國(guó)內(nèi)外新能源技術(shù)概況及市場(chǎng)展望

呂慶玲

（新疆油田公司，新疆克拉瑪依 834000）

1 引言

“溫室效應(yīng)”引起氣候變化，使生態(tài)環(huán)境遭到破壞，其罪魁禍?zhǔn)拙褪菧厥覛怏w的排放，CO2是溫室氣體的主要構(gòu)成，控制碳排放已經(jīng)成為國(guó)際性環(huán)境問(wèn)題［1］，低碳綠色發(fā)展已成為時(shí)代潮流，是推動(dòng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)高質(zhì)量發(fā)展、可持續(xù)發(fā)展的必由之路，世界各國(guó)也都采取了化石能源向新能源轉(zhuǎn)型的諸多措施，來(lái)改善氣候，進(jìn)而減少溫室效應(yīng)帶來(lái)的危害。目前風(fēng)能、太陽(yáng)能、生物質(zhì)能和氫能是幾大主流新能源，其發(fā)展現(xiàn)狀對(duì)化石能源向新能源轉(zhuǎn)型有著至關(guān)重要的影響和指導(dǎo)意義。

2 能源結(jié)構(gòu)的演變歷程

50 萬(wàn)—60 萬(wàn)年前，人類(lèi)學(xué)會(huì)了鉆木取火，進(jìn)入木材時(shí)代。18 世紀(jì)60 年代，瓦特改良了蒸汽機(jī)，人類(lèi)進(jìn)行了歷史上第一次能源大轉(zhuǎn)換，從木材時(shí)代進(jìn)入到煤炭時(shí)代。1965 年, 石油消費(fèi)首次超過(guò)煤炭消費(fèi)，人類(lèi)進(jìn)入了石油時(shí)代，完成了第二次能源大轉(zhuǎn)換。隨著人類(lèi)環(huán)境意識(shí)的增強(qiáng)，低碳發(fā)展已成為必然趨勢(shì)，預(yù)測(cè)2050—2080 年，新能源將取代石油的主導(dǎo)位置，人類(lèi)社會(huì)將完成第三次能源大轉(zhuǎn)換，進(jìn)入新能源、再生能源時(shí)代。

3 當(dāng)前主流新能源介紹

人類(lèi)社會(huì)所使用的常規(guī)能源有高碳化石能源和大中型水電等，本文所介紹的幾大主流新能源風(fēng)能、太陽(yáng)能、生物質(zhì)能和氫能，是近年世界各國(guó)深入開(kāi)展研究并進(jìn)行規(guī)模化、商業(yè)化應(yīng)用的可再生潔凈能源。

3.1 太陽(yáng)能

太陽(yáng)能是指太陽(yáng)的熱輻射能，主要就是常說(shuō)的太陽(yáng)光線。太陽(yáng)能資源非常豐富，只要太陽(yáng)光存在就能提供源源不斷的太陽(yáng)能，太陽(yáng)能的利用主要有熱利用和光利用兩大類(lèi)，熱利用主要有太陽(yáng)能熱發(fā)電和太陽(yáng)能熱化學(xué)2 種形式［2］；光利用主要含太陽(yáng)能光伏和太陽(yáng)能光化學(xué)。太陽(yáng)能熱發(fā)電和光伏的最終產(chǎn)品是電能，而太陽(yáng)能熱化學(xué)和光化學(xué)的最終產(chǎn)品是燃料。

3.2 風(fēng)能

風(fēng)是一種自然氣候現(xiàn)象，是指空氣在氣壓和溫差的作用下產(chǎn)生的流動(dòng)現(xiàn)象。風(fēng)能是指空氣流動(dòng)所產(chǎn)生的動(dòng)能，是可再生的清潔能源，其儲(chǔ)量大、分布廣［3］，但風(fēng)能的能量密度低（只有水能的1/800），并且不穩(wěn)定，目前其主要用于風(fēng)力發(fā)電，風(fēng)電場(chǎng)的年平均風(fēng)速不低于6 m/s。風(fēng)況可分為3 類(lèi)：年平均風(fēng)速6 m/s 以上時(shí)為較好；7 m/s 以上時(shí)為好；8 m/s 以上時(shí)為很好。但臺(tái)風(fēng)天氣不允許啟用風(fēng)力發(fā)電，以免風(fēng)輪損壞。風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)直徑?jīng)Q定了風(fēng)機(jī)的額定容量，其對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)表1。由于風(fēng)能不穩(wěn)定的特性，為避免沖擊過(guò)大，一般將其直接接入大電網(wǎng)。

表1 風(fēng)機(jī)額定容量與風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)直徑

3.3 現(xiàn)代生物質(zhì)能

生物質(zhì)能是儲(chǔ)存在生物質(zhì)內(nèi)部的能量，自然界中只要有生命物質(zhì)，就有生物質(zhì)能。其與風(fēng)能、太陽(yáng)能一樣，屬可再生能源，可實(shí)現(xiàn)能源的永續(xù)利用，生物質(zhì)能有清潔、低碳、資源豐富、可再生利用等特性［4］。目前我國(guó)生物質(zhì)能利用主要為直接燃燒、制沼氣、生物質(zhì)制氫、原電池等方面，但受市場(chǎng)環(huán)境和保障機(jī)制不夠完善、商業(yè)化利用難、技術(shù)等尚不具備等因素的制約，生物質(zhì)能的發(fā)展和應(yīng)用率并不高。

3.4 氫能

氫元素是自然界中含量最多的元素，主要以化合態(tài)物質(zhì)形式出現(xiàn)，氫能就是氫元素在化學(xué)或者物理作用下產(chǎn)生的能量，具有資源豐富、來(lái)源多樣、環(huán)保、可儲(chǔ)存、可再生等突出優(yōu)點(diǎn)，其屬于二次能源，可滿足可持續(xù)發(fā)展的要求。氫氣和氧氣燃燒的產(chǎn)物是水，因而氫能是自然界中最清潔的能源。氫能的利用方式有很多，可以通過(guò)燃燒氫氣轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，或者作為原料用于制造氫燃料電池等。氫能是一種含有巨大潛力的新型潔凈能源，已被諸多發(fā)達(dá)國(guó)家列為重要能源發(fā)展計(jì)劃之一。氫元素可以固、液、氣3 種形態(tài)的氫化物出現(xiàn)［5］，所以在儲(chǔ)存運(yùn)輸?shù)倪^(guò)程中，可根據(jù)環(huán)境需求進(jìn)行選擇，其低溫液化后可用于航天試驗(yàn)技術(shù)領(lǐng)域；高壓氣態(tài)存儲(chǔ)后，可用于氫燃料電池技術(shù)、氫能汽車(chē)、加氫站等。但由于氫燃料的物理及化學(xué)特性，無(wú)論是低溫液態(tài)存儲(chǔ)或是高壓氣態(tài)存儲(chǔ)，都有很高的風(fēng)險(xiǎn)，這也是未來(lái)需要研究解決的主要問(wèn)題之一。

4 新能源技術(shù)市場(chǎng)應(yīng)用

隨著人類(lèi)環(huán)境保護(hù)意識(shí)的增強(qiáng)，低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展成為了世界各國(guó)的基本共識(shí)，新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展程度也展示出一個(gè)國(guó)家高科技發(fā)展水平。從宏觀經(jīng)濟(jì)角度看，新能源產(chǎn)業(yè)是新一輪國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)戰(zhàn)略的核心要素，眾多國(guó)家已經(jīng)把新能源產(chǎn)業(yè)作為滿足時(shí)代發(fā)展要求、促進(jìn)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的重要因素。

4.1 國(guó)際新能源技術(shù)發(fā)展概況

近年來(lái)，化石能源對(duì)“溫室效應(yīng)”的影響受到重視，越來(lái)越多的國(guó)家積極參與替代化石能源的新能源技術(shù)的研究［6］，太陽(yáng)能、風(fēng)能、生物質(zhì)能及氫能都具有一定的規(guī)模應(yīng)用。

國(guó)際貿(mào)易專(zhuān)業(yè)的應(yīng)用性很強(qiáng)，要求學(xué)生掌握必要的知識(shí)和一定的技能，這些知識(shí)和能力的培養(yǎng)有賴(lài)于實(shí)踐教學(xué)的開(kāi)展。而目前一些學(xué)校實(shí)驗(yàn)室建設(shè)不足，缺乏相應(yīng)的教學(xué)軟件；即使有教學(xué)軟件也由于各種原因利用率不高。到校外基地實(shí)習(xí)是學(xué)生熟悉企業(yè)、熟悉今后工作環(huán)境的主要途徑。學(xué)生在校外實(shí)習(xí)基地實(shí)習(xí)，可以把所學(xué)的理論知識(shí)與實(shí)踐相結(jié)合，迅速提高自身的適應(yīng)能力和業(yè)務(wù)水平。因此，學(xué)校要想培養(yǎng)出符合外貿(mào)企業(yè)需要的高素質(zhì)人才，必須充分利用社會(huì)資源，建立良好的校外實(shí)習(xí)基地，讓學(xué)生到真實(shí)的企業(yè)環(huán)境中去學(xué)習(xí)、去鍛煉。

4.1.1 太陽(yáng)能的應(yīng)用

歐洲各國(guó)在2018 年經(jīng)濟(jì)復(fù)蘇后重啟了對(duì)光伏項(xiàng)目的支持，俄烏沖突發(fā)生后，歐盟加速能源獨(dú)立進(jìn)程，首要任務(wù)是尋找天然氣，其次是推動(dòng)國(guó)家能源獨(dú)立，其中光伏和風(fēng)電共占到約20%的權(quán)重。2022 年預(yù)計(jì)為光伏增長(zhǎng)大年，需求擴(kuò)張動(dòng)力來(lái)源于中國(guó)、印度、美國(guó)、巴西以及歐洲等。

太陽(yáng)能電池技術(shù)也得到了快速發(fā)展，截至2022年1 月21 日，全球太陽(yáng)能電池行業(yè)專(zhuān)利申請(qǐng)數(shù)量為42 707 項(xiàng)，其中，30 565 項(xiàng)太陽(yáng)能電池專(zhuān)利為發(fā)明專(zhuān)利，占全球太陽(yáng)能電池專(zhuān)利申請(qǐng)數(shù)量最多，為71.57%。實(shí)用新型太陽(yáng)能電池專(zhuān)利和外觀設(shè)計(jì)型太陽(yáng)能電池專(zhuān)利數(shù)量分別為9 975，2 168 項(xiàng)，分別占全球太陽(yáng)能電池專(zhuān)利申請(qǐng)數(shù)量的23.36%和5.08%。

4.1.2 風(fēng)能的應(yīng)用

18 世紀(jì)20 年代，在北美洲風(fēng)力機(jī)被用來(lái)灌溉田地和驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。從1920 年起，人們開(kāi)始研究利用風(fēng)力機(jī)進(jìn)行大規(guī)模發(fā)電。1931 年，在蘇聯(lián)建造了一臺(tái)100 kW 容量的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，這是最早商業(yè)化的風(fēng)力發(fā)電機(jī)。

據(jù)估算全世界的風(fēng)能總量約1 300 億kW，目前全球風(fēng)能裝機(jī)容量已超1 億kW，產(chǎn)業(yè)年增長(zhǎng)率達(dá)28.8%。世界各國(guó)都有風(fēng)能利用的計(jì)劃部署，美國(guó)計(jì)劃到2030 年風(fēng)電占電力總用量的20%，英國(guó)政府計(jì)劃2020 年實(shí)現(xiàn)風(fēng)電占電力總用量的15%，德國(guó)計(jì)劃到2025 年實(shí)現(xiàn)風(fēng)電占電力總用量的25%。

4.1.3 生物質(zhì)能的應(yīng)用

從行業(yè)上來(lái)看，生物質(zhì)能源主要集中在發(fā)電、供熱和運(yùn)輸領(lǐng)域，以供熱和運(yùn)輸為主。如丹麥、芬蘭和愛(ài)沙尼亞生物質(zhì)發(fā)電只占總體可再生能源發(fā)電的2%～15%。對(duì)于大多數(shù)國(guó)家來(lái)說(shuō)，固體生物質(zhì)是生產(chǎn)生物質(zhì)電力的主要燃料，而德國(guó)、意大利和克羅地亞的生物質(zhì)電力主要來(lái)自沼氣。在瑞士，可再生廢物是生物質(zhì)電力的主要燃料。

從供熱結(jié)構(gòu)上來(lái)看，化石燃料在大多數(shù)國(guó)家的供熱方面仍然占據(jù)主導(dǎo)地位，通常占總供熱量的75%，而生物質(zhì)能是可再生供熱的主要類(lèi)型。一些國(guó)家如丹麥、愛(ài)沙尼亞、瑞典、芬蘭的區(qū)域供熱在可再生供熱方面取得了進(jìn)展。

在交通運(yùn)輸能源消耗上，化石燃料仍占全球運(yùn)輸能源消耗的95%以上。巴西與瑞典的可再生能源運(yùn)輸份額分別為25%和21%。生物柴油和燃料乙醇是主要的生物燃料類(lèi)型，目前，燃料乙醇主要在汽油車(chē)比例高的國(guó)家使用，主要集中在巴西、美國(guó)和加拿大。考慮到未來(lái)電動(dòng)汽車(chē)的大力發(fā)展，可再生燃料將會(huì)是替代化石燃料的重要途徑。

4.1.4 氫能的應(yīng)用

氫能的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)讓世界各國(guó)在該領(lǐng)域都投入大量精力和資源進(jìn)行研究，主要發(fā)達(dá)國(guó)家均制定了發(fā)展計(jì)劃，日本明確向“氫能社會(huì)”推進(jìn)國(guó)家能源戰(zhàn)略；美國(guó)能源部成立氫能與燃料電池辦公室，開(kāi)展H2USA 氫能基礎(chǔ)設(shè)施計(jì)劃；德國(guó)開(kāi)展Power－to－Gas（P2G）示范項(xiàng)目；英國(guó)開(kāi)展H2Mobility Roadmap 路線；歐盟建設(shè)燃料電池與氫能聯(lián)合項(xiàng)目（FCH2-JU）。

國(guó)際氫能源供給基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展見(jiàn)表2。

表2 國(guó)際氫能源供給基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展座

根據(jù)2017 年年底的預(yù)測(cè)，到2050 年全球環(huán)境20%的CO2減排要靠氫氣完成，18%的終端能源需求由氫能承擔(dān)。全球氫能源設(shè)施的市場(chǎng)規(guī)模到2030 年約為4 000 億美元，到2050 年將達(dá)到1.6 萬(wàn)億美元。氫能源設(shè)施市場(chǎng)規(guī)模預(yù)測(cè)見(jiàn)圖1。

圖1 世界氫能源設(shè)施市場(chǎng)規(guī)模預(yù)測(cè)

4.2 我國(guó)主要新能源技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

4.2.1 氫能

我國(guó)已有20 余省、市、自治區(qū)開(kāi)始布局氫能產(chǎn)業(yè)，目前正在形成京津冀、華東、華南、華中四大產(chǎn)業(yè)集群地帶，未來(lái)四大板塊的帶動(dòng)效應(yīng)將輻射到全國(guó)多個(gè)地區(qū)，推動(dòng)我國(guó)氫能與燃料電池產(chǎn)業(yè)的進(jìn)程。制氫路線：短中期內(nèi)，發(fā)展高效低成本的氫化分離純化技術(shù)；長(zhǎng)期來(lái)看，可再生能源制氫是未來(lái)發(fā)展方向。輸氫路線：2030 年能以常壓高密度有機(jī)液體運(yùn)輸替代高壓運(yùn)輸和低溫液體氫氣運(yùn)輸；在加氫站建設(shè)方面，規(guī)劃2020 年建成100 座，2025 年超過(guò)300 座，2030 年超過(guò)1 000 座。

4.2.2 生物質(zhì)能

目前我國(guó)生物質(zhì)能利用主要包括生物質(zhì)發(fā)電、生物液體燃料、生物質(zhì)成型燃料、生物質(zhì)燃?xì)?、生物制氫技術(shù)等。現(xiàn)階段我國(guó)生物質(zhì)能占我國(guó)能源消費(fèi)總量比重僅1%左右，對(duì)比來(lái)看，歐盟的生物質(zhì)能占到其終端能源消費(fèi)的12%。

目前我國(guó)生物質(zhì)發(fā)電主要有垃圾焚燒發(fā)電、農(nóng)林生物質(zhì)發(fā)電和沼氣發(fā)電三大類(lèi)。其中，垃圾焚燒發(fā)電占比最大，占總生物質(zhì)發(fā)電量比重約為61.2%；其次是農(nóng)林生物質(zhì)發(fā)電，占比約為35.5%；再次是沼氣發(fā)電，占比約為3.3%。到2021 年年底，我國(guó)生物質(zhì)發(fā)電裝機(jī)容量約3 798 萬(wàn)kW，發(fā)電量約1 637 億kW·h。生物航油的替代使用是我國(guó)民航業(yè)唯一能實(shí)現(xiàn)大幅度碳減排的措施，未來(lái)30 年內(nèi)航空CO2排放趨勢(shì)及減排需求主要靠生物航油技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，預(yù)計(jì)目標(biāo)排放量下降50%。

4.2.3 太陽(yáng)能

我國(guó)陸地上每年接收的太陽(yáng)能輻射總量為3 300～8 400 MJ/m2，相當(dāng)于燃燒2.4×104億t 標(biāo)準(zhǔn)煤所釋放的能量。我國(guó)在新疆、甘肅、青海、內(nèi)蒙古等太陽(yáng)能資源豐富地區(qū)，均有太陽(yáng)能發(fā)電站建設(shè)部署，目前已建成2 座50 MW 太陽(yáng)能發(fā)電站、1 座100 MW太陽(yáng)能發(fā)電站。各地也正紛紛布局第二批太陽(yáng)能發(fā)電站的建設(shè)。太陽(yáng)能電池技術(shù)的發(fā)展也取得了一定的成績(jī)，太陽(yáng)能電池是光伏行業(yè)的重要一環(huán)。我國(guó)的太陽(yáng)能電池產(chǎn)業(yè)具有完整產(chǎn)業(yè)鏈體系，擁有自主生產(chǎn)建設(shè)的知識(shí)產(chǎn)權(quán)專(zhuān)利。據(jù)統(tǒng)計(jì)，至2020 年，我國(guó)太陽(yáng)能電池產(chǎn)量最多的地區(qū)是華東，占全國(guó)產(chǎn)量的73.2%。

4.2.4 風(fēng)能

我國(guó)風(fēng)電2020 年并網(wǎng)裝機(jī)容量達(dá)7 167 萬(wàn)kW，新增裝機(jī)連續(xù)11 年居于世界第一位。2011—2020年我國(guó)風(fēng)電并網(wǎng)裝機(jī)容量趨勢(shì)如圖2。

圖2 2011—2020 年我國(guó)風(fēng)電并網(wǎng)裝機(jī)容量趨勢(shì)

與裝機(jī)容量一樣，2011—2020 年，我國(guó)風(fēng)電發(fā)電量呈逐年上升趨勢(shì)，占全社會(huì)用電量比例也在不斷攀升，如圖3 所示，2020 年我國(guó)風(fēng)電發(fā)電量為4 665 億kW·h，同比增長(zhǎng)約15%，占全社會(huì)用電量的6.2%。

圖3 2011—2020 年我國(guó)風(fēng)電發(fā)電量趨勢(shì)

“十四五”期間，我國(guó)風(fēng)電有大幅增長(zhǎng)空間，年均增加容量超過(guò)5 000 萬(wàn)kW，開(kāi)發(fā)方式仍以集中式為主。預(yù)計(jì)至2025 年，西部、北部地區(qū)風(fēng)電新增裝機(jī)容量約1.7 億kW，東中部地區(qū)新增風(fēng)電裝機(jī)容量約1.5 億kW。

5 結(jié)語(yǔ)

解決環(huán)境問(wèn)題最重要的是以能源結(jié)構(gòu)調(diào)整為主要出路，新能源事業(yè)的發(fā)展勢(shì)在必行。要想快速推動(dòng)低碳經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，需加大新能源技術(shù)的研發(fā)，同時(shí)也要考慮新能源上下游產(chǎn)業(yè)鏈，以此來(lái)降低新能源的運(yùn)行成本。本文通過(guò)介紹目前主流的新能源技術(shù)，以及國(guó)內(nèi)外新能源發(fā)展的概況和趨勢(shì)，為我國(guó)新能源的相關(guān)工作提供參考。