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研究报告 | 世界能源技术创新方向及发展趋势

2020年8月11日

一、引言

在全球气候变化的大背景下,推进绿色低碳技术创新、发展以可再生能源为主的现代能源体系已经成为国际社会的共识,能源清洁低碳转型加速已经成为全球发展趋势。能源转型不仅伴随着产业结构调整,同时也更需要能源技术创新的支撑,能源技术进步与能源转型相互促进,正在深刻改变能源发展的前景和世界能源格局。

当前,新一轮能源技术革命正在孕育兴起,新的能源科技成果不断涌现,新兴能源技术正以前所未有的速度加快迭代,可再生能源发电、先进储能技术、氢能技术、能源互联网等具有重大产业变革前景的颠覆性技术应运而生。随着云计算、大数据、物联网等新兴技术的发展,能源生产、运输、存储、消费等环节正发生变革。

世界主要国家和地区对能源技术的认识各有侧重,基于各自能源资源禀赋特点,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。如美国的《全面能源战略》、欧盟的《2050能源技术路线图》、日本的《面向2030年能源环境创新战略》、俄罗斯的《2035年前能源战略草案》等。本文分析当前各国能源科技战略布局方向和国际前沿能源技术发展成果,以期洞察能源技术创新方向和能源技术发展趋势。

二、主要国家能源技术发展战略布局

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,可见全球能源技术创新进入高度活跃期,绿色低碳是能源技术创新的主要方向,集中在化石能源清洁高效利用、新能源大规模开发利用、核能安全利用、大规模储能、关键材料等重点领域。世界主要国家均把能源技术视为新一轮科技革命和产业革命的突破口,制定各种政策措施抢占发展制高点,并投入大量的资金予以支撑。国际能源署(IEA)发布的《IEA成员国能源技术研发示范公共经费投入简析2020》显示,在过去40年里,IEA成员国能源技术研究、开发和示范(RD&D)公共投入领域变得日益多样化。1974年,核能在能源技术投入总额中占比最高,达到75%,此后逐年下降,在2019年已降至21%,与能源效率(21%)、可再生能源技术(15%)和交叉技术(23%)的RD&D投入相当。另一方面,化石燃料投入占比在20世纪80年代到90年代达到顶峰,但在2013年之后逐步下滑至当前的9%。2019年,IEA成员国能源技术RD&D公共投入总额达到209亿美元,较2018年上涨了4%。除化石燃料下降4%外,所有技术RD&D投入均有所增加,其中氢能和燃料电池技术领域增幅最大,紧随其后的是可再生能源技术。

2019年,美国和日本是IEA所有成员国中对RD&D公共投入最多的两个国家,两国的RD&D公共投入合计占到成员国总投入的近一半(47%)。紧随其后的是德国、法国、英国、加拿大、韩国、意大利和挪威。除了日本外(投入下滑2%),其他成员国RD&D公共投入均有显著增加。得益于“地平线2020”研发创新框架计划,2019年欧盟能源技术RD&D公共投入总额位列全球第三,仅次于美国和日本。

2019年IEA成员国和欧盟能源技术RD&D公共投入占比(单位:%)

(一)美国

积极开展先进核能系统研发

美国政府高度重视能源技术研发,投入大量研发资金,维持其在全球能源技术领域的地位。2017年,美国联邦政府投入73亿美元支持RD&D,较前一年增长9%。大部分RD&D资金用于清洁能源技术研究,包括核能(尤其是小型核反应堆),碳捕集、利用和封存(CCUS),能效等。随着可再生能源发电量的增长和电动汽车的发展,以及极端天气和网络攻击的发生频率增加,电网现代化也成为其技术研发的重要内容。

为了鼓励核能创新,美国先后于2018年和2019年签署《2017年核能创新能力法(NEIC)》和《核能创新和现代化法(NEIMA)》两份法案。为了执行“核能加速创新门户”计划,美国能源部(DOE)2019年在爱达荷国家实验室启动了国家反应堆创新中心(NRIC),将核技术相关的企业、联邦政府机构、国家实验室和大学整合起来,联合开展新概念先进反应堆设计、研发、测试和示范工作,同时为新概念反应堆技术的测试、演示和性能评估提供充足的条件支持,以加速新的先进概念核反应堆技术的商业化部署。联邦政府众议院能源和水资源委员会已在2020财年预算中为NRIC拨款500万美元,计划在未来5年内完成多种小型模块化反应堆和微型堆示范工作。美国核能行业正在快速开发小型模块堆和其他先进型核动力堆设计,其中一部分可在2030年以前投入运行。这些先进型核动力堆不仅能够提高清洁基荷电力比例,还可以通过与可再生能源联调的灵活运行、偏远地区应用、提供工业用途的供热和其他产品等方式,为美国带来极大的效益。2020年5月,美国能源部启动了“先进反应堆示范计划”,拟建造2个先进示范反应堆,并在未来5~7年内将之投入使用。DOE将提供1.6亿美元的启动资金,费用与工业界分摊。美国国会也在2020年预算中为启动一个新的先进反应堆示范项目拨款2.3亿美元。“先进反应堆示范计划”主要是建造先进反应堆,并执行美国政府2020年4月发布的继续支持美国先进反应堆技术示范的战略。

美国在CCUS领域处于全球领先地位。截至2019年底,美国拥有10个大型CCUS项目,每年捕集超过2500万吨二氧化碳。2020年4月,DOE明确将提供1.31亿美元资助多个CCUS研发项目。其中的4600万美元用于支持燃煤或燃气电厂二氧化碳捕集技术的前端工艺设计。被资助的项目主要分为两类,一是工业碳捕集技术前端工艺设计研究,二是工程规模的燃烧后碳捕集技术测试。剩余的8500万美元用于支持CarbonSAFE项目三阶段。主要目的是加速CCUS项目区域化部署。该部分资助主要有两个目的,一是识别和评估经济可行且安全的商业化地质封存场地,二是二氧化碳捕集纯化技术的经济技术评价。

(二)欧盟

深化低碳能源转型,聚焦前沿技术创新

进入新世纪后,欧盟可持续发展战略不断深化,提出低碳能源转型,成为低碳经济发展的全球引导者。围绕低碳能源核心战略,欧盟制定了具体的发展目标和技术路线图,例如“3个20%”目标,即到2020年可再生能源电力占比提高20%、能效提高20%、碳排放量相比1990年水平减少20%。同时,欧盟通过制定详细的法规政策,强制成员国减排,积极引导投资并推广低碳能源技术应用。欧盟科研创新资助计划“地平线2020”2018~2020年度的支出方案中,“低碳和适应气候变化的未来”领域获33亿欧元预算,按年度工作计划,可再生能源、能效建筑、电动运输和储存方案4个清洁能源领域的项目可获22亿欧元拨款。

欧盟在风能和氢能领域进行了前瞻性的谋划布局。2019年11月,欧洲风能技术与创新平台(ETIP-Wind)发布《风能路线图》,明确欧盟在2020~2027年间将重点发展风电并网与集成、系统运行和维护、下一代风电技术、海上风电配套设施、浮动式海上风电等领域。欧洲燃料电池和氢能联合组织(FCH-JU)于2019年2月发布《欧洲氢能路线图:欧洲能源转型的可持续发展路径》,提出面向2030、2050年的氢能发展路线图,为欧洲大规模部署氢能和燃料电池指明方向,并阐明发展氢能的社会经济效益。同时,为推动氢能源技术发展,欧盟计划采取多项举措,包括:经由“创新基金”为氢能源生产提供50亿欧元至300亿欧元支持,推动年产量增至100万吨;把下个长期预算中对氢能源项目的扶持资金提升至13亿欧元;经由欧洲投资银行管理的一项特别基金加大对可再生能源和氢能源基础设施投资,这项主营贷款的基金年均可支配100亿欧元。

近十年来,德国一直推行以可再生能源为主导的“能源转型”战略,持续增加对能源技术研发的公共投入。2017年,德国投入10.1亿美元用于RD&D,占其GDP的0.031%,相比前一年增长了14%。其中,可再生能源技术占能源RD&D总预算的29%,主要用于太阳能和风能研究;其次是能效(主要用于提高工业能效)和核能(包括核聚变),分别占22%和21%;其他电力和储能技术占到13%,化石燃料仅占5%,其中一半以上用于碳捕集和利用的研究。

2019年,德国气候内阁达成“退煤”共识,通过了扶持退煤地区发展的《结构强化法》草案,以推动欧盟到2050年实现碳中和的目标。同时,德国出台《气候保护计划2030》,目标是2030年温室气体排放比1990年减少55%,包括为二氧化碳排放定价、鼓励建筑节能改造、资助相关科研等诸多措施,涵盖能源、交通、建筑、农业等多个领域。为了实现应对气候变化的目标,德国从3个方面加强研发:一是加强氢能研究,推出氢能战略。二是加强德国的电池生产。投入10亿欧元在德国多地促进电池生产。“电池研发工厂”支持德国在整个电池价值链中扩展能力和技术。三是加强二氧化碳的储存和使用研发。

2020年6月,德国政府通过了《国家氢能战略》,设定到本世纪中叶实现碳中和的目标,并计划成为氢技术的全球领导者。该战略认为,从长远来看,只有可再生能源生产的氢(绿氢)才是可持续的,这将是未来投资的重点领域。德国政府预计,到2030年,氢的需求量折合约90~110太瓦时。为了满足部分需求,到2030年德国将建成总装机容量达5吉瓦的海上(或陆上)可再生能源发电厂。作为迈向氢技术市场的第一步,强大而可持续的本国氢能市场至关重要。除了现有的支持计划,德国还将提供70亿欧元用于发展氢能技术,并将投资20亿欧元在其合作国家建立大型的“德国制造”制氢厂。由于德国没有足够空间用以建造所需的大量可再生能源装机,其计划在未来进口大量绿氢。氢能和燃料电池方面,德国联邦交通部已选定9个地区,拟通过帮助地区制定合适的氢能发展规划,建立多方共同参与的发展网络,将其打造成为德国的氢示范区。着眼于未来的工业标准,德国研究机构开发燃料电池的标准化物理参数测量方法,以便集成应用并进一步实现规模化和市场化,为燃料电池技术发展铺平道路。

(三)英国

制定低碳战略,加速部署低碳制氢技术

英国在2008年通过《气候变化法案》,法案确立的远期目标是到2050年将碳排放量在1990年的水平上降低至少80%。2019年5月,英国负责制定减排方案并监督实施的气候变化委员会建议,将此目标修改为“净零排放”,即通过植树造林、碳捕捉等方式抵消碳排放。如今,英国成为第一个以法律形式确立到2050年实现“净零排放”的主要经济体,将清洁发展置于现代工业战略的核心。英国2019年清洁能源发电量已经超过化石燃料发电量,并计划在2025年前逐步淘汰所有燃煤发电。2019年3月,英国发布《海上风电行业协定》,计划到2030年将英国海上风电装机容量增加到30吉瓦,满足英国三分之一的电力需求。

2020年,英国商业、能源和产业战略部(BEIS)宣布出资3300万英镑支持低碳制氢供应链技术开发,旨在研发高性能低成本的低碳制氢技术并开展相关示范,以降低制氢成本,加速英国低碳制氢技术的部署和应用。本次资助聚焦五大主题领域,具体内容如下:(1)海上风电制氢。在深海区域建造一个风电制氢设施原型,该设施原型由大型浮动式风力涡轮机(10兆瓦)、水处理单元和产氢电解槽组成,能够以海水为原料利用风电进行电解制氢,并通过管道输运到陆地。(2)低碳产氢示范工厂。通过采用集成Johnson Matthey公司低碳制氢技术的碳捕集设施,ProgressiveEnergy、Essar、Johnson Matthey和SNC-Lavalin四家公司联合建造一座低碳制氢示范工厂,每小时产氢量达到10万标准立方米,以验证技术规模化应用潜力。(3)基于聚合物电解质膜电解槽绿色产氢装置。基于ITM Power公司吉瓦级别的聚合物电解质膜电解槽,开发一个低成本、零排放的风电制氢示范装置,为炼油厂提供清洁的氢气资源。(4)开发和评估先进的天然气重整制氢新系统。开发和评估先进的天然气重整制氢新系统,为利用英国北海天然气生产氢气提供一种节能且具有成本效益的新方法,同时新系统能够有效地捕集并封存制备过程产生的二氧化碳气体以防止气候变化。(5)开发吸附强化蒸汽重整(SESR)制氢装置。依托天然气技术研究所(GTI)发明的基于新技术的SESR工艺,设计开发中试规模低碳氢气制备的示范装置并进行示范生产,评估新工艺的技术经济性。

(四)日本

持续推进氢能与燃料电池技术

在经历福岛核事故之后,日本在能源科技发展重点上有较大调整。日本将氢能作为应对气候变化和保障能源安全的一张王牌,为此制定了建设“氢能社会”的氢能基本战略目标,提出要构建制备、储存、运输和利用的国际产业链,积极推进氢燃料发电,扩大燃料电池及其汽车市场。2017年12月,日本政府制定《氢能基本战略》,从战略层面设定氢能的中长期发展目标。2018年7月,日本政府发布《第五次能源基本计划》,定调未来发展方向是压缩核电发展,降低化石能源依赖度,加快发展可再生能源,以氢能作为二次能源结构基础,同时充分融合数字技术,构建多维、多元、柔性能源供需体系,实现2050年能源全面脱碳化目标。2019年3月,日本更新《氢能与燃料电池战略路线图》,提出到2030年的技术性能、成本目标。同年9月,日本政府出台《氢能与燃料电池技术开发战略》,确定燃料电池、氢能供应链、电解水产氢3大技术领域10个重点研发项目的优先研发事项。从最初的发展氢能的基本战略,一直到最近的技术开发战略,日本从战略到战术再到具体项目执行层面,稳步推进氢能和燃料电池的技术发展与应用。

日本的燃料电池产业坚持面向家庭,且在技术上持续推进。在国家层面,政府以向新能源产业技术综合开发机构(NEDO)投入专项科研经费为主,设定核心技术应达到的相应指标,并将指标进行分解,对承担课题研究的单位定期进行评估,以实现氢能发展目标。研究机构在氢燃料电池领域建立了持续的研发体系,很多大学持续参与氢能研究已达50年,在关键技术包括极板、膜电极、电子材料等方面都有庞大的研发团队。在企业层面,根据氢燃料电池技术状况、氢来源的便利性以及成本、市场需求等,不断完善氢燃料电池家庭应用产品,松下、东芝、日立等机电一体化企业在十年前已开始了应用端的实证研究,积极占领研发成果制高点。降低制氢成本方面,2019年,日本物质材料研究机构(NIMS)与东京大学和广岛大学合作,通过开发2030年前后完全可能研制出实用化的、放电较慢但成本低廉的蓄电池,日本有望实现每立方米为17~27日元(约1.04~1.64元人民币)的制氢成本。

三、前沿技术最新动态与重要成果

(一)油气勘探开发与利用技术

1.地下原位改质技术

地下原位改质是通过对地下储层进行高温加热,将固体干酪根转换为轻质液态烃,再通过传统工艺将液态烃从地下开采出来的方法。该技术具有不受地质条件限制、地下转化轻质油、高采出程度、低污染等优点,一旦规模化应用,将对重质油、页岩油和油页岩开采具有革命性意义。壳牌公司地下原位改质技术采用小间距井下电加热器,循序均匀地将地层加热到转化温度。该技术通过缓慢加热提升产出油气的质量,相对于其他工艺可以回收埋藏极深的岩层中的页岩油,同时省去地下燃烧过程,减少地表污染,降低对环境的危害。为了避免地下水污染,壳牌公司开发了独有的冷冻墙技术,可有效避免生产区域在页岩加热、油气采出和后期清理过程中地下水的侵入。

2.废弃油田再利用技术

俄罗斯秋明国立大学将物理化学开采方法与微乳液驱油技术相结合,开发出一种从废弃的油田中开采石油的方法。微乳液驱油依靠的是重量和粘度,是当今最有效的驱油技术。微乳液比石油重,不与之混合,驱油时会把石油推到表面。但其对侵蚀性的现实条件(沉积物的温度和硬度)非常敏感,会失去实验中的理想特性。

3.高精准智能压裂技术

近年来,水平井分段压裂呈现压裂段数越来越多、支撑剂和压裂液用量越来越大的趋势。从长远看,实现压裂段数少、精、准,才是水力压裂技术的理想目标。目前业界正在探索大数据、人工智能指导下的高精准压裂技术和布缝优化技术,但是真正能够“闻着气味”走的压裂技术还有待研究和突破。美国Quantico能源公司利用人工智能技术,将静态模型与地球物理解释紧密耦合,对不良数据进行质量控制,形成高精度预测模型,用于压裂设计,在二叠盆地和巴肯油田的100多口油井中使用后,与邻井对比结果表明,优化后的完井方案不仅可以使产量提高10%~40%,还能有效降低整体压裂作业成本。随着“甜点”识别、压裂监测技术和人工智能技术的发展,未来高精准智能压裂技术有望实现每一级压裂都压在油气“甜点”上,可有效提高储层钻遇率和油气产量,降低开发成本,降本增效意义重大。

4.远程单趟式深水完井

高昂的钻机费用迫使开发商想方设法减少井筒起下钻次数,特别是在深水作业中。油服企业威德福于2019年3月推出TR1P系统,这是全球首个也是唯一一个能够远程激活的单趟下钻式深水完井系统,可为开发商带来更高的效率、灵活性以及收益。该系统无需控制管线、冲管、电缆、连续油管以及修井设备,完全实现了100%的无干涉作业。开发商能够在生产井与注入井中执行储层所需的作业,可在更短的时间内完成更多的作业,从而降低作业风险、降低成本。与传统的机械或液压式完井设备相比,TR1P系统在整体作业与钻机摊铺成本方面节省了开支。

(二)太阳能技术加快应用

1.新型六结叠层太阳能电池效率已接近50%

由于半导体固有的带隙特点,单结半导体太阳能电池的光电转换效率存在理论极限,即肖克利—奎伊瑟效率极限。而将不同带隙(光谱响应范围不同)的电池进行串联构建叠层太阳能电池被认为是电池效率突破S-Q效率极限值强有力的技术路径。围绕上述问题,美国国家可再生能源实验室(NREL)研究团队设计制备了基于III–V族异质结半导体的六结叠层太阳能电池,通过对制备工艺和结构的优化,有效克服了不同晶体晶格错配问题,减少了内阻,抑制了相分离,使得电池器件性能显著提升,在聚光条件下器件获得了高达47.1%的认证效率(之前效率纪录是46.4%),创造了有史以来太阳能电池器件光电转换效率最高值,即使在无聚光条件下整个器件依旧可以获得近40%的转换效率,也是目前无聚光太阳能电池器件的最高记录。电池的六个结(光敏层)中的每个结点都经过专门设计,可以捕获来自太阳光谱特定部分的光。该设备总共包含约140种III-V材料层,以支持这些连接点的性能,但其宽度却比人的头发窄三倍。由于III-V太阳能电池的高效率特性和制造成本,因此最常用于为卫星供电。

2.太阳能制氢技术取得积极进展

澳大利亚国立大学(ANU)的科学家利用串联钙钛矿硅电池实现了17.6%的太阳能直接制氢效率。这种电池是将低成本的过氧化物材料层叠在传统的硅太阳能电池上。目前的共识是,利用低成本的半导体来实现光电电化学(PEC)水分解过程,太阳能制氢的效率要达到20%,才能在成本上具有竞争力。ANU团队表示,串联钙钛矿硅电池,结合便宜的半导体,可以在合理的成本下带来高效率。PEC过程允许仅使用阳光和光电化学材料从水中生产氢。这一操作跳过了电力生产和转换步骤,不需要电解槽。这种直接产生绿色氢的过程与光合作用的过程类似。

美国科学家首次研发了一种能够有效吸收阳光的单分子,而且该分子还可以作为一种催化剂,将太阳能转化为氢气。这种新型分子可以从太阳光的整个可见光光谱(包括低能量红外光谱,也是太阳光光谱的一部分,以前很难收集该光谱的能量)中收集能量,并迅速有效地将其转化成氢气。与目前的太阳能电池相比,这种单分子可以多利用50%的太阳能,从而减少对化石燃料的依赖。

(三)新型核电技术取得重大进展

1.全球首座浮动核电站投入使用

2019年9月,由俄罗斯设计建造的全球首座浮动核电站“罗蒙诺索夫院士”号,从俄北极摩尔曼斯克港启航,穿越北极海域行驶近4989千米之后抵达目的地佩韦克港。“罗蒙诺索夫院士”号于2020年5月投入商业运营,其动力采用“泰米尔”号破冰船动力堆的升级版。俄罗斯已为“罗蒙诺索夫院士”号投入约4.8亿美元,该船长144米,宽30米,高10米,排水量2.15万吨,能配备70名左右船员,船上搭载两座35兆瓦核反应堆,主要功能是为俄极其偏远地区的工厂、城市及海上天然气、石油钻井平台提供电能。

在发电方面,该核电站采用了小型模块化核反应堆,拥有两套改进的KLT-40反应堆,每座发电量达35兆瓦,可提供高达70兆瓦的电力或300兆瓦的热量,供20万人使用。除了核电设施,这个巨型浮式核电站上的海水淡化设备还可每天提供24万立方米的淡水。现在,俄国家原子能公司正在研制第二代浮动式核电站,将之作为解决北极等特殊地域能源供应的重要选择。

2.受控核聚变实验持续创造纪录

受控的核聚变反应所产生的净能量在没有危险辐射量的情况下产生,实现能量持续、平稳输出,其优势明显大于核裂变发电。作为应对气候变化的一个潜在解决方案,核聚变能源将替代对化石燃料的需求,解决可再生能源固有的间歇性和可靠性问题。美国、中国和欧洲国家核聚变实验装置持续创造纪录,稳步推进受控核聚变的实现。

美国国家点火装置(NIF)在几年前就已经实现了1亿度目标,其采用惯性约束核聚变方式,以192条激光束集中在一个花生米大小的、装有重氢燃料的目标反应室上。每束激光发射出持续大约十亿分之三秒、蕴涵180万焦耳能量的脉冲紫外光,脉冲撞击到目标反应室上,将产生X光。利用X光将把燃料加热到1亿度,并施加足够的压力使重氢核生聚变反应。

中国自行研制的超导托卡马克受控核聚变装置(EAST)与美国NIF实现聚变的方式不同。目前托卡马克实现了磁束缚等离子体和中心温度1亿度,下一个目标是维持束缚,且达到1亿度维持1000秒。

位于法国南部的跨国项目国际热核聚变实验堆(ITER)是目前全球规模最大、影响最深远的国际科研合作项目之一。2019年7月,这一全球最大的核聚变反应堆项目实现低温恒温器成功交付,进入安装状态。目前,35个国家正在通力合作ITER。ITER装置主机最重要部分之一的PF6线圈,由中科院合肥研究院等离子体所承担研制并于近日正式交付,为ITER计划2025年第一次等离子体放电的重大工程节点奠定了重要基础。

(四)高性能储能电池获得重大突破

1.电池储能系统提供无功功率服务

随着越来越多的间歇性可再生能源并入电网,对电压精确平衡的需求促使英国电力系统运营商National Grid不断探索各种无功功率解决方案。英国储能开发商Zenobe Energy部署的电池储能系统通过National Grid为英国配电网络运营商(DNO)和英国电力网络(UKPN)提供这些服务。Zenobe Energy公司在英格兰苏塞克斯郡King Barn部署了一个装机容量为10兆瓦的电池储能系统。该储能项目由National Grid运营,主要为电网提供无功功率服务,以缓解容量挑战。预计到2050年可以为消费者节省4亿英镑以上的电力费用,同时增加4吉瓦的装机容量。

2.有机空气电池提高可再生能源供应稳定性

金属(如钾、钠、锂等)空气电池是一种极具发展潜力的高比容量电池技术,其理论能量密度上限可达11000瓦时/千克,远远高于传统的锂离子电池,因此得到了学术界和工业界广泛关注。然而,由于存在金属枝晶、空气电极孔道堵塞等问题,导致该类电池安全性和循环寿命不佳,限制了该类电池的实际应用。香港中文大学研究团队设计制备了钾联苯(Potassium Biphenyl)复合有机物,并将其作为负极取代传统的金属负极,与空气电极组成新型的有机空气电池,有效地解决了金属—空气电池由来已久的金属电极枝晶生长和循环寿命短的问题,从而获得了高安全、高倍率和长寿命的空气电池,在4毫安/平方厘米高放电电流密度下实现长达3000余次的稳定循环,平均库伦效率高达99.84%,为空气电池开辟全新技术发展路径。有机空气电池最适合应用于大型电厂能源储存,如风电或太阳能,亦可用于火力发电厂调频,家用太阳能电板也有机会使用到。

3.设计研发高性能负极材料全固态电池

以金属锂作负极的全固态锂金属电池在理论能量密度和安全性上都远优于传统锂离子电池。然而,锂负极不受控的枝晶生长以及低库伦效率严重制约了锂负极全固态锂金属电池的实用化发展。因此,开发高性能负极材料成为了全固态电池研究领域热点。三星技术研究院(SAIT)和日本三星研究院(SRJ)设计开发了一种独特的银—碳(Ag-C)复合负极,替代锂(Li)金属负极,结合硫银锗矿(Argyrodite)型固态电解质制备了软包的全固态电池,获得了高达942瓦时/千克的能量密度和99.8%的平均库伦效率。银—碳电极有效调节金属锂的沉积—剥离过程,避免枝晶形成,显著提升了电池寿命,且能够保持稳定循环超过1000余次,在电动汽车等高比能储能应用领域具备广阔应用前景。研究人员还测试各种不同高温下电池稳定性,结果显示电池表现出良好耐高温特性,且该电池体积仅为同样容量传统锂离子电池一半。

4.层状三元金属氢化物电极提升柔性电容性能

随着柔性可穿戴电子器件的快速发展,人们对柔性储能器件的需求逐步增加。而柔性超级电容器(超容)作为一类便携式能量储存设备也受到了许多研究者的关注。然而,当前商用的柔性超容能量密度较低(小于10瓦时/千克)无法满足高能量密度的实际需求,开发具有高容量、高充放电倍率性能的柔性电极材料极为重要。层状金属氢氧化物(LDH)具有双电层电容和赝电容的储能特性,是一类重要的超容电极材料,如镍钴层状氢氧化物,但其在碱性环境中存在不稳定性,亟需予以解决。新加坡国立大学课题组采用简单的水热法制备了一种镍(Ni)、钴(Co)、铝(Al)三元金属复合的层状氢化物柔性超容电极材料,通过对Al元素含量的优化调节,显著提升了柔性非对称超容的放电比容量和循环稳定性。该项研究制备了一种新型的三元金属双层氢化物柔性电极材料,通过Al元素的引入有效地改善了电极比电容和结构稳定性,从而获得了具有高比电容、高倍率性能和长循环寿命的柔性超容器件,电容器件经过15000次循环后,容量仅衰减不到9%。为改善柔性可穿戴电子器件储能提供了新的技术方案。

(五)氢能技术稳步推进

1.全球首次实现远洋氢运输

由多家日本企业组成的新一代氢能链技术研究合作组(AHEAD)实现了全球首次远洋氢气运输,从文莱向日本运输了第一批氢气,通过在川崎市沿海的东亚石油株式会社京滨炼油厂开始供应从甲基环己烷(MCH)中分离出来的氢气,为水江发电厂的燃气涡轮机提供燃料。不同于日本与澳大利亚开展的褐煤制氢—液氢输运,AHEAD项目采用千代田公司的SPERA技术探索有机液态储氢的商业化。相对于低温液态储氢的高能耗(25%左右)、易蒸发(0.5%~1%/日),有机液态储氢具有性能稳定、简单安全以及可充分利用现有石化基础设施等优势。但也存在着反应温度较高、脱氢效率较低、催化剂易毒化等问题。该技术的核心是找到高效的催化剂。千代田公司利用甲基环己烷(MCH)作为载体,开发的催化剂“有效寿命”超过1年,并成功进行了10000小时的示范运行。

2.10兆瓦级可再生能源电力制氢厂投运

位于日本福岛县浪江町的10兆瓦级可再生能源电解水制氢示范厂(FH2R),是目前世界上最大的可再生能源制氢装置。该设施于2020年3月7日开始运行,进行清洁廉价制氢技术的生产试验。该设施在18万平方米场地内铺设了20兆瓦太阳能发电装置,接入10兆瓦电解水制氢装置,设计生产能力每小时1200标准立方米氢气。开始运行期间能够年产200吨氢气,生产过程中二氧化碳净排放为零。生产的氢气预计主要以压缩罐车和气瓶组的形式供应福岛县和东京都市场。氢产量和储存量将根据对市场需求的判断进行调整。氢产量还将适应电力系统负荷调整的需要进行调节,以满足用电供需平衡的要求,最终不使用蓄电池而通过利用电能—氢能之间的转化实现电网负荷调整达到供需平衡。具体实施中,东芝能源系统负责项目协调及氢能系统,东北电力负责电力系统及相关控制系统,岩谷产业负责氢的需求预测系统和氢的储存、供给。

四、发展趋势

当下,全球能源转型提速,能源系统逐步向低碳化、清洁化、分散化和智能化方向发展。未来,低成本可再生技术将成为能源科技发展的主流,能源数字技术将成为引领能源产业变革、实现创新发展的驱动力。储能、氢能、先进核能等前瞻性、颠覆性技术将从根本上改变能源世界的图景。

(一)可再生能源技术成本仍呈下降趋势

在“技术为王”的时代,获取能源资源的成本或效率是决定成败之关键所在,因此发展低成本技术是未来重要趋势。近年来,随着太阳能、风能等非传统可再生能源技术水平提高、成本下降,世界多国和地区都加快了可再生能源发展的步伐。据彭博新能源财经(BNEF)发布的2019年《新能源市场长期展望》,可再生能源目前是全球三分之二地区最便宜的新建电源。到2030年,其成本将在全球大部分地区低于已建火电,由于风电、太阳能和储能技术成本的大幅下降,到2050年全球近一半的电力将由这两种快速发展的可再生能源供给。太阳能和风能是未来可再生能源的主体,低成本可再生能源技术是能源科技发展的重点领域。

(二)数字技术将加速能源转型

随着各种信息化技术在能源领域中的应用,“数字化”技术逐步打破了不同能源品种间的壁垒,成为未来的一大发展趋势。数字技术(如传感器、超级计算、人工智能、大数据分析等)具有强大的变革推动力,能够提升整个能源系统效率,使能源供应和消费变得更安全、更可靠和更具成本效益。例如,在石油勘探领域智能机器人的应用,将解禁全球之前大量无法开采或者高成本开采的油气田,全球能源可开采量将发生巨大变化。智能化电网系统的应用发展将实现对电力系统实时监测、分析、分配和决策等,实现电力分配、使用的效率最大化。区块链技术已经被愈加广泛地应用,在以原油为代表的能源交易平台、可再生电力的点对点交易、电动汽车充电、电网资产管理、绿证追踪管理甚至虚拟能源货币等领域都已崭露头角,这将会给能源领域带来更深刻的变化。

IEA在《数字化和能源》预测,数字技术的大规模应用将使油气生产成本减少10%~20%,使全球油气技术可采储量提高5%,页岩气有望获得最大收益。仅在欧盟,增加存储和数字化需求响应就可以在2040年将太阳能光伏发电和风力发电的削减率从7%降至1.6%,从而到2040年减少3000万吨二氧化碳排放。与此同时,数字化还可以使碳捕获和储存等特定的清洁能源技术受益。

(三)新兴技术将重塑能源未来

当前,以新兴能源技术为代表的新一轮科技革命和产业变革正在兴起,在油气、储能、氢能、先进核能等领域,新的颠覆性技术不断涌现。其中,油服公司的技术创新尤为活跃,新技术、新工具、新装备以及一体化的解决方案不断推出。大规模储能系统的应用,使得能源转换与利用更加高效,实现能源的时空平移,以解决能源在生产、传输以及使用环节的不同步性等问题。随着氢能和燃料电池关键技术的逐步突破,各国争相将发展氢能产业提升到国家能源战略高度,大力推进氢能产业链布局与技术创新。目前,包括物理储能、电化学储能、储热、储氢等在内的多种储能技术类型,在新能源并网、电动汽车、智能电网、微电网、分布式能源系统、家庭储能系统、无电地区供电工程等不同应用场景下,展露出巨大的发展潜力,市场前景非常广阔。在核能领域,确保可持续性、安全性、经济性和防核扩散能力的先进技术是研发的重点,主要研究方向包括开发固有安全特性的第四代反应堆系统、燃料循环利用及废料嬗变堆技术,以及核聚变示范堆的设计与实现。此外,各类新兴技术将对现有的能源市场带来深远影响,例如先进材料的开发可以显著提高电池性能等。

参考文献:

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来源(能源研究俱乐部) 作者(能源研究俱乐部)

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