全球能源前沿技術發(fā)展動態(tài)綜述（2022）
邱麗靜
（中能傳媒能源安全新戰(zhàn)略研究院）
當前，世界百年未有之大變局加速演進，新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革深入發(fā)展，能源科技創(chuàng)新進入持續(xù)高度活躍期。美國、歐盟、英國、日本等主要經(jīng)濟體加強應對疫情影響和國際能源市場的變化，積極布局綠色低碳產(chǎn)業(yè)、發(fā)展清潔技術，搶占發(fā)展制高點。受政策驅(qū)動，氫能、儲能、核能、CCUS等一大批新興能源技術正以前所未有的速度加快迭代，成為全球能源轉(zhuǎn)型變革的核心驅(qū)動力。
黨的二十大報告提出，“以國家戰(zhàn)略需求為導向，集聚力量進行原創(chuàng)性引領性科技攻關，堅決打贏關鍵核心技術攻堅戰(zhàn)。加快實施一批具有戰(zhàn)略性全局性前瞻性的國家重大科技項目，增強自主創(chuàng)新能力?！彪S著創(chuàng)新引領能源發(fā)展作用日益凸顯，從國家能源安全和經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略高度重視能源科技創(chuàng)新，對于搶占新一輪科技革命主動權具有重要意義。本文梳理新形勢下全球能源技術研發(fā)投入情況、主要經(jīng)濟體能源技術發(fā)展重點，及能源領域低碳前沿技術發(fā)展形勢，并在此基礎上提出對我國的啟示與建議，供參考。
一
全球能源技術研發(fā)投入總體情況
當前，全球能源科技創(chuàng)新進入持續(xù)高度活躍期。2021—2022年，全球主要經(jīng)濟體宣布了擴大各類能源技術研究、開發(fā)和示范（RD&D）公共經(jīng)費投入計劃，其中大部分用于氫能技術，碳捕集、利用與封存（CCUS）技術和儲能技術。與此同時，能源技術RD&D投入領域變得日益多樣化，能源效率和可再生能源投入增長顯著，電動汽車是能源相關企業(yè)研發(fā)投資最大領域。
（一）全球能源技術RD&D投入整體增長明顯
全球各類能源技術研究、開發(fā)和示范（RD&D）公共經(jīng)費投入經(jīng)歷兩年連續(xù)下降后，在2017年出現(xiàn)反彈，隨后一直呈現(xiàn)上升趨勢。根據(jù)國際能源署（IEA）數(shù)據(jù)，2020年，全球能源技術RD&D投入總額約326億美元；2021年，全球能源技術RD&D投入達到約380億美元，其中IEA成員國投入了230億美元，在全球總投入中占比61%。這一增長趨勢主要受歐洲和美國的推動，而中國在該領域的投入在經(jīng)歷2017年、2018年連續(xù)兩年的強勁增長后保持平穩(wěn)。
同時，世界各國能源技術RD&D投入領域變得日益多樣化，從國別來看，氫能和燃料電池技術投入最高的國家仍是日本；電力和儲能技術投入最高的經(jīng)濟體為歐盟，IEA數(shù)據(jù)顯示，2020年歐盟在電力和儲能技術投入達4.28億美元，占其能源技術總投入金額的五分之一；在能源效率、化石燃料、可再生能源、核能和其他技術等方面投入最高的國家為美國，IEA數(shù)據(jù)顯示，2020年美國在以上幾個方面共投入約81億美元。
資料來源：IEA
圖1 2015—2021年全球主要經(jīng)濟體能源技術RD&D投入情況
（二）低碳能源技術是能源技術RD&D投入的主要領域
作為后疫情時代刺激計劃的一部分，世界各國政府均宣布擴大能源研發(fā)投入資金，其中大部分用于氫能、儲能和碳捕集、利用與封存（CCUS）等低碳能源技術。根據(jù)IEA數(shù)據(jù)，2020年，IEA成員國低碳能源技術RD&D投入顯著增加，總額達到222億美元。其中，增量最大的是美國，投入額增加了6.77億美元，同比增長9%；其次是加拿大，增加了2.42億美元，但其增幅最大，同比增長了31.4%。2021年，全球能源研發(fā)投入增至380億美元，其中近90%用于低碳能源技術研發(fā)，這是自2017年以來連續(xù)第五年增長。與此同時，IEA成員國非低碳能源技術RD&D投入自2013年以來不斷減少，2020年降至8.83億美元。
資料來源：IEA
圖2 2020年IEA主要成員國和歐盟低碳技術RD&D投入情況
（三）全球能源效率相關技術投資增長顯著
當前能源安全挑戰(zhàn)與氣候危機交織，提高能源效率比以往任何時候都更為緊迫。近十年來，全球能源效率投資占比呈現(xiàn)不斷增長態(tài)勢，根據(jù)IEA數(shù)據(jù)，2020年能源效率在全球能源投資中的占比已從2010年的23%增加到26%。全球所有行業(yè)都將因為提高能源效率而迎來重大機遇，特別是在當今高昂的能源價格條件下，通過降低運營成本加速收回投資成本顯得更為重要。預計到2030年，通過采用效率更高的設備、發(fā)展數(shù)字化技術等舉措，能源效率將顯著提高，包括新建筑、建筑改造、制造和交通基礎設施等在內(nèi)的相關技術投資也將顯著增加。
資料來源：IEA
圖3 IEA成員國能源技術RD&D投入領域占比
資料來源：IEA
圖4 2015—2021年全球上市能源公司研發(fā)投入情況
（四）電動汽車成為研發(fā)投入重點領域
據(jù)統(tǒng)計，2021年全球電動汽車的銷量達650萬輛，同比增長109%，其中大部分漲幅由中國和歐洲貢獻，預計2022年電動汽車銷量將繼續(xù)強勁增長。在2021年全球上市公司能源研發(fā)投資中，汽車是能源相關企業(yè)研發(fā)投資的最大領域，根據(jù)IEA數(shù)據(jù)，2021年，約有240億美元的風險投資用于電動汽車和電池，占清潔能源初創(chuàng)企業(yè)籌集資金的一半以上。同時，電動汽車銷量的增長進一步推動了對電池、氫能和儲能等領域的投資，在電池儲能方面的投資更是達到新高。以鋰離子電池為例，IEA預計其資本投資將在短短兩年內(nèi)增長近兩倍，到2022年達到近200億美元。
二
世界各主要經(jīng)濟體能源技術發(fā)展重點
世界各主要經(jīng)濟體均將科技創(chuàng)新視為推動能源轉(zhuǎn)型的重要突破口，積極制定各種政策措施搶占發(fā)展制高點。其中，美國發(fā)布一系列新政策，支持清潔能源技術和低碳制造研究，積極部署發(fā)展可再生能源、儲能、智能電網(wǎng)等先進能源技術。歐盟在《歐洲廉價、安全、可持續(xù)能源聯(lián)合行動方案》（REPowerEU）中將其可再生能源消費占比目標從之前設定的40%提高到45%，相關資金用于支持可再生能源發(fā)展、提高能效以及進口LNG等。英國高度重視其最具優(yōu)勢的低碳技術研發(fā)，溫室氣體去除技術和顛覆性技術為優(yōu)先領域。日本將氫能定位為實現(xiàn)碳中和的關鍵技術，持續(xù)加大對氫能研發(fā)的支持力度，不斷拓展氫能應用場景。
（一）美國：更加注重清潔能源發(fā)展，支持低碳制造研究
2022年8月，美國發(fā)布有史以來最大規(guī)模針對氣候能源領域的投資計劃——《通脹削減法案》（IRA），該法案內(nèi)容涵蓋醫(yī)療、氣候和稅改等多個方面，預計將帶來7400億美元（約合5萬億元人民幣）的財政收入，以及4330億美元（約合2.9萬億元人民幣）的支出。其中，有3690億美元（約合2.5萬億元人民幣）支出計劃用于遏制氣候變化和促進清潔能源使用，重點覆蓋清潔能源制造業(yè)，包括鼓勵購買電動汽車和氫燃料電池汽車以及部署充電站等。
除了上述提到的《通脹削減法案》對清潔能源技術發(fā)展形成支撐以外，2022年以來美國能源部（DOE）還實施了一系列創(chuàng)新舉措，支持清潔能源技術和低碳制造研究，主要包括為54所大學和11個國家實驗室投入超過5.4億美元、加速推進地熱能、海上風能和工業(yè)供熱領域的清潔轉(zhuǎn)型等方面。需要特別指出的是，DOE今年9月發(fā)布的《脫碳工業(yè)路線圖》確定了減少美國工業(yè)部門排放的四個關鍵途徑及其研發(fā)和示范需求，針對五個碳密集型重點行業(yè)提出了到2050年實現(xiàn)凈零排放的關鍵要點以及研發(fā)和示范行動計劃。同日，DOE還宣布了一項1.04億美元的融資資助，用于推進工業(yè)脫碳技術的發(fā)展。通過土地利用生態(tài)系統(tǒng)管理、CCUS等關鍵技術攻關，到2050年美國五個重點行業(yè)的碳排放可減少87%。
資料來源：DOE
圖5 美國碳密集型重點行業(yè)到2050年實現(xiàn)凈零排放的關鍵途徑
此外，美國還將氫能和儲能作為先進技術進行戰(zhàn)略投資。在氫能方面，截至2022年5月，全美共有超過620兆瓦在運或在建電解水制氫項目。DOE的目標是到2030年將清潔氫的產(chǎn)能增加到1000萬公噸/年，到2040年增加到2000萬公噸/年，到2050年增加到3000萬公噸/年。為推動清潔氫能技術開發(fā)與部署，DOE提供了4000萬美元資金支持，用于推進實施“氫能攻關”和“H2@Scale”計劃，以期實現(xiàn)在10年內(nèi)將清潔氫成本降低到1美元/千克。其研發(fā)方向包括開發(fā)利用太陽能合成綠色燃料的技術、改進氫排放檢測和監(jiān)測的技術、開發(fā)更高密度和更低壓力的氫存儲技術、降低應用于中重型運輸車輛氫燃料電池的成本并提高其耐久性等。
在儲能方面，美國支持新一代儲能技術的開發(fā)、商業(yè)化和應用，以維持美國在儲能領域的全球領導地位。如，DOE致力于開發(fā)“太陽能+儲能”一體化技術，提高應對極端天氣事件的抵御能力；DOE和西北太平洋國家實驗室啟動國家電網(wǎng)儲能研發(fā)平臺，開發(fā)下一代儲能材料、器件和原型系統(tǒng)，并計劃在電網(wǎng)運行環(huán)境下進行獨立測試和驗證；美國能源部先進能源研究計劃署（ARPA-E）開發(fā)新型的筒管式架構(gòu)鋰電池，該設計將增加電極材料的厚度，使其存儲的能量超過目前研究的同等尺寸下儲存的能量，降低每千瓦時能源存儲的總成本；資助7500萬美元啟動建設國家電網(wǎng)儲能研發(fā)平臺（GSL），該平臺將于2023年投入試運行，并計劃于2025年開始正式運行。
除了氫能、儲能投資，為實現(xiàn)電力系統(tǒng)中100%電力來自可再生能源，美國注重太陽能、風能、地熱能等清潔能源技術的研發(fā)和應用。如，美國宣布資助2600萬美元用于太陽能和風能電網(wǎng)可靠性示范；資助4400萬美元用于推動本國地熱能研究，促進增強型地熱系統(tǒng)（EGS）開發(fā)測試技術創(chuàng)新。
（二）歐盟：全面提升可再生能源發(fā)展速度，進一步加大風電等領域投資
地緣政治風險帶來的影響，更加堅定歐盟國家發(fā)展可再生能源、加快綠色轉(zhuǎn)型的決心。歐盟委員會于2022年5月18日發(fā)布《歐洲廉價、安全、可持續(xù)能源聯(lián)合行動方案》（REPowerEU），歐盟委員會將“Fit for 55”立法提案中的2030年歐盟能源效率提升目標從9%上調(diào)至13%、將可再生能源消費占比目標從之前設定的40%提高到45%，相關資金將動用歐盟恢復基金（RRF）和通過歐盟碳排放交易體系來籌措，用于支持可再生能源發(fā)展、提高能效以及進口LNG等。為實現(xiàn)2030年擺脫對俄羅斯的能源進口依賴，歐盟還將額外投資3000億歐元。
表1 REPowerEU投入資金領域
除了歐盟層面的部署，歐洲國家也在紛紛加速布局風電、氫能等新能源項目。2022年以來，歐洲多個國家押注海上風電，產(chǎn)業(yè)發(fā)展迎來新的機遇。2022年8月，波羅的海周邊八國的國家元首或政府首腦及歐盟領導人在丹麥首相官邸馬林堡召開波羅的海能源峰會并簽署“馬林堡宣言”，同意加強能源安全和海上風電合作，計劃在2030年將波羅的海地區(qū)海上風電裝機容量從目前的2.8吉瓦提高至19.6吉瓦。屆時，北歐的海上風力發(fā)電量將增加六倍。氫能成為歐盟確保能源安全的重要選項。2022年2月，歐盟清潔氫合作伙伴關系“清潔氫能聯(lián)合行動計劃”（Clean Hydrogen JU）發(fā)布《2021-2027年氫能戰(zhàn)略研究與創(chuàng)新議程》，提出到2027年氫能研發(fā)重點領域和優(yōu)先事項。歐盟在“地平線歐洲”框架下向Clean HydrogenJU投入10億歐元用于資助氫能研發(fā)示范，明確了6個氫能研發(fā)重點領域和優(yōu)先事項，包括可再生能源制氫、氫能存儲和分配、氫能終端應用以及氫谷示范項目等。9月，歐盟委員會批準名為“IPCEI Hy2Use”的國家援助項目，以支持氫價值鏈中的研究、創(chuàng)新、首次工業(yè)部署和相關基礎設施建設等，特別是大型電解槽和運輸基礎設施建設。
此外，歐盟還對《歐盟天然氣法規(guī)》（EU Gas Regulation）與《歐盟天然氣指令》（EU Gas Directive）進行修訂。重新修訂的《歐盟天然氣法規(guī)》將可再生天然氣和氫氣作為未來天然氣市場關鍵組成部分；完善和擴展天然氣市場現(xiàn)有第三方準入、輸電和配電系統(tǒng)運營商拆分及獨立監(jiān)管機構(gòu)原則，為歐盟跨境氫氣網(wǎng)絡建設制定全面法律框架。
（三）英國：著重部署低碳能源，優(yōu)先發(fā)展溫室氣體去除和顛覆性技術
英國高度重視其最具優(yōu)勢的低碳技術研發(fā)，在海上風電、氫能、先進模塊化反應堆、儲能與靈活性、生物質(zhì)能、工業(yè)燃料轉(zhuǎn)換、先進CCUS、直接空氣捕集、溫室氣體去除和顛覆性技術等重點技術領域部署了系列研究行動。英國《綠色工業(yè)革命十點計劃》從海上風電、氫能、核能、零排放汽車、綠色公共交通、零排放噴氣式飛機和綠色航運、綠色建筑、CCUS、自然保護、綠色金融與創(chuàng)新等10個方面部署了英國加速實現(xiàn)溫室氣體凈零排放的整體路徑，以降低所有經(jīng)濟部門的排放，同時利用溫室氣體去除技術減少剩余排放，支持英國向清潔能源和綠色技術轉(zhuǎn)型，逐步實現(xiàn)英國凈零排放目標。2022年8月，英國商業(yè)、能源和工業(yè)戰(zhàn)略部（BEIS）宣布投入5440萬英鎊開發(fā)溫室氣體去除創(chuàng)新技術，資助15個項目以開發(fā)從大氣中去除溫室氣體的創(chuàng)新技術，重點關注4個技術領域：直接空氣碳捕集與封存（DAC）、生物能源結(jié)合碳捕集和封存（BECCS）、生物炭、海洋碳去除。
此外，英國政府于2022年4月推出的新版《英國能源安全戰(zhàn)略》，為其核能、海上風電、氫能等清潔能源技術發(fā)展提供了重要支撐。根據(jù)新版《英國能源安全戰(zhàn)略》，英國核能發(fā)電裝機容量到2050年將從現(xiàn)在的7吉瓦增加到24吉瓦，滿足英國四分之一的電力需求。在核能發(fā)展方面，英國計劃從明年起到2030年間每年批準建設一座、總計8座核反應堆，包括大型和小型模塊化反應堆；啟動其1.2億英鎊的“未來核能扶持基金”支持核能的發(fā)展。此外，為推動核能開發(fā)，英國政府將設立名為“大英核能”的新機構(gòu)。
海上風電是新版《英國能源安全戰(zhàn)略》的重點，根據(jù)規(guī)劃，海上風電裝機容量到2030年將從此前的目標40吉瓦提高到50吉瓦，其中5吉瓦以上來自浮式風電場。為實現(xiàn)上述目標，英國政府計劃為海上風電建立“一條符合質(zhì)量標準的快速審批途徑”，將新的海上風電場的審批時間從4年縮短至1年。
除核能、海上風電，英國發(fā)布《英國能源安全戰(zhàn)略》還包括氫能生產(chǎn)等領域。英國計劃到2030年將其氫氣產(chǎn)量翻一番，達到10吉瓦，其中至少一半來自電解制氫；到2050年低碳氫供應量達到240至500太瓦時。英國研究與創(chuàng)新署（UKRI）還宣布投入4400萬英鎊支持28個項目，包括23個涉及低碳制氫、零碳制氫、氫氣儲運、凈零氫能供應解決方案等領域的可行性研究項目，以及5個創(chuàng)新氫能供應技術的示范項目。日本將氫能定位為實現(xiàn)碳中和的關鍵技術，持續(xù)加大對氫能研發(fā)的支持力度，不斷拓展氫能應用場景，在發(fā)電、交通、國際供應鏈開發(fā)等方面用氫也取得了一系列成果。2021年10月，日本更新的第六版能源戰(zhàn)略計劃提出，2030年氫能在能源結(jié)構(gòu)中的占比要達到11%，這主要指的是氫能在汽車、家庭、工業(yè)、發(fā)電、煉鋼等領域的應用。
表2 英國溫室氣體去除創(chuàng)新技術
（四）日本：不斷拓展氫能應用場景，全面系統(tǒng)建設“氫能社會”
日本將氫能定位為實現(xiàn)碳中和的關鍵技術，持續(xù)加大對氫能研發(fā)的支持力度，不斷拓展氫能應用場景，在發(fā)電、交通、國際供應鏈開發(fā)等方面用氫也取得了一系列成果。2021年10月，日本更新的第六版能源戰(zhàn)略計劃提出，2030年氫能在能源結(jié)構(gòu)中的占比要達到11%，這主要指的是氫能在汽車、家庭、工業(yè)、發(fā)電、煉鋼等領域的應用。
在發(fā)電技術方面，日本第六版能源戰(zhàn)略計劃中明確引入氨能，并將開展氫、氨混燒、專燒示范。氫氣和氨氣可用于燃氣輪機，可提高電力系統(tǒng)的靈活性，氨氣還可用于燃煤電廠以減少排放，成本也低于氫。預計到2030年，利用氫和氨所生產(chǎn)出的電能將占日本能源消耗的1%。此外，三菱重工正在開發(fā)核電制氫技術，并計劃2030年推出僅靠氫氣即可發(fā)電的大型渦輪機。川崎重工計劃2026年在沖繩具志川火力發(fā)電站啟動“氨煤混燃”發(fā)電試驗。
在交通領域應用方面，2022年7月，日本新能源產(chǎn)業(yè)技術綜合開發(fā)機構(gòu)（NEDO）宣布在“綠色創(chuàng)新基金”框架下投入1130億日元啟動“智能交通社會”項目，旨在推動電動汽車和燃料電池汽車等電動車的商業(yè)化使用，實施期為2022—2030年。除了氫燃料電池汽車，日本在氫能火車、船舶和飛機技術開發(fā)方面潛力巨大，東日本旅客鐵路公司正在開發(fā)使用氫燃料電池和蓄電池的混合動力列車“云雀（HYBARI）”，已于2022年3月在南武線試運行，預計2030年投入使用，將替代部分線路上的柴油火車。川崎重工已完成全球首個船用氫燃料鍋爐的基本設計，計劃在2025年左右投入實際應用。川崎重工還開發(fā)了以氫為燃料的下一代氫動力飛機的主要部件，計劃在2040年前后投入實際使用。
在打造全球化氫氣供應鏈方面，2022年，川崎重工研發(fā)的Suiso Frontier成功從澳大利亞運輸液化氫到日本神戶，是全球首次以液化氫為載體的大型海上氫氣運輸，成功地降低了氫燃料運輸成本。此外，三菱重工已參與美國猶他州氫能發(fā)電項目，三井物產(chǎn)有意同阿聯(lián)酋阿布扎比國家石油公司開展液氫運輸合作，東洋工程亦有意在印尼生產(chǎn)綠氨。
三
全球能源領域低碳前沿技術發(fā)展形勢
受政策驅(qū)動，可再生能源、核能、儲能、智慧能源等領域諸多新興技術取得重大突破并跨越技術商業(yè)化臨界點，引領世界非化石能源比重逐步擴大的新局面。全球綠色低碳技術創(chuàng)新主要呈現(xiàn)以下新動向、新趨勢：一是氫能已成為加快能源轉(zhuǎn)型升級、培育經(jīng)濟新增長點的重要戰(zhàn)略選擇，受到全球主要發(fā)達國家高度重視；二是隨著脫碳要求變得更為嚴格和對波動性可再生能源發(fā)電的依賴不斷增加，長時儲能技術具有更廣泛的應用前景；三是以更安全、更高效、更經(jīng)濟為主要特征的新一代核能技術及多元化應用，成為全球核能科技創(chuàng)新的主要方向；四是當前以二氧化碳捕集和利用技術為重點的負碳技術成為全球減排技術能力提升的有效手段。
（一）氫能制取和儲運技術創(chuàng)新能力提升，應用場景更加豐富
氫能已成為很多國家向零碳能源技術過渡的重要方案，全球氫能供應網(wǎng)絡正在形成。其中，制氫是基礎，儲存和運輸是氫氣利用的核心保障，氫氣應用可以滲透到傳統(tǒng)能源的各個方面，包括交通運輸、工業(yè)燃料、發(fā)電發(fā)熱等。
在新型制氫方面，美國國家可再生能源實驗室開發(fā)“太陽能熱化學制氫”技術，將金屬氧化物暴露在超過1400攝氏度的溫度下，再在更低的溫度下與蒸汽再氧化，產(chǎn)生氫氣，此方法比常規(guī)電解水制氫具有更高的效率。英國投入500萬英鎊開發(fā)利用從可持續(xù)的生物質(zhì)和廢物產(chǎn)生氫氣的創(chuàng)新技術。加拿大PyroGenesis公司推出將甲烷和其他輕烴轉(zhuǎn)化為零碳排放氫氣的制氫技術，該技術通過熱等離子熱解從碳氫化合物中生產(chǎn)氫，該公司稱其理論電力成本比水電解法低3倍。澳大利亞建設全球首個“抽水蓄能+制氫”綜合項目，其包括600兆瓦抽水蓄能、300兆瓦制氫、50兆瓦液化氫、50兆瓦氫燃料電池和1.8吉瓦風力發(fā)電設備。道達爾和Engie集團合作開發(fā)法國最大的制氫基地，結(jié)合太陽能和生物質(zhì)生產(chǎn)綠色氫氣。通過采用創(chuàng)新解決方案，可以很好地應對太陽能發(fā)電的間歇性和生物燃料工廠要求持續(xù)供應氫氣之間的矛盾。
在氫能儲運方面，以日、美、德為代表的多個國家及其企業(yè)在液氫、有機儲氫等氫能儲運技術方面進行了諸多探索，利用液化氫運輸和甲基環(huán)己烷運輸已獲得一些成功示范。日本千代田株式會社完成全球首次甲基環(huán)己烷（MCH）運輸，證明了以MCH的形式長期儲存和運輸氫的可行性；川崎重工的全球第一艘液化氫運輸船Suiso Frontier成功將澳大利亞的氫氣運抵日本。
在多場景應用方面，鋼鐵行業(yè)以氫替代煤技術已開始研發(fā)和示范。從全球范圍來看，早在2019年，蒂森克虜伯鋼廠杜伊斯堡9號高爐正式啟動純氫氣注入試驗，這是全球首次高爐注入氫氣試驗。蒂森克虜伯用氫氣代替煤粉作為還原劑，從而減少鋼鐵生產(chǎn)過程中的二氧化碳排放。2021年，全球首個使用無化石電力和氫氣的煉鋼示范項目在瑞典鋼鐵公司HYBRIT啟動。韓國計劃將通過以下三步完成氫還原煉鐵：從2025年開始試驗爐試運行；從2030年開始在兩座高爐實際投入生產(chǎn)；到2040年12座高爐投入使用，從而完成氫還原煉鐵。中國多家鋼鐵公司都在大力布局氫能冶金，河鋼集團的氫冶金示范工程已啟動建設，山西晉南鋼鐵集團已經(jīng)形成鋼-焦-化-氫全閉環(huán)低碳生產(chǎn)鏈條。從全球發(fā)展形勢看，氫冶金等新一代鋼鐵冶煉技術剛剛起步，其代替?zhèn)鹘y(tǒng)技術的開發(fā)周期長，大規(guī)模應用還需時間和資金。
氫能有著廣闊的應用范圍，其也可作為替代燃料用于玻璃、水泥和陶瓷制造等行業(yè)，取代化石燃料的使用。如，2021年9月，英國玻璃企業(yè)皮爾金頓在利物浦市的圣海倫斯工廠啟動了使用100%氫氣生產(chǎn)浮法（片）玻璃的試驗。該項目是“HyNet工業(yè)燃料轉(zhuǎn)換”項目的一部分，旨在測試氫在制造業(yè)中如何取代化石燃料。皮爾金頓表示，這是全球首個使用100%氫氣生產(chǎn)玻璃的工廠，證明了使用氫氣安全有效地運營浮法玻璃工廠的可行性，未來，HyNet項目還將在食品、飲料、電力和廢物等領域大規(guī)模使用氫氣。此外，阿爾斯通研制的新型氫能列車計劃在2023年開始在法國運行，該列車不僅可以在電力牽引下運行，還能夠通過安裝在車頂?shù)娜剂想姵毓╇娦旭?，氫能續(xù)航能力達到600千米。
（二）長時儲能迅速發(fā)展，電化學儲能迎來爆發(fā)期
隨著電力系統(tǒng)內(nèi)可再生能源滲透率的提高，長時儲能的需求不斷增長、應用場景不斷多元。例如在波動性可再生能源發(fā)電供應低谷期或由于極端天氣導致異常高水平的電力需求，而此時電網(wǎng)運營商被禁止使用未裝碳捕集裝置的天然氣發(fā)電時，長時儲能技術至關重要。
當前，多種長時儲能技術競相出現(xiàn)，主要有機械儲能、化學儲能、熱儲能和電化學儲能這四類，電化學儲能是目前最具競爭力的儲能技術。電化學儲能中，鋰離子電池因具有高能量密度、高功率密度和高往返效率，在電動汽車領域廣泛應用，其成本與儲能時長呈線性關系，4小時持續(xù)放電時間如今是大規(guī)模鋰離子電池儲能系統(tǒng)的成本效益上限，當時長超過4小時，鋰離子可能不是最具成本效益的電化學技術。為了實現(xiàn)更具經(jīng)濟效益的長時儲能，低成本、性能低下的金屬-空氣電池或已經(jīng)使能量和電力組件成本脫鉤的液流電池可能更適合用于長時儲能。
為降低長時儲能的成本，提升使用年限和制造規(guī)模，各國紛紛探索新型電化學儲能技術，如氧化還原液流電池、金屬-空氣電池等使用更為廉價的充放電材料，具有長時儲能的特點的儲能技術。美國Form Energy公司利用可逆生銹原理制造鐵空氣電池，其充電時電流將鐵銹轉(zhuǎn)化為金屬鐵，電池釋放氧氣，放電時電池從空氣中吸收氧氣并將鐵金屬轉(zhuǎn)化為鐵銹，儲電成本將不到鋰離子電池的十分之一，同時電池原料豐富且易回收利用。英國商業(yè)、能源和工業(yè)戰(zhàn)略部在“長時儲能示范計劃”框架下開發(fā)一系列先進儲能技術，包括熱電池技術、36兆瓦時超高溫儲能系統(tǒng)、電力轉(zhuǎn)化為多種載體儲能技術、40兆瓦時釩液流電池長時儲能、海上長時儲能技術和基于混凝土3D打印的船用抽水蓄能技術等。日本新能源產(chǎn)業(yè)技術綜合開發(fā)機構(gòu)啟動“下一代蓄電池和電機開發(fā)”項目，將開發(fā)高容量電池（如全固態(tài)電池）及其材料，這種電池的能量密度超過每升700～800瓦時，是當前水平2倍以上。
資料來源：BNEF
圖6 長時儲能特性對比
壓縮空氣儲能技術作為潛在的電網(wǎng)級大規(guī)模儲能技術被廣泛研究。盡管壓縮空氣儲能系統(tǒng)的成本估算受到多種不確定因素的影響，但該技術的能源成本通常高于未來可用的其他儲能技術的成本。目前，壓縮空氣儲能已開始進入中國市場。2022年，國際首個百兆瓦先進壓縮空氣儲能國家示范項目在中國河北張家口順利并網(wǎng)發(fā)電。
（三）高安全性、多用途小型模塊式反應堆成為關注焦點
相較于安全性存疑的舊有大型反應堆，新一代核電技術無疑受到了更廣泛的關注。小型模塊化反應堆（SMR）就是先進的核反應堆的代表之一。與傳統(tǒng)的核電站相比，SMR占地面積更小、建設速度更快，使用更靈活、更安全，可為核工業(yè)提供應急動力等，尤其是成本上的競爭力極大地推進了小型核反應堆的發(fā)展。
當前全球正在研發(fā)中的小型堆項目超過70個。俄羅斯于2020年5月開始商業(yè)運營世界上第一座浮動核電站，其從兩臺35兆瓦的SMR生產(chǎn)能源。英國政府宣布支持羅爾斯?羅伊斯公司投資數(shù)十億英鎊在本土建造至少16座SMR。法國投資10億歐元用于開發(fā)設計功率為170兆瓦的SMR，目標是在2030年推出創(chuàng)新性小型堆，并優(yōu)化核廢料處理。法國啟動的Nuward小型堆項目將采用內(nèi)部加壓水技術，如出現(xiàn)嚴重事故，無需人工干預也可自行冷卻數(shù)日。加拿大已啟動首個SMR核電項目建設，該項目位于安大略電力公司現(xiàn)有的3500兆瓦達靈頓核電站旁，預計到2030年前建成發(fā)電。建成后，每年將減少約74萬噸溫室氣體排放。中國在SMR技術上同樣走在世界前列。2021年7月，全球首個陸上商用SMR“玲龍一號”在海南昌江開工建設。
世界各地正在開發(fā)的七十多種商業(yè)SMR設計，分別針對不同的輸出和不同的應用，如電力、混合能源系統(tǒng)，甚至還包括供熱、制氫和海水淡化等。日本三菱重工開發(fā)可用卡車運輸?shù)某⌒秃穗娬荆糜跒暮Φ貐^(qū)能源供應。丹麥Seaborg公司為韓國三星重工的浮動核電廠開發(fā)裝機容量200兆瓦的模塊化緊湊型熔鹽堆，后續(xù)該核電廠將用于制氫和制氨。
（四）碳捕集、利用與封存技術技術創(chuàng)新不斷突破
根據(jù)IEA最新發(fā)布報告，截至2021年10月，全球共有30個CCUS設施在運。從行業(yè)分布看，這些設施大多數(shù)與天然氣加工應用，以及乙醇和化肥等化學品的生產(chǎn)、煉油廠用氫、鋼鐵生產(chǎn)和發(fā)電行業(yè)相關，總計約4000萬噸/年的碳封存能力。
從技術環(huán)節(jié)分布看，作為實現(xiàn)碳中和的碳捕獲與封存的有效手段，主要國家對生物質(zhì)能結(jié)合碳捕捉與封存（BECCS）和直接空氣碳捕捉與封存（DAC）寄予厚望。BECCS與DAC都是通過分離和吸收大氣中的二氧化碳，并將其封存在地下來減少大氣中二氧化碳的技術。
BECCS是未來有望將全球溫升穩(wěn)定在低水平的一項二氧化碳移除技術，獲得了廣泛關注。2021年11月和2022年4月，歐盟在“創(chuàng)新基金”資助框架下先后投入資金用于大型氣候轉(zhuǎn)型創(chuàng)新項目，包括為在現(xiàn)有生物質(zhì)熱電聯(lián)產(chǎn)廠建造碳捕集和封存設施，以及建設歐洲首個大型商用生物質(zhì)能結(jié)合碳捕集與封存設施。英國最大的燃煤電廠Drax公司剝離煤電和天然氣業(yè)務，轉(zhuǎn)型開發(fā)生物質(zhì)和水力等可再生能源發(fā)電，將6臺660兆瓦燃煤機組全部改燃生物質(zhì)，計劃到2027年生物質(zhì)能發(fā)電成本降低三分之一。Drax公司還斥資4000萬英鎊開發(fā)旗下北約克郡電站BECCS項目，計劃將其打造成全球最大的碳捕捉項目。Drax公司預計將于2024年啟動建設，于2027年投運首個BECCS裝置，投產(chǎn)后每年可從大氣中永久清除逾800萬噸二氧化碳，到2030年實現(xiàn)負碳排放。
DAC技術通常通過管道將空氣或廢氣輸送進某種過濾器或催化劑，包括磁性海綿、沸石泡沫或粘土或咖啡渣制成的材料來去除二氧化碳。其他的方法是將空氣通過一種液體冒泡，這種液體可以吸收二氧化碳或使其分離成固體晶體或片狀。日本科學家開發(fā)出了一款新的碳捕集系統(tǒng)，其能以前所未有的性能直接從大氣中清除二氧化碳，效率高達99%，且捕集二氧化碳的速度至少是現(xiàn)有系統(tǒng)的兩倍。澳大利亞AspiraDAC公司宣布推出一項新的CCS技術，可利用太陽能直接從空氣中捕集二氧化碳，設備尺寸與普通帳篷大小相當，捕集成本為1000美元/噸二氧化碳，單臺機器儲存能力為500噸。
此外，中國首個千萬噸級二氧化碳捕集利用與封存項目已啟動，該項目將長江沿線等工業(yè)企業(yè)，如鋼材廠、化工廠、電廠、水泥廠等的碳源通過槽船集中運輸至二氧化碳接收站，通過距離較短的管線再把接收站的二氧化碳輸送至陸上或海上的封存點封存。
四
啟示與建議
（一）圍繞國家能源重大戰(zhàn)略需求，補強產(chǎn)業(yè)鏈供應鏈短板
從美國《通脹削減法案》、歐盟REPowerEU行動方案、英國新版能源安全戰(zhàn)略以及日本第六版能源戰(zhàn)略計劃中不難發(fā)現(xiàn)，世界各主要經(jīng)濟體對能源技術的認識各有側(cè)重，立足各自能源技術發(fā)展基礎和優(yōu)勢，從能源戰(zhàn)略的高度制定各種能源技術規(guī)劃、采取行動加快能源科技創(chuàng)新，以增強國際競爭力，尤其重視具有潛在顛覆影響的戰(zhàn)略性能源技術開發(fā)，從而降低能源創(chuàng)新全價值鏈成本。2022年1月我國出臺的《“十四五”現(xiàn)代能源體系規(guī)劃》明確提出，加快能源領域關鍵核心技術和裝備攻關。隨后公布的《“十四五”能源領域科技創(chuàng)新規(guī)劃》圍繞先進可再生能源、新型電力系統(tǒng)、安全高效核能、綠色高效化石能源開發(fā)利用、能源數(shù)字化智能化等方面，制定了技術攻關路線圖。下一步，要緊緊圍繞國家能源重大戰(zhàn)略需求，加強能源領域關鍵技術攻關，補強產(chǎn)業(yè)鏈、供應鏈短板，逐步化解能源關鍵技術裝備領域存在的風險。
（二）以綠色低碳為方向，強化氫能、儲能等前沿科技攻關
縱觀全球能源技術發(fā)展動態(tài)和各國推動能源科技創(chuàng)新的舉措，綠色低碳是能源技術創(chuàng)新的主要方向，作為全球能源向綠色低碳轉(zhuǎn)型的核心驅(qū)動力，氫能、儲能、核能等一大批新興能源技術正以前所未有的速度加快迭代，推動能源產(chǎn)業(yè)從資源、資本主導向技術主導轉(zhuǎn)變。因此，我們要牢牢把握能源技術革命趨勢，以綠色低碳為方向，加快推進新能源先進發(fā)電技術、先進電網(wǎng)技術、綠色氫能技術、大規(guī)模新型儲能技術、先進核電技術、碳捕集利用與封存技術和先進核能技術等前沿技術攻關，加快推動前瞻性、顛覆性技術創(chuàng)新，鍛造長板技術新優(yōu)勢，帶動產(chǎn)業(yè)優(yōu)化升級。
（三）加大能源研發(fā)經(jīng)費投入，增強創(chuàng)新發(fā)展能力
加速發(fā)展可再生能源等低碳減排項目、促進綠色經(jīng)濟復蘇，離不開對技術創(chuàng)新的持續(xù)投入。IEA數(shù)據(jù)顯示，能源技術RD&D投入近兩年來整體增長趨勢明顯。在積極制定各種政策措施的同時，世界各主要經(jīng)濟體更是投入大量的資金予以支撐。近些年，我國能源技術創(chuàng)新能力顯著提升，部分領域達到國際領先水平，建立了較為完備的可再生能源技術產(chǎn)業(yè)體系，能源領域科技創(chuàng)新實現(xiàn)了從“跟跑、并跑”向“創(chuàng)新、主導”加速轉(zhuǎn)變。但與世界能源科技強國相比，與引領能源革命的要求相比，我國現(xiàn)有的技術體系仍有很大不足，支撐碳達峰、碳中和的能源技術仍有待突破：一方面是能源領域原創(chuàng)性、引領性、顛覆性技術偏少，綠色低碳技術發(fā)展難以有效支撐能源綠色低碳轉(zhuǎn)型；另一方面是部分關鍵零部件、專用軟件、基礎材料等仍然依賴進口?！笆奈濉逼陂g，我國能源研發(fā)經(jīng)費投入計劃年均增長7%以上，新增關鍵技術突破領域?qū)⑦_50個左右，未來有必要進一步增加綠色低碳技術的研發(fā)投入，增強創(chuàng)新發(fā)展能力。
（四）加快示范項目的部署，實施科技創(chuàng)新示范工程
科技創(chuàng)新絕不僅僅是實驗室里的研究，更需要轉(zhuǎn)化為推動經(jīng)濟社會發(fā)展的現(xiàn)實動力。近年來，世界各主要經(jīng)濟體依托重大能源工程，推進科技創(chuàng)新成果示范應用，加快推動科技成果轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實生產(chǎn)力。進行技術應用試點和推廣示范項目，有助于降低成本，控制投資風險，積累技術經(jīng)驗。下一步，在加大政策和資金扶持力度的同時，還應依托我國能源市場空間大、工程實踐機會多等優(yōu)勢，瞄準新型電力系統(tǒng)、安全高效儲能、氫能、新一代核能體系、二氧化碳捕集利用與封存、天然氣水合物等前沿領域，實施一批具有前瞻性、戰(zhàn)略性的國家重大科技示范項目。
參考文獻：
[1]IEA.Energy Technology RD&D Budgets2021[R].2021.
[2]IEA.World Energy Investment 2022[R].2022.
[3]BNEF.Beyond Lithium-Ion: Long-Duration Storage Technologies[R].2022.
[4]DOE.Industrial Decarbonization Roadmap[R].2022.
[5]科技部等9部門.《科技支撐碳達峰碳中和實施方案（2022—2030年）》[Z].2022-06-24.
[6]國家能源局,科學技術部.《“十四五”能源領域科技創(chuàng)新規(guī)劃》[Z].2021-11-29.
[7]CASEnergy.英國投入5440萬英鎊開發(fā)溫室氣體去除創(chuàng)新技術[EB/OL].先進能源科技戰(zhàn)略情報研究中心.2022-08-16.
