未來能源產(chǎn)業(yè)將有哪些重大變革?

　　綠色發(fā)展是全球共同的目標，綠色能源正成為實現(xiàn)這一目標的核心抓手。據(jù)報道，中國石化川維化工公司的“萬噸級天然氣制乙炔成套技術”近日將再次走出國門，出口烏茲別克斯坦，為當?shù)靥峁┚G色能源技術“中國方案”，助力“一帶一路”。此前，白鶴灘水電站16臺機組全部投產(chǎn)，每天發(fā)電1億多度，長江干流上的6座巨型梯級水電站更是形成了世界最大的“清潔能源走廊”。

　　當前，世界正處在從化石能源向新能源過渡的第三次能源轉(zhuǎn)型中，技術變革將為能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢帶來哪些重要影響?一起關注《人民論壇》獨家文章。

　　技術創(chuàng)新如何影響綠色能源發(fā)展?

　　“綠色能源”這一詞匯是伴隨著氣候變化和環(huán)境保護而逐漸成為關注的焦點，在學術上并無明確的科學界定，更多是作為一種表達政治政策的話語而出現(xiàn)在政府和企業(yè)的規(guī)劃報告、媒體的新聞報道中，與“綠色新政”“綠色發(fā)展”“綠色經(jīng)濟”等相呼應。從自然科學話語視角來看，能源本身并無黑色能源、綠色能源等色彩之分，主要是因人類生產(chǎn)消費能源的方式不同而導致的外部性效果不同。全球環(huán)境政治興起后，煤炭被冠以“黑煤”的身份，成為污染的代名詞，盡管經(jīng)過幾十年的清潔化技術創(chuàng)新，煤炭的高碳排放依然讓煤電站成為國際氣候合作中極力限制的對象。未來，當二氧化碳捕集、利用與封存(CCUS)技術實現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)應用時，煤炭利用不再污染環(huán)境，也就可以擺脫“黑煤”身份。

　　與綠色能源概念相近的是清潔能源、低碳能源和可再生能源。本文中的綠色能源主要指在現(xiàn)有技術條件下可大規(guī)模商業(yè)開發(fā)的、對環(huán)境友好的、可持續(xù)的能源資源，主要包括太陽能、風能、水能、生物質(zhì)能、海洋能、地熱能、綠氫等。核能是一種頗具爭議的能源，相對傳統(tǒng)能源，核能是一種新能源，能夠提供穩(wěn)定可靠低碳的電力供應，但以核裂變方式運行的核電站會產(chǎn)生高放射性廢料，存在安全隱患，而核聚變產(chǎn)生的唯一廢料氦氣不具有放射性，被視為人類未來的“終極能源”，本文將核聚變能源也視為綠色能源。

　　綠色能源是未來能源的發(fā)展趨勢，迎合了第三次能源轉(zhuǎn)型的低碳化和清潔化需求。同時，第三次能源轉(zhuǎn)型帶動能源特別是電力的智能與互聯(lián)，給綠色能源提出了更多的技術創(chuàng)新要求，而正是因為綠色能源持續(xù)技術創(chuàng)新的累積效應，使得全球的能源結構向著更為低碳、清潔的方向發(fā)展。

　　太陽能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展就是一個例證。1905年愛因斯坦發(fā)現(xiàn)了光電效應，1953年美國貝爾實驗室發(fā)明實驗裝備驗證了光電效應，1973年太陽能技術創(chuàng)新得以商業(yè)化，現(xiàn)代太陽能工業(yè)開啟發(fā)展步伐，20世紀90年代德國逐漸形成昂貴的太陽能市場，21世紀初光伏技術得到巨額投資，中國光伏電板制造商開始快速增加，太陽能電池板效率開始大幅提高，電池板的價格大幅下降，2021年中國光伏成本已經(jīng)低于傳統(tǒng)燃煤發(fā)電。太陽能光伏技術完成了“發(fā)現(xiàn)→發(fā)明→技術創(chuàng)新商業(yè)化→規(guī)模擴散”全過程。需要說明的是，本文中的技術創(chuàng)新是指創(chuàng)新全過程，包括“研究與開發(fā)→新的發(fā)現(xiàn)與發(fā)明(新的產(chǎn)品、新的工藝)→商業(yè)化→創(chuàng)新擴散”的全過程。技術革新與技術突破都屬于技術創(chuàng)新，前者是漸進的、后者是突變的。全球太陽能發(fā)電產(chǎn)業(yè)的壯大，既有技術創(chuàng)新、成本大幅下降的因素，也是全球產(chǎn)業(yè)政策體系推動的結果。2021年全球太陽能光伏發(fā)電量已超過1000TWh，相較于2010年的32.2TWh，實現(xiàn)了31倍的增長。光伏正在成為世界上大部分地區(qū)新增發(fā)電成本最低的發(fā)電方式之一，預計這將推動未來幾年的投資。

　　風能發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展也提供了例證。人類利用風能的歷史久遠，20世紀70年代現(xiàn)代風能產(chǎn)業(yè)開始出現(xiàn)，并于21世紀初得到迅速增長。推動風能發(fā)電增長的因素首先是技術創(chuàng)新，越來越高的風塔、更加智能復雜的控制系統(tǒng)和更精準有效的裝機與天氣預測模型，反映出持續(xù)的風電技術創(chuàng)新。如太陽能發(fā)電一樣，全球產(chǎn)業(yè)政策體系在風電產(chǎn)業(yè)發(fā)展中發(fā)揮了較大的推動作用。2021年全球風能發(fā)電量已超過1870TWh，相較于2010年的342.7TWh，實現(xiàn)了5.5倍的增長，風能領先于其它非水可再生能源，2021年發(fā)電量幾乎是所有其他可再生能源發(fā)電量的總和。

　　技術創(chuàng)新和商業(yè)規(guī)?；榷喾N因素促使綠色能源發(fā)電效率提升、成本下降、裝機量快速增加，使得第三次世界能源低碳清潔轉(zhuǎn)型的趨勢更加明顯。當前多種綠色能源發(fā)電的度電成本已經(jīng)低于燃煤發(fā)電。根據(jù)中金公司發(fā)布的研究報告，核電、光伏、風電、水電度電成本較燃煤發(fā)電分別低5%、17%、25%和34%。2010年—2020年間光伏發(fā)電成本下降89%，受益于規(guī)模效應、新材料替換和效率提升，未來10年成本有望再縮減一半，到2060年，光伏發(fā)電成本有望降至較火電低68%，成為最便宜的綠色電源。

　　能源轉(zhuǎn)型成功的關鍵是什么?

　　建立以儲能為核心的多種綠色能源互補體系是第三次世界能源轉(zhuǎn)型的發(fā)展方向，儲能、綠色能源、能源智能網(wǎng)等領域的技術突破將是能源轉(zhuǎn)型成功的關鍵，先進核能技術、CCUS技術的創(chuàng)新將帶來長期收益，而可控核聚變的技術突破與商業(yè)化將引發(fā)新的能源革命。

　　就當前技術創(chuàng)新和商業(yè)化水平而言，太陽能、風能是全球裝機最多也是前景最好的綠色能源，但是太陽能和風能因受自然條件影響存在產(chǎn)能波動大、隨機性高的特點，屬于間歇性能源。能源結構中間歇性能源份額的增加，會對電網(wǎng)穩(wěn)定平衡性造成巨大壓力，給間歇性能源電價帶來波動性，同時也容易造成大量的棄光、棄風現(xiàn)象。儲能技術是解決綠色能源有效利用的關鍵，可作為電網(wǎng)與供熱系統(tǒng)、燃氣網(wǎng)絡、電氣化交通網(wǎng)等的連接橋梁，對改善間歇性能源的波動性和實現(xiàn)電力供需的一致性非常重要。在未來的低碳能源系統(tǒng)中，綠色能源和儲能的多種靈活性組合，將會成為最具經(jīng)濟性的解決方案。因此，在未來的能源開發(fā)中，技術創(chuàng)新的主要目標是實現(xiàn)綠色能源供給端、儲能端的降本增效和靈活可靠，發(fā)展以儲能為核心的多種綠色能源互補體系。

　　儲能技術分為電化學儲能技術與物理儲能技術等。電化學儲能技術包括液流電池、鋰離子電池、鉛炭電池、鈉基電池技術等，具有位置環(huán)境不受限的靈活優(yōu)勢，在發(fā)電、輸配電和用電過程中均可進行規(guī)模化應用，更有利于綠色能源的消納。物理儲能技術包括儲電和儲熱，儲電有抽水儲能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能、超導儲電等，相較于電化學儲能技術，物理儲能技術具有規(guī)模大、成本低、壽命長、環(huán)保等特點，但較易受位置與環(huán)境限制。從技術特點和當前發(fā)展來看，物理儲能更適合于發(fā)電和輸配電過程，化學儲能更多應用于交通領域，尤其是電動汽車的電池需求。綠色能源發(fā)電和儲能技術的組合對傳統(tǒng)發(fā)電技術形成越來越強的競爭，競爭結果主要取決于電池技術的發(fā)展，同時電池回收與處理技術也會影響這一組合的未來發(fā)展。當前在地緣政治和能源安全考量增加的形勢下，電池作為礦物密集能源，鋰、鎳、錳、鈷、稀土等電池原料的獲取也會影響電化學儲能技術創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)發(fā)展。2023年4月，中關村儲能產(chǎn)業(yè)技術聯(lián)盟發(fā)布的《儲能產(chǎn)業(yè)研究白皮書2023》顯示，截至2022年年底，全球已投運電力儲能項目累計裝機規(guī)模237.2GW，其中抽水蓄能累計裝機規(guī)模占比為79.3%，鋰離子電池在新型儲能中的累計裝機占比為94.4%。

　　氫儲能是一種新型儲能方式，具有調(diào)節(jié)周期長、儲能容量大的優(yōu)勢，在促進可再生能源消納、電網(wǎng)調(diào)峰等應用場景中潛力巨大。氫是宇宙中儲量最為豐富的元素，也是普通燃料中能量密度最高的綠色能源之一，綠氫因其綠色高效的特點而被稱為21世紀的“終極能源”。然而因為技術創(chuàng)新少和成本較高等原因，氫能在工業(yè)應用領域的市場規(guī)模一直有限。在全球氣候加速變化的情境下，氫能逐漸被視為實現(xiàn)碳中和目標的關鍵燃料。氫能產(chǎn)業(yè)全鏈條包括上、中、下游。氫能產(chǎn)業(yè)鏈的上游為制氫，目前世界上多數(shù)氫氣來自對化石燃料的加工，屬于污染的“灰氫”，在這一制氫過程中采用碳捕集和封存(CCS)技術可使“灰氫”脫碳后變成“藍氫”。氫能利用的理想狀態(tài)是“綠氫”，即利用可再生能源通過電解水制氫。目前世界大部分地區(qū)生產(chǎn)“藍氫”的成本低于“綠氫”。隨著技術和制造效率的提高，可再生能源和電解槽的價格將降低，這種成本差異在未來會進一步縮小。氫能產(chǎn)業(yè)鏈的中游為氫儲運，有氣態(tài)氫、液氫和固態(tài)氫等儲運方式。高壓氣態(tài)氫儲運技術已商業(yè)化，具有體量小、距離短和靈活性高等特征。液氫和固態(tài)氫能量密度極高，運輸便捷，是未來實現(xiàn)大規(guī)模氫能儲運的方向。盡管當前液氫和固態(tài)氫儲運技術有了較大進步，但儲氫密度、安全性和成本之間的平衡關系尚未解決，離大規(guī)模商業(yè)化應用還有距離。氫能產(chǎn)業(yè)鏈的下游為氫應用，氫能燃料既可以替代天然氣作為工業(yè)和取暖燃料，又可以為重型卡車和輪船提供能源，還可以通過“綠電→氫→電”的轉(zhuǎn)化方式成為新型儲能手段。英國石油公司(BP)預測，2030年全球?qū)Φ吞細?藍氫和綠氫)的需求在30Mtpa—50Mtpa之間，2030年—2050年間全球?qū)Φ吞細涞男枨髮⒃鲩L10倍，大約為300Mtpa—460Mtpa。2030年全球綠氫占低碳氫的60%左右，2050年將增加到65%左右。“藍氫”作為“綠氫”的重要補充提供其余大部分氫。

　　儲能和氫能的技術創(chuàng)新前景可以從專利申請中看到趨勢。以專利合作條約(PCT)形式提出的國際申請具有較高的價值和地位，代表著技術創(chuàng)新的最新成果，也是未來產(chǎn)業(yè)發(fā)展的風向標。從2000年—2020年間專利申請看，儲能技術、氫能技術、燃料電池、智能電網(wǎng)等位居綠色技術PCT專利申請前列，并在近年來呈現(xiàn)逐年增加趨勢，預計未來儲能和氫能將成為能源領域競爭的重點技術?？稍偕茉窗l(fā)電領域的PCT專利申請量在2012年達到頂峰后，開始出現(xiàn)逐年下降趨勢。

　　在所有能源利用技術的創(chuàng)新前景中，核聚變技術的突破可能引發(fā)劇烈的沖擊效應。核聚變使用氘和氚，反應后產(chǎn)生的氦氣不具有放射性，氘可以從海水中提取，一升海水中的氘聚變釋放能量達到300升汽油燃燒當量。人類從1952年第一顆氫彈爆炸后就開始了可控核聚變的研究，此后發(fā)明了托卡馬克裝置，2007年成立了國際熱核聚變實驗堆組織(ITER)，2021年在中國，全超導托卡馬克核聚變實驗裝置(EAST)成功實現(xiàn)了可重復的1.2億攝氏度101秒和1.6億攝氏度20秒等離子體運行，2022年中國新一代“人造太陽”(HL-2M)裝置等離子體電流突破100萬安培(1兆安)，同年美國科研人員在勞倫斯利弗莫爾國家實驗室“國家點燃實驗設施”進行了歷史上首次可控核聚變實驗，實現(xiàn)了凈能量增益的技術突破。經(jīng)過幾十年的研究，全球可控核聚變技術創(chuàng)新已取得長足進步，私人資本大舉進入可控核聚變領域，但真正商業(yè)化運行可能還需要幾十年的努力?？梢灶A見的是，一旦可控核聚變技術實現(xiàn)突破和大規(guī)模商業(yè)化，人類現(xiàn)有的用能結構將會發(fā)生顛覆性的變化。

　　自工業(yè)革命以來，全球化石燃料的使用量隨著GDP的增長而增長，幾十年來化石燃料在全球能源結構中占比一直高居80%，即使到2050年仍將略高于60%。全球與能源相關的二氧化碳排放量將在2025年達到370億噸的峰值，到2050年回落到320億噸。在這一過程中，CCUS技術將發(fā)揮重要作用。CCUS技術是指可以在實現(xiàn)全球能源和氣候目標方面發(fā)揮重要和多樣化作用的技術，該技術通過化學吸附、物理分離等技術，從使用化石或生物質(zhì)燃料的大型發(fā)電或工業(yè)設施捕獲二氧化碳，也可以直接從大氣中捕獲。捕獲的二氧化碳將通過管道、船舶、鐵路或卡車進行壓縮和運輸，以待后續(xù)應用，或注入深層地質(zhì)構造(包括枯竭的油氣藏或鹽化層)永久儲存。目前，全球的CCUS設施每年可以捕獲超過40Mt的二氧化碳。CCUS的貢獻將隨著時間的推移而增長，并擴展到全球能源系統(tǒng)的幾乎所有部分。

　　能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢前瞻

　　技術對能源的發(fā)展具有關鍵性影響，具體到能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展還需要考量資源、人口、氣候、環(huán)境、政治與經(jīng)濟等其它因素。具體而言，資源的蘊藏和經(jīng)濟可采、人口對能源的需求與偏好、環(huán)境對能源活動的容納度、政治訴求與政策體系、經(jīng)濟發(fā)展水平與趨勢等，都對能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展施加各種影響。技術創(chuàng)新主要是圍繞上述需求而開展，并通過技術擴散發(fā)揮作用。

　　▲從資源與環(huán)境角度來看，化石能源不可再生，只會逐漸減少。歷史上屢次出現(xiàn)的“石油峰值論”就是對化石能源枯竭的擔憂。圍繞化石能源的技術創(chuàng)新時間最長、底蘊最厚、成果最多，但依然擺脫不了化石能源終會枯竭的命運，盡管頁巖氣(油)革命延緩了這一進程。化石能源使用過程中會排放大量的二氧化碳，這也被認為是造成當今氣候變化的罪魁禍首。人類對石油的擔憂由原來的供應峰值變成了需求峰值——對石油的消費何時才能達峰?枯竭趨勢和高碳排放促使化石能源終將從主導性能源地位退下，被迅速崛起的可再生能源替代?？稍偕茉磽碛衅鹾袭斀袷澜缒茉葱枨蟮亩喾N優(yōu)勢：不會枯竭、清潔、低碳等，將會成為未來能源結構中的主導力量。

　　IEA預測，在“現(xiàn)行政策情景”中，化石燃料在全球能源結構中的占比將從目前的80%下降至2050年的60%。煤炭需求將在未來幾年內(nèi)達峰，石油需求將在21世紀30年代中期達峰，天然氣需求在2021年至2030年將增加約5%，隨后將趨于穩(wěn)定。在“已公布的承諾情景”中，電力在能源消費中的占比將從2021年的20%上升到2050年的39%，可再生能源發(fā)電量在總發(fā)電量中的比重將從2021年的28%上升至2050年的80%，化石燃料發(fā)電量占比則從2021年的62%下降至2050年的26%。IEA預測，未來五年的太陽能光伏產(chǎn)能將逐年增加，2026年將超過天然氣，2027年將超過煤炭，成為全球最大的電力來源。

　　可再生能源產(chǎn)能的增加為世界能源清潔低碳轉(zhuǎn)型帶來了機遇，但隨著可再生能源占比提高，“可再生能源+儲能”的組合對儲能電池的原料來源提出了新的挑戰(zhàn)，未來的礦產(chǎn)需求量和價格將會迅速增長。電池中鋰的使用推動了鋰需求的增長，到2040年鋰的需求將增長25倍至60倍，其中電池用途占鋰總需求的85%—95%。鎳的總需求也將增長2.5倍至4倍，其中65%—80%的增長是由于電動汽車電池使用的增加。全球關鍵礦石的分布集中于少數(shù)幾個國家，有些礦石僅分布在兩三個國家，擁有電池礦物豐富儲藏或生產(chǎn)加工技術能力的國家和企業(yè)未來將顯著獲益，而大國對關鍵礦產(chǎn)的競爭博弈和生產(chǎn)國的資源民族主義行為有可能進一步加劇供需失衡，綠色關鍵金屬供應鏈成為能源地緣政治關注的焦點。全球能源加速轉(zhuǎn)型導致綠色關鍵金屬需求長期持續(xù)上升，礦產(chǎn)資源豐富的國家將會獲得更多的能源權力。

　　▲世界能源需求增長還受到人口和經(jīng)濟增長的影響。伴隨著全球人口增加和經(jīng)濟進步，能源消費需求持續(xù)增長，能源質(zhì)量偏好增多。聯(lián)合國統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，截至2022年11月，全球人口已達80億，自2010年以來增加了10億，自1998年以來增加了20億。預計到2050年全球人口將增加至97億，并可能在21世紀80年代中期達到近104億的峰值。人口增加、城市化步伐加快及經(jīng)濟增長為能源生產(chǎn)提供了持續(xù)的動力。根據(jù)BP能源數(shù)據(jù)庫公布的數(shù)據(jù)，經(jīng)計算所得，全球一次能源消費從2000年的396.88艾焦耳上升到2021年的595.15艾焦耳，增長近1.5倍。此外，經(jīng)濟發(fā)展程度不同的國家對能源利用和能源轉(zhuǎn)型有著不同的態(tài)度和意義。發(fā)展中國家在討論能源轉(zhuǎn)型方案時往往低估面臨的挑戰(zhàn)和困難，一些發(fā)展必需的清潔能源卻被發(fā)達國家認為是污染的能源。經(jīng)濟發(fā)展程度的不一致影響了發(fā)展中國家與發(fā)達國家之間開展氣候國際合作的成效，能源轉(zhuǎn)型變成了發(fā)展權之爭。

　　▲隨著極端天氣增加，氣候變化已成為全球各國政府的核心議題之一。目前聯(lián)合國應對氣候變化的政策框架主要表現(xiàn)為實施碳中和行動計劃。截至目前，全球超過130個國家和地區(qū)提出了凈零排放或碳中和的目標。在全球氣候變化與碳中和的結構性壓力下，各國政府既要努力實現(xiàn)零碳目標，又要考慮本國能源安全和經(jīng)濟發(fā)展韌性。因此，在設計制定本國能源政策時，核心是加快推進能源轉(zhuǎn)型，實現(xiàn)碳減排目標，包括提升可再生能源占比，提高能源利用效率，建設新核電機組，推進CCUS技術的部署等。除了增加公共資金投入外，政府還需制定政策，鼓勵民間資本參與清潔能源領域。IEA指出，預計到2030年清潔能源投資將從2021年的1.3萬億美元上升至2萬億美元，但是如果要實現(xiàn)2050年凈零排放目標，這一投資額到2030年需達到4萬億美元。

　　一些發(fā)達經(jīng)濟體為未來十年新制定了政策目標和政府計劃，為加速清潔能源發(fā)展奠定了基調(diào)，比如，美國出臺的《通脹削減法案》、歐盟發(fā)布的重新賦能歐洲計劃、澳大利亞出臺的氣候變化法案等。歐盟發(fā)布的重新賦能歐洲計劃以保障歐盟能源安全為核心，通過節(jié)能、能源進口多樣化和加速清潔能源轉(zhuǎn)型以提升能源系統(tǒng)抗風險能力。同時，歐盟允許成員國在能源轉(zhuǎn)型前可以適度的增加化石能源供給，以更好保障能源安全。

　　▲對能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展而言，技術雖然不是決定性因素，但卻是最為重要的因素。人口和經(jīng)濟的增長需要技術來開發(fā)、生產(chǎn)更多的資源和能源，資源開發(fā)遭遇環(huán)境壓力也需要技術創(chuàng)新來實現(xiàn)能源利用方式的轉(zhuǎn)型，而政治訴求和政策設計又極力促進技術擴散和大規(guī)模商業(yè)化。在全球?qū)崿F(xiàn)碳中和目標的結構性壓力下，國家和企業(yè)都承擔著推動能源清潔化轉(zhuǎn)型、提升能源安全和韌性發(fā)展的任務，利用好既有優(yōu)勢因素，發(fā)揮技術創(chuàng)新的催化和倍增效應，將影響國家能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展前景，也決定了國家和企業(yè)在未來能源產(chǎn)業(yè)中的地位與權力。

　　上文略有刪減

　　選自 | 《人民論壇》雜志

　　原標題 | 綠色能源的技術突破和未來能源產(chǎn)業(yè)前瞻

　　作者 | 中國人民大學國家發(fā)展與戰(zhàn)略研究院副院長、國際能源戰(zhàn)略研究中心主任，中國人民大學國際關系學院教授、博導 許勤華;

　　中國人民大學國家發(fā)展與戰(zhàn)略研究院“一帶一路”研究中心研究員 張艷偉