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澳门天空彩免费资料网页版 2023全球能源领域前沿技术发展报告

中能传媒研究院发布时间:2023-12-07 13:48:21  作者:邱丽静

创新是引领科技发展的第一动力,更是推动能源转型的重要突破口。当前,全球新一轮科技革命和产业变革方兴未艾,能源科技创新进入持续高度活跃期。其中,氢能和核能成为支持清洁能源发展和碳中和进程的重要力量。在氢能方面,美国发布首个国家清洁氢战略路线图,明确了清洁氢能的战略性地位,并提出了加速清洁氢能生产、加工、交付、存储和使用的综合发展框架。其他国家也在加大氢能支持力度,积极抢占发展先机。在核能方面,以先进核能技术、可控核聚变等为代表的新技术新方向成为热点。此外,锂离子电池、液流电池、压缩空气储能等储能技术在能源领域也占据了重要地位。这些技术的应用和推广需要我们持续研究和探索。本文在梳理新形势下全球能源投资现状及趋势基础上,分析主要经济体能源技术发展重点,研判能源领域低碳前沿技术发展趋势,并提出对我国的启示与建议,供参考。

一、2023年全球能源投资现状及趋势

当前,全球经济复苏进程放缓,绿色投资全面增长成为重要亮点。随着全球气候变化问题日益严重,各国政府和企业纷纷加大对清洁能源的投入,以减少温室气体排放,推动可持续发展。成本、气候和能源安全目标以及工业战略共同推动了清洁能源技术投资的强劲增长。

(一)清洁能源技术投资强劲增长,太阳能投资将首次超过石油

2021年以来清洁能源投资增长了24%。2022年,受经济复苏、能源危机以及化石能源市场剧烈波动等影响,全球能源投资和相关技术部署得到一定提振。根据国际能源署(IEA)发布的《2023年全球能源投资报告》,2022年全球能源投资总额为2.6万亿美元,这一增长主要受到天然气投资的推动,因为各国纷纷寻求更清洁的能源替代煤炭作为发电燃料。而到2023年,IEA预计全球能源投资将达到约2.8万亿美元,其中清洁能源投资将超过1.7万亿美元,比2021年增长24%,包括可再生能源电力、核能、电网、储能、低排放燃料、能效提升以及终端可再生能源和电气化;剩余部分将用于化石能源供应和电力,其中约15%用于煤炭,其他为石油和天然气。


图1 2015—2023年全球对清洁能源和化石燃料的投资情况 (来源:IEA)

清洁能源与化石燃料投资之间的差距拉大。由于全球能源危机引发的可负担性和安全担忧,选择更可持续能源的趋势进一步加强,清洁能源技术的投资远远超过化石燃料支出,两者投资的差距正在扩大。IEA指出,五年前,清洁能源与化石能源的投资比为1:1,如今这一比例已扩大至1.7:1。一方面,太阳能和风能等清洁能源的成本越来越低;另一方面,许多国家都认为,发展清洁能源不仅可以应对气候变化,还是解决能源安全问题的持久方案。

太阳能投资将在2023年首次超过石油生产投资。全球清洁能源投资增长具体体现在以太阳能为主导的可再生能源和电动汽车两个方向,清洁能源投资增长由可再生能源和电动汽车引领,电池、热泵和核能等领域也作出了重要贡献。IEA预计,2023年,低排放电力投资将占发电总投资的近90%。其中,太阳能表现最佳,其投资将达到3800亿美元,首次超过石油上游投资。另外,消费者对电动汽车的需求正在快速增长,预计电动汽车销量在2022年创下历史新高后,今年将增长三分之一以上。对电动汽车的投资自2021年以来翻了一番多,预计2023年将达到1300亿美元。此外,全球热泵销售额自2021年以来实现了10%以上的增长。

图2 2015—2023年全球清洁能源投资情况 (来源:IEA)

(二)全球清洁能源投资不均衡,区域较为集中

清洁能源投资虽然增长强劲,但极不平衡。2021年以来超过90%的清洁能源投资增长来自发达经济体和中国,其增长额超过了其他地区的投资总额。印度的太阳能投资、巴西和中东部分地区的可再生能源投资也有所增长,但这些国家和地区对太阳能投资增长的贡献很小。如果其他国家的清洁能源转型不加速进行,全球能源可能面临新的不平衡发展。清洁能源投资中最大的短板存在于新兴经济体和发展中国家,主要的制约因素包括政策框架和市场设计不明确、电网等基础设施薄弱、利率等资本成本高等。在这些地区,由于清洁能源投资回报率低,私人投资涉足意愿低,因此需要国际社会做更多的工作,特别是在推动私营资本一直不愿冒险的低收入经济体的投资方面。

图3 2019—2023年主要国家和地区清洁能源投资情况 (来源:IEA)

(三)投资正流向关键矿产领域,由电动汽车和电池研发制造引领

电动汽车和电池是需求增长的主要驱动力。据统计,2022年,电动汽车销量增长60%,超过1000万辆,储能系统装机容量增加了一倍,太阳能光伏装机继续打破之前的纪录,风电装机在经历了两年的低迷后恢复上升势头。这导致对关键矿产的需求显著增加,根据IEA《关键矿产市场评估2023》报告,2017—2022年,能源行业的发展推动全球锂需求增长2倍,钴和镍的需求分别增长70%、40%。关键矿产中的清洁能源技术应用占比也在上升,到2022年,清洁能源应用占全部锂、镍、钴需求比重分别较五年前提升了26%、10%、23%。清洁能源技术关键矿产需求将迅速增加,IEA预测,在2050年净零排放情景中,到2030年关键矿物需求将增长3.5倍,达到3000多万吨。电动汽车和电池是需求增长的主要驱动力,其次低排放发电和电网也是重要驱动因素。

图4 清洁能源应用占锂、镍、钴需求比重 (来源:IEA)

清洁能源制造、关键矿物和金属供应的竞争是确保弹性转型的关键。IEA发布《2023年世界能源展望》预测,2030年,全球主要清洁能源技术市场价值将达到约6500亿美元,是目前水平的三倍多。清洁能源安全转型取决于弹性和多样化的清洁能源供应链,要实现全球气温上升控制在1.5摄氏度,IEA认为,2030年还需在清洁能源制造和关键矿产供应方面投资约1.2万亿美元。其中,电动汽车市场利好、储能电池的强劲投资以及本土供应链政策,将推动全球新的锂离子电池制造项目部署,到2030年有望达到5.2太瓦时的新产能。但由于资源勘探到开采加工需要十年以上时间,关键矿产投资将成为清洁技术制造和部署的制约因素。矿产开发也需要大量的资金投入,包括采矿权许可费、勘探费用、设备购置费用、劳动力成本等。继2021年同比增长20%后,2022年关键矿产开发投资再次大幅增长30%。IEA通过对20家大型矿业企业投资水平进行详细分析后发现,在清洁能源部署强劲势头刺激下,关键矿产的资本支出大幅增加。专门从事锂开发企业的支出增长了50%,其次是专注于铜和镍的企业。2022年,中国企业的矿产开发投资支出几乎翻了一番。除矿产开采外,钠离子电池在2023年初实现了飞跃,计划产能超过100吉瓦时,且主要集中在中国。虽然绝大多数电池回收产能位于中国,但各国已宣布的制造计划将在一定程度上降低中国市场的占有率。

二、世界主要经济体能源科技战略与政策动态

随着全球应对气候变化和能源转型进程的不断推进,能源产业成为大国博弈的重要领域。欧美大力发展太阳能、风能等清洁能源技术;美日相继更新国家氢能战略,释放出氢能产业化加速信号;先进的小型模块化反应堆、第四代核能系统以及热核聚变堆,已经成为全球先进核能技术研发焦点;新产品、新技术已成为全球碳减排技术的竞技场;不断扩张的能源行业推动了全球对关键矿物的需求,欧美正通过一系列新政策实现矿产供应的多样化,包括欧盟《关键原材料法案》、美国《通胀削减法案》等。

(一)光伏风电技术

在强有力的政策支持、具有吸引力的价格以及模块化特性的推动下,光伏系统继续快速渗透到全球能源系统中。欧美等发达经济体出台一系列政策措施和规划:加速实现光伏供应链本地化;不断完善促进风电产业发展的政策措施,加快风电技术水平提升和产业转型升级;建立可再生能源中心,推进海洋能开发利用技术的研究、应用和示范工作;通过专项基金或研发税减免提供支持,为清洁能源中小企业提供必要的创新条件。

1.加速光伏供应链本地化

美国开始加快光伏制造业的发展。根据Wood Mackenzie发布的《美国太阳能市场洞察报告》,2023年美国新增光伏装机将同比增长50%以上,再创历史新高,这得益于《通胀削减法案》《两党基础设施法案》等提出的财政激励措施等多种因素。美国能源部通过《两党基础设施法案》投入4500万美元资助太阳能晶硅制造和两用光伏孵化器示范项目,用于持续降低太阳能成本,同时开发下一代太阳能技术和促进美国太阳能制造业发展,推动太阳能发电安全、稳健和可靠并入国家能源网络。美国能源部还发布《推进聚光太阳能热发电定日镜技术的路线图》,对聚光太阳能的重要部件定日镜的研究和部署进行了规划,目标是降低聚光太阳能发电系统成本,到2030年使其发电成本降到每千瓦时0.05美元。为促进美国国内太阳能制造业发展,美国能源部宣布一系列研发项目,例如投入3600万美元资金推进钙钛矿和碲化镉(CdTe)光伏等薄膜太阳能技术;投入5200万美元强化美国本土太阳能供应链,投入3000万美元资助太阳能并网技术;启动400万美元“美国制造太阳能奖”第七轮项目,激励太阳能硬件和软件技术创新。此外,美国公用事业规模的光伏系统开发商也在政府2024年6月取消新关税禁令之前安装更多的光伏系统。

欧洲发展光伏产业加速能源转型。由于欧洲天然气和电力能源价格飞涨,欧洲各国从2022年开始出现新一轮安装光伏发电系统的热潮。根据相关统计,欧盟2022年的光伏新增装机容量比前一年增长了47%,预计2023年装机量将实现40%的增长。同时由于光伏组件价格上涨,2022年市场拍卖活动严重减弱,但现在欧洲的拍卖参与率已开始再次上升。在德国政府2023年8月最新招标中,采购的光伏系统装机容量达到创纪录的1.7吉瓦。为实现工业关键原材料的本土化生产,并反制美国的《通胀削减法案》,欧洲开始加强产业支持计划以确保光伏产业回流。欧盟2022年5月发布REPowerEU计划,提出到2025年将太阳能光伏发电装机量翻一番,到2030年达到600吉瓦的发电能力,投资价值高达1950亿欧元。欧盟委员会在2022年底成立了欧洲太阳能光伏产业联盟,支持欧洲到2025年在整个太阳能光伏价值链上达到30吉瓦本土制造能力的目标。此外,欧盟还计划到2030年将光伏和电池等关键绿色工业的本土产能提高到40%。同时也要看到,欧洲光伏市场依然存在挑战,例如在欧洲生产太阳能电池板的成本是目前现货价格的两倍多;一些地区的电网容量瓶颈在增加。在西班牙,2023年上半年运营的光伏项目在批发市场实际获得的价格下降幅度超过了欧洲其他市场。从中短期看,受本土制造规模、生产成本和生态链等限制,欧洲难以在短时间内大规模实现光伏供应链本土化。

2.促进风电技术进步和升级

在美国,美国能源部宣布在《两党基础设施法案》框架下投入3000万美元用于发展风电技术,降低陆上风电和海上风电项目成本,使美国到2030年达到30吉瓦的海上风电装机规模。在浮动式海上风电部署方面,美国能源部利用美国《通胀削减法案》的资金启动了新的西海岸海上风电传输研究,这是一项为期20个月的分析,旨在研究该国如何扩大传输以利用西海岸社区浮动海上风电的电力。美国能源部将根据其研究结果制定到2050年的发展规划,以解决目前限制美国西海岸海上风电发展的输电限制。美国能源部、内政部、商务部和交通部联合启动了漂浮式海上风电行动计划(Floating Offshore Wind Shot),推动美国漂浮式海上风电设计、开发和制造。美国三分之二的海上风能资源位于需要浮动平台的深水区,抓住这一巨大潜力可为数百万美国家庭和企业带来清洁能源。

在欧洲,欧盟委员会于2023年10月发布了风力发电一致行动计划,规定了欧盟委员会、成员国和行业将对风电产业共同采取的立即行动,包括加强金融支持、加快项目审批速度、审查外国补贴、改进拍卖设计、为采购中的非价格标准引入新的立法等15项。欧盟还宣布投入20.8亿欧元支持法国海上风电技术,到2028年在法国南部沿海建成该国首个漂浮式海上风电场,该风电场装机容量预计达到230~270兆瓦,风力发电产能将达到1太瓦时/年,每年将减少43万吨二氧化碳排放量。除欧盟外,德国和丹麦在波罗的海投资90亿美元新建一个海上风力发电中心。德国、丹麦、瑞典、波兰、芬兰、爱沙尼亚、拉脱维亚、立陶宛八国签署《马林堡宣言》(Marienborg Declarations),加强海上风电合作,计划在2030年将波罗的海地区海上风电装机容量从目前的2.8吉瓦提高至19.6吉瓦。欧洲曾是全球风电领域的领军者,且具有较强竞争力,但近年来随着中国风电行业的强劲发展,欧洲风电产业进程放缓。从装机量来看,2022年欧盟新增风电装机容量16.3吉瓦,同比增长47%,创历史最高纪录,但这一数字远低于实现欧盟2030年可再生能源目标所需的每年37吉瓦的目标。

在亚洲,当前中国风电不仅具备大兆瓦级风电整机自主研发能力,而且形成了完整的风电装备产业制造链,制造企业的整体实力与竞争力大幅提升,在大容量机组研发、长叶片、高塔架应用等方面处于国际领先水平,新技术应用不断涌现,以激光雷达为代表的新型传感技术、以大数据分析为基础的智能技术,使得风电的整体管理变得更加高效。在风机大型化、中远海趋势明确的背景下,目前中国风电企业都在加速布局20兆瓦甚至22兆瓦的风机。

3.创新形式开展海洋能技术研究

海洋能源的来源包括海上的风能、太阳能、潮汐能、波浪能等,海上能源的转型离不开海上储能和大自然包容型的设计。在整个技术发展过程中,创新尤为重要。美国能源部宣布通过“供能蓝色经济倡议”(Powering the Blue Economy Initiative)投入近1000万美元,资助用于海水淡化的波浪能技术研究,并为潜在洋流能测试设施的可行性研究提供支持。英国投入1750万英镑支持3个“超级影响中心”(Supergen Impact Hubs),其中包括“海上可再生能源影响中心”,该中心位于普利茅斯大学,专注于波浪能、潮汐能、太阳能和风能等领域创新。此外,荷兰海洋能源中心也在寻找最适合的创新形式,不仅包含大型海洋能源场,同时还有能源产业园等,聚合多种来源的能源。中心可以为海上太阳能、海上风能等多个来源的海上能源项目发展铺平道路,有时也可以将多种海洋能和海上风能结合在一起,更加高效地利用空间,生产出更多可再生能源,为社会提供优秀的商业案例。

4.支持中小企业清洁能源技术研发

为了鼓励中小企业进行清洁能源创新和研发,美国、英国等国家出台了一系列创新优惠政策,包括专项基金、研发税减免等财政支持。例如,美国能源部宣布拨款7200万美元支持小型企业研发,为296个清洁能源和气候相关项目提供资金,旨在推进创新气候解决方案。这些项目涉及可再生能源、核能、网络安全、先进材料和制造、微电子和人工智能等领域。同时,能源领域的中小企业可以享受到研发费用的税收抵免。例如,英国政府推出了一项针对亏损研发密集型中小企业(SME)的新研发计划。该计划主要内容为:如果一家公司是研发密集型公司,其合格的研发支出占总支出的40%或以上。符合条件的公司每投入100英镑的研发投资,就可以向英国税务海关总署申请27英镑。但在核能领域,考虑到该行业非常专业的性质、高昂的成本和老牌企业的存在,这一研发税收计划可能低于其他行业。英国政府将这种研发税减免扩大到大型公司,但有一个限制,即研发必须与绿色技术直接相关,并且研发必须在英国境内进行。这样,符合政府能源脱碳战略的技术,如核能等将得到激励。英国研发税收抵免可分为两种方案,一个用于中小企业的研发减免计划,另一个用于大企业的研发支出抵免(RDEC)。这两者共同构成了英国政府为各类企业提供的最大的单一政府供资机制之一。

(二)清洁氢技术

2023年以来,全球主要经济体加快氢能政策布局、推动氢能产业发展。美国发布首个《美国国家清洁氢能战略及路线图》,大力发展氢能,建立清洁能源体系;欧盟规定到2030年可再生氢在工业氢需求中所占比例要达到42%,进一步激发绿氢需求;日本更新《氢能基本战略(草案)》,并将加强竞争力、发展全球市场纳入布局。中国出台首个氢能全产业链标准体系建设指南,系统构建了氢能制、储、输、用全产业链标准体系。

1.美国更加注重清洁氢能技术研发创新

发布首个国家清洁氢能战略和路线图。2023年6月,美国发布首份《国家清洁氢能战略和路线图》,提出到2030年美国每年生产1000万吨清洁氢,2040年达2000万吨,2050年达5000万吨。美国拟2027年开始以氨的形式出口清洁氢,2030年成为最大的氢能出口国之一。8月,美国能源部宣布投入3400万美元,支持19个清洁氢能前沿技术研发项目。10月,美国政府宣布将利用《两党基础设施法案》提供的70亿美元资金,在全美建立7个地区性清洁氢气中心,目标是每年生产300多万吨清洁氢气,达到2030年美国清洁氢气产量目标的近三分之一,这些中心的公共和私人投资总额达到近500亿美元。

加速低成本清洁氢的商业化应用。美国在《国家清洁氢能战略和路线图》中将“降低清洁氢能成本”作为三大关键优先战略之一,同时强调要促进整个氢能供应链发展,解决关键材料和供应链的脆弱性。加上对中游基础设施的投资,不仅可以降低清洁氢的生产成本,还可以降低交付成本。预期在2029—2036年间,可将氢供应成本降至4美元/千克,其中包括生产、运输和加氢等环节。除了上述计划,美国《通胀削减法案》为能源安全和气候变化倡议拨款约3690亿美元,为制氢提供每千克最高3美元的税收抵免,或使美国清洁氢能成本与价格全球最低。《通胀削减法案》还为美国能源部的贷款计划办公室提供超过300亿美元额外的贷款授权,为包括制氢在内的清洁能源项目提供资金。可以看出,拜登政府的目标是要到2030年将氢气的生产成本降低80%,降至每千克1美元。然而,目前美国的清洁氢气市场还处于起步阶段,需要更多的投资和支持来推动其发展,这也是美国投入巨资的重要原因。

2.欧洲多措并举推进氢能规模化供应

推进绿氢规模化供应。2023年2月,欧盟重新定义了可再生氢的构成,要求生产氢气的电解槽必须与新的可再生电力生产相连,以确保可再生氢的生产能够激励可再生能源并网。3月,欧盟规定到2030年可再生氢在工业氢需求中所占比例要达到42%,为了满足这个配额,预计将需要210万~420万吨的可再生氢总产量。同时,到2030年需要安装22~43吉瓦的电解槽装机容量。除了欧盟,德国政府于2023年7月通过新版的《国家氢能战略》指出,预计到2030年,德国的氢能需求量将达到130太瓦时。法国政府重申了到2030年电解槽达到6.5吉瓦的目标,到2035年电解槽将增至10吉瓦,以生产低碳氢气。

加速推进氢能交易。德国计划在2024年开设全球首个氢交易所。英国2022年就提出,生产者出售氢的价格与发电用液化天然气价格的差额将由政府支付。除了欧洲,日本也在研究向氢生产者支付氢价与现有能源价格差额的援助手段。众所周知,氢燃烧时不会排放温室气体,因而作为一种脱碳能源备受期待,但其生产成本居高不下。氢交易所的开设有望增加交易量、拉低价格,带动氢能源普及。

实施财政补贴、税收优惠等支持政策。据公开资料统计,截至2023年8月底,欧盟、法国、荷兰、西班牙等地相继提出了“绿氢”补贴计划。欧盟继3月宣布推出欧洲氢能银行后,欧盟委员会计划于2023年11月23日开始,为欧洲经济区(EEA)的可再生氢生产商提供10年最高4.5欧元/千克的固定补贴;法国政府宣布为现有的氢能补贴计划提供1.75亿欧元资金,用以支付氢的制、储、运、加及应用的设备成本,重点打造氢能交通基础设施;荷兰政府宣布2024年开始增加10亿欧元财政投入,专门用于补贴可再生能源制氢项目;西班牙政府将向七个大型绿氢项目拨款1亿欧元,旨在促进电解槽示范项目的开发和高容量电解槽在工业环境中的发展,七个大型项目分布在西班牙5个不同地区,每个项目分别获得1000万至1500万欧元的拨款。

海上风电制氢的概念理论、项目实践走在世界前沿。巴西和爱尔兰都是全球海上风电极具潜力的市场。巴西政府发布了《三年氢能工作计划》,目标是每年通过海上风电生产3.5亿吨绿氢。绿氢在巴西会有广泛的应用空间。巴西每年消耗化肥4500吨以上,其中大部分由天然气制成,绿氢将为化肥市场带来低碳排放的原料。爱尔兰政府设定了到2030年将海上风电装机容量提高到5吉瓦的目标,同时打算再增加2吉瓦的海上风力发电用于生产绿氢。除了欧洲,日本、韩国、中国等国家也在积极布局海上风电制氢项目,寻找绿氢生产新方向。

3.日本欲以“降本增需”普及氢能

汽车燃料电池等应用技术世界领先。按国家来看,日本排在氢能相关技术专利数量首位,把氢能用于汽车、住宅、工厂等,申请专利数量较多的燃料电池产业成为日本的优势。但最近10年的相关专利申请件数却比以前减少三成。打造氢能供应链、以低成本推进实用化和普及化框架正成为日本氢能发展方向。日本政府于2023年6月对其2017年制定的《氢基本战略》进行修订,重点增加氢作为燃料的使用,计划2040年氢用量增长6倍至1200万吨;同时,公共部门和私营企业也将在未来15年共同投资15万亿日元推广氢能应用。修订后的计划将战略领域的9项技术列为优先事项,包括开发水电解设备、燃料电池、脱碳化学制品、运输氢气的大型油轮、燃料氨和清洁能源炼钢等。值得注意的是,新版《氢基本战略》还提出了氢能安全战略的基本框架,作为未来5~10年的行动指南,目的是建立覆盖整个氢能供应链的安全监管体系,包括建立科学数据基础、验证和优化阶段性实施规则、发展适合氢能应用的环境等方面。日本政府还计划颁布新立法,为参与氢和氨供应链生产、建立以及相关基础设施开发的企业提供财政支持。需要注意的是,日本缺乏太阳能和风力等自然资源,难以利用源自可再生能源的电力大量制造环保的“绿氢”,同时该国的可再生能源价格偏高,要实现氢能社会,进口廉价氢的国际框架不可或缺。因此,目前日本正在寻求建立国际供应链,通过海运进口脱碳能源。

4.中国持续强化氢能标准体系

氢能产业专项政策持续出台。在国家层面,2022年发布的《氢能产业发展中长期规划(2021—2035年)》从战略层面对氢能产业的发展做出顶层设计。根据《规划》设定的目标,到2025年,初步建立以工业副产氢和可再生能源制氢就近利用为主的氢能供应体系,氢燃料电池车辆保有量约5万辆,部署建设一批加氢站;到2035年,形成氢能产业体系,构建涵盖交通、储能、工业等领域的多元氢能应用生态。2023年7月,国家标准委、国家发展改革委等六部门联合印发《氢能产业标准体系建设指南(2023版)》,支撑氢制备、储存和输运、加注、应用全产业链关键技术标准。预计中国氢能行业相关标准的制定将加速,行业产品推广效率有望提升。在地区层面,50余个城市及地区发布了氢能发展规划及百余项氢能相关鼓励政策,其中北京、上海、内蒙古、陕西、山东、河南、浙江等地明确2025年氢能产业规模将超千亿元。

在电解制氢领域不断取得突破。国际能源署近期发布的《2023全球氢能评估》显示,中国在制氢电解槽部署方面经历了快速增长,目前处于全球领先地位。2020年,中国制氢电解槽装机容量还不到全球的10%,且主要是小型示范项目。到2022年,中国制氢电解槽装机容量已经增长到200兆瓦以上,占全球装机容量的30%。到2023年底,中国制氢电解槽装机容量预计将达到1.2吉瓦,占全球产能的一半。多个大型制氢电解槽项目也在推进。其中,中国首个万吨级光伏发电直接制绿氢项目——新疆库车绿氢示范项目于2023年8月全面建成投产,这标志着中国绿氢规模化工业应用实现零的突破。

重要前沿技术研究新进展

绿氢制取获得重大突破

太阳能热化学氢。太阳能热化学氢(solar thermochemical hydrogen,STCH)是通过阳光热能直接分解水产生氢气,完全依靠可再生太阳能驱动氢气生产,得到的是没有二氧化碳排放的“绿氢”。据2023年10月16日发表在《Solar Energy》杂志上的一项研究,美国麻省理工学院设计出了更高效的STCH系统,可利用40%的太阳热量,直接分解水并产生氢气,为长途卡车、轮船和飞机提供动力,同时在此过程中不排放温室气体。与其他提出的设计类似,麻省理工学院的系统将与现有的太阳能热源相结合,比如聚光太阳能发电厂(CSP)——一个由数百面镜子组成的圆形阵列,收集阳光并将其反射到中央接收塔。然后STCH系统吸收接收器的热量并引导其分解水产生氢气。这个过程与电解不同,电解使用电而不是热来分解水。这种制氢法虽然可以完全依赖再生能源,但效率相当低,基本上只有约7%的入射光用于制造氢气,是一种低收益高成本制氢技术。显然这类只靠对绿色能源的爱无法推动规模发展,还需要再进一步研究。美国麻省理工学院研究团队预计将在2024年打造系统原型,计划在美国能源部实验室的聚光太阳能设施中进行测试,目前也获得能源部资助。

海水制氢。海水制氢一直是氢能产业的瓶颈之一。德国AquaPrimus项目将风电场风机制造的氢气汇总后输送到海底,存储在专用的高压储罐中,通过海底管道输送至陆地终端。该项目计划2025年在黑尔戈兰岛外海两台14兆瓦的风机平台上各安装一个电解槽。长期以来,电解水制氢一直依赖于淡水资源,全球淡水资源总体短缺,给其规模化应用带来了诸多限制和挑战。国内外知名研究团队进行了大量研究与攻关,均未取得突破性进展。2023年5月,在中国福建兴化湾海上风电场开展的全球首次海上风电无淡化海水原位直接电解制氢技术海上中试,获得成功。该项目第二步计划是实现规模化,研制大容量商业化电解槽,第三步实现产业化。日本利用海上风电+新建海上平台+电解设备的集中制氢模式,将风电场电能汇总至半潜制氢平台,生产的氢气压缩储存在半潜平台储气罐系统,通过穿梭油轮进行外输,该项目位于北海道海岸,计划2030年前实现商业化。该模式适用于离岸较远的风电场以及分散式制氢不经济的风电场,通过新建海上集中式制氢平台,减少电力传输损耗,集中制氢。澳洲科学家还研发出一种可以将海水中的水分解为氢气和氧气的催化剂。这种催化剂叫做"液态金属纳米颗粒催化剂",其中的金属纳米颗粒能够将海水中的氯离子与水分子分离,产生高浓度的氢气。这种催化剂制备简单,成本低廉,每1千克制氢仅需要2澳元。在实际应用中,利用这种催化剂制氢,产生的氢气质量非常高,可以用于各种需要高纯度氢气的行业,如电池制造、燃料电池等。

(三)先进核能技术

在地缘冲突引发能源供给危机与能源结构加速绿色低碳转型交汇影响下,各国纷纷调整政策,核能在全球进入新一轮加速发展期,以先进核能技术、可控核聚变等为代表的新技术新方向受到前所未有的广泛关注。

重视先进核能技术研发和部署。美国政府根据《通胀削减法案》向美国能源部爱达荷国家实验室投入1.5亿美元,升级其核能基础设施,加强核能研发。英国《绿色工业革命十点计划》宣布设立最高3.85亿英镑的“先进核基金”,用于投资下一代核技术。这包括最高2.15亿英镑用于开发国内小型模块化反应堆技术设计以及最高1.7亿英镑用于在本世纪30年代初期完成先进模块化反应堆(AMR)示范研发。为了推动新核能项目的交付,政府对原设立的英国核燃料有限公司(BNFL)进行了重组,设置了“大不列颠核能”独立机构(GBN),依据英国到2050年的核能长期发展计划,负责小型模块化反应堆的竞优工作,为政府核能项目的最终投资决策提供支持。英国还将在已投入8.7亿英镑基础上,向Sizewell C核电项目追加3.41亿英镑投资,用于施工场地建设、关键设备/部件采购和人力资源补充,加速核电项目的推进。

推进小型模块化反应堆(SMR)的研制与应用。美、英、法、德、日、韩等9国组成的国际核监管机构协会发表联合声明,推动小型模块化反应堆技术的通用设计评估和许可方面的国际合作,确保小堆技术在各国部署符合安全、可靠、防扩散要求。美国多家核能公司与加拿大、韩国、波兰、罗马尼亚等国企业签署协议,推进小堆技术开发和部署。英国或将在2024年中期批准小型模块化核反应堆。此外,加拿大启动了“小型模块化反应堆支持计划”,加速小堆技术发展。

在核聚变方面,近年来,全球商业资本正加速涌入可控核聚变领域。一批初创企业涌现使得核聚变研究的途径更加多元化。美国能源部通过“聚变能发展里程碑”计划向8家公司提供4600万美元的资金,解决聚变能商业化面临的关键挑战。在脱欧的大背景下,2023年英国政府决定不加入欧洲原子能共同体研究和培训计划(Euratom R&T)以及聚变能计划,立足建立自主核聚变研究能力,弥补JET退役所造成的研发能力缺失。为此,英国计划投入7.76亿英镑的经费,落实核聚变战略,新建设用于发展核聚变燃料循环能力和创新的设施,发展新的核聚变科学和人力资源开发,加强国际合作项目,加速球形托卡马克等新技术研发和商业化发展。

在核燃料生产方面,高丰度低浓铀成为多国开发和部署先进反应堆所需的关键材料。美国准备启动本土首个高丰度低浓铀生产示范项目,该示范项目是目前美国唯一获得高达20%浓缩铀水平许可证的工厂,计划在2023年底前生产20千克高丰度低浓铀,到2024年年产量可达到900千克,以满足两个先进反应堆示范项目的最初核燃料需求,支持燃料认证和测试新的反应堆设计。英国投入2230万英镑支持发展新的核燃料生产和制造能力,“核燃料基金”(NFF)旨在支持建立生产或处理铀及相关核燃料产品的能力,克服英国在燃料循环前端供应链的投资障碍。NFF之前已向8个项目提供了2030万英镑的资助,此次将额外提供2230万英镑用于发展新的核燃料生产和制造能力。其中有950万英镑用于英国铀浓缩公司开展先进低浓铀(LEU+)和高丰度低浓铀(HALEU)的研发。英法将基于两国在核电领域的数十年合作关系,并与其他七国集团成员国共同努力,减少对俄罗斯民用核能和相关物资的依赖,实现铀供应和核燃料生产的多样化。

在乏燃料后处理方面,美国、俄罗斯正在结合先进核能的部署规划,加快先进后处理技术的商业化进程。芬兰深地质处置库已进入建设阶段,成为当今世界上开拓高放废物处置的先驱者。日本即将拥有大规模后处理工业能力。

重要前沿技术研究新进展

核聚变技术商业化进程加速

随着时间的推移,核聚变技术逐渐成为全球焦点,引发了广泛的研究和关注。近日,全球最新、规模最大的核聚变反应堆——JT-60SA成功点火,标志着人类实用核聚变能源发展进程中的一大里程碑。这一重大突破,预示着核聚变商业化进程有望加速。JT-60SA是由日本和欧洲联合开发的一项国际核聚变实验,其成功点火不仅证明了装置的基本功能,更为核聚变反应堆的商业化运行提供了扎实的实验基础。然而,项目负责人表示JT-60SA还需两年时间进行更持久的运行,以满足物理实验的需求。预计到2050年,日本将建造一座示范发电厂DEMO,这将为JT-60SA和ITER的商业化运行奠定基础。

与其他能源相比,核聚变具有原料丰富、释放能量大、放射危害小、安全性高等优势。海水中含有大量的核聚变燃料,如果能有效利用,其能量释放足以满足人类数百亿年的能源需求。同时,核聚变的自限性使得其安全性得到极大提升,基于链式反应的裂变型事故或核熔毁不可能发生。

中国在可控核聚变技术方面也取得多次科研进展。2023年8月,新一代人造太阳“中国环流三号”首次实现高约束模式运行,标志着中国可控核聚变技术的关键进展。另一方面,多个核聚变装置获批开工建设,目前总开工规模已突破百亿。11月,全球最大“人造太阳”项目磁体支撑产品在广州交付。至此,中国已完成最后一批磁体支撑产品,按时兑现国际承诺,为国际热核聚变实验堆ITER项目第一次等离子体放电的重大工程节点奠定了基础。

(四)碳减排技术

采用创新的脱碳技术可以帮助重工业减少碳排放,如碳捕获和利用(CCU)、碳捕获和储存(CCS)、燃料转换、电气化、氢气和材料效率/循环经济。

在美国,2023年以来美国启动多个碳管理项目,美国能源部宣布为33个研究和开发项目提供1.31亿美元,以推进碳管理技术的广泛部署,减少二氧化碳污染。为碳安全(Carbon SAFE)第二阶段储存综合体可行性(Storage Complex Feasibility)资助计划提供9300万美元,为后续开发能够储存5000万吨以上二氧化碳的储存设施提供支持;为碳管理(Carbon Management)资助计划下22个项目提供3800万美元,加速实现“以低于每吨100美元的价格将碳捕获并储存”的目标。7月,美国能源部宣布投入2340万美元,支持16个碳管理项目,以推动碳捕集、利用和封存(CCUS)技术在美国的商业部署,其中在大型碳封存设施或区域碳管理中心二氧化碳地质封存和运输领域投资1284.4万美元,在地质数据收集、分析和共享领域投资963.5万美元。

在欧洲,多个国家和地区目前正致力于在脱碳方面在全球范围内发挥领导作用,从而实现无需或更少碳捕获措施的创新无碳生产工艺。欧盟宣布将从创新基金中拨款18亿欧元,投资16个大规模创新项目,涵盖CCUS、绿氢及其衍生物、储能、合成可持续燃料等技术,以实现在未来十年内将二氧化碳排放量减少1.25亿吨。其中捕集、利用和封存技术具体资助项目包括:将碳捕集装置与化工、水泥、石灰生产装置相集成,并将捕集的二氧化碳输送到沿海枢纽进行地质封存;创新碳捕集、利用与封存价值链,将建造东欧首个CCUS集群;建造世界首个二氧化碳矿化封存基地。法国还准备进行碳捕获项目的招标,作为其帮助大型制造商减少排放计划的一部分。

除了欧美国家,日本新能源产业技术综合开发机构多次资助开发二氧化碳循环转化利用技术,包括在碳循环利用、下一代火力发电等技术开发项目中投入25亿日元(约合1924万美元),发展利用常压等离子体开发新的二氧化碳分解/还原工艺、能够高效利用二氧化碳的藻类生物质生产和利用技术等6个项目;在绿色创新基金框架下投入1145亿日元(约合8.8亿美元)启动以二氧化碳为原料的燃料制造技术开发项目,开发可持续航空燃料、不使用化石燃料的液化石油气绿色合成等技术。

重要前沿技术研究新进展

将碳转移到海上封存设施或海底成为新方向

业内正在寻求更灵活的碳捕集和封存方式,将碳转移到海上封存设施或海底成为新方向,“海洋储碳”示范项目在全球涌现。2023年6月,中国首个百万吨级海上碳封存示范工程——中国海油恩平15-1油田碳封存示范工程正式投用。欧洲以北海为中心诞生多个海上碳封存项目,海外市场“海洋储碳”风潮主要集中在欧洲北海地区,其中最受关注的挪威北极光项目(Northern Lights)和丹麦绿沙项目(Greensand)有望分别于2024年和2025年投产。挪威政府指出,北海地区有潜力储存超过800亿吨二氧化碳,相当于挪威1000年排放量。2022年,北极光项目签署了全球第一份跨境二氧化碳运输和储存商业协议,2023年3月又有5家大型能源公司向挪威政府提交了储碳合作申请。英国计划在北海大陆架封存超过780亿吨二氧化碳,有望形成数十亿英镑产业。显然,北海作为老牌油气产区,有望成为碳运输枢纽和存储中心。睿咨得能源咨询公司汇编官宣项目和合作谅解备忘录预计,到2030年,挪威二氧化碳运输量将达到2600万吨/年,占全球二氧化碳运输量30%左右。荷兰紧随其后,运输量达2300万吨/年;英国运输量约2000万吨/年;法国运输量约1700万吨/年;比利时运输量为1300万吨/年。

(五)关键矿产资源

不断扩张的能源行业推动了全球对关键矿物的需求,以美国为代表的国家或地区纷纷出台或调整关键矿产战略,展开全球布局以应对供应链风险。美国正努力建立多元化的供应链,以加强矿产和原材料储备。2022年12月,美国能源部高级研究计划署启动能源负排放资源回收采矿创新计划,宣布为12个州的16个项目提供3900万美元资金,重点提升铜、镍、锂、钴、稀土元素和其他关键元素的国内生产。2023年7月,美国能源部发布《2023年关键材料评估报告》,对清洁能源的矿产情况展望至2035年,新增了对6个材料的分析。该报告称,在美国所需的全部关键材料中,有18种材料面临着高风险的断供情况。这其中包括了钴和钕等材料,而这些材料正是汽车发动机电机、风力涡轮发电机和固态电池等电气化高科技设备的关键原材料。2023年8月,美国能源部宣布在“投资美国”议程下通过《两党基础设施法案》拨款3000万美元,用于降低利用国内煤炭资源生产稀土以及其他关键矿物和材料的成本,旨在满足美国对关键矿产不断增长的需求,同时减少对非本土供应的依赖。目前美国80%以上的稀土需求依赖进口,此次资助将利用国内煤炭和煤炭废料支持建立至关重要的关键矿产国内供应链,开展经济可行、环境友好的提取、分离和精炼技术实验室研究和中试。

为应对迫在眉睫的矿产资源短缺问题,美国还鼓励科研机构、高校同企业开展联合攻关,以关键矿产中极为重要的锂为例,美国能源部化石能源办公室、地热技术办公室等正与劳伦斯·伯克利国家实验室及伯克希尔·哈撒韦能源集团等企业合作,研究从美国加州地热系统地下卤水中提取锂的工艺,其中美国能源部负责提供部分研究资金,劳伦斯·伯克利实验室提供材料科学、化学和高级分析等技术支持,私营企业则提供矿物勘探、开采和加工工艺。

在实现关键原材料自主可控的道路上,欧盟迈出了关键一步。针对欧盟严重依赖进口的关键原材料,2022年9月,欧盟开始酝酿引入关键原材料法案,解决原材料供应安全问题,以避免出现依赖其他国家关键矿产供应的情景。2023年3月,欧盟委员会正式发布《关键原材料法案》,旨在确保欧盟获得安全和可持续的关键原材料供应,这些原材料主要包括:稀土、锂、钴、镍以及硅等。按照该法案,到2030年,欧盟计划每年在欧盟内部生产至少10%的关键原材料,加工至少40%的关键原材料,回收15%的关键原材料。在任何加工阶段,来自单一第三方国家的战略原材料年消费量不应超过欧盟的65%。按照供应风险和经济重要性,欧盟委员会已对34种原材料进行了分类。德国经济研究所(DIW)的一份报告显示,这34种关键原材料中,有14种对于外国供应商的依赖度为100%,另外3种关键原材料95%依赖外国供应商。欧盟决定加快推动能源转型,这意味着欧洲对关键矿产的需求会剧增,对关键矿产供应链安全的重视程度也会进一步提升。为了对抗美国《通胀削减法案》对欧洲绿色竞争力带来的不利影响,2023年2月欧盟委员会又提出了《欧盟绿色协议工业计划》,将拨出2500亿欧元用于补贴和税收优惠,以提高欧盟净零制造能力,提升关键矿产的本土开采和加工能力。

三、启示与建议

近年来,全球主要能源价格高涨,地缘政治冲突加剧了全球市场的动荡,叠加经济复苏带来能源需求增长,降水、极端天气等因素导致可再生能源出力波动性加大,不稳定、不确定和难预料的因素增加,不断冲击着全球能源供应链和产业链的稳定。在这一背景下,有必要借鉴美、欧等经济体能源安全政策调整及经验,保障我国战略性关键矿产资源安全,提升能源产业链自主可控水平,加大对能源领域科技创新的资金保障,鼓励引导能源民企用好政策创新工具。

(一)保障战略性关键矿产资源安全

新能源技术的不断迭代和突破,造成了各国对钴、镍、锂等关键矿产资源需求的暴涨。美欧等主要经济体已将关键矿产资源上升至国家战略高度,重点布局构建本土化、多样化关键原材料供应链,以掌控未来全球能源市场的领导地位。关键矿产资源稳定供给同样是我国完成能源产业转型、实现“双碳”目标的重要支撑。然而我国清洁能源产业链上游所需的多种矿产资源储量不足。需要统筹国内国际两个市场、两种资源,通过创新开放、延链补链实现稳定保障。一是建立适合中国国情的战略性矿产资源储备体系。借鉴美欧日等国经验,建立关键矿产的国家储备机制,加强对钨、稀土、晶质石墨等战略性矿产重要矿产地的储备,探索采储结合新机制。二是加强关键矿产资源国内勘探开发,提高供应保障能力。把立足国内作为战略性矿产保供的逻辑起点,加强国内资源勘探开发,提高地质调查和勘探能力;建立关键矿产供应链的跟踪监测,分析各类衍生风险叠加对关键矿产供应安全和保障能力的潜在影响,并建立预警应对机制。三是进一步深化关键矿产国际合作,形成产业结构内外互补、生产要素全球配置的发展格局。与此同时,畅通资源运输通道,做好勘查、开发、贸易、运输等产业合作和全链条建设,全面提升资源开发、供给的韧性和安全保障水平。

(二)提升能源产业链自主可控水平

随着全球气候变化和环境问题日益严峻,美、欧等发达经济体都在积极推动能源转型和低碳发展。其中,推动能源领域科技创新已成为共同目标。不过,与世界能源科技强国以及引领能源革命的要求相比,我国能源科技创新依然存在一定差距。比如,相对优势产业面临被赶超的风险,目前新能源产业已成为大国博弈的重要领域,各国围绕新能源产业链展开了激烈竞争。欧美等国一方面在产业研发、应用等方面出台一系列激励政策,加强风电、光伏等新能源技术研发与市场开发,助推产业发展升级,另一方面加大了对本国新能源产业的保护力度,提高了市场进入门槛。我国能源技术装备长板优势不明显且尚存短板,关键零部件、核心材料等方面需要进口,原创性、引领性、颠覆性技术偏少。因此,有必要在多方面重点发力,加快推进能源领域科技创新。加快关键核心技术装备补短锻长。从能源产业链紧迫需求出发,聚焦“卡脖子”技术和“掉链子”环节,突破基本原理、基础软硬件、关键零部件和装备、关键基础材料、关键仪器设备等制约。持续增强电力装备、新能源等领域全产业链竞争优势,并在这些优势领域中打造先进产业群。加快研究快速兴起的前瞻性、颠覆性技术以及新业态、新模式,形成一批能源长板技术新优势,掌握产业发展主动权。多元化能源产品种类和供给渠道,以分散市场风险、减少地区依赖。加强“一带一路”新能源产业合作,开辟新的新能源应用市场,通过市场多元化降低欧美市场波动的影响。

(三)加大对能源领域科技创新的资金保障

加速发展可再生能源等低碳减排项目、促进绿色经济发展,离不开对技术创新的持续投入。世界主要能源强国均积极部署以能源科技创新发展为主线的能源战略顶层设计,支持清洁能源转型,推动市场布局多元化。这也将带来巨大的利益,包括提供新的工业机遇和就业机会、促进能源安全、带来更清洁的空气、确保更广的能源供应以及更安全的气候环境。未来,我国在重点能源科技创新领域的研究上,应提供支持和资金上的倾斜,强化财税、金融等政策的供给,以提升我国现代能源体系建设能力。

(四)鼓励引导能源民企用好政策创新工具

国外中小型企业、私企对于能源科技创新领域的探索和实践,主要利用了多种类型的新兴政策工具。比如,美国政府鼓励清洁氢多主体、多渠道投资,为氢能供给侧增加产能。供给侧激励机制包括提供生产税收抵免,为研发和示范项目提供公共资金,以降低制氢技术的成本。还有英国于2000年启动的研发税收抵免,是英国政府为鼓励企业进行创新而推出的政策重点之一。此政策旨在减少企业用于改善产品和流程所需的实际投资成本,以鼓励企业进一步创新。据英国海关与税务总署(HMRC)称,英国中小企业研发税收抵免平均申请金额超过5万英镑,而大公司则超过60万英镑。而中国的民营企业在新能源和传统能源领域中也展现出强大的实力和创新能力。《2023胡润中国能源民营企业TOP100》榜单显示,有89家企业主营新能源业务,11家企业主营传统能源业务。对于广大民营企业来说,用好能源领域政策创新工具,不仅可以提升企业自身竞争力,还可以激发企业创新主体活力,包括引导能源民营企业完善治理结构和管理制度,支持提升科技创新能力,加快推动数字化转型和技术改造,促进技术和市场的有效对接,加快技术成果的转化和应用,鼓励提高国际竞争力,支持参与国家重大战略等。

参考文献:

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

[3]IEA.Critical Minerals Market Review 2023[R]. 2023.

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

[5]CASEnergy.国际能源署发布《2023年世界能源投资》报告[EB/OL].先进能源科技战略情报研究中心. 2023-07-03.


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