2022年国际能源形势和能源科技领域发展态势

2022年12期

2022-12-20

2022年以来，全球疫情延宕反复和俄乌冲突不断升级对国际能源生产和消费造成巨大冲击，能源危机改变碳中和进程，推动能源安全成为最优先议题。各国重新审视激进脱碳政策，务实发挥化石能源在近中期的兜底保障作用，加强能源产业链供应链自主化、多样化的战略布局，并着力夯实科技创新根基以应对国家发展和安全风险。1、国际能源形势与主要国家战略布局（1）复杂国际形势下保障能源安全成为能源领域优先议题激进脱碳政策不切实际，煤炭兜底保障作用凸显，能源危机持续发酵倒逼各国能源战略自主转型。欧盟出台多轮应急短期计划以确保油气资源供应安全，发布“REPowerEU”能源长期计划推动欧洲清洁能源转型。英国出台能源安全战略、紧急能源计划和解除水力压裂禁令，多举措促进能源供应多样化、清洁化、本土化。欧洲多国重启燃煤电厂，美国研究实施燃煤电厂改造发展核电可行性，并资助利用煤炭原料转化制高价值碳基产品的研究和示范。（2）低碳时代竞争焦点由传统油气资源转向战略矿产资源建立自主可控的低碳技术原材料供应链成为各国布局共性特点。美国首次发布保护清洁能源供应链的全面战略，强调摆脱对他国（点名中国）的过度依赖；并从国家安全高度启用冷战时期《国防生产法》、建立“矿产安全伙伴关系”，加速投资并构筑美国主导的关键产业链供应链。日、韩分别制定国家蓄电池产业战略，提出保障原材料供给、加速下一代电池技术创新等关键举措。欧盟将锂和稀土视为实现气候中和的战略资源，提出到2025年实现动力电池100%本土供给。英国发布首个关键矿产战略、建立首个关键矿产情报机构，多举措保障供应链自主可控。（3）碳中和长期目标显著强化清洁能源变革性科技布局虽然多种因素叠加加速全球能源格局嬗变，但碳中和长期趋势不会逆转，各国竞相强化能源科技战略和计划部署推动变革性技术开发。美国白宫发布“净零变革者倡议”确定高效建筑供热和制冷、净零航空、净零电网和电气化、工业净零排放的循环经济、核聚变规模应用等5项优先研发事项，已相继启动了氢能、长时储能、负碳技术、增强型地热系统、海上风能和工业供热等攻关计划，集中资源推动变革性技术创新。日本设立总额2万亿日元的“绿色创新基金”，目前已启动低成本海上风电、下一代电池、氢/氨供应链等19个为期10年的大型研发项目，资金落实率超过90%。2、关键能源技术发展趋势（1）燃煤“三改联动”加速推动煤炭清洁高效利用转型集成储能、余热回收等技术提升燃煤发电调峰潜力成为重要发展方向。韩国科学技术研究院提出了压缩CO2储能与火发蒸汽循环耦合系统，实现46%的最大往返效率和36千瓦时/立方米的储能最大能量密度。东南大学开发新型高效余热回收热电联产系统，集成了超临界再压缩再生布雷顿循环、跨临界再生布雷顿循环、CO2制冷循环、除湿系统和碳捕集系统，有效提升燃煤发电总功率和热效率。新型热力循环与高效热功转换系统聚焦灵活多源发电、混燃发电、新型工质热工转换，以实现燃烧高效低排放。日本JERA公司宣布将于2023年启动燃煤机组高比例混氨（20%热值）共燃项目，并希望到2028年实现50%混氨比例。美国宾夕法尼亚州立大学通过ReaxFF反作用力场模拟方法进行化学链燃烧的分子动力学模拟，为理解利用CuO载氧体的固体燃料化学链燃烧在原子尺度上的反应机理和反应动力学提供了新的视角。（2）新一代可再生能源技术逐步实现高效率、低成本转化利用，装备器件绿色循环利用受到关注新型高效太阳能转换效率不断突破，高效率钙钛矿电池迈向商业化。瑞士洛桑联邦理工学院和瑞士电子与微技术中心合作开发钙钛矿/硅叠层太阳能电池，认证效率创造31.25%新纪录。美国麻省理工学院在热光伏研究领域取得重大突破，转换效率首次超过40%。太阳能制氢取得突破。英国剑桥大学开发首个漂浮式钙钛矿-BiVO4人造树叶装置，助力太阳能燃料规模化生产。日本东京大学实现光催化全分解水制氢表观量子效率大于50%新突破。中国科学院大连化学物理研究所在国际上首次拍到光生电荷转移演化全时空图像，为突破太阳能光催化反应瓶颈提供了新的认识和研究策略。太阳能电池回收利用成为可持续发展的关键。德国弗劳恩霍夫太阳能系统研究所利用废弃光伏组件中100%回收的硅，重新生产出转换效率19.7%的钝化发射极背接触太阳能电池。风电重点研究低成本、长寿命、大容量风电机组、新型叶片材料以及全生命周期回收利用等关键问题。美国桑迪亚国家实验室成功开发不依赖稀土磁体的低成本新型风力涡轮机，在无维护情况下可运行超30年。维斯塔斯研制世界最高199米陆上风电塔筒，计划于2025年开始安装。金风科技研制全球单机容量最大、叶轮直径最大、单位兆瓦重量最轻的16兆瓦海上风电机组成功下线。西门子歌美飒利用新型树脂材料开发全球首款陆上风机可回收叶片，并实现应用。生物质高效转化技术不断发展，生物质制氢和生物质制己二酸技术进入规模化示范，生物质转化为生物基功能材料、高值化学品前沿技术是重要的研究方向。日本东丽公司成功开发了以糖为原料100%合成生物基己二酸的方法，并已开始进行规模化试验。中国大唐集团首台套生物质气化化学链制氢多联产中试成功制备纯度94.07%的氢气。瑞士洛桑联邦理工学院通过木质纤维素糖直接功能化，制备具有高玻璃化转变温度、坚韧机械性能、可进行二次加工的可持续塑料。美国特拉华大学提出强化反应蒸馏-还原催化解构工艺，解构木质素为芳香类生物油，可作为高性能添加剂用于立体光刻3D打印技术。（3）第四代核电系统和聚变研究持续取得突破核电强国积极布局第四代核电技术研发。法国将投资10亿欧元发展第四代核电技术和促进核安全研究，并重启核能建设。美国泰拉能源和南方公司合作建成热功率1兆瓦熔盐堆综合效应试验装置，将支撑在2030年代早期开展世界首座氯化物熔盐快堆示范。俄罗斯原子能工业公司全球首座全堆芯装填MOX燃料的钠冷快堆并网。比利时国家核能研究中心探索液态金属（钠或铅）冷却或气体冷却反应堆堆芯，加快第四代小型模块化反应堆研究。可控核聚变等离子体理论研究、运行实验不断涌现突破性成果，各国将谋划产业发展路线提上议程，私营企业纷纷加入应用研究赛道。美国白宫召开首届峰会，计划制定一项聚变能商业化十年战略。日本将聚变原型堆建设时间提前5年，并着手制定产业化战略。英国已完成球形托卡马克原型聚变电站选址。美国能源部国家点火装置首次实验验证了聚变自持燃烧产生增益的可行性，是世界首次成功的激光“核聚变点火”。欧洲联合环聚变实验装置启动了等量氘-氚聚变实验，5秒内产生了59兆焦耳的稳定等离子体，创造新的聚变能量输出纪录。谷歌DeepMind公司基于深度强化学习算法的控制系统，成功实现真实环境下的托卡马克等离子体控制和位形优化。英国First Light fusion公司弹丸惯性约束聚变技术首次成功实验，并计划在2030年前建立150兆瓦示范电厂。加拿大通用聚变公司和英国原子能机构计划合作建设一座磁化靶聚变系统原型。（4）多项规模化储能技术开展产业化示范，新型高效电化学储能技术取得重要进展先进高效率、大规模压缩空气储能技术推进产业示范。中国科学院工程热物理研究所国际首套百兆瓦（100兆瓦/400兆瓦时）先进压缩空气储能国家示范项目顺利并网发电，系统设计效率在70%以上，是目前世界单机规模最大、效率最高的新型压缩空气储能电站。澳大利亚可再生能源署宣布将资助建设200兆瓦/1600兆瓦时的先进绝热压缩空气储能设施，储能时长至少8小时。全固态电池、钠金属电池、金属-空气电池等新型电化学储能技术取得重要进展，部分技术已开始推进量产。美国航空航天局开发能量密度500瓦时/千克航空用固态硫硒电池，通过在单个外壳内将电芯堆叠在一起，较普通锂离子电池重量减少了30%~40%。澳大利亚迪肯大学利用全氟聚醚基电解质，首次实现超1000小时超稳定全固态钠金属电池制备。新加坡国立大学开发近中性条件下最高功率密度全有机氧化还原液流电池。德国明斯特大学与电子科技大学合作利用非碱性电解质开发稳定运行超过600小时实用性锌-空气电池。美国南卡罗莱纳大学开发新型低成本固体氧化物铁-空气电池首次实现12.5小时的长时储能，且能量密度高达625瓦时/千克。中科海钠全球首条吉瓦时级钠离子电池生产线产品下线。废旧电池高价值回收利用技术成为可持续发展的关键途径。日本东北大学利用固态电解工艺实现废旧电池高价值回收利用，铝纯度与铝合金铸造原铝相当，达到99.9%。北京化工大学提出了利用热裂解回收锂电池中双三氟甲磺酰亚胺锂（LiTFSI）的不同路线，回收率最高可达到80%以上。韩国首尔国立大学用插层电极从酸性锂离子电池浸出液中直接电化学回收锂，最大回收容量达到3.51毫摩尔/克，能量消耗仅为13.6千焦/摩尔，且可重复利用。（5）低碳氢/氨技术突破推进终端能源消费零碳化电解制氢催化剂和电极设计制备策略不断拓展，氮还原制氨效率和反应条件持续优化。韩国蔚山国家科学技术研究院合成磷掺杂缺陷二氧化钛负载钌团簇析氢催化剂，质量活性达到商业铂碳催化剂和钌/二氧化钛催化剂的34.3和18.7倍。美国爱达荷国家实验室与Bloom能源公司成功完成核能高温蒸汽固体氧化物电解制氢实验室运行测试，制氢效率比其他商用电解槽高45%。澳大利亚莫纳什大学通过电极-电解质界面区域中的致密离子分层实现高效合成氨，法拉第效率接近100%。荷兰乌特勒支大学开发出温和条件下无过渡金属的氮还原制氨催化剂，性能可与经典贵金属催化剂媲美。新材料储氢技术突破推进向应用发展。法国诺曼底大学和美国贝鲁特大学开发出甲酸脱氢性能优异的非贵金属光催化剂，在环境条件下具备近100%选择性和高稳定性。美国劳伦斯伯克利国家实验室评估发现MOF吸附剂储氢有望成为10兆瓦级固定电源的首选。先进燃料电池性能持续提升。美国麻省理工学院和爱达荷国家实验室通过简单硝酸处理使氧电极与电解质之间发生反应性键合，实现了质子陶瓷燃料电池低至350 ℃的优异性能。北京理工大学首次构筑燃料电池催化层多孔共价有机框架离聚物，使铂碳催化剂的质量活性和燃料电池的峰值功率密度均提高了1.6倍。中国科学技术大学与南京理工大学开发出无铂族金属的镍-钼-铌金属玻璃催化剂，使碱性燃料电池功率密度突破390毫瓦/平方厘米。绿色氢/氨应用场景和规模逐渐扩大。法国Lhyfe公司投运全球首个海上可再生能源制氢示范项目，日产能达到400千克。法国阿尔斯通创纪录实现氢燃料电池火车连续行驶1175公里。美国通用电气公司实现燃气轮机50%混氢运行。瑞典钢铁集团SSAB投运用于无碳炼钢的大型储氢试点设施。英国混凝土公司TARMAC示范氢气替代天然气用于商业规模生石灰生产。新加坡吉宝集团与日本三菱重工、挪威船级社签署协议在新加坡建设100%氨燃气轮机发电厂。（6）规划建设新型智能能源系统成为各国战略竞争焦点分布式能源成为促进可再生能源部署和建设新型电力系统的可行途径。国际能源署指出分布式能源正在改变全球能源系统。欧盟发布“综合能源系统研发实施计划”推动跨部门集成和电网级储能等技术研发，出台“数字化能源系统计划”构建灵活分布式低碳能源系统。美国阿贡国家实验室与Packetized Energy公司合作开发Beyond DERMS软件平台，可解决集成数百万分布式电源设备的并网问题。“数智化”技术成为推动能源系统转型的有力手段。美国电力公司利用西门子的模拟运行软件建立整个输电网的数字模型。德国意昂电力公司推出数字化整体解决方案助力电网智能化发展。日本名古屋大学开发出具有睡眠和唤醒模式的能源互联网多执行器模型控制方案，可有效配置网络中的间歇性能源供应而无需蓄电池和电容器。C40城市集团与谷歌公司启动24/7城市零碳能源计划，利用人工智能等创新工具推进城市能源完全脱碳。政策动态

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陈伟 ; 岳芳 ; 汤匀 ; 李岚春 ; 朱丹晨