技经观察 | 先进能源研发的机遇时刻

业界 作者:全球技术地图 2021-05-31 19:52:33 阅读:73




由于气候问题的迫切性和先进能源发展的巨大潜力,各国政府越来越重视相关技术的发展,并纷纷出台国家战略以发展本国先进能源技术和产业,响应“碳中和”的时代需求。



受新冠疫情席卷全球的影响,2020年全球能源投资总额为1.5万亿美元,较2019年下降20%左右。即使在这样的严峻背景下,2020年可再生能源投资仍然较2019年增长了2%,达到3040亿美元。


由于气候问题的迫切性和先进能源发展的巨大潜力,各国政府越来越重视相关技术的发展,并纷纷出台国家战略以发展本国先进能源技术和产业,响应“碳中和”的时代需求。


欧盟于2020年6月宣布了超过2000亿美元的气候友好型经济复苏投资计划,以发展包括清洁氢在内的绿色能源。拜登政府上台后,通过重返《巴黎协定》、组织召开气候峰会等一系列行动,彰显了其对全球气候问题的勃勃雄心。2021年是我国“十四五”的开局之年,“十四五”规划纲要明确提出构建现代能源体系的目标,“推进能源革命,建设清洁低碳、安全高效的能源体系,提高能源供给保障能力”。


先进能源为何具有战略意义


(一)气候变化的迫切需求


联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)警告,如果全球升温一旦突破1.5℃临界点,气候灾害发生的频率和强度将大幅上升,如果全球温室气体排放量在2020年至2030年间无法按每年7.6%水平下降,世界将失去实现1.5℃温控目标的最后机会。当前的全球气候问题已经成为人类不得不共同面对的命题;而“碳中和”则是目前解答该命题最有效的方式之一。


根据国际能源署(IEA)数据,2021年,伴随各国经济回暖,社会对煤炭、石油和天然气的需求将激增,全球与能源相关的二氧化碳排放量将较2020年增加4.8%(约15亿吨),接近2018年至2019年的峰值。这将给全球减排工作及气候问题带来严峻挑战,因此更加迫切地需要环境友好的能源技术及相关产业的规模化运行,以应对气候变化、稳步实现《巴黎协定》目标。


(二)先进能源技术潜力巨大


尽管伴随《巴黎协定》的签署以及节能减排意识的提高,各国已经在风能、太阳能光伏、核能等先进能源技术领域取得突出成就,根据信息技术与创新基金会(ITIF)《激励创新:在2022财年提高联邦能源研发的雄心》报告,伴随美国太阳能光伏和风力发电相关技术成本的下降,太阳能、风能的布局正在加快,目前美国电力部门的二氧化碳排放量相较2005年减少了33%。


根据国际能源署的数据,从现在到2030年,全球净零排放中大部分二氧化碳减排量都归功于当今可用的技术(现有技术)。但是到2050年,将近一半的减排量,将来自目前仍处于演示或原型阶段的技术(未来技术),例如碳捕集、利用和封存(CCUS)技术,可控核聚变技术以及低成本可再生能源技术等。


来源:ITIF

因此,先进能源技术将对全球可持续发展具有深远意义,其巨大潜力正有待开发。


(三)市场潜力巨大


先进能源具有广阔的市场,将是未来国家间合作竞争的重要领域。目前,相对成熟的先进能源产业已经展现出了巨大的市场潜力。2020年在疫情暴发影响下,全球新能源汽车的投资约为1390亿美元,相较2019年依旧保持良好的增长趋势,增长率达到28%,是全球经济发展迟滞现象下的一抹亮色。未来,拥有先进能源技术和市场的国家将具有大量的经济机会。


另一方面,碳交易是未来实现碳中和的有效手段。目前世界上各个国家或地区分别建立了自己的碳交易市场,未来,建立一个体系健全、制度完备、规则明晰的国际碳交易市场,将是大势所趋。发展先进能源技术,将有利于本国碳中和的发展,将使本国在国际碳交易机制制定中更具话语权。


先进能源发展的困境


(一)技术:有待挖掘


根据ITIF的研究,LED和电池技术,从原型技术到如今初具市场规模,都花费了20-70年时间。因此,要想实现全球的可持续发展,必须加大对先进能源技术的投入和研发,以实现长远的减排目标与气候愿景。


以新能源汽车领域为例,根据预测,电动汽车预计将在2023年至2025年实现与汽油动力汽车同等价格,但在此之前,必须跨越充电时间长、行驶距离短等技术障碍。


对先进材料、电化学、量子计算以及先进测量和传感等基础科学的研究,将有利于实现能源技术的突破。更好的催化剂可以降低氢和氨生产的能源需求;新的溶剂和膜可以使碳捕获更便宜、更高效;新的电池化学物质可以提高电池的能量密度和存储时间。对基础能源科学的研究将有利于突破能源技术发展的局限,为能源技术的产业化和商业化进程铺平道路。


(二)市场:长线投资需求


与吸引大量私人资本的信息技术和生物技术不同,能源技术开发生命周期长、项目资金需求大,且开发能源技术需要承担大量的技术和资本风险,因此能源行业仅将其收入的很小一部分(仅0.5%)投入研发,远低于制药行业的14.2%、电子行业的11.3%、航空航天和国防行业的7.5%,以及汽车行业的3.2%。


来源:ITIF


另外,电价市场化竞争也给部分先进能源技术带来更大挑战。在部分国家,电能一旦进入市场便被视作一种商品,对于消费者来说,使用来自燃煤电厂的电能与来自风电和太阳能光伏的电能,在体验上并无二致,这就导致清洁能源发电的电能如果无法压缩其成本,一旦进入市场便会受到火力发电市场的严重挤压。


因此能源技术及产业在初期发展阶段,往往需要政府的支持和引导。以美国页岩气革命为例,20世纪70年代末,联邦政府开始资助页岩资源基础研究,支持并投资全行业的研发合作,并在西弗吉尼亚州和德克萨斯州示范了由行业主导的第一口水平井开发。到2002年,当联邦政府的支持逐渐减少时,页岩气在美国国内天然气产量的占比已经达到2%,且能够在市场上独自竞争。直到如今,伴随水力压裂技术与美国丰富页岩资源的有效结合,页岩气已经占到美国天然气产量的70%。页岩气革命的例子说明了,政府支持和市场拉动的协同将共同引导新技术走向繁荣。


(三)政策工具:保障作用


政策方面,政府需要确保能源转型要以人为中心且要具有包容性。伴随能源行业的转型优化升级,先进能源产业就业人口会强劲增长;但在过渡阶段,政府需要审慎解决旧能源行业岗位流失的问题,保障就业。


另外,政策需要照顾到由发展清洁能源而导致的家庭支出成本上升的问题,确保家用能源的可负担性。能源的优化升级,不是靠某一个行业、某一种技术,而是全社会对包括清洁能源在内的先进能源的认可和共同努力。


启示


从以化石燃料为主导向以净零排放为主导的能源系统过渡,对于缓解气候变化,发展新型经济,保护人类健康至关重要。但是,对于一些产生大量温室气体排放的行业,包括航空、航运、钢铁、水泥等行业,清洁能源仍然不能实现商业化,以替代传统能源;即使是目前已经商业化的清洁能源技术(如新能源汽车),其成本依然高出传统能源,且还面临着规模扩大的其他障碍。因此,必须加快先进能源技术的发展进程,增加对先进能源的创新投入,积极应对气候目标的关键挑战。


首先,增加先进能源创新投入,包括政策和资金两方面。以极具发展前景的碳捕集、利用和封存(CCUS)技术为例,CCUS技术可以防止工业设施产生的温室气体排放到大气中。然而目前,CCUS技术的成本依旧十分高昂,碳捕集装置、二氧化碳管网、二氧化碳压缩等技术的成本和风险都十分高,导致许多企业不敢也无法轻易尝试,CCUS技术进展相对缓慢。ITIF与哥伦比亚大学全球能源政策中心从政策和资金两方面,为美国加快CCUS技术的发展提出了建议,我们或许可以从中得到一定启发。


政策方面,美国国会和能源部应解决阻碍CCUS投资的CO2基础设施和监管障碍。能源部应与美国地质调查局运输部及其他机构合作,以计划和评估国家CO2干线管道网络,确定地质储层特征,并建立许可规则;能源部应将化石能源办公室改名为碳管理办公室,重新关注减少碳排放和减缓气候变化的活动,并将CCUS研究扩大到工业和电力领域的应用。


在资金方面,国会应通过大规模的试点和示范项目,为技术研发活动提供资金。国会应特别注意包括钢和水泥制造在内的工业CCUS示范项目。



其次,增强公私合作,以营造社会对先进能源技术的支持氛围。根据ITIF的报告,先进能源创新不仅需要增加政府的支持和投入,还需要建立市场环境以激发私营部门的创新力和竞争力。2020年,全球知名汽车蓄电池公司柯锐世入选美国能源部 (DOE) 的一项公私合作项目,该项目旨在解决先进电池材料和电池生产中锂离子制造效率的问题。此外,该项目还将致力于降低电池生产成本,提高电极性能,促进高度电动化汽车在全美的采用。未来,这样的公私合作模式将为先进能源创新注入更强的活力。


他山之石,可以攻玉。他国的能源政策或许可以对我国的能源政策制定带来一定的借鉴意义。我国应从产学研角度,大力推动先进能源技术的发展。在研究领域,鼓励高校和研究所深耕技术创新,推动光伏、氢能、储能和CCUS等领域前沿技术的创新研究;在产业化上,政府应设立专项科研基金,引导社会资本进入先进能源产业,做好相关技术的孵化工作,加快技术的产业化脚步;在合作交流上,鼓励研究院所和相关企业增加国内外合作,注重学科间交叉融合,积极与国内外学者专家进行交流,抓住先进能源研究的关键机遇,让先进能源发展迈上新台阶。



参考文献

1. 信息技术与创新基金会(ITIF),《激励创新:在2022财年提高联邦能源研发的雄心》.

2. 国际能源署(IEA),《2021年全球能源回顾》.



作者简介

翟丽影 国务院发展研究中心国际技术经济研究所数据部,研究助理

联系方式:zhaily@drciite.org




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作者丨翟丽影

编辑丨翟丽影




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