碳中和目標(biāo)下，新能源還需要哪些新意？

徐沛宇

能源轉(zhuǎn)型的方向是以化石能源為主的能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)為以可再生能源為主。這是實(shí)現(xiàn)碳中和的基石，亦是全球經(jīng)濟(jì)綠色轉(zhuǎn)型的引擎。

然而，支撐能源轉(zhuǎn)型的新能源技術(shù)仍未完全準(zhǔn)備好。目前的主力新能源產(chǎn)品有待進(jìn)一步降本增效;具有更大發(fā)展?jié)摿Α⑸形瓷虡I(yè)化開發(fā)的新能源產(chǎn)品則更需要突破技術(shù)和成本的壁壘。

目前大規(guī)模商業(yè)化開發(fā)的可再生能源以太陽能、風(fēng)能為主，前者的主力產(chǎn)品是PERC（發(fā)射極及背面鈍化電池）單晶硅電池，后者則是陸上風(fēng)機(jī)。這兩大主力產(chǎn)品能效已接近瓶頸，更高效的光伏電池和更高功率的海上風(fēng)機(jī)，正逐漸上升為更新一代可商業(yè)化開發(fā)的能源產(chǎn)品。

太陽能和風(fēng)能的缺點(diǎn)是間歇性、波動(dòng)性大，因此，在其本身降本增效的同時(shí)，還要開發(fā)可為其調(diào)峰的儲(chǔ)能設(shè)施。另一方面，由風(fēng)電、太陽能發(fā)電制造的氫氣既零碳排放又穩(wěn)定，且可作為調(diào)峰介質(zhì)，被認(rèn)為是碳中和時(shí)代僅次于風(fēng)光的主力能源。

除此之外，人類還在探索更高效、更清潔的新能源，比如潮汐能、核聚變發(fā)電等等。雖然目前還看不到這些更超前的新能源商業(yè)化開發(fā)的曙光，但新的能源技術(shù)如星辰，照亮了地球更美好的方向。

現(xiàn)有新能源的潛力

可再生能源里發(fā)展最快的當(dāng)屬太陽能發(fā)電，其分為光熱和光伏兩種技術(shù)路徑，目前主流是光伏發(fā)電。光伏發(fā)電的核心是利用電池將太陽能轉(zhuǎn)化為電，因此，光伏電池是光伏發(fā)電提高效率的關(guān)鍵。

中國光伏企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力排在世界前列，中國光伏市場(chǎng)代表當(dāng)今光伏產(chǎn)業(yè)最先進(jìn)的水平。當(dāng)前主流的光伏電池是單晶硅電池，其按照硅片型號(hào)可分為N型電池和P型電池。后者的極致是PERC電池，其光電轉(zhuǎn)換效率已超過23%，接近該電池的理論最高值。效率更高的N型單晶硅電池目前僅占很微小的市場(chǎng)份額。

商業(yè)潛力較大的兩種N型電池分別是TOPCon（隧穿氧化層鈍化接觸）電池和HJT（異質(zhì)結(jié)）電池，業(yè)界認(rèn)為這兩種電池的光電轉(zhuǎn)換極限理論效率均約28.7%。各大光伏龍頭企業(yè)如今皆已布局。

中國光伏行業(yè)協(xié)會(huì)發(fā)布的《中國光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展路線圖（2020版）》稱，2020年，中國新建量產(chǎn)光伏電池產(chǎn)線以PERC電池為主，市場(chǎng)占比86.4%，N型電池占比約為3.5%。隨著N型電池的效率和成本優(yōu)勢(shì)不斷改善，N型電池市場(chǎng)占比將逐步提升。

非晶硅光伏電池在可預(yù)見的未來也可實(shí)現(xiàn)商業(yè)化量產(chǎn)。當(dāng)前最被看好的非晶硅光伏電池是鈣鈦礦電池，其轉(zhuǎn)換效率理論極限值為33%，鈣鈦礦電池和晶體硅組成的疊層電池理論轉(zhuǎn)換率極限可達(dá)43%。

風(fēng)能的規(guī)?；_發(fā)比光伏更早，但業(yè)界一般認(rèn)為風(fēng)能的開發(fā)潛力略小于光伏。各主要國家目前陸上風(fēng)電技術(shù)基本成熟，正處于裝機(jī)規(guī)模高速增長的階段。海上風(fēng)電則仍處于技術(shù)完善期，更大功率、更加經(jīng)濟(jì)的海上風(fēng)機(jī)是業(yè)界追求的方向。

海上風(fēng)機(jī)比陸上風(fēng)機(jī)的技術(shù)難度更大，面臨著空氣動(dòng)力學(xué)、造船學(xué)和流體力學(xué)等多個(gè)方面的技術(shù)挑戰(zhàn)。據(jù)全球風(fēng)能理事會(huì)（GWEC）統(tǒng)計(jì)，去年全球海上風(fēng)電的資本支出首次超過了海上石油和天然氣的投資。

一旦技術(shù)難點(diǎn)攻克，海上風(fēng)電便有與火電、核電相當(dāng)?shù)臐摿?。GWEC預(yù)計(jì)，全球海上風(fēng)電的年裝機(jī)容量將在五年內(nèi)翻兩番;其在全球新增風(fēng)電裝機(jī)中的份額，將從目前的6.5%增至2025年的21%。

目前，海上風(fēng)電正在向中遠(yuǎn)海海域進(jìn)發(fā)。業(yè)界認(rèn)為，漂浮式風(fēng)力發(fā)電機(jī)將比目前的固定式海上風(fēng)機(jī)更適合中遠(yuǎn)海海域。美國、歐洲、中國政府都在積極推動(dòng)漂浮式風(fēng)機(jī)的技術(shù)進(jìn)步，均已研制了相關(guān)實(shí)驗(yàn)機(jī)組。

根據(jù)國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室（NREL）的預(yù)測(cè)，海上漂浮式風(fēng)機(jī)可使美國海上風(fēng)力資源的潛力擴(kuò)大到每年7000太瓦時(shí)（TWh）以上，幾乎是美國每年總能源消耗量的兩倍。

光伏電池是光伏發(fā)電提高效率的關(guān)鍵。圖/IC

對(duì)太陽能和風(fēng)能來說，其發(fā)展的潛力不僅取決于本身的技術(shù)進(jìn)步，還要依賴儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展。

隨著光伏、風(fēng)電在供電結(jié)構(gòu)中的比例不斷升高，電網(wǎng)側(cè)的儲(chǔ)能規(guī)模正在迅速擴(kuò)大。2019年底中國電化學(xué)儲(chǔ)能累積裝機(jī)功率規(guī)模較2015年增長了近十倍。

抽水蓄能是最成熟、成本最低的儲(chǔ)能技術(shù)，但其發(fā)展空間有限。包括鉛蓄電池、鋰離子電池、液流電池、鈉硫電池等在內(nèi)的化學(xué)儲(chǔ)能是當(dāng)前技術(shù)攻關(guān)的重點(diǎn)。業(yè)界希望能找到更長壽命、更安全、更低成本的新型電池。

與抽水蓄能同屬物理儲(chǔ)能的飛輪儲(chǔ)能技術(shù)近期發(fā)展較快，現(xiàn)已在多個(gè)風(fēng)電場(chǎng)建立示范項(xiàng)目，有的項(xiàng)目還采用了飛輪和電池混合的儲(chǔ)能模式。

飛輪儲(chǔ)能是指通過高速旋轉(zhuǎn)體的旋轉(zhuǎn)進(jìn)行動(dòng)能存儲(chǔ)，同時(shí)進(jìn)行動(dòng)能和電能之間的轉(zhuǎn)換。它具有使用壽命長、功率密度更大、充放電迅速等優(yōu)點(diǎn)。目前該技術(shù)正在走向成熟，處于商業(yè)化發(fā)展的前期。

未來新能源的雛形

氫氣是一種古老的氣體，利用化石能源制氫也是一項(xiàng)成熟技術(shù)。直到風(fēng)電、光伏大規(guī)模開發(fā)之后，氫氣才被人們改稱為氫能。因?yàn)橹挥型ㄟ^可再生能源生產(chǎn)的氫氣（業(yè)界稱之為綠氫）才是零碳排放的可再生能源。它被認(rèn)為是碳中和時(shí)代，在無法電氣化的領(lǐng)域使用的終極能源。

可再生能源制氫一般是指電解水制氫，即在電解質(zhì)水溶液中通入電流后產(chǎn)生氫氣，其技術(shù)路線主要分三種：堿性水電解槽制氫、質(zhì)子交換膜水電解槽制氫和固體氧化物水電解槽制氫。

綠氫商業(yè)化開發(fā)需要具備兩個(gè)因素：可再生能源發(fā)電成本下降，電解水制氫設(shè)備技術(shù)進(jìn)步。

目前，可再生能源發(fā)電降低成本的趨勢(shì)十分清晰，電解水制氫設(shè)備的技術(shù)發(fā)展仍面臨挑戰(zhàn)。歐洲國家掌握了全球最先進(jìn)的電解水制氫設(shè)備技術(shù)，歐洲也是推廣綠氫最積極的地區(qū)。歐盟計(jì)劃在未來十年快速擴(kuò)大電解槽的市場(chǎng)規(guī)模，以降低成本。

不過，十年內(nèi)，藍(lán)氫應(yīng)該是比綠氫更加可行的過渡能源。藍(lán)氫是指以化石能源制氫，并加上CCUS（二氧化碳的捕集、利用與封存）。因?yàn)榛茉粗茪浼夹g(shù)成熟成本低，同時(shí)CCUS也在快速發(fā)展。

英國政府此前宣布出資2.2億英鎊促進(jìn)碳密集型行業(yè)清潔低碳轉(zhuǎn)型，其中就包括CCUS技術(shù)。同時(shí)，英國還計(jì)劃在未來十年內(nèi)通過差價(jià)合約等新機(jī)制，增加藍(lán)氫供應(yīng)。其計(jì)劃到2030年后再大力發(fā)展成本下降的綠氫。

國際能源署（IEA）發(fā)布的《2021年世界能源展望》稱，到2050年，成功實(shí)現(xiàn)凈零排放將為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、太陽能電池板、鋰離子電池、綠氫等行業(yè)創(chuàng)造每年超過1萬億美元的市場(chǎng)，其規(guī)模可與當(dāng)前的石油市場(chǎng)相媲美。

除了上述這些已經(jīng)或者即將商業(yè)化開發(fā)的可再生能源，人類仍然在探索諸多更清潔、更高效的新能源產(chǎn)品。

地球上資源最豐富的是海洋，海洋中的能源是待開發(fā)的巨大寶藏。根據(jù)國際可再生能源署（IRENA）的數(shù)據(jù)，所有海洋能源技術(shù)的發(fā)電潛力總和為每年45000-130000TWh，是目前全球電力年需求的兩倍以上。人們對(duì)其降低成本的前景持樂觀態(tài)度，預(yù)期十年以后，海洋能源將與成熟的可再生能源一樣進(jìn)入大規(guī)模開發(fā)階段。

目前海洋能還在發(fā)展的初期，不過，潮汐能和波浪能已成為電力成本高的偏遠(yuǎn)島嶼上可行的替代能源。全球在建的潮汐流和波浪項(xiàng)目有55%在歐洲。歐盟發(fā)布的海上能源戰(zhàn)略中，除了大力開發(fā)海上風(fēng)電，還納入了潮汐能、波浪能等其他形式的海洋能源。歐盟認(rèn)為，相較于風(fēng)能和太陽能，波浪能和潮汐能發(fā)電更加穩(wěn)，可在歐盟脫碳和穩(wěn)定電網(wǎng)中起至關(guān)重要的作用。

普照萬物的太陽也給了人們開發(fā)能源的靈感。創(chuàng)造類似太陽的內(nèi)部條件，產(chǎn)生核聚變反應(yīng)，再利用其發(fā)熱發(fā)電，那么人類將擁有幾近無窮無盡的清潔能源。

核聚變是輕核（主要是氫的同位素氘和氚）聚合成較重的原子核，同時(shí)釋放出巨大能量的過程，太陽發(fā)光發(fā)熱和氫彈爆炸就是這樣的原理。聚變反應(yīng)釋放的能量巨大，1升海水中的氘通過聚變反應(yīng)可釋放出相當(dāng)于300升汽油燃燒的能量，且聚變的反應(yīng)產(chǎn)物是比較穩(wěn)定的氦。

受控?zé)岷司圩円恢笔强茖W(xué)家們的夢(mèng)想，目前雖仍未實(shí)現(xiàn)，但美國、中國等國的多個(gè)官方機(jī)構(gòu)和民營企業(yè)都在積極探索這一終極能源。

編輯：馬克