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分析丨能源转型关键技术创新数据

2018-03-07 10:49:52
来源: 万选通资讯
分类: 技术应用
导读

​过去的经验表明,能源转型不是由燃料资源短缺,而是由经济和技术发展推动的。这两者仍旧推动当前正在进行的能源转型。而创新作为新的推动因素正加速这次能源转型。

过去的经验表明,能源转型不是由燃料资源短缺,而是由经济和技术发展推动的。这两者仍旧推动当前正在进行的能源转型。而创新作为新的推动因素正加速这次能源转型。

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1、创新是能源脱碳的关键

尽管电力行业取得了令人鼓舞的进展,但政策制定者需要进一步加大对研发和突破性成果的激励,为技术从早期到完全商业化的生命全周期提供支持。重要的是,加快发展部署具有可行性的低碳科技不仅需要持续的技术改进,还需要创新来集成这些技术。技术的创新需要更广泛的创新政策来支持。除了发电技术外,系统集成还需要基础设施、操作系统、商业模式、货币化服务、以及政策和金融工具的创新。图1中列出了能源行业创新政策框架中包含的4个要素。

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图1:加快能源转型的战略

以创新为中心的倡议日益增加,这些倡议为加速研发和技术创新提供了重要的支持。但它们需要与脱碳优先领域保持一致。一方面,我们需要创新来降低成本,提高性能,并使现有和新兴的可再生能源技术在能源系统中得到整合。另一方面,我们也需要创新来挖掘和开发新技术。渐进式的改进将持续积累以促进重大的进步,但可能不会导致能源部门的彻底转变。改变游戏规则的技术和方法也同样十分必要。今天的突破性成果和萌芽期技术是否会,以及多久之后能实现商业化,都很难预先确定。虽然许多脱碳的新技术目前都还处于设想阶段,但必须立即采取解决方案以面对气候变化的严重后果。

2、监测能源脱碳进程

可再生能源的商业案例

目前,电力行业是二氧化碳排放的最大排放源,约占能源相关排放量的40%。同时,电力行业也正发生重要的改革。自2012年以来,全球电力行业的新增产能和投资主要集中在可再生能源领域。2016年,全球62%的新增电力来自可再生能源。同年,太阳能光伏发电新增装机超过其它各种电源。可再生能源的经济性地位已经牢固确立,并受到发电成本迅速下降的继续推动。在过去的7年里,创新和扩大的经济规模使得太阳能光伏组件成本降低了80%。预计这种成本下降趋势将持续至少十年。

全球各国都在提高可再生能源利用的雄心。目前可再生能源的总发电量已达到全球电力供应的四分之一。太阳能和风能分别占全球发电总量的2%和7%。可再生能源的发电份额每年以0.5%至1%的速度增长,根据这一趋势,在未来35年的时间里,可再生能源可以满足全球电力需求的60%。

丹麦、德国、葡萄牙、西班牙和乌拉圭等国已经证明,目前电力系统可以容纳高达占年度电力25%份额的可再生能源。然而,目前还没有国家的电力系统可以稳定容纳超过50%份额的可再生能源。因此,下一阶段的创新努力应关注于解决大比例太阳能光伏和风能的电力整合问题。电力运营调节系统和基于先进信息和通信技术的可再生电力系统的基础设施创新将为电力整合提供新的解决方案。

仅有技术创新远远不够,还需对整个能源系统进行创新,包括新的运营系统,创新的市场设计和监管,可复制的商业模式,以及在能源系统中集成可再生能源的基础设施建设。

可再生能源专利趋势

专利指标显示,可再生能源技术近年来经历了重大创新(图2)。自1995年以来,可再生能源专利的年增长率已超过12%,远高于其他科技行业的平均水平。这为可再生能源未来的发展前景提供了可靠的保障。

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图2:2000年至2016年期间可再生能源专利申请

在2000年至2016年期间,全社会已经申请了近60万个与可再生能源有关的专利。太阳能行业的发展速度最快,专利数量占比超过一半。专利的申请趋势有助于评估未来发展的轨迹。

组合技术在终端消费领域的成功

包含工业、交通和建筑在内的终端消费领域占所有能源行业二氧化碳排放量的60%(图3)。但到目前为止,这些领域低碳技术的开发速度依旧过慢,无法达到显著的减排效果。

在过去几年中,由于持续采用提高能效的技术,工业领域已成功做到了能源需求总量不再增加。工业领域独特之处在于化石燃料不仅被当做能源,还作为原料生产以碳为最主要材料的塑料和纤维。此外,水泥制造等工业生产过程直接排放的二氧化碳占工业领域总排放量的五分之一。在过去的几十年里,可再生能源在工业领域的份额一直稳定在10%左右。运输行业正在处于电动汽车份额大幅上升的时期。2016年创下了新注册电动汽车近80万辆的世界纪录,这个数字约占汽车总销量的1%。在挪威,平均每五辆汽车中就有一辆是电动汽车。全球电动汽车总量已经跨过了200万辆的门槛,其中中国、日本和美国,尤其是加利福尼亚州,占据了全球电动汽车总量的三分之二。

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图3:随着可再生能源的加速发展,能源行业内二氧化碳的排放比重也在不断变化

电动汽车的出现将成为可再生能源的一个转折点。德国、印度、北欧国家和英国现在都承诺将在2030年或2040年前实现电力化交通。中国已经宣布到2019年电动汽车销量将达到汽车总销量的 10%,法国和英国已经宣布在2030年之前禁止内燃机汽车的销售。在交通领域,生物燃料取得的进展不如电动汽车那么充满希望。如今,生物燃料占运输业总能耗的2-3%(1000亿升燃料乙醇和40亿升生物柴油)。由于化石燃料价格的降低和对生物燃料可持续性的担忧,使得生物燃料领域的投资受挫。自2009年以来,对新晋生物燃料的投资大幅下降。2015年的投资比例是2006-2007年鼎盛时期的十分之一。

建筑领域的节能进步平稳而缓慢。仍有很大的潜力来降低能源需求和增加可再生能源的份额。当今现在世界已经拥有建设零能耗建筑的科技实力。然而,许多新建筑的能效水平远低于其技术潜力,翻新率通常也低于目标水平。在寒冷气候下,低能效建筑导致大量的热能浪费。没有从人民出发的政策努力和适合的融资选择便很难减少相关排放量。直到2014年,可再生能源领域尤其是太阳能热水器方面的发展前景仍被看好,但自那之后全球市场便开始萎缩。如果热泵能利用可再生能源来满足其能源需求,那么热泵也可作为可再生热能的另一个来源。

在建筑领域,近一半的可再生能源应用为烧柴取暖、烧水这种传统的生物质能使用方式。这种使用方式的市场份额近年来在逐渐减少,但在缺少经济可承受的替代品的地区,传统生物质的使用依旧十分普遍。如清洁炉灶,改良固体生物燃料等现代可再生解决方案可以减少传统生物质的使用并明显提高能效与改善室内空气质量。其余的可用选择包括固体酒精,太阳能炉灶和沼气。目前,得力于自1960年代以来的长期规划发展,全中国有超过5000多万户家庭正在使用沼气。现如今,包括电力烹饪在内的电力使用在住宅整体能源结构中正占据越来越多的份额。

3、技术创新的需求

随着可再生能源和能源效率的加速发展(图4),能源转型需要通过技术、政策和商业等措施实现。

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图 4:与减排基线相比,2050年能源各领域的二氧化碳减排需求

电力行业拥有最大的减排潜力。这种潜力大致平均分布在可再生能源和电力使用效率这两个方面。能源效率的提高是由于建筑和工业用电需求的减少以及更有效的电力使用。

工业减排最初依靠低碳技术的全方位利用,随之是能源和资源的有效率使用,其次是回收工业生产过程中的热量。在二氧化碳浓度高的工业过程中,碳捕获和储存技术也可以发挥相应作用。

运输行业的减排依靠两方面的努力。一是包括能源效率在内的可再生能源电气化,二是在没有其他电力可供选择的情况下加速传统和先进生物燃料的使用。在技术和经济上都可行的地区,也需要有从货运、乘用车辆和飞机到可再生能源火车的运输模式转变。

新建建筑必须满足最高的能源效率,而对现有建筑的改造和翻新必须加快。更多的可再生技术必须结合热泵和其他类型的电气化来提供空间和水的加热以及冷却所需。

尽管各种选择的组合方式各不相同,但可再生能源在所有领域都发挥着重要作用。

可再生能源

到2050年,可再生能源占发电总量的80%,其中太阳能和风能占总发电量的一半,显著减少煤炭使用。开发如存储和连接器、市场和监管变化以及新的业务模型等现有和新技术的组合以支持这种转型。

今天的成功实践:

• 德国的电力系统在2015年有几个小时的可再生能源比例达到 80%。丹麦风能的占比在同一年达到 42%。

• 大规模集中式太阳能光伏电站和陆上风力发电在全球范围具备有竞争力的供电价格。举一个例子:在日本使用钠硫电池实现风能的时变和频率响应。

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来源:可再生能源专委会CREIA

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