能源技术创新洞察:谁在引领前进的方向?
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中大商业评论(zhongdareview)

引 言

在能源革命和数字革命双重驱动下,全球新一轮能源科技创新进入持续高度活跃期,可再生能源、核能、储能等一大批新兴能源技术正以前所未有的速度加快迭代,成为全球能源向绿色低碳转型的核心驱动力。中大咨询此次将推出能源技术创新分析报告,梳理全球能源技术创新的总体趋势与重点领域的技术创新特征。

 

01 全球能源技术总体创新趋势

全球应对气候变化行动的加速使得当前能源技术创新格局正在发生深度调整,本章将基于创新投入、创新产出、创新战略演进三个角度对全球能源技术创新的总体趋势进行分析。

 

▶ 创新投入趋势:投入演化呈现四个阶段,投向更加倾斜可再生能源

科技决定能源的未来,科技创造未来的能源。能源技术创新在全球能源革命中起决定性作用,是各国科技创新的重点关注方向,从近40年全球能源技术研究、开发与示范(RD&D)的投入演化历程上看,总体上可分为四个阶段

一是长期缩减阶段。IEA成员国的政府RD&D投入在1980-2000年间的投入持续减少,2000年时总投入为111亿美元,仅为1980年的47%。

二是复苏阶段。进入21世纪后随着全球能源、环境问题的凸显,主要国家普遍增加了相关投入,IEA成员国的政府总投入预算在2001-2009年间迎来了快速增长,2009年时已大幅攀升至246亿美元。

三是经济危机阶段。在全球经济危机的背景下,能源研发投入在政府支出中的优先级有所降低,以美国、日本、巴西为代表的主要投入大国纷纷削减了相关开支,使得2010-2016年间全球预算总额呈下降趋势。

四是零碳目标阶段。2016年底《巴黎协定》正式实施,协议提出的在本世纪下半叶实现净零排放的长期目标使得发展低碳能源技术成为了世界各国的迫切需要,因此IEA成员国从2017年起普遍提高了能源技术的RD&D预算。

1980-2020年IEA成员国能源研究、开发与示范(RD&D)政府预算总额(单位:百万美元),中大咨询整理

图1  1980-2020年IEA成员国能源研究、开发与示范(RD&D)政府预算总额(单位:百万美元),资料来源:IEA

全球能源技术的研发投入侧重也在发生着深刻变革,其中,更加关注清洁能源技术、清洁能源技术发展更加倾向可再生能源领域是两大突出趋势。

一方面,IEA成员国化石燃料技术的RD&D占比在上世纪90年代之前呈上升趋势,随后开始降低,2020年时仅占7%,较1990年下降了13%,反映出全球能源研发体系中清洁能源技术的优先级得到提升。

另一方面,清洁能源技术领域的研发趋势由极度聚焦核能向核能、可再生能源协调发展的方向进行转变,从数据上看,1974年时IEA国家核能RD&D占比高达75%,可再生能源RD&D的占比仅为3%,而到了2020年核能所占比重大幅减少至21%,可再生能源所占比重则提升至20%(含氢能)。

1974-2020年IEA成员国能源研究、开发与示范(RD&D)政府投向的演化趋势(单位:%),中大咨询整理

图2  1974-2020年IEA成员国能源研究、开发与示范(RD&D)政府投向的演化趋势(单位:%),资料来源:IEA

虽然能源技术的研发投入在近年来呈现出上升趋势,但能源创新在全球创新格局中的地位仍然不高,存在较大的提升空间。世界主要国家的总体研发结构上看,能源技术研发投入占国家研发总投入的比重均较低,以2020年为例,美国为1.2%,中国为2.2%,法国为3.7%,德国为1.4%。风险投资的行业分布情况也同样印证了能源创新的受重视程度仍有待大幅提升,以中国与美国2020年的风险投资情况进行说明,可发现中美当年收到的能源行业风险投资分别为4.38亿美元、19.8亿美元,分别仅占两国当年收到风险投资总额的0.7%、1.6%,而同年IT行业的占比分别高达40%与41%。

2020年主要国家能源技术RD&D情况,中大咨询整理

图3  2020年主要国家能源技术RD&D情况,数据来源:IEA、NSF、国家统计局、法国国家经济研究和统计局、德国联邦统计局


2020年中美收到的风险投资的行业分布(单位:百万美元),中大咨询整理

图4  2020年中美收到的风险投资的行业分布(单位:百万美元),数据来源:NSF

 

▶ 创新产出趋势:可再生能源创新产出快速增长,光伏是其主要来源

能源技术创新投入的增长也使得新的能源科技成果不断涌现,正在并将持续改变世界能源格局。

科研论文产出方面,全球清洁能源领域论文发表数在2001-2020年间快速增长,发文总量从40万篇大幅提升至160万篇,年均复合增长率(CAGR)为13%,大幅领先5%的全球科研论文总体CAGR水平,占全球论文发表总量的比重也从2001年的1%增长到2020年的5%。进一步从清洁能源领域的论文产出结构上看,可注意到可再生能源使能技术的论文占比由2001年的5%提高至2020年的11%,而核能研究的论文占比却由2001年的8%大幅降低至2020年的1%,反映出论文产出愈发偏向可再生能源方向,这一特征与清洁能源领域的投入趋势保持了一致性。

在专利产出方面,可再生能源技术的表现同样亮眼,该领域全球申请的EPO专利数量在2009-2021年间保持了较快增长,2021年时已达到948385件,较2009年翻了4番。其中,光伏发电技术的创新产出提升最为明显,EPO专利数在12年间增加了30.9万件,占可再生能源领域专利总数的比重也由2009年的30.4%大幅跃升至2021年的40%。

2001-2020年全球清洁能源技术的论文产出情况,中大咨询整理

图5  2001-2020年全球清洁能源技术的论文产出情况,资料来源:Pathways to Net Zero : The Impact of Clean  Energy Research,Elsevier


2009-2021年可再生能源技术的EPO专利分布情况,中大咨询整理

图6  2009-2021年可再生能源技术的EPO专利分布情况,资料来源:IRENA

 

▶ 创新战略演进趋势:可再生能源技术正成为能源科技的创新重心

世界各主要国家普遍将科技创新视为推动能源转型的重要突破口,近年来积极制定各种政策措施抢占发展制高点:

美国从2014年起先后出台了《全面能源战略》与《美国优先能源计划》等政策,将“科学与能源”确立为第一战略主题,强调积极发展新一代核能、页岩油气、可再生能源等先进能源技术。

欧盟在2011年制定了《2050能源技术路线图》,突出可再生能源在能源供应中的主体地位,概述了多种可再生能源的发展路径。之后于2019年出台的《欧洲绿色协议》中率先提出构建碳中性经济体的战略目标,升级了战略能源技术规划(SET-Plan),并启动了“研究、技术开发及示范框架计划”。

日本于2016年出台的《能源革新战略》及《能源环境技术创新战略》中分别制定了面向2030年和2050年的技术创新战略。在2018年发布的第5个《能源基本计划》中提出能源转型和脱碳化战略的中长期能源发展规划。之后又在2020年颁布的《革新环境技术创新战略》中强调要重点发展能源领域的重点技术。

中国在2016年印发了《能源技术革命创新行动计划(2016–2030 年)》,高效太阳能利用技术、大型风电技术、氢能与燃料电池技术等15项能源技术领域被列入重点任务。之后在今年4月又出台了《“十四五”能源领域科技创新规划》,强调要重点发展包括先进可再生能源发电及综合利用技术在内的5大技术范畴。

从上述全球主要经济体能源科技战略的演进过程上看,可发现加快电力结构优化和推动能源转型是各国能源科技战略的主要目标,而为此将发展清洁能源技术,特别是可再生能源技术作为能源创新布局的核心正日趋成为各国共识。

 

02 全球能源技术重点领域创新趋势

绿色低碳目标下,可再生能源技术的创新能级不断提升,其中光伏技术、氢能技术、海上风能技术更是其中最为活跃的技术创新领域。本章将重点分析这三者的技术创新趋势。

 

▶ 太阳能光伏技术:PERC电池架构是当前主流,TOPCon、HJT架构或成为下一代技术

太阳能光伏(PV)是直接将阳光转化为电能的电子设备,目前全球产能达到千兆瓦级的光伏技术主要包括晶硅(c-Si)技术与基于铜铟镓硒(CIGS)、碲化镉(CdTe)的薄膜太阳能技术。其中,晶硅技术在2010-2020年间一直主导着全球光伏组件市场,占全球总产量的比重长期维持在90%以上,应用最为成熟广泛,其价值链由上至下包含晶硅生产、晶硅加工铸锭、硅片生产、太阳能电池片生产及光伏组件生产五部分。

从光伏产品生产规格的历史演进过程上看,生产工艺不断迭代优化,其中,硅片的制造形状及厚度逐步由圆柱状、厚尺寸向半类方形、薄尺寸进行转变,电池片的主流尺寸由1980年的106mm提升至2020年的166mm,而组件的尺寸、功率及容纳的电池数量也同样表现出增大的趋势。

基于晶硅技术的光伏价值链,中大咨询整理

图7  基于晶硅技术的光伏价值链,图片来源:NREL


基于晶硅技术的光伏生产规格演进,中大咨询整理

图8  基于晶硅技术的光伏生产规格演进,图片来源:Research and Development Priorities toAdvance Solar Photovoltaic Lifecycle Costs and Performance, NREL

从光伏最为核心的电池技术发展路线上看,不断追求光电转化效率提升是最为突出的趋势。晶硅电池片现有P型电池与N型电池两大技术方向,其中P型电池技术包含铝背场电池架构(Al-BSF)、发射极钝化和背面接触架构(PERC)等架构,而N型电池则主要包含技术方向包括隧穿氧化层钝化接触(TOPCon)、具有本征非晶层的异质结(HJT)、交指式背接触(IBC)等架构。

回顾晶硅电池的技术演化历程,一方面,长期以来P型电池技术一直为主流方向,2010-2019年间Al-BSF架构在全球太阳能电池市场中占主导地位,但之后由于PERC架构的生产工艺得到显著改善并大幅提高了光电转换效率1%-1.5%,相较技术发展迟滞的Al-BSF架构建立起了巨大转化效率优势,因而从2020年起取代了Al-BSF架构成为全球市场的新主流。另一方面,N型电池技术目前存在生产成本较高的缺点导致无法大规模量产,但相比P型电池技术具有转换效率高、双面率高、温度系数低、无光衰、弱光效应好等优点,技术发展上限更高(P型电池技术的光电转换效率上限为24%,N型电池技术的转换效率上限为28%),未来有望成为下一代太阳能电池技术。

2021-2030年多种电池技术平均光电转换效率变化趋势,中大咨询整理

图9  2021-2030年多种电池技术平均光电转换效率变化趋势,数据来源:中国光伏产业发展路线图2021

 

▶ 绿色氢能技术:PEM技术正逐步取代ALK技术成为当下主流,SOEC技术未来有望颠覆现有技术格局

氢能源技术涉及氢气制备、存储、运输三大方面,其中氢气制备一直是全球氢能技术的核心关注点。按照氢气制备过程中产生碳排放由高到低的顺序可将工业氢气划分为灰氢、蓝氢、绿氢三大类,在全球零碳目标背景下,推动可再生能源电解水制氢技术创新已成为世界各国抢占能源技术高点的重要战略举措。

表1  全球主要国家氢能战略制定情况

全球主要国家氢能战略制定情况,中大咨询整理

资料来源:Global Hydrogen Review 2021, IEA


表2  全球部分国家氢能R&D战略项目实施情况

全球部分国家氢能R&D战略项目实施情况,中大咨询整理

资料来源:Global Hydrogen Review 2021, IEA

可再生能源电解水制氢技术研发重要性的提升也带动着相关技术不断更新迭代。目前可再生能源电解水制氢存在碱性水电解槽(ALK)、质子交换膜水电解槽(PEM)、阴离子交换膜电解槽(AEM)、固体氧化物水电解槽(SOEC)这4种主流技术路线,其中ALK、PEM技术的成熟度较高,已经开始商业应用,SOEC技术目前处于示范阶段,而AEM技术尚且还处于小样机试验阶段。从全球主要可再生能源电解水制氢设备供应商的生产情况来看,技术创新呈现出三大趋势

一是ALK技术目前仍占据主导地位。ALK技术相较其他制氢技术拥有明显设备成本优势,2020年时该指标仅为PEM技术的一半,因而目前得到广泛应用,全球30家龙头企业中应用ALK技术的占比高达53%。

二是PEM技术正逐步成为主流方向。全球龙头企业中应用PEM技术的占比已提升至47%,这主要可归因于与ALK技术相比,PEM技术在运行中的灵活性和反应性更高,非常适合在土地有限的大城市、产业园区中使用,能够带来更高的整体经济效益。

三是SOEC等颠覆性技术快速发展。虽然SOEC技术仍处于示范阶段,但由于该技术具有能量转化效率高且不需要使用贵金属催化剂等优点,能够在大幅提升生产效率的同时显著降低生产成本,目前全球龙头企业中已有4家开始应用该技术,而随着氢能技术研发投入力度的不断增加,该项技术在高温高湿工况下材料寿命显著降低的问题将有望得到解决,成为下一代主流绿色氢能技术。

表3  全球电解水制氢龙头企业技术应用情况

能源技术创新洞察:谁在引领前进的方向?

资料来源:Making the breakthrough: Green hydrogenpolicies and technology costs, IRENA

 

▶ 海上风能技术:大功率、大规模、高稳定性是技术创新的发展趋势

风力发电可分为陆上风电和海上风电两大类,由于海上风电风能资源的能量效益比陆地风电场高20%-40%,且兼具风速高、运行稳定等优势,因而是全球风电发展的重点关注领域。海上风电技术难度大、创新投入高的特点决定了单一国家难以独立支撑其庞大的研发体系,构建全球或区域创新合作生态成为大势所趋。目前,全球海上风电的技术研发合作日趋紧密,2010-2019年间共新增90个国家性或全球性海上风电RD&D联盟,年新增数量总体也呈上升趋势。

2010-2019年新增国家性或全球性海上风电RD&D联盟数,中大咨询整理

图10  2010-2019年新增国家性或全球性海上风电RD&D联盟数,数据来源:Tracking the impacts of innovation: Offshorewind as a case study, IRENA

创新合作的不断深化也不断推动着海上风电创新产出的提质升级。全球海上风电技术论文发表量在2010-2019年间累计为12300篇,年发表量已由2010年的756篇大幅增加至2019年的1777篇;国际专利获批数量在2007-2019年间始终保持增长,并于2012年与2017年达到两个高峰;风能技术的国际技术标准数量在2004-2020年间共增加33项,其中共有6项为单独面向海上风电技术领域。

论文、专利、技术标准等方面的快速发展正逐步引导着海上风电向着大功率、大规模、高稳定性的方向发展,其中,全球海上风场的涡轮额定功率平均值与总装机容量分别由2000年的1.6MW、7MW大幅提升至2020年的7.5MW、301MW,中国、丹麦等国2020年时的海上风电容量系数相较2000年也出现了明显提高。

2010、2019年全球海上风电技术论文发表情况,中大咨询整理

图11  2010、2019年全球海上风电技术论文发表情况,数据来源:Tracking the impacts of innovation: Offshorewind as a case study, IRENA


2007-2019年海上风电技术国际专利申请情况,中大咨询整理

图12  2007-2019年海上风电技术国际专利申请情况,数据来源:Renewable Technology Innovation Indicators:Mapping progress in costs, patents and standards, IRENA


2004-2020年间风能技术国际标准制定情况,中大咨询整理

图13  2004-2020年间风能技术国际标准制定情况,数据来源:Renewable Technology Innovation Indicators:Mapping progress in costs, patents and standards, IRENA


 2000-2020年全球海上风电技术发展情况,中大咨询整理

图14  2000-2020年全球海上风电技术发展情况,数据来源:Renewable Power Generation Costs in 2020,  IRENA

技术的进步创新最终反映在发电成本的不断降低,为拓展更大规模的商业应用提供了潜在空间。目前,在相关技术的发展支撑下,海上风电的发电成本已由2000年的0.162美元/度电下降至0.084美元/度电,低于化石燃料0.175美元/度电的成本上限,并接近击穿化石燃料0.05美元/度电的成本下限,随着技术的不断进步,可预见未来海上风电将具备更大的应用前景。

2010-2020年全球海上风电发电成本变化情况,中大咨询整理

图15  2010-2020年全球海上风电发电成本变化情况,数据来源:Renewable Power Generation Costs in 2020,IRENA

 

03 我国能源技术创新发展展望

从我国能源战略视角上看,在“双碳”目标、生态文明建设和“六稳六保”等总体要求下,我国能源产业面临保安全、转方式、调结构、补短板等严峻挑战,对科技创新的需求比以往任何阶段都更为迫切。去年的中央经济工作会议提出“要狠抓绿色低碳技术攻关”,今年的政府工作报告又进一步提出“推进绿色低碳技术研发和推广应用”,因此今后以能源技术革命推动能源革命将是长期不变趋势,深化能源科技体制改革与强化能源技术基础前沿研究将是提升我国能源科技实力的主要抓手。

从能源技术的发展路径上看,我国将坚持补短锻长的总体发展思路。一方面将围绕国家能源重大战略需求,加强能源装备领域原创性、引领性、颠覆性技术攻关,补强产业链供应链短板;另一方面将以绿色低碳为能源技术发展目标,保持风电、光伏等技术领域的国际先进地位,锻造长板技术新优势,带动产业优化升级。

 

04 结语

当前,在全球能源向绿色低碳转型的目标引导下,世界各国能源技术创新的战略地位进一步凸显,加快发展以光伏、氢能、风电为代表的可再生能源技术已成为全球能源技术创新的核心方向,加大创新投入,聚焦前瞻性、颠覆性技术研究,加快技术商业应用将是未来提高能源技术实力的主要推动力量。


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