森罗荡荡

森罗荡荡

徐沛宇

能源转型的方向是以化石能源为主的能源结构转为以可再生能源为主。这是实现碳中和的基石,亦是全球经济绿色转型的引擎。

然而,支撑能源转型的新能源技术仍未完全准备好。目前的主力新能源产品有待进一步降本增效;具有更大发展潜力、尚未商业化开发的新能源产品则更需要突破技术和成本的壁垒。

目前大规模商业化开发的可再生能源以太阳能、风能为主,前者的主力产品是PERC(发射极及背面钝化电池)单晶硅电池,后者则是陆上风机。这两大主力产品能效已接近瓶颈,更高效的光伏电池和更高功率的海上风机,正逐渐上升为更新一代可商业化开发的能源产品。

太阳能和风能的缺点是间歇性、波动性大,因此,在其本身降本增效的同时,还要开发可为其调峰的储能设施。另一方面,由风电、太阳能发电制造的氢气既零碳排放又稳定,且可作为调峰介质,被认为是碳中和时代仅次于风光的主力能源。

除此之外,人类还在探索更高效、更清潔的新能源,比如潮汐能、核聚变发电等等。虽然目前还看不到这些更超前的新能源商业化开发的曙光,但新的能源技术如星辰,照亮了地球更美好的方向。

可再生能源里发展最快的当属太阳能发电,其分为光热和光伏两种技术路径,目前主流是光伏发电。光伏发电的核心是利用电池将太阳能转化为电,因此,光伏电池是光伏发电提高效率的关键。

中国光伏企业竞争力排在世界前列,中国光伏市场代表当今光伏产业最先进的水平。当前主流的光伏电池是单晶硅电池,其按照硅片型号可分为N型电池和P型电池。后者的极致是PERC电池,其光电转换效率已超过23%,接近该电池的理论最高值。效率更高的N型单晶硅电池目前仅占很微小的市场份额。

商业潜力较大的两种N型电池分别是TOPCon(隧穿氧化层钝化接触)电池和HJT(异质结)电池,业界认为这两种电池的光电转换极限理论效率均约28.7%。各大光伏龙头企业如今皆已布局。

中国光伏行业协会发布的《中国光伏产业发展路线图(2020版)》称,2020年,中国新建量产光伏电池产线以PERC电池为主,市场占比86.4%,N型电池占比约为3.5%。随着N型电池的效率和成本优势不断改善,N型电池市场占比将逐步提升。

非晶硅光伏电池在可预见的未来也可实现商业化量产。当前最被看好的非晶硅光伏电池是钙钛矿电池,其转换效率理论极限值为33%,钙钛矿电池和晶体硅组成的叠层电池理论转换率极限可达43%。

风能的规模化开发比光伏更早,但业界一般认为风能的开发潜力略小于光伏。各主要国家目前陆上风电技术基本成熟,正处于装机规模高速增长的阶段。海上风电则仍处于技术完善期,更大功率、更加经济的海上风机是业界追求的方向。

海上风机比陆上风机的技术难度更大,面临着空气动力学、造船学和流体力学等多个方面的技术挑战。据全球风能理事会(GWEC)统计,去年全球海上风电的资本支出首次超过了海上石油和天然气的投资。

一旦技术难点攻克,海上风电便有与火电、核电相当的潜力。GWEC预计,全球海上风电的年装机容量将在五年内翻两番;其在全球新增风电装机中的份额,将从目前的6.5%增至2025年的21%。

目前,海上风电正在向中远海海域进发。业界认为,漂浮式风力发电机将比目前的固定式海上风机更适合中远海海域。美国、欧洲、中国政府都在积极推动漂浮式风机的技术进步,均已研制了相关实验机组。

根据国家可再生能源实验室(NREL)的预测,海上漂浮式风机可使美国海上风力资源的潜力扩大到每年7000太瓦时(TWh)以上,几乎是美国每年总能源消耗量的两倍。

光伏电池是光伏发电提高效率的关键。图/IC

对太阳能和风能来说,其发展的潜力不仅取决于本身的技术进步,还要依赖储能技术的发展。

随着光伏、风电在供电结构中的比例不断升高,电网侧的储能规模正在迅速扩大。2019年底中国电化学储能累积装机功率规模较2015年增长了近十倍。

抽水蓄能是最成熟、成本最低的储能技术,但其发展空间有限。包括铅蓄电池、锂离子电池、液流电池、钠硫电池等在内的化学储能是当前技术攻关的重点。业界希望能找到更长寿命、更安全、更低成本的新型电池。

与抽水蓄能同属物理储能的飞轮储能技术近期发展较快,现已在多个风电场建立示范项目,有的项目还采用了飞轮和电池混合的储能模式。

飞轮储能是指通过高速旋转体的旋转进行动能存储,同时进行动能和电能之间的转换。它具有使用寿命长、功率密度更大、充放电迅速等优点。目前该技术正在走向成熟,处于商业化发展的前期。

氢气是一种古老的气体,利用化石能源制氢也是一项成熟技术。直到风电、光伏大规模开发之后,氢气才被人们改称为氢能。因为只有通过可再生能源生产的氢气(业界称之为绿氢)才是零碳排放的可再生能源。它被认为是碳中和时代,在无法电气化的领域使用的终极能源。

可再生能源制氢一般是指电解水制氢,即在电解质水溶液中通入电流后产生氢气,其技术路线主要分三种:碱性水电解槽制氢、质子交换膜水电解槽制氢和固体氧化物水电解槽制氢。

绿氢商业化开发需要具备两个因素:可再生能源发电成本下降,电解水制氢设备技术进步。

目前,可再生能源发电降低成本的趋势十分清晰,电解水制氢设备的技术发展仍面临挑战。欧洲国家掌握了全球最先进的电解水制氢设备技术,欧洲也是推广绿氢最积极的地区。欧盟计划在未来十年快速扩大电解槽的市场规模,以降低成本。

不过,十年内,蓝氢应该是比绿氢更加可行的过渡能源。蓝氢是指以化石能源制氢,并加上CCUS(二氧化碳的捕集、利用与封存)。因为化石能源制氢技术成熟成本低,同时CCUS也在快速发展。

英国政府此前宣布出资2.2亿英镑促进碳密集型行业清洁低碳转型,其中就包括CCUS技术。同时,英国还计划在未来十年内通过差价合约等新机制,增加蓝氢供应。其计划到2030年后再大力发展成本下降的绿氢。

国际能源署(IEA)发布的《2021年世界能源展望》称,到2050年,成功实现净零排放将为风力发电机组、太阳能电池板、锂离子电池、绿氢等行业创造每年超过1万亿美元的市场,其规模可与当前的石油市场相媲美。

除了上述这些已经或者即将商业化开发的可再生能源,人类仍然在探索诸多更清洁、更高效的新能源产品。

地球上资源最丰富的是海洋,海洋中的能源是待开发的巨大宝藏。根据国际可再生能源署(IRENA)的数据,所有海洋能源技术的发电潜力总和为每年45000-130000TWh,是目前全球电力年需求的两倍以上。人们对其降低成本的前景持乐观态度,预期十年以后,海洋能源将与成熟的可再生能源一样进入大规模开发阶段。

目前海洋能还在发展的初期,不过,潮汐能和波浪能已成为电力成本高的偏远岛屿上可行的替代能源。全球在建的潮汐流和波浪项目有55%在欧洲。欧盟发布的海上能源战略中,除了大力开发海上风电,还纳入了潮汐能、波浪能等其他形式的海洋能源。欧盟认为,相较于风能和太阳能,波浪能和潮汐能发电更加稳,可在欧盟脱碳和稳定电网中起至关重要的作用。

普照万物的太阳也给了人们开发能源的灵感。创造类似太阳的内部条件,产生核聚变反应,再利用其发热发电,那么人类将拥有几近无穷无尽的清洁能源。

核聚变是轻核(主要是氢的同位素氘和氚)聚合成较重的原子核,同时释放出巨大能量的过程,太阳发光发热和氢弹爆炸就是这样的原理。聚变反应释放的能量巨大,1升海水中的氘通过聚变反应可释放出相当于300升汽油燃烧的能量,且聚变的反应产物是比较稳定的氦。

受控热核聚变一直是科学家们的梦想,目前虽仍未实现,但美国、中国等国的多个官方机构和民营企业都在积极探索这一终极能源。

编辑:马克