2021年04月01日 | 全球能源发展展望之关键技术创新

关键技术创新之能源开发

油气—水力压裂等开发技术创新将带动探明储量、可采储量大幅增加，但供需形势正在迈向持续宽松，产能的增加并非转型的关键。为应对气候变化，对开采加工过程中的甲烷泄漏进行检测和修复并开展全过程监测和计量非常必要，开发小型模块化天然气利用装置以减少放空气也势在必行。

煤电—煤电主要是要提高效率和增加灵活性，如提高超超临界机组占比、在非全载荷条件下实现高效率、提高爬坡速率以响应用电需求和可再生能源出力的变化。此外，煤电机组安装碳捕集、利用与封存（CCUS）设施是应对气候变化的必然举措，新兴的低碳用煤技术还包括直接煤燃料电池、超临界碳电循环。

气电—与煤电类似，气电未来发展要进一步提高灵活性以支撑可再生能源发电的大规模接入，主要途径包括气价保证、系统运行、市场设计、辅助服务等。为实现应对气候变化目标，气电领域的碳捕集、利用与封存技术必不可少。

水电—水电开发技术成熟，转换效率高，投资回报高。面向能源清洁转型，水电技术创新主要是优化水电站的规划、设计和建设，减小对生态系统和社会生活的影响，减少水电项目土建工程。

核电—三代及三代 + 轻水堆机组的批量化建设毫无疑问将大幅降低核电成本，但大型发电机组在高比例可再生能源发电市场中是否具有竞争力有待考量。在能源转型进程中，核电需要变得更加灵活、可靠和可调。当前，核电技术创新方向是模块化小型核电、核电制氢或其他能源、拓展非电用途（制热、海水淡化等）。此外，核电长期发展必须解决核燃料回收处理问题。

陆上风电—陆上风电技术已经较为成熟，未来需要多措并举进一步降低度电成本。首先，通过数字化方案和先进电力电子设备提高并网友好性；其次，加快下一代风机、动力装置和系统管理技术研发；最后，资源勘测和空间规划技术的推广应用有助于提高风电项目的长期效益。

海上风电—海上风电成本下降或技术创新的空间十分巨大，可以通过风机设计、控制系统、场站管理等手段提升出力情况，但必须面对海洋风暴、海面冰冻、海水腐蚀等不利自然条件。深海风电资源条件优异，但这需要漂浮式海上风电在风机安装、底座设计等方面取得关键突破。此外，如何将电能传输至陆地也面临挑战。

光伏发电—光伏发电将是成本最低的发电技术，其中单晶硅是当前主流技术，AI-BSF 技术占据 3/4 市场份额，PERC 技术及 HJT、IBC 等下一代技术具有发展潜力。此外，光伏发电与数字化技术相结合，为微网、孤网系统提供电能，将有助于解决数以亿计的无电人口问题。

地热能—地热开发利用技术成熟度不一，目前已进入验证期的是干热岩地热提取技术，还需要强有力的政策支持帮助其步入商业化阶段。此外，水热资源也具备一定开发潜力。

海洋能—当前，海洋能开发利用相对成熟的是波浪能和潮汐能，海洋温差热能、盐度梯度能和海洋洋流能仍处于概念早期。

关键技术创新之工业部门

钢铁行业—当前，钢铁行业主要采用 BF-CO 法（高炉 - 焦炉）。面向能源转型，基于煤炭或氢等离子体的冶炼还原技术、基于一氧化碳 / 氢能 / 电能的直接还原技术均可有效减少碳排放。此外，安装 CCUS 设备可实现钢铁生产的净零排放，高炉气回收利用于燃料生产或化工制造可减少炼钢的全周期能耗与排放。

冶铝行业—当前，冶铝行业主要采用霍尔 - 埃鲁炼铝法，能减少碳排放的惰性阳极法受到业界关注。面向未来，多极电解池、新型阳极、湿阴极、碳热还原、高岭石还原等技术处于研发早期。

化工行业—化工行业的生产工艺复杂、产品种类繁多，能源转型主要是在可行环节将化石能源原料替换为氢能、生物质或电能。比如，采用哈柏法将氮气与氢气合成为氨；将来源于工业生产过程的二氧化碳和电解氢合成为甲醇；用甲醇替代石脑油蒸汽裂解来生产芳香族化合物。

水泥行业—目前，尚无成熟技术方案可改变水泥行业高耗能、高排放的用能特性。可选的 CCUS 技术包括燃烧后化学吸附碳捕集技术、富氧燃料碳捕集技术、碳分离膜及钙循环技术等。此外，将捕集的碳制成惰性碳酸盐作为混凝土骨料或水泥基料是可行方案，但仍处于技术研发初期；贝利特 - 硫铝酸钡水泥技术在创新突破难度、碳减排潜力等方面相对均衡。

造纸行业—造纸行业能源转换困难重重，目前处于技术研发早期阶段的有深低共熔溶剂木质素提取技术、纸浆黑液气化技术。

关键技术创新之交通部门

燃油经济性—提高燃油经济性的主要手段有使用高能效轮胎、提高汽车空气动力特性、提高燃油燃烧效率和降低发动机重量、动力系统电气化、使用高强度钢或铝制造汽车底盘等。

生物燃料—当前，生物燃料主要来源于脂肪、废油和油脂，原料有限制约了利用规模。面向未来，纤维素乙醇、生物质液化（BtL）等技术可从城市固体垃圾、农林废弃物中提取生物燃料，其技术成熟将带动生物燃料扩大规模、降低成本。

电动汽车—电动汽车发展的核心是电池技术的不断突破，包括降低制造成本、增加能量密度、提高充放效率、延长使用寿命。随着电动汽车数量的增长，其充电需求给电网运行带来很大安全挑战。若可整合电动汽车成为需求侧响应资源，既可以解决大规模并网充电带来的运行挑战，又可提高电力系统对可再生能源发电的接纳能力。

卡车—当前，电动卡车的续航里程还未突破 600 公里，无法满足长途货运需求，解决方案主要有动态充电公路、锂电池技术提升、氢能或燃料电池。

铁路—铁路领域正在经历电气化、高速化、数字化的发展历程。无论是连接城市的铁路网路，还是城市内部的地铁和轻轨，都对其他交通方式形成有力竞争，有助于提高运输效率、降低污染排放。

航运—面向能源转型，航运领域可使氨、氢、生物柴油替代传统柴油，但氨与氢目前均面临基础设施薄弱的困难。此外，轮船的使用寿命长达二三十年，技术锁定问题较为严重，替代方案是改用液化天然气（LNG）。

航空—航空是最难实现低碳化的交通方式。2020 年，欧盟发布《氢动力航空：到 2050 年氢技术、经济和气候影响》，提出氢动力航空的研发路线图。但考虑飞行器研发通常需要数十年，2050 年很难见证航空领域的低碳化，主要减排举措包括使用生物燃油替代航空煤油、在机场滑行时使用电能或氢能。

关键技术创新之建筑部门

综合能源系统—将能源生产（如建筑屋顶或墙面光伏发电）与储能设施（如冷热一体式储能）相结合，加之空气循环系统、室内照明系统的智能控制，可有效降低建筑能耗。

采暖—热泵在建筑采暖中具有良好应用，未来主要是降低购置成本、减少空间占用、融入城市或社区供暖网络。地源热泵可同时满足供暖和制冷需求，可应用于商业建筑和居民住宅。

制冷—现有空调制冷技术中，提升压缩机效率是减缓制冷需求增长的关键。面向未来，制冷领域的技术创新包括光伏发电制冷、液体干燥剂制冷、光热制冷等。

电器—现有技术进步与政策引导正在持续提高电器效率。面向未来，提升电器效率的案例有冰箱使用真空隔热板、滚筒烘干机使用地热能、电子设备使用改进型硅基材料。

照明—当前，LED 照明并未达到技术极限，预计 2030 年其效率有望达到 160 流明 / 瓦。新兴的 SSL（固态照明）技术正在快速发展，但获得较传统照明技术的成本优势仍需时日。建筑能源管理系统中包含智能照明系统，可根据日光强度、占用情况等主动调节，可有效降低建筑电耗。

数字化—面向未来，数据中心服务需求无疑将快速增长，传输网络无线化也会加快需求增速，而能源效率的提升将一定程度减缓数字化变革引起的能源需求增长。为此，主要举措包括计算向云端转移、建设超大规模数据中心、引入人工智能开展能耗管理等。