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全球能源前沿技术发展动态综述(2022)

作者:邱丽静 来源:中能传媒研究院 发布时间:2022-12-06 浏览:

全球能源前沿技术发展动态综述(2022)

邱丽静

(中能传媒能源安全新战略研究院)

当前,世界百年未有之大变局加速演进,新一轮科技革命和产业变革深入发展,能源科技创新进入持续高度活跃期。美国、欧盟、英国、日本等主要经济体加强应对疫情影响和国际能源市场的变化,积极布局绿色低碳产业、发展清洁技术,抢占发展制高点。受政策驱动,氢能、储能、核能、CCUS等一大批新兴能源技术正以前所未有的速度加快迭代,成为全球能源转型变革的核心驱动力。

党的二十大报告提出,“以国家战略需求为导向,集聚力量进行原创性引领性科技攻关,坚决打赢关键核心技术攻坚战。加快实施一批具有战略性全局性前瞻性的国家重大科技项目,增强自主创新能力。”随着创新引领能源发展作用日益凸显,从国家能源安全和经济可持续发展的战略高度重视能源科技创新,对于抢占新一轮科技革命主动权具有重要意义。本文梳理新形势下全球能源技术研发投入情况、主要经济体能源技术发展重点,及能源领域低碳前沿技术发展形势,并在此基础上提出对我国的启示与建议,供参考。

全球能源技术研发投入总体情况

当前,全球能源科技创新进入持续高度活跃期。2021—2022年,全球主要经济体宣布了扩大各类能源技术研究、开发和示范(RD&D)公共经费投入计划,其中大部分用于氢能技术,碳捕集、利用与封存(CCUS)技术和储能技术。与此同时,能源技术RD&D投入领域变得日益多样化,能源效率和可再生能源投入增长显著,电动汽车是能源相关企业研发投资最大领域。

(一)全球能源技术RD&D投入整体增长明显

全球各类能源技术研究、开发和示范(RD&D)公共经费投入经历两年连续下降后,在2017年出现反弹,随后一直呈现上升趋势。根据国际能源署(IEA)数据,2020年,全球能源技术RD&D投入总额约326亿美元;2021年,全球能源技术RD&D投入达到约380亿美元,其中IEA成员国投入了230亿美元,在全球总投入中占比61%。这一增长趋势主要受欧洲和美国的推动,而中国在该领域的投入在经历2017年、2018年连续两年的强劲增长后保持平稳。

同时,世界各国能源技术RD&D投入领域变得日益多样化,从国别来看,氢能和燃料电池技术投入最高的国家仍是日本;电力和储能技术投入最高的经济体为欧盟,IEA数据显示,2020年欧盟在电力和储能技术投入达4.28亿美元,占其能源技术总投入金额的五分之一;在能源效率、化石燃料、可再生能源、核能和其他技术等方面投入最高的国家为美国,IEA数据显示,2020年美国在以上几个方面共投入约81亿美元。

资料来源:IEA

图1  2015—2021年全球主要经济体能源技术RD&D投入情况

(二)低碳能源技术是能源技术RD&D投入的主要领域

作为后疫情时代刺激计划的一部分,世界各国政府均宣布扩大能源研发投入资金,其中大部分用于氢能、储能和碳捕集、利用与封存(CCUS)等低碳能源技术。根据IEA数据,2020年,IEA成员国低碳能源技术RD&D投入显著增加,总额达到222亿美元。其中,增量最大的是美国,投入额增加了6.77亿美元,同比增长9%;其次是加拿大,增加了2.42亿美元,但其增幅最大,同比增长了31.4%。2021年,全球能源研发投入增至380亿美元,其中近90%用于低碳能源技术研发,这是自2017年以来连续第五年增长。与此同时,IEA成员国非低碳能源技术RD&D投入自2013年以来不断减少,2020年降至8.83亿美元。

资料来源:IEA

图2  2020年IEA主要成员国和欧盟低碳技术RD&D投入情况

(三)全球能源效率相关技术投资增长显著

当前能源安全挑战与气候危机交织,提高能源效率比以往任何时候都更为紧迫。近十年来,全球能源效率投资占比呈现不断增长态势,根据IEA数据,2020年能源效率在全球能源投资中的占比已从2010年的23%增加到26%。全球所有行业都将因为提高能源效率而迎来重大机遇,特别是在当今高昂的能源价格条件下,通过降低运营成本加速收回投资成本显得更为重要。预计到2030年,通过采用效率更高的设备、发展数字化技术等举措,能源效率将显著提高,包括新建筑、建筑改造、制造和交通基础设施等在内的相关技术投资也将显著增加。

资料来源:IEA

图3  IEA成员国能源技术RD&D投入领域占比

资料来源:IEA

图4  2015—2021年全球上市能源公司研发投入情况

(四)电动汽车成为研发投入重点领域

据统计,2021年全球电动汽车的销量达650万辆,同比增长109%,其中大部分涨幅由中国和欧洲贡献,预计2022年电动汽车销量将继续强劲增长。在2021年全球上市公司能源研发投资中,汽车是能源相关企业研发投资的最大领域,根据IEA数据,2021年,约有240亿美元的风险投资用于电动汽车和电池,占清洁能源初创企业筹集资金的一半以上。同时,电动汽车销量的增长进一步推动了对电池、氢能和储能等领域的投资,在电池储能方面的投资更是达到新高。以锂离子电池为例,IEA预计其资本投资将在短短两年内增长近两倍,到2022年达到近200亿美元。

世界各主要经济体能源技术发展重点

世界各主要经济体均将科技创新视为推动能源转型的重要突破口,积极制定各种政策措施抢占发展制高点。其中,美国发布一系列新政策,支持清洁能源技术和低碳制造研究,积极部署发展可再生能源、储能、智能电网等先进能源技术。欧盟在《欧洲廉价、安全、可持续能源联合行动方案》(REPowerEU)中将其可再生能源消费占比目标从之前设定的40%提高到45%,相关资金用于支持可再生能源发展、提高能效以及进口LNG等。英国高度重视其最具优势的低碳技术研发,温室气体去除技术和颠覆性技术为优先领域。日本将氢能定位为实现碳中和的关键技术,持续加大对氢能研发的支持力度,不断拓展氢能应用场景。

(一)美国:更加注重清洁能源发展,支持低碳制造研究

2022年8月,美国发布有史以来最大规模针对气候能源领域的投资计划——《通胀削减法案》(IRA),该法案内容涵盖医疗、气候和税改等多个方面,预计将带来7400亿美元(约合5万亿元人民币)的财政收入,以及4330亿美元(约合2.9万亿元人民币)的支出。其中,有3690亿美元(约合2.5万亿元人民币)支出计划用于遏制气候变化和促进清洁能源使用,重点覆盖清洁能源制造业,包括鼓励购买电动汽车和氢燃料电池汽车以及部署充电站等。

除了上述提到的《通胀削减法案》对清洁能源技术发展形成支撑以外,2022年以来美国能源部(DOE)还实施了一系列创新举措,支持清洁能源技术和低碳制造研究,主要包括为54所大学和11个国家实验室投入超过5.4亿美元、加速推进地热能、海上风能和工业供热领域的清洁转型等方面。需要特别指出的是,DOE今年9月发布的《脱碳工业路线图》确定了减少美国工业部门排放的四个关键途径及其研发和示范需求,针对五个碳密集型重点行业提出了到2050年实现净零排放的关键要点以及研发和示范行动计划。同日,DOE还宣布了一项1.04亿美元的融资资助,用于推进工业脱碳技术的发展。通过土地利用生态系统管理、CCUS等关键技术攻关,到2050年美国五个重点行业的碳排放可减少87%。

资料来源:DOE

图5  美国碳密集型重点行业到2050年实现净零排放的关键途径

此外,美国还将氢能和储能作为先进技术进行战略投资。在氢能方面,截至2022年5月,全美共有超过620兆瓦在运或在建电解水制氢项目。DOE的目标是到2030年将清洁氢的产能增加到1000万公吨/年,到2040年增加到2000万公吨/年,到2050年增加到3000万公吨/年。为推动清洁氢能技术开发与部署,DOE提供了4000万美元资金支持,用于推进实施“氢能攻关”和“H2@Scale”计划,以期实现在10年内将清洁氢成本降低到1美元/千克。其研发方向包括开发利用太阳能合成绿色燃料的技术、改进氢排放检测和监测的技术、开发更高密度和更低压力的氢存储技术、降低应用于中重型运输车辆氢燃料电池的成本并提高其耐久性等。

在储能方面,美国支持新一代储能技术的开发、商业化和应用,以维持美国在储能领域的全球领导地位。如,DOE致力于开发“太阳能+储能”一体化技术,提高应对极端天气事件的抵御能力;DOE和西北太平洋国家实验室启动国家电网储能研发平台,开发下一代储能材料、器件和原型系统,并计划在电网运行环境下进行独立测试和验证;美国能源部先进能源研究计划署(ARPA-E)开发新型的筒管式架构锂电池,该设计将增加电极材料的厚度,使其存储的能量超过目前研究的同等尺寸下储存的能量,降低每千瓦时能源存储的总成本;资助7500万美元启动建设国家电网储能研发平台(GSL),该平台将于2023年投入试运行,并计划于2025年开始正式运行。

除了氢能、储能投资,为实现电力系统中100%电力来自可再生能源,美国注重太阳能、风能、地热能等清洁能源技术的研发和应用。如,美国宣布资助2600万美元用于太阳能和风能电网可靠性示范;资助4400万美元用于推动本国地热能研究,促进增强型地热系统(EGS)开发测试技术创新。

(二)欧盟:全面提升可再生能源发展速度,进一步加大风电等领域投资

地缘政治风险带来的影响,更加坚定欧盟国家发展可再生能源、加快绿色转型的决心。欧盟委员会于2022年5月18日发布《欧洲廉价、安全、可持续能源联合行动方案》(REPowerEU),欧盟委员会将“Fit for 55”立法提案中的2030年欧盟能源效率提升目标从9%上调至13%、将可再生能源消费占比目标从之前设定的40%提高到45%,相关资金将动用欧盟恢复基金(RRF)和通过欧盟碳排放交易体系来筹措,用于支持可再生能源发展、提高能效以及进口LNG等。为实现2030年摆脱对俄罗斯的能源进口依赖,欧盟还将额外投资3000亿欧元。

表1  REPowerEU投入资金领域

除了欧盟层面的部署,欧洲国家也在纷纷加速布局风电、氢能等新能源项目。2022年以来,欧洲多个国家押注海上风电,产业发展迎来新的机遇。2022年8月,波罗的海周边八国的国家元首或政府首脑及欧盟领导人在丹麦首相官邸马林堡召开波罗的海能源峰会并签署“马林堡宣言”,同意加强能源安全和海上风电合作,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。届时,北欧的海上风力发电量将增加六倍。氢能成为欧盟确保能源安全的重要选项。2022年2月,欧盟清洁氢合作伙伴关系“清洁氢能联合行动计划”(Clean Hydrogen JU)发布《2021-2027年氢能战略研究与创新议程》,提出到2027年氢能研发重点领域和优先事项。欧盟在“地平线欧洲”框架下向Clean HydrogenJU投入10亿欧元用于资助氢能研发示范,明确了6个氢能研发重点领域和优先事项,包括可再生能源制氢、氢能存储和分配、氢能终端应用以及氢谷示范项目等。9月,欧盟委员会批准名为“IPCEI Hy2Use”的国家援助项目,以支持氢价值链中的研究、创新、首次工业部署和相关基础设施建设等,特别是大型电解槽和运输基础设施建设。

此外,欧盟还对《欧盟天然气法规》(EU Gas Regulation)与《欧盟天然气指令》(EU Gas Directive)进行修订。重新修订的《欧盟天然气法规》将可再生天然气和氢气作为未来天然气市场关键组成部分;完善和扩展天然气市场现有第三方准入、输电和配电系统运营商拆分及独立监管机构原则,为欧盟跨境氢气网络建设制定全面法律框架。

(三)英国:着重部署低碳能源,优先发展温室气体去除和颠覆性技术

英国高度重视其最具优势的低碳技术研发,在海上风电、氢能、先进模块化反应堆、储能与灵活性、生物质能、工业燃料转换、先进CCUS、直接空气捕集、温室气体去除和颠覆性技术等重点技术领域部署了系列研究行动。英国《绿色工业革命十点计划》从海上风电、氢能、核能、零排放汽车、绿色公共交通、零排放喷气式飞机和绿色航运、绿色建筑、CCUS、自然保护、绿色金融与创新等10个方面部署了英国加速实现温室气体净零排放的整体路径,以降低所有经济部门的排放,同时利用温室气体去除技术减少剩余排放,支持英国向清洁能源和绿色技术转型,逐步实现英国净零排放目标。2022年8月,英国商业、能源和工业战略部(BEIS)宣布投入5440万英镑开发温室气体去除创新技术,资助15个项目以开发从大气中去除温室气体的创新技术,重点关注4个技术领域:直接空气碳捕集与封存(DAC)、生物能源结合碳捕集和封存(BECCS)、生物炭、海洋碳去除。

此外,英国政府于2022年4月推出的新版《英国能源安全战略》,为其核能、海上风电、氢能等清洁能源技术发展提供了重要支撑。根据新版《英国能源安全战略》,英国核能发电装机容量到2050年将从现在的7吉瓦增加到24吉瓦,满足英国四分之一的电力需求。在核能发展方面,英国计划从明年起到2030年间每年批准建设一座、总计8座核反应堆,包括大型和小型模块化反应堆;启动其1.2亿英镑的“未来核能扶持基金”支持核能的发展。此外,为推动核能开发,英国政府将设立名为“大英核能”的新机构。

海上风电是新版《英国能源安全战略》的重点,根据规划,海上风电装机容量到2030年将从此前的目标40吉瓦提高到50吉瓦,其中5吉瓦以上来自浮式风电场。为实现上述目标,英国政府计划为海上风电建立“一条符合质量标准的快速审批途径”,将新的海上风电场的审批时间从4年缩短至1年。

除核能、海上风电,英国发布《英国能源安全战略》还包括氢能生产等领域。英国计划到2030年将其氢气产量翻一番,达到10吉瓦,其中至少一半来自电解制氢;到2050年低碳氢供应量达到240至500太瓦时。英国研究与创新署(UKRI)还宣布投入4400万英镑支持28个项目,包括23个涉及低碳制氢、零碳制氢、氢气储运、净零氢能供应解决方案等领域的可行性研究项目,以及5个创新氢能供应技术的示范项目。日本将氢能定位为实现碳中和的关键技术,持续加大对氢能研发的支持力度,不断拓展氢能应用场景,在发电、交通、国际供应链开发等方面用氢也取得了一系列成果。2021年10月,日本更新的第六版能源战略计划提出,2030年氢能在能源结构中的占比要达到11%,这主要指的是氢能在汽车、家庭、工业、发电、炼钢等领域的应用。

表2  英国温室气体去除创新技术

(四)日本:不断拓展氢能应用场景,全面系统建设“氢能社会”

日本将氢能定位为实现碳中和的关键技术,持续加大对氢能研发的支持力度,不断拓展氢能应用场景,在发电、交通、国际供应链开发等方面用氢也取得了一系列成果。2021年10月,日本更新的第六版能源战略计划提出,2030年氢能在能源结构中的占比要达到11%,这主要指的是氢能在汽车、家庭、工业、发电、炼钢等领域的应用。

在发电技术方面,日本第六版能源战略计划中明确引入氨能,并将开展氢、氨混烧、专烧示范。氢气和氨气可用于燃气轮机,可提高电力系统的灵活性,氨气还可用于燃煤电厂以减少排放,成本也低于氢。预计到2030年,利用氢和氨所生产出的电能将占日本能源消耗的1%。此外,三菱重工正在开发核电制氢技术,并计划2030年推出仅靠氢气即可发电的大型涡轮机。川崎重工计划2026年在冲绳具志川火力发电站启动“氨煤混燃”发电试验。

在交通领域应用方面,2022年7月,日本新能源产业技术综合开发机构(NEDO)宣布在“绿色创新基金”框架下投入1130亿日元启动“智能交通社会”项目,旨在推动电动汽车和燃料电池汽车等电动车的商业化使用,实施期为2022—2030年。除了氢燃料电池汽车,日本在氢能火车、船舶和飞机技术开发方面潜力巨大,东日本旅客铁路公司正在开发使用氢燃料电池和蓄电池的混合动力列车“云雀(HYBARI)”,已于2022年3月在南武线试运行,预计2030年投入使用,将替代部分线路上的柴油火车。川崎重工已完成全球首个船用氢燃料锅炉的基本设计,计划在2025年左右投入实际应用。川崎重工还开发了以氢为燃料的下一代氢动力飞机的主要部件,计划在2040年前后投入实际使用。

在打造全球化氢气供应链方面,2022年,川崎重工研发的Suiso Frontier成功从澳大利亚运输液化氢到日本神户,是全球首次以液化氢为载体的大型海上氢气运输,成功地降低了氢燃料运输成本。此外,三菱重工已参与美国犹他州氢能发电项目,三井物产有意同阿联酋阿布扎比国家石油公司开展液氢运输合作,东洋工程亦有意在印尼生产绿氨。

全球能源领域低碳前沿技术发展形势

受政策驱动,可再生能源、核能、储能、智慧能源等领域诸多新兴技术取得重大突破并跨越技术商业化临界点,引领世界非化石能源比重逐步扩大的新局面。全球绿色低碳技术创新主要呈现以下新动向、新趋势:一是氢能已成为加快能源转型升级、培育经济新增长点的重要战略选择,受到全球主要发达国家高度重视;二是随着脱碳要求变得更为严格和对波动性可再生能源发电的依赖不断增加,长时储能技术具有更广泛的应用前景;三是以更安全、更高效、更经济为主要特征的新一代核能技术及多元化应用,成为全球核能科技创新的主要方向;四是当前以二氧化碳捕集和利用技术为重点的负碳技术成为全球减排技术能力提升的有效手段。

(一)氢能制取和储运技术创新能力提升,应用场景更加丰富

氢能已成为很多国家向零碳能源技术过渡的重要方案,全球氢能供应网络正在形成。其中,制氢是基础,储存和运输是氢气利用的核心保障,氢气应用可以渗透到传统能源的各个方面,包括交通运输、工业燃料、发电发热等。

在新型制氢方面,美国国家可再生能源实验室开发“太阳能热化学制氢”技术,将金属氧化物暴露在超过1400摄氏度的温度下,再在更低的温度下与蒸汽再氧化,产生氢气,此方法比常规电解水制氢具有更高的效率。英国投入500万英镑开发利用从可持续的生物质和废物产生氢气的创新技术。加拿大PyroGenesis公司推出将甲烷和其他轻烃转化为零碳排放氢气的制氢技术,该技术通过热等离子热解从碳氢化合物中生产氢,该公司称其理论电力成本比水电解法低3倍。澳大利亚建设全球首个“抽水蓄能+制氢”综合项目,其包括600兆瓦抽水蓄能、300兆瓦制氢、50兆瓦液化氢、50兆瓦氢燃料电池和1.8吉瓦风力发电设备。道达尔和Engie集团合作开发法国最大的制氢基地,结合太阳能和生物质生产绿色氢气。通过采用创新解决方案,可以很好地应对太阳能发电的间歇性和生物燃料工厂要求持续供应氢气之间的矛盾。

在氢能储运方面,以日、美、德为代表的多个国家及其企业在液氢、有机储氢等氢能储运技术方面进行了诸多探索,利用液化氢运输和甲基环己烷运输已获得一些成功示范。日本千代田株式会社完成全球首次甲基环己烷(MCH)运输,证明了以MCH的形式长期储存和运输氢的可行性;川崎重工的全球第一艘液化氢运输船Suiso Frontier成功将澳大利亚的氢气运抵日本。

在多场景应用方面,钢铁行业以氢替代煤技术已开始研发和示范。从全球范围来看,早在2019年,蒂森克虏伯钢厂杜伊斯堡9号高炉正式启动纯氢气注入试验,这是全球首次高炉注入氢气试验。蒂森克虏伯用氢气代替煤粉作为还原剂,从而减少钢铁生产过程中的二氧化碳排放。2021年,全球首个使用无化石电力和氢气的炼钢示范项目在瑞典钢铁公司HYBRIT启动。韩国计划将通过以下三步完成氢还原炼铁:从2025年开始试验炉试运行;从2030年开始在两座高炉实际投入生产;到2040年12座高炉投入使用,从而完成氢还原炼铁。中国多家钢铁公司都在大力布局氢能冶金,河钢集团的氢冶金示范工程已启动建设,山西晋南钢铁集团已经形成钢-焦-化-氢全闭环低碳生产链条。从全球发展形势看,氢冶金等新一代钢铁冶炼技术刚刚起步,其代替传统技术的开发周期长,大规模应用还需时间和资金。

氢能有着广阔的应用范围,其也可作为替代燃料用于玻璃、水泥和陶瓷制造等行业,取代化石燃料的使用。如,2021年9月,英国玻璃企业皮尔金顿在利物浦市的圣海伦斯工厂启动了使用100%氢气生产浮法(片)玻璃的试验。该项目是“HyNet工业燃料转换”项目的一部分,旨在测试氢在制造业中如何取代化石燃料。皮尔金顿表示,这是全球首个使用100%氢气生产玻璃的工厂,证明了使用氢气安全有效地运营浮法玻璃工厂的可行性,未来,HyNet项目还将在食品、饮料、电力和废物等领域大规模使用氢气。此外,阿尔斯通研制的新型氢能列车计划在2023年开始在法国运行,该列车不仅可以在电力牵引下运行,还能够通过安装在车顶的燃料电池供电行驶,氢能续航能力达到600千米。

(二)长时储能迅速发展,电化学储能迎来爆发期

随着电力系统内可再生能源渗透率的提高,长时储能的需求不断增长、应用场景不断多元。例如在波动性可再生能源发电供应低谷期或由于极端天气导致异常高水平的电力需求,而此时电网运营商被禁止使用未装碳捕集装置的天然气发电时,长时储能技术至关重要。

当前,多种长时储能技术竞相出现,主要有机械储能、化学储能、热储能和电化学储能这四类,电化学储能是目前最具竞争力的储能技术。电化学储能中,锂离子电池因具有高能量密度、高功率密度和高往返效率,在电动汽车领域广泛应用,其成本与储能时长呈线性关系,4小时持续放电时间如今是大规模锂离子电池储能系统的成本效益上限,当时长超过4小时,锂离子可能不是最具成本效益的电化学技术。为了实现更具经济效益的长时储能,低成本、性能低下的金属-空气电池或已经使能量和电力组件成本脱钩的液流电池可能更适合用于长时储能。

为降低长时储能的成本,提升使用年限和制造规模,各国纷纷探索新型电化学储能技术,如氧化还原液流电池、金属-空气电池等使用更为廉价的充放电材料,具有长时储能的特点的储能技术。美国Form Energy公司利用可逆生锈原理制造铁空气电池,其充电时电流将铁锈转化为金属铁,电池释放氧气,放电时电池从空气中吸收氧气并将铁金属转化为铁锈,储电成本将不到锂离子电池的十分之一,同时电池原料丰富且易回收利用。英国商业、能源和工业战略部在“长时储能示范计划”框架下开发一系列先进储能技术,包括热电池技术、36兆瓦时超高温储能系统、电力转化为多种载体储能技术、40兆瓦时钒液流电池长时储能、海上长时储能技术和基于混凝土3D打印的船用抽水蓄能技术等。日本新能源产业技术综合开发机构启动“下一代蓄电池和电机开发”项目,将开发高容量电池(如全固态电池)及其材料,这种电池的能量密度超过每升700~800瓦时,是当前水平2倍以上。

资料来源:BNEF

图6  长时储能特性对比

压缩空气储能技术作为潜在的电网级大规模储能技术被广泛研究。尽管压缩空气储能系统的成本估算受到多种不确定因素的影响,但该技术的能源成本通常高于未来可用的其他储能技术的成本。目前,压缩空气储能已开始进入中国市场。2022年,国际首个百兆瓦先进压缩空气储能国家示范项目在中国河北张家口顺利并网发电。

(三)高安全性、多用途小型模块式反应堆成为关注焦点

相较于安全性存疑的旧有大型反应堆,新一代核电技术无疑受到了更广泛的关注。小型模块化反应堆(SMR)就是先进的核反应堆的代表之一。与传统的核电站相比,SMR占地面积更小、建设速度更快,使用更灵活、更安全,可为核工业提供应急动力等,尤其是成本上的竞争力极大地推进了小型核反应堆的发展。

当前全球正在研发中的小型堆项目超过70个。俄罗斯于2020年5月开始商业运营世界上第一座浮动核电站,其从两台35兆瓦的SMR生产能源。英国政府宣布支持罗尔斯•罗伊斯公司投资数十亿英镑在本土建造至少16座SMR。法国投资10亿欧元用于开发设计功率为170兆瓦的SMR,目标是在2030年推出创新性小型堆,并优化核废料处理。法国启动的Nuward小型堆项目将采用内部加压水技术,如出现严重事故,无需人工干预也可自行冷却数日。加拿大已启动首个SMR核电项目建设,该项目位于安大略电力公司现有的3500兆瓦达灵顿核电站旁,预计到2030年前建成发电。建成后,每年将减少约74万吨温室气体排放。中国在SMR技术上同样走在世界前列。2021年7月,全球首个陆上商用SMR“玲龙一号”在海南昌江开工建设。

世界各地正在开发的七十多种商业SMR设计,分别针对不同的输出和不同的应用,如电力、混合能源系统,甚至还包括供热、制氢和海水淡化等。日本三菱重工开发可用卡车运输的超小型核电站,用于灾害地区能源供应。丹麦Seaborg公司为韩国三星重工的浮动核电厂开发装机容量200兆瓦的模块化紧凑型熔盐堆,后续该核电厂将用于制氢和制氨。

(四)碳捕集、利用与封存技术技术创新不断突破

根据IEA最新发布报告,截至2021年10月,全球共有30个CCUS设施在运。从行业分布看,这些设施大多数与天然气加工应用,以及乙醇和化肥等化学品的生产、炼油厂用氢、钢铁生产和发电行业相关,总计约4000万吨/年的碳封存能力。

从技术环节分布看,作为实现碳中和的碳捕获与封存的有效手段,主要国家对生物质能结合碳捕捉与封存(BECCS)和直接空气碳捕捉与封存(DAC)寄予厚望。BECCS与DAC都是通过分离和吸收大气中的二氧化碳,并将其封存在地下来减少大气中二氧化碳的技术。

BECCS是未来有望将全球温升稳定在低水平的一项二氧化碳移除技术,获得了广泛关注。2021年11月和2022年4月,欧盟在“创新基金”资助框架下先后投入资金用于大型气候转型创新项目,包括为在现有生物质热电联产厂建造碳捕集和封存设施,以及建设欧洲首个大型商用生物质能结合碳捕集与封存设施。英国最大的燃煤电厂Drax公司剥离煤电和天然气业务,转型开发生物质和水力等可再生能源发电,将6台660兆瓦燃煤机组全部改燃生物质,计划到2027年生物质能发电成本降低三分之一。Drax公司还斥资4000万英镑开发旗下北约克郡电站BECCS项目,计划将其打造成全球最大的碳捕捉项目。Drax公司预计将于2024年启动建设,于2027年投运首个BECCS装置,投产后每年可从大气中永久清除逾800万吨二氧化碳,到2030年实现负碳排放。

DAC技术通常通过管道将空气或废气输送进某种过滤器或催化剂,包括磁性海绵、沸石泡沫或粘土或咖啡渣制成的材料来去除二氧化碳。其他的方法是将空气通过一种液体冒泡,这种液体可以吸收二氧化碳或使其分离成固体晶体或片状。日本科学家开发出了一款新的碳捕集系统,其能以前所未有的性能直接从大气中清除二氧化碳,效率高达99%,且捕集二氧化碳的速度至少是现有系统的两倍。澳大利亚AspiraDAC公司宣布推出一项新的CCS技术,可利用太阳能直接从空气中捕集二氧化碳,设备尺寸与普通帐篷大小相当,捕集成本为1000美元/吨二氧化碳,单台机器储存能力为500吨。

此外,中国首个千万吨级二氧化碳捕集利用与封存项目已启动,该项目将长江沿线等工业企业,如钢材厂、化工厂、电厂、水泥厂等的碳源通过槽船集中运输至二氧化碳接收站,通过距离较短的管线再把接收站的二氧化碳输送至陆上或海上的封存点封存。

启示与建议

(一)围绕国家能源重大战略需求,补强产业链供应链短板

从美国《通胀削减法案》、欧盟REPowerEU行动方案、英国新版能源安全战略以及日本第六版能源战略计划中不难发现,世界各主要经济体对能源技术的认识各有侧重,立足各自能源技术发展基础和优势,从能源战略的高度制定各种能源技术规划、采取行动加快能源科技创新,以增强国际竞争力,尤其重视具有潜在颠覆影响的战略性能源技术开发,从而降低能源创新全价值链成本。2022年1月我国出台的《“十四五”现代能源体系规划》明确提出,加快能源领域关键核心技术和装备攻关。随后公布的《“十四五”能源领域科技创新规划》围绕先进可再生能源、新型电力系统、安全高效核能、绿色高效化石能源开发利用、能源数字化智能化等方面,制定了技术攻关路线图。下一步,要紧紧围绕国家能源重大战略需求,加强能源领域关键技术攻关,补强产业链、供应链短板,逐步化解能源关键技术装备领域存在的风险。

(二)以绿色低碳为方向,强化氢能、储能等前沿科技攻关

纵观全球能源技术发展动态和各国推动能源科技创新的举措,绿色低碳是能源技术创新的主要方向,作为全球能源向绿色低碳转型的核心驱动力,氢能、储能、核能等一大批新兴能源技术正以前所未有的速度加快迭代,推动能源产业从资源、资本主导向技术主导转变。因此,我们要牢牢把握能源技术革命趋势,以绿色低碳为方向,加快推进新能源先进发电技术、先进电网技术、绿色氢能技术、大规模新型储能技术、先进核电技术、碳捕集利用与封存技术和先进核能技术等前沿技术攻关,加快推动前瞻性、颠覆性技术创新,锻造长板技术新优势,带动产业优化升级。

(三)加大能源研发经费投入,增强创新发展能力

加速发展可再生能源等低碳减排项目、促进绿色经济复苏,离不开对技术创新的持续投入。IEA数据显示,能源技术RD&D投入近两年来整体增长趋势明显。在积极制定各种政策措施的同时,世界各主要经济体更是投入大量的资金予以支撑。近些年,我国能源技术创新能力显著提升,部分领域达到国际领先水平,建立了较为完备的可再生能源技术产业体系,能源领域科技创新实现了从“跟跑、并跑”向“创新、主导”加速转变。但与世界能源科技强国相比,与引领能源革命的要求相比,我国现有的技术体系仍有很大不足,支撑碳达峰、碳中和的能源技术仍有待突破:一方面是能源领域原创性、引领性、颠覆性技术偏少,绿色低碳技术发展难以有效支撑能源绿色低碳转型;另一方面是部分关键零部件、专用软件、基础材料等仍然依赖进口。“十四五”期间,我国能源研发经费投入计划年均增长7%以上,新增关键技术突破领域将达50个左右,未来有必要进一步增加绿色低碳技术的研发投入,增强创新发展能力。

(四)加快示范项目的部署,实施科技创新示范工程

科技创新绝不仅仅是实验室里的研究,更需要转化为推动经济社会发展的现实动力。近年来,世界各主要经济体依托重大能源工程,推进科技创新成果示范应用,加快推动科技成果转化为现实生产力。进行技术应用试点和推广示范项目,有助于降低成本,控制投资风险,积累技术经验。下一步,在加大政策和资金扶持力度的同时,还应依托我国能源市场空间大、工程实践机会多等优势,瞄准新型电力系统、安全高效储能、氢能、新一代核能体系、二氧化碳捕集利用与封存、天然气水合物等前沿领域,实施一批具有前瞻性、战略性的国家重大科技示范项目。

参考文献:

[1]IEA.Energy Technology RD&D Budgets2021[R].2021.

[2]IEA.World Energy Investment 2022[R].2022.

[3]BNEF.Beyond Lithium-Ion: Long-Duration Storage Technologies[R].2022.

[4]DOE.Industrial Decarbonization Roadmap[R].2022.

[5]科技部等9部门.《科技支撑碳达峰碳中和实施方案(2022—2030年)》[Z].2022-06-24.

[6]国家能源局,科学技术部.《“十四五”能源领域科技创新规划》[Z].2021-11-29.

[7]CASEnergy.英国投入5440万英镑开发温室气体去除创新技术[EB/OL].先进能源科技战略情报研究中心.2022-08-16.

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