國內外新能源技術概況及市場展望

呂慶玲

（新疆油田公司，新疆克拉瑪依 834000）

1 引言

“溫室效應”引起氣候變化，使生態環境遭到破壞，其罪魁禍首就是溫室氣體的排放，CO2是溫室氣體的主要構成，控制碳排放已經成為國際性環境問題［1］，低碳綠色發展已成為時代潮流，是推動經濟社會高質量發展、可持續發展的必由之路，世界各國也都采取了化石能源向新能源轉型的諸多措施，來改善氣候，進而減少溫室效應帶來的危害。目前風能、太陽能、生物質能和氫能是幾大主流新能源，其發展現狀對化石能源向新能源轉型有著至關重要的影響和指導意義。

2 能源結構的演變歷程

50 萬—60 萬年前，人類學會了鉆木取火，進入木材時代。18 世紀60 年代，瓦特改良了蒸汽機，人類進行了歷史上第一次能源大轉換，從木材時代進入到煤炭時代。1965 年, 石油消費首次超過煤炭消費，人類進入了石油時代，完成了第二次能源大轉換。隨著人類環境意識的增強，低碳發展已成為必然趨勢，預測2050—2080 年，新能源將取代石油的主導位置，人類社會將完成第三次能源大轉換，進入新能源、再生能源時代。

3 當前主流新能源介紹

人類社會所使用的常規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能、太陽能、生物質能和氫能，是近年世界各國深入開展研究并進行規模化、商業化應用的可再生潔凈能源。

3.1 太陽能

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

3.2 風能

風是一種自然氣候現象，是指空氣在氣壓和溫差的作用下產生的流動現象。風能是指空氣流動所產生的動能，是可再生的清潔能源，其儲量大、分布廣［3］，但風能的能量密度低（只有水能的1/800），并且不穩定，目前其主要用于風力發電，風電場的年平均風速不低于6 m/s。風況可分為3 類：年平均風速6 m/s 以上時為較好；7 m/s 以上時為好；8 m/s 以上時為很好。但臺風天氣不允許啟用風力發電，以免風輪損壞。風輪的旋轉直徑決定了風機的額定容量，其對應關系見表1。由于風能不穩定的特性，為避免沖擊過大，一般將其直接接入大電網。

表1 風機額定容量與風輪旋轉直徑

3.3 現代生物質能

生物質能是儲存在生物質內部的能量，自然界中只要有生命物質，就有生物質能。其與風能、太陽能一樣，屬可再生能源，可實現能源的永續利用，生物質能有清潔、低碳、資源豐富、可再生利用等特性［4］。目前我國生物質能利用主要為直接燃燒、制沼氣、生物質制氫、原電池等方面，但受市場環境和保障機制不夠完善、商業化利用難、技術等尚不具備等因素的制約，生物質能的發展和應用率并不高。

3.4 氫能

氫元素是自然界中含量最多的元素，主要以化合態物質形式出現，氫能就是氫元素在化學或者物理作用下產生的能量，具有資源豐富、來源多樣、環保、可儲存、可再生等突出優點，其屬于二次能源，可滿足可持續發展的要求。氫氣和氧氣燃燒的產物是水，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，可以通過燃燒氫氣轉化成機械能，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，已被諸多發達國家列為重要能源發展計劃之一。氫元素可以固、液、氣3 種形態的氫化物出現［5］，所以在儲存運輸的過程中，可根據環境需求進行選擇，其低溫液化后可用于航天試驗技術領域；高壓氣態存儲后，可用于氫燃料電池技術、氫能汽車、加氫站等。但由于氫燃料的物理及化學特性，無論是低溫液態存儲或是高壓氣態存儲，都有很高的風險，這也是未來需要研究解決的主要問題之一。

4 新能源技術市場應用

隨著人類環境保護意識的增強，低碳經濟發展成為了世界各國的基本共識，新能源產業的發展程度也展示出一個國家高科技發展水平。從宏觀經濟角度看，新能源產業是新一輪國際競爭戰略的核心要素，眾多國家已經把新能源產業作為滿足時代發展要求、促進產業結構優化的重要因素。

4.1 國際新能源技術發展概況

近年來，化石能源對“溫室效應”的影響受到重視，越來越多的國家積極參與替代化石能源的新能源技術的研究［6］，太陽能、風能、生物質能及氫能都具有一定的規模應用。

國際貿易專業的應用性很強，要求學生掌握必要的知識和一定的技能，這些知識和能力的培養有賴于實踐教學的開展。而目前一些學校實驗室建設不足，缺乏相應的教學軟件；即使有教學軟件也由于各種原因利用率不高。到校外基地實習是學生熟悉企業、熟悉今后工作環境的主要途徑。學生在校外實習基地實習，可以把所學的理論知識與實踐相結合，迅速提高自身的適應能力和業務水平。因此，學校要想培養出符合外貿企業需要的高素質人才，必須充分利用社會資源，建立良好的校外實習基地，讓學生到真實的企業環境中去學習、去鍛煉。

4.1.1 太陽能的應用

歐洲各國在2018 年經濟復蘇后重啟了對光伏項目的支持，俄烏沖突發生后，歐盟加速能源獨立進程，首要任務是尋找天然氣，其次是推動國家能源獨立，其中光伏和風電共占到約20%的權重。2022 年預計為光伏增長大年，需求擴張動力來源于中國、印度、美國、巴西以及歐洲等。

太陽能電池技術也得到了快速發展，截至2022年1 月21 日，全球太陽能電池行業專利申請數量為42 707 項，其中，30 565 項太陽能電池專利為發明專利，占全球太陽能電池專利申請數量最多，為71.57%。實用新型太陽能電池專利和外觀設計型太陽能電池專利數量分別為9 975，2 168 項，分別占全球太陽能電池專利申請數量的23.36%和5.08%。

4.1.2 風能的應用

18 世紀20 年代，在北美洲風力機被用來灌溉田地和驅動發電機發電。從1920 年起，人們開始研究利用風力機進行大規模發電。1931 年，在蘇聯建造了一臺100 kW 容量的風力發電機，這是最早商業化的風力發電機。

據估算全世界的風能總量約1 300 億kW，目前全球風能裝機容量已超1 億kW，產業年增長率達28.8%。世界各國都有風能利用的計劃部署，美國計劃到2030 年風電占電力總用量的20%，英國政府計劃2020 年實現風電占電力總用量的15%，德國計劃到2025 年實現風電占電力總用量的25%。

4.1.3 生物質能的應用

從行業上來看，生物質能源主要集中在發電、供熱和運輸領域，以供熱和運輸為主。如丹麥、芬蘭和愛沙尼亞生物質發電只占總體可再生能源發電的2%～15%。對于大多數國家來說，固體生物質是生產生物質電力的主要燃料，而德國、意大利和克羅地亞的生物質電力主要來自沼氣。在瑞士，可再生廢物是生物質電力的主要燃料。

從供熱結構上來看，化石燃料在大多數國家的供熱方面仍然占據主導地位，通常占總供熱量的75%，而生物質能是可再生供熱的主要類型。一些國家如丹麥、愛沙尼亞、瑞典、芬蘭的區域供熱在可再生供熱方面取得了進展。

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

4.1.4 氫能的應用

氫能的獨特優勢讓世界各國在該領域都投入大量精力和資源進行研究，主要發達國家均制定了發展計劃，日本明確向“氫能社會”推進國家能源戰略；美國能源部成立氫能與燃料電池辦公室，開展H2USA 氫能基礎設施計劃；德國開展Power－to－Gas（P2G）示范項目；英國開展H2Mobility Roadmap 路線；歐盟建設燃料電池與氫能聯合項目（FCH2-JU）。

國際氫能源供給基礎設施發展見表2。

表2 國際氫能源供給基礎設施發展座

根據2017 年年底的預測，到2050 年全球環境20%的CO2減排要靠氫氣完成，18%的終端能源需求由氫能承擔。全球氫能源設施的市場規模到2030 年約為4 000 億美元，到2050 年將達到1.6 萬億美元。氫能源設施市場規模預測見圖1。

圖1 世界氫能源設施市場規模預測

4.2 我國主要新能源技術發展現狀

4.2.1 氫能

我國已有20 余省、市、自治區開始布局氫能產業，目前正在形成京津冀、華東、華南、華中四大產業集群地帶，未來四大板塊的帶動效應將輻射到全國多個地區，推動我國氫能與燃料電池產業的進程。制氫路線：短中期內，發展高效低成本的氫化分離純化技術；長期來看，可再生能源制氫是未來發展方向。輸氫路線：2030 年能以常壓高密度有機液體運輸替代高壓運輸和低溫液體氫氣運輸；在加氫站建設方面，規劃2020 年建成100 座，2025 年超過300 座，2030 年超過1 000 座。

4.2.2 生物質能

目前我國生物質能利用主要包括生物質發電、生物液體燃料、生物質成型燃料、生物質燃氣、生物制氫技術等。現階段我國生物質能占我國能源消費總量比重僅1%左右，對比來看，歐盟的生物質能占到其終端能源消費的12%。

目前我國生物質發電主要有垃圾焚燒發電、農林生物質發電和沼氣發電三大類。其中，垃圾焚燒發電占比最大，占總生物質發電量比重約為61.2%；其次是農林生物質發電，占比約為35.5%；再次是沼氣發電，占比約為3.3%。到2021 年年底，我國生物質發電裝機容量約3 798 萬kW，發電量約1 637 億kW·h。生物航油的替代使用是我國民航業唯一能實現大幅度碳減排的措施，未來30 年內航空CO2排放趨勢及減排需求主要靠生物航油技術來實現，預計目標排放量下降50%。

4.2.3 太陽能

我國陸地上每年接收的太陽能輻射總量為3 300～8 400 MJ/m2，相當于燃燒2.4×104億t 標準煤所釋放的能量。我國在新疆、甘肅、青海、內蒙古等太陽能資源豐富地區，均有太陽能發電站建設部署，目前已建成2 座50 MW 太陽能發電站、1 座100 MW太陽能發電站。各地也正紛紛布局第二批太陽能發電站的建設。太陽能電池技術的發展也取得了一定的成績，太陽能電池是光伏行業的重要一環。我國的太陽能電池產業具有完整產業鏈體系，擁有自主生產建設的知識產權專利。據統計，至2020 年，我國太陽能電池產量最多的地區是華東，占全國產量的73.2%。

4.2.4 風能

我國風電2020 年并網裝機容量達7 167 萬kW，新增裝機連續11 年居于世界第一位。2011—2020年我國風電并網裝機容量趨勢如圖2。

圖2 2011—2020 年我國風電并網裝機容量趨勢

與裝機容量一樣，2011—2020 年，我國風電發電量呈逐年上升趨勢，占全社會用電量比例也在不斷攀升，如圖3 所示，2020 年我國風電發電量為4 665 億kW·h，同比增長約15%，占全社會用電量的6.2%。

圖3 2011—2020 年我國風電發電量趨勢

“十四五”期間，我國風電有大幅增長空間，年均增加容量超過5 000 萬kW，開發方式仍以集中式為主。預計至2025 年，西部、北部地區風電新增裝機容量約1.7 億kW，東中部地區新增風電裝機容量約1.5 億kW。

5 結語

解決環境問題最重要的是以能源結構調整為主要出路，新能源事業的發展勢在必行。要想快速推動低碳經濟的發展，需加大新能源技術的研發，同時也要考慮新能源上下游產業鏈，以此來降低新能源的運行成本。本文通過介紹目前主流的新能源技術，以及國內外新能源發展的概況和趨勢，為我國新能源的相關工作提供參考。