繼提出了“綠氫”補貼計劃。歐盟繼3月宣布推出歐洲氫能銀行后,歐盟委員會計劃于2023年11月23日開始,為歐洲經濟區(EEA)的可再生氫生產商提供10年最高4.5歐元/千克的固定補貼;法國政府宣布為現有的氫能補貼計劃提供1.75億歐元資金,用以支付氫的制、儲、運、加及應用的設備成本,重點打造氫能交通基礎設施;荷蘭政府宣布2024年開始增加10億歐元財政投入,專門用于補貼可再生能源制氫項目;西班牙政府將向七個大型綠氫項目撥款1億歐元,旨在促進電解槽示范項目的開發和高容量電解槽在工業環境中的發展,七個大型項目分布在西班牙5個不同地區,每個項目分別獲得1000萬至1500萬歐元的撥款。

      海上風電制氫的概念理論、項目實踐走在世界前沿。巴西和愛爾蘭都是全球海上風電極具潛力的市場。巴西政府發布了《三年氫能工作計劃》,目標是每年通過海上風電生產3.5億噸綠氫。綠氫在巴西會有廣泛的應用空間。巴西每年消耗化肥4500噸以上,其中大部分由天然氣制成,綠氫將為化肥市場帶來低碳排放的原料。愛爾蘭政府設定了到2030年將海上風電裝機容量提高到5吉瓦的目標,同時打算再增加2吉瓦的海上風力發電用于生產綠氫。除了歐洲,日本、韓國、中國等國家也在積極布局海上風電制氫項目,尋找綠氫生產新方向。

      3.日本欲以“降本增需”普及氫能

      汽車燃料電池等應用技術世界領先。按國家來看,日本排在氫能相關技術專利數量首位,把氫能用于汽車、住宅、工廠等,申請專利數量較多的燃料電池產業成為日本的優勢。但最近10年的相關專利申請件數卻比以前減少三成。打造氫能供應鏈、以低成本推進實用化和普及化框架正成為日本氫能發展方向。日本政府于2023年6月對其2017年制定的《氫基本戰略》進行修訂,重點增加氫作為燃料的使用,計劃2040年氫用量增長6倍至1200萬噸;同時,公共部門和私營企業也將在未來15年共同投資15萬億日元推廣氫能應用。修訂后的計劃將戰略領域的9項技術列為優先事項,包括開發水電解設備、燃料電池、脫碳化學制品、運輸氫氣的大型油輪、燃料氨和清潔能源煉鋼等。值得注意的是,新版《氫基本戰略》還提出了氫能安全戰略的基本框架,作為未來5~10年的行動指南,目的是建立覆蓋整個氫能供應鏈的安全監管體系,包括建立科學數據基礎、驗證和優化階段性實施規則、發展適合氫能應用的環境等方面。日本政府還計劃頒布新立法,為參與氫和氨供應鏈生產、建立以及相關基礎設施開發的企業提供財政支持。需要注意的是,日本缺乏太陽能和風力等自然資源,難以利用源自可再生能源的電力大量制造環保的“綠氫”,同時該國的可再生能源價格偏高,要實現氫能社會,進口廉價氫的國際框架不可或缺。因此,目前日本正在尋求建立國際供應鏈,通過海運進口脫碳能源。

      4.中國持續強化氫能標準體系

      氫能產業專項政策持續出臺。在國家層面,2022年發布的《氫能產業發展中長期規劃(2021—2035年)》從戰略層面對氫能產業的發展做出頂層設計。根據《規劃》設定的目標,到2025年,初步建立以工業副產氫和可再生能源制氫就近利用為主的氫能供應體系,氫燃料電池車輛保有量約5萬輛,部署建設一批加氫站;到2035年,形成氫能產業體系,構建涵蓋交通、儲能、工業等領域的多元氫能應用生態。2023年7月,國家標準委、國家發展改革委等六部門聯合印發《氫能產業標準體系建設指南(2023版)》,支撐氫制備、儲存和輸運、加注、應用全產業鏈關鍵技術標準。預計中國氫能行業相關標準的制定將加速,行業產品推廣效率有望提升。在地區層面,50余個城市及地區發布了氫能發展規劃及百余項氫能相關鼓勵政策,其中北京、上海、內蒙古、陜西、山東、河南、浙江等地明確2025年氫能產業規模將超千億元。

      在電解制氫領域不斷取得突破。國際能源署近期發布的《2023全球氫能評估》顯示,中國在制氫電解槽部署方面經歷了快速增長,目前處于全球領先地位。2020年,中國制氫電解槽裝機容量還不到全球的10%,且主要是小型示范項目。到2022年,中國制氫電解槽裝機容量已經增長到200兆瓦以上,占全球裝機容量的30%。到2023年底,中國制氫電解槽裝機容量預計將達到1.2吉瓦,占全球產能的一半。多個大型制氫電解槽項目也在推進。其中,中國首個萬噸級光伏發電直接制綠氫項目——新疆庫車綠氫示范項目于2023年8月全面建成投產,這標志著中國綠氫規?;I應用實現零的突破。

      重要前沿技術研究新進展

      綠氫制取獲得重大突破

      太陽能熱化學氫。太陽能熱化學氫(solar thermochemical hydrogen,STCH)是通過陽光熱能直接分解水產生氫氣,完全依靠可再生太陽能驅動氫氣生產,得到的是沒有二氧化碳排放的“綠氫”。據2023年10月16日發表在《Solar Energy》雜志上的一項研究,美國麻省理工學院設計出了更高效的STCH系統,可利用40%的太陽熱量,直接分解水并產生氫氣,為長途卡車、輪船和飛機提供動力,同時在此過程中不排放溫室氣體。與其他提出的設計類似,麻省理工學院的系統將與現有的太陽能熱源相結合,比如聚光太陽能發電廠(CSP)——一個由數百面鏡子組成的圓形陣列,收集陽光并將其反射到中央接收塔。然后STCH系統吸收接收器的熱量并引導其分解水產生氫氣。這個過程與電解不同,電解使用電而不是熱來分解水。這種制氫法雖然可以完全依賴再生能源,但效率相當低,基本上只有約7%的入射光用于制造氫氣,是一種低收益高成本制氫技術。顯然這類只靠對綠色能源的愛無法推動規模發展,還需要再進一步研究。美國麻省理工學院研究團隊預計將在2024年打造系統原型,計劃在美國能源部實驗室的聚光太陽能設施中進行測試,目前也獲得能源部資助。

      海水制氫。海水制氫一直是氫能產業的瓶頸之一。德國AquaPrimus項目將風電場風機制造的氫氣匯總后輸送到海底,存儲在專用的高壓儲罐中,通過海底管道輸送至陸地終端。該項目計劃2025年在黑爾戈蘭島外海兩臺14兆瓦的風機平臺上各安裝一個電解槽。長期以來,電解水制氫一直依賴于淡水資源,全球淡水資源總體短缺,給其規?;瘧脦砹酥T多限制和挑戰。國內外知名研究團隊進行了大量研究與攻關,均未取得突破性進展。2023年5月,在中國福建興化灣海上風電場開展的全球首次海上風電無淡化海水原位直接電解制氫技術海上中試,獲得成功。該項目第二步計劃是實現規?;?,研制大容量商業化電解槽,第三步實現產業化。日本利用海上風電+新建海上平臺+電解設備的集中制氫模式,將風電場電能匯總至半潛制氫平臺,生產的氫氣壓縮儲存在半潛平臺儲氣罐系統,通過穿梭油輪進行外輸,該項目位于北海道海岸,計劃2030年前實現商業化。該模式適用于離岸較遠的風電場以及分散式制氫不經濟的風電場,通過新建海上集中式制氫平臺,減少電力傳輸損耗,集中制氫。澳洲科學家還研發出一種可以將海水中的水分解為氫氣和氧氣的催化劑。這種催化劑叫做"液態金屬納米顆粒催化劑",其中的金屬納米顆粒能夠將海水中的氯離子與水分子分離,產生高濃度的氫氣。這種催化劑制備簡單,成本低廉,每1千克制氫僅需要2澳元。在實際應用中,利用這種催化劑制氫,產生的氫氣質量非常高,可以用于各種需要高純度氫氣的行業,如電池制造、燃料電池等。

      (三)先進核能技術

      在地緣沖突引發能源供給危機與能源結構加速綠色低碳轉型交匯影響下,各國紛紛調整政策,核能在全球進入新一輪加速發展期,以先進核能技術、可控核聚變等為代表的新技術新方向受到前所未有的廣泛關注。

      重視先進核能技術研發和部署。美國政府根據《通脹削減法案》向美國能源部愛達荷國家實驗室投入1.5億美元,升級其核能基礎設施,加強核能研發。英國《綠色工業革命十點計劃》宣布設立最高3.85億英鎊的“先進核基金”,用于投資下一代核技術。這包括最高2.15億英鎊用于開發國內小型模塊化反應堆技術設計以及最高1.7億英鎊用于在本世紀30年代初期完成先進模塊化反應堆(AMR)示范研發。為了推動新核能項目的交付,政府對原設立的英國核燃料有限公司(BNFL)進行了重組,設置了“大不列顛核能”獨立機構(GBN),依據英國到2050年的核能長期發展計劃,負責小型模塊化反應堆的競優工作,為政府核能項目的最終投資決策提供支持。英國還將在已投入8.7億英鎊基礎上,向Sizewell C核電項目追加3.41億英鎊投資,用于施工場地建設、關鍵設備/部件采購和人力資源補充,加速核電項目的推進。

      推進小型模塊化反應堆(SMR)的研制與應用。美、英、法、德、日、韓等9國組成的國際核監管機構協會發表聯合聲明,推動小型模塊化反應堆技術的通用設計評估和許可方面的國際合作,確保小堆技術在各國部署符合安全、可靠、防擴散要求。美國多家核能公司與加拿大、韓國、波蘭、羅馬尼亞等國企業簽署協議,推進小堆技術開發和部署。英國或將在2024年中期批準小型模塊化核反應堆。此外,加拿大啟動了“小型模塊化反應堆支持計劃”,加速小堆技術發展。

      在核聚變方面,近年來,全球商業資本正加速涌入可控核聚變領域。一批初創企業涌現使得核聚變研究的途徑更加多元化。美國能源部通過“聚變能發展里程碑”計劃向8家公司提供4600萬美元的資金,解決聚變能商業化面臨的關鍵挑戰。在脫歐的大背景下,2023年英國政府決定不加入歐洲原子能共同體研究和培訓計劃(Euratom R&T)以及聚變能計劃,立足建立自主核聚變研究能力,彌補JET退役所造成的研發能力缺失。為此,英國計劃投入7.76億英鎊的經費,落實核聚變戰略,新建設用于發展核聚變燃料循環能力和創新的設施,發展新的核聚變科學和人力資源開發,加強國際合作項目,加速球形托卡馬克等新技術研發和商業化發展。

      在核燃料生產方面,高豐度低濃鈾成為多國開發和部署先進反應堆所需的關鍵材料。美國準備啟動本土首個高豐度低濃鈾生產示范項目,該示范項目是目前美國唯一獲得高達20%濃縮鈾水平許可證的工廠,計劃在2023年底前生產20千克高豐度低濃鈾,到2024年年產量可達到900千克,以滿足兩個先進反應堆示范項目的最初核燃料需求,支持燃料認證和測試新的反應堆設計。英國投入2230萬英鎊支持發展新的核燃料生產和制造能力,“核燃料基金”(NFF)旨在支持建立生產或處理鈾及相關核燃料產品的能力,克服英國在燃料循環前端供應鏈的投資障礙。NFF之前已向8個項目提供了2030萬英鎊的資助,此次將額外提供2230萬英鎊用于發展新的核燃料生產和制造能力。其中有950萬英鎊用于英國鈾濃縮公司開展先進低濃鈾(LEU+)和高豐度低濃鈾(HALEU)的研發。英法將基于兩國在核電領域的數十年合作關系,并與其他七國集團成員國共同努力,減少對俄羅斯民用核能和相關物資的依賴,實現鈾供應和核燃料生產的多樣化。

      在乏燃料后處理方面,美國、俄羅斯正在結合先進核能的部署規劃,加快先進后處理技術的商業化進程。芬蘭深地質處置庫已進入建設階段,成為當今世界上開拓高放廢物處置的先驅者。日本即將擁有大規模后處理工業能力。

      重要前沿技術研究新進展

      核聚變技術商業化進程加速

      隨著時間的推移,核聚變技術逐漸成為全球焦點,引發了廣泛的研究和關注。近日,全球最新、規模最大的核聚變反應堆——JT-60SA成功點火,標志著人類實用核聚變能源發展進程中的一大里程碑。這一重大突破,預示著核聚變商業化進程有望加速。JT-60SA是由日本和歐洲聯合開發的一項國際核聚變實驗,其成功點火不僅證明了裝置的基本功能,更為核聚變反應堆的商業化運行提供了扎實的實驗基礎。然而,項目負責人表示JT-60SA還需兩年時間進行更持久的運行,以滿足物理實驗的需求。預計到2050年,日本將建造一座示范發電廠DEMO,這將為JT-60SA和ITER的商業化運行奠定基礎。

      與其他能源相比,核聚變具有原料豐富、釋放能量大、放射危害小、安全性高等優勢。海水中含有大量的核聚變燃料,如果能有效利用,其能量釋放足以滿足人類數百億年的能源需求。同時,核聚變的自限性使得其安全性得到極大提升,基于鏈式反應的裂變型事故或核熔毀不可能發生。

      中國在可控核聚變技術方面也取得多次科研進展。2023年8月,新一代人造太陽“中國環流三號”首次實現高約束模式運行,標志著中國可控核聚變技術的關鍵進展。另一方面,多個核聚變裝置獲批開工建設,目前總開工規模已突破百億。11月,全球最大“人造太陽”項目磁體支撐產品在廣州交付。至此,中國已完成最后一批磁體支撐產品,按時兌現國際承諾,為國際熱核聚變實驗堆ITER項目第一次等離子體放電的重大工程節點奠定了基礎。

      (四)碳減排技術

      采用創新的脫碳技術可以幫助重工業減少碳排放,如碳捕獲和利用(CCU)、碳捕獲和儲存(CCS)、燃料轉換、電氣化、氫氣和材料效率/循環經濟。

      在美國,2023年以來美國啟動多個碳管理項目,美國能源部宣布為33個研究和開發項目提供1.31億美元,以推進碳管理技術的廣泛部署,減少二氧化碳污染。為碳安全(Carbon SAFE)第二階段儲存綜合體可行性(Storage Complex Feasibility)資助計劃提供9300萬美元,為后續開發能夠儲存5000萬噸以上二氧化碳的儲存設施提供支持;為碳管理(Carbon Management)資助計劃下22個項目提供3800萬美元,加速實現“以低于每噸100美元的價格將碳捕獲并儲存”的目標。7月,美國能源部宣布投入2340萬美元,支持16個碳管理項目,以推動碳捕集、利用和封存(CCUS)技術在美國的商業部署,其中在大型碳封存設施或區域碳管理中心二氧化碳地質封存和運輸領域投資1284.4萬美元,在地質數據收集、分析和共享領域投資963.5萬美元。

      在歐洲,多個國家和地區目前正致力于在脫碳方面在全球范圍內發揮領導作用,從而實現無需或更少碳捕獲措施的創新無碳生產工藝。歐盟宣布將從創新基金中撥款18億歐元,投資16個大規模創新項目,涵蓋CCUS、綠氫及其衍生物、儲能、合成可持續燃料等技術,以實現在未來十年內將二氧化碳排放量減少1.25億噸。其中捕集、利用和封存技術具體資助項目包括:將碳捕集裝置與化工、水泥、石灰生產裝置相集成,并將捕集的二氧化碳輸送到沿海樞紐進行地質封存;創新碳捕集、利用與封存價值鏈,將建造東歐首個CCUS集群;建造世界首個二氧化碳礦化封存基地。法國還準備進行碳捕獲項目的招標,作為其幫助大型制造商減少排放計劃的一部分。

      除了歐美國家,日本新能源產業技術綜合開發機構多次資助開發二氧化碳循環轉化利用技術,包括在碳循環利用、下一代火力發電等技術開發項目中投入25億日元(約合1924萬美元),發展利用常壓等離子體開發新的二氧化碳分解/還原工藝、能夠高效利用二氧化碳的藻類生物質生產和利用技術等6個項目;在綠色創新基金框架下投入1145億日元(約合8.8億美元)啟動以二氧化碳為原料的燃料制造技術開發項目,開發可持續航空燃料、不使用化石燃料的液化石油氣綠色合成等技術。

      重要前沿技術研究新進展

      將碳轉移到海上封存設施或海底成為新方向

      業內正在尋求更靈活的碳捕集和封存方式,將碳轉移到海上封存設施或海底成為新方向,“海洋儲碳”示范項目在全球涌現。2023年6月,中國首個百萬噸級海上碳封存示范工程——中國海油恩平15-1油田碳封存示范工程正式投用。歐洲以北海為中心誕生多個海上碳封存項目,海外市場“海洋儲碳”風潮主要集中在歐洲北海地區,其中最受關注的挪威北極光項目(Northern Lights)和丹麥綠沙項目(Greensand)有望分別于2024年和2025年投產。挪威政府指出,北海地區有潛力儲存超過800億噸二氧化碳,相當于挪威1000年排放量。2022年,北極光項目簽署了全球第一份跨境二氧化碳運輸和儲存商業協議,2023年3月又有5家大型能源公司向挪威政府提交了儲碳合作申請。英國計劃在北海大陸架封存超過780億噸二氧化碳,有望形成數十億英鎊產業。顯然,北海作為老牌油氣產區,有望成為碳運輸樞紐和存儲中心。睿咨得能源咨詢公司匯編官宣項目和合作諒解備忘錄預計,到2030年,挪威二氧化碳運輸量將達到2600萬噸/年,占全球二氧化碳運輸量30%左右。荷蘭緊隨其后,運輸量達2300萬噸/年;英國運輸量約2000萬噸/年;法國運輸量約1700萬噸/年;比利時運輸量為1300萬噸/年。

      (五)關鍵礦產資源

      不斷擴張的能源行業推動了全球對關鍵礦物的需求,以美國為代表的國家或地區紛紛出臺或調整關鍵礦產戰略,展開全球布局以應對供應鏈風險。美國正努力建立多元化的供應鏈,以加強礦產和原材料儲備。2022年12月,美國能源部高級研究計劃署啟動能源負排放資源回收采礦創新計劃,宣布為12個州的16個項目提供3900萬美元資金,重點提升銅、鎳、鋰、鈷、稀土元素和其他關鍵元素的國內生產。2023年7月,美國能源部發布《2023年關鍵材料評估報告》,對清潔能源的礦產情況展望至2035年,新增了對6個材料的分析。該報告稱,在美國所需的全部關鍵材料中,有18種材料面臨著高風險的斷供情況。這其中包括了鈷和釹等材料,而這些材料正是汽車發動機電機、風力渦輪發電機和固態電池等電氣化高科技設備的關鍵原材料。2023年8月,美國能源部宣布在“投資美國”議程下通過《兩黨基礎設施法案》撥款3000萬美元,用于降低利用國內煤炭資源生產稀土以及其他關鍵礦物和材料的成本,旨在滿足美國對關鍵礦產不斷增長的需求,同時減少對非本土供應的依賴。目前美國80%以上的稀土需求依賴進口,此次資助將利用國內煤炭和煤炭廢料支持建立至關重要的關鍵礦產國內供應鏈,開展經濟可行、環境友好的提取、分離和精煉技術實驗室研究和中試。

      為應對迫在眉睫的礦產資源短缺問題,美國還鼓勵科研機構、高校同企業開展聯合攻關,以關鍵礦產中極為重要的鋰為例,美國能源部化石能源辦公室、地熱技術辦公室等正與勞倫斯·伯克利國家實驗室及伯克希爾·哈撒韋能源集團等企業合作,研究從美國加州地熱系統地下鹵水中提取鋰的工藝,其中美國能源部負責提供部分研究資金,勞倫斯·伯克利實驗室提供材料科學、化學和高級分析等技術支持,私營企業則提供礦物勘探、開采和加工工藝。

      在實現關鍵原材料自主可控的道路上,歐盟邁出了關鍵一步。針對歐盟嚴重依賴進口的關鍵原材料,2022年9月,歐盟開始醞釀引入關鍵原材料法案,解決原材料供應安全問題,以避免出現依賴其他國家關鍵礦產供應的情景。2023年3月,歐盟委員會正式發布《關鍵原材料法案》,旨在確保歐盟獲得安全和可持續的關鍵原材料供應,這些原材料主要包括:稀土、鋰、鈷、鎳以及硅等。按照該法案,到2030年,歐盟計劃每年在歐盟內部生產至少10%的關鍵原材料,加工至少40%的關鍵原材料,回收15%的關鍵原材料。在任何加工階段,來自單一第三方國家的戰略原材料年消費量不應超過歐盟的65%。按照供應風險和經濟重要性,歐盟委員會已對34種原材料進行了分類。德國經濟研究所(DIW)的一份報告顯示,這34種關鍵原材料中,有14種對于外國供應商的依賴度為100%,另外3種關鍵原材料95%依賴外國供應商。歐盟決定加快推動能源轉型,這意味著歐洲對關鍵礦產的需求會劇增,對關鍵礦產供應鏈安全的重視程度也會進一步提升。為了對抗美國《通脹削減法案》對歐洲綠色競爭力帶來的不利影響,2023年2月歐盟委員會又提出了《歐盟綠色協議工業計劃》,將撥出2500億歐元用于補貼和稅收優惠,以提高歐盟凈零制造能力,提升關鍵礦產的本土開采和加工能力。

      三、啟示與建議

      近年來,全球主要能源價格高漲,地緣政治沖突加劇了全球市場的動蕩,疊加經濟復蘇帶來能源需求增長,降水、極端天氣等因素導致可再生能源出力波動性加大,不穩定、不確定和難預料的因素增加,不斷沖擊著全球能源供應鏈和產業鏈的穩定。在這一背景下,有必要借鑒美、歐等經濟體能源安全政策調整及經驗,保障我國戰略性關鍵礦產資源安全,提升能源產業鏈自主可控水平,加大對能源領域科技創新的資金保障,鼓勵引導能源民企用好政策創新工具。

      (一)保障戰略性關鍵礦產資源安全

      新能源技術的不斷迭代和突破,造成了各國對鈷、鎳、鋰等關鍵礦產資源需求的暴漲。美歐等主要經濟體已將關鍵礦產資源上升至國家戰略高度,重點布局構建本土化、多樣化關鍵原材料供應鏈,以掌控未來全球能源市場的領導地位。關鍵礦產資源穩定供給同樣是我國完成能源產業轉型、實現“雙碳”目標的重要支撐。然而我國清潔能源產業鏈上游所需的多種礦產資源儲量不足。需要統籌國內國際兩個市場、兩種資源,通過創新開放、延鏈補鏈實現穩定保障。一是建立適合中國國情的戰略性礦產資源儲備體系。借鑒美歐日等國經驗,建立關鍵礦產的國家儲備機制,加強對鎢、稀土、晶質石墨等戰略性礦產重要礦產地的儲備,探索采儲結合新機制。二是加強關鍵礦產資源國內勘探開發,提高供應保障能力。把立足國內作為戰略性礦產保供的邏輯起點,加強國內資源勘探開發,提高地質調查和勘探能力;建立關鍵礦產供應鏈的跟蹤監測,分析各類衍生風險疊加對關鍵礦產供應安全和保障能力的潛在影響,并建立預警應對機制。三是進一步深化關鍵礦產國際合作,形成產業結構內外互補、生產要素全球配置的發展格局。與此同時,暢通資源運輸通道,做好勘查、開發、貿易、運輸等產業合作和全鏈條建設,全面提升資源開發、供給的韌性和安全保障水平。

      (二)提升能源產業鏈自主可控水平

      隨著全球氣候變化和環境問題日益嚴峻,美、歐等發達經濟體都在積極推動能源轉型和低碳發展。其中,推動能源領域科技創新已成為共同目標。不過,與世界能源科技強國以及引領能源革命的要求相比,我國能源科技創新依然存在一定差距。比如,相對優勢產業面臨被趕超的風險,目前新能源產業已成為大國博弈的重要領域,各國圍繞新能源產業鏈展開了激烈競爭。歐美等國一方面在產業研發、應用等方面出臺一系列激勵政策,加強風電、光伏等新能源技術研發與市場開發,助推產業發展升級,另一方面加大了對本國新能源產業的保護力度,提高了市場進入門檻。我國能源技術裝備長板優勢不明顯且尚存短板,關鍵零部件、核心材料等方面需要進口,原創性、引領性、顛覆性技術偏少。因此,有必要在多方面重點發力,加快推進能源領域科技創新。加快關鍵核心技術裝備補短鍛長。從能源產業鏈緊迫需求出發,聚焦“卡脖子”技術和“掉鏈子”環節,突破基本原理、基礎軟硬件、關鍵零部件和裝備、關鍵基礎材料、關鍵儀器設備等制約。持續增強電力裝備、新能源等領域全產業鏈競爭優勢,并在這些優勢領域中打造先進產業群。加快研究快速興起的前瞻性、顛覆性技術以及新業態、新模式,形成一批能源長板技術新優勢,掌握產業發展主動權。多元化能源產品種類和供給渠道,以分散市場風險、減少地區依賴。加強“一帶一路”新能源產業合作,開辟新的新能源應用市場,通過市場多元化降低歐美市場波動的影響。

      (三)加大對能源領域科技創新的資金保障

      加速發展可再生能源等低碳減排項目、促進綠色經濟發展,離不開對技術創新的持續投入。世界主要能源強國均積極部署以能源科技創新發展為主線的能源戰略頂層設計,支持清潔能源轉型,推動市場布局多元化。這也將帶來巨大的利益,包括提供新的工業機遇和就業機會、促進能源安全、帶來更清潔的空氣、確保更廣的能源供應以及更安全的氣候環境。未來,我國在重點能源科技創新領域的研究上,應提供支持和資金上的傾斜,強化財稅、金融等政策的供給,以提升我國現代能源體系建設能力。

      (四)鼓勵引導能源民企用好政策創新工具

      國外中小型企業、私企對于能源科技創新領域的探索和實踐,主要利用了多種類型的新興政策工具。比如,美國政府鼓勵清潔氫多主體、多渠道投資,為氫能供給側增加產能。供給側激勵機制包括提供生產稅收抵免,為研發和示范項目提供公共資金,以降低制氫技術的成本。還有英國于2000年啟動的研發稅收抵免,是英國政府為鼓勵企業進行創新而推出的政策重點之一。此政策旨在減少企業用于改善產品和流程所需的實際投資成本,以鼓勵企業進一步創新。據英國海關與稅務總署(HMRC)稱,英國中小企業研發稅收抵免平均申請金額超過5萬英鎊,而大公司則超過60萬英鎊。而中國的民營企業在新能源和傳統能源領域中也展現出強大的實力和創新能力?!?023胡潤中國能源民營企業TOP100》榜單顯示,有89家企業主營新能源業務,11家企業主營傳統能源業務。對于廣大民營企業來說,用好能源領域政策創新工具,不僅可以提升企業自身競爭力,還可以激發企業創新主體活力,包括引導能源民營企業完善治理結構和管理制度,支持提升科技創新能力,加快推動數字化轉型和技術改造,促進技術和市場的有效對接,加快技術成果的轉化和應用,鼓勵提高國際競爭力,支持參與國家重大戰略等。

      參考文獻:

      [1]IEA.World Energy Investment2023[R]. 2023.

      [2]IEA.The State of Clean Technology Manufacturing[R]. 2023.

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      [4]IEA.Energy Technology Perspectives 2023[R]. 2023.

      [5]CASEnergy.國際能源署發布《2023年世界能源投資》報告[EB/OL].先進能源科技戰略情報研究中心. 2023-07-03.


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