2020年前沿科技发展态势及2021年趋势展望——能源篇
2020年前沿科技发展态势及2021年趋势展望——能源篇
世界能源领域2020年发展态势
疫情重创全球能源需求。2020年，新冠疫情在全球持续蔓延，对全球经济造成严重冲击，全球能源需求大幅萎缩。国际能源署（IEA）预计，2020年全年全球能源需求下降5%，能源投资下降18%，与能源相关的二氧化碳排放量下降7%。其中石油需求受影响最为严重，下降8％；煤炭需求次之，下降约7%；天然气需求下降3%；全球电力需求将下降2%。
石油方面，第二季度全球石油需求同比下降超2300万桶/日，达全球石油需求降幅创历史之最，全球陆上原油库存也一度达到31.5亿桶的历史最高水平。需求骤减使得国际油价遭受重击，出现了恐慌性下跌，全球石油企业陷入困境，尤其是美国页岩油企业。据WSJ数据显示，自3月原油价格暴跌以来，美国会计行业机构Haynes和Boone共记录了436起美国能源企业的破产案申请。
煤炭方面，受疫情影响，一二季度制造业电力需求和工业产出降低，煤炭需求有所下降。此外，因气候问题，一些国家采取清洁行动，做出承诺减少煤炭使用，并加大清洁能源的使用，这也使得煤炭的需求下降。根据IEA《煤炭2020：到2025年的分析和预测》报告，2020年，全球煤炭需求将经历二战以来的最大降幅，较2019年水平下降5%。
天然气方面，受新冠疫情以及北半球暖冬的影响，天然气消费在一季度末和二季度大幅下降，根据IEA发布的《全球能源回顾2020——新冠病毒危机对全球能源需求和二氧化碳排放的影响》报告，第一季度欧洲天然气需求量同比下降2.6%，美国天然气需求同比下降4.5%，日本液化天然气（LNG）进口量下降3%，韩国国内天然气销售量下降2.5%。IEA预计2020年全球天然气需求可能会减少约1500亿立方米，这是自20世纪下半叶天然气市场大规模发展以来最大的年度消费量下降。
疫情之下，世界主要经济体纷纷推出绿色能源政策，氢能技术备受关注。在疫情的严重冲击下，世界主要经济体纷纷做出紧急应对，推出了史无前例的刺激措施，将绿色复苏作为未来经济社会可持续发展的重大战略举措。美国能源部（DOE）发布氢能计划，为其氢气研究、开发和示范活动提出战略框架。俄罗斯公布氢能战略发展路线图，拟于2024年前在俄罗斯境内建立一个全面涉及上下游的氢能产业链。欧盟委员会发布《欧洲氢能战略》，未来十年将向氢能产业投入5750亿欧元，该战略被视为欧洲未来能源业的重要蓝图之一。法国推出1000亿欧元的“法国恢复计划”，其中110亿欧元用于运输业脱碳，92亿欧元用于支持可再生能源研究，重点关注制氢技术。英国推出120亿英镑的“绿色工业革命十点计划”，推动海上发电、氢能产能、先进核能、电动汽车、零排放飞机和船只等领域发展。西班牙推出《氢能路线图：对可再生氢的承诺》计划，旨在实现气候中和，并助力西班牙在全球可再生能源发电中处于领导地位。韩国政府出台“绿色新政”，计划在妥善应对气候和环境挑战的同时，提升韩国产业的环境标准合规竞争力，发展绿色经济。
多国加大可再生能源投入，技术不断取得突破。在投入方面，美国DOE在“太阳能技术办公室2020财年资助计划”框架下提供1.3亿美元资助先进太阳能技术研发，旨在提升太阳能发电的经济性、可靠性和安全性；在“碳利用计划”下投入1700万美元支持11个研发项目，以开发和测试利用电力或其他工业排放的二氧化碳转化为高价值产品的技术。日本新能源产业技术综合开发机构（NEDO）开展“超越传统技术的高效氢能发电技术研发”项目，旨在开发发电效率高达68%的1400℃级氢燃气轮机发电系统。澳大利亚可再生能源署（ARENA）投入1514万澳元，支持16个太阳电池研究项目，以提高电池板效率、降低成本并解决回收再利用问题。
在技术方面，美国阿贡国家实验室开发出了一种快速、高效的热能存储系统(TESS)，可快速存储热量并按需释放热量，转化产生电能；马萨诸塞大学安姆斯特分校的科学家发明了一种名为“空气发电机”的装置，可利用天然蛋白质从空气中的水分中全天候产生电能。日本丰田公司和京都大学研发出新型氟离子电池，其阳极由氟、铜和钴组成，阴极主要由镧组成，实验证实了该原型电池具有更高的理论上的能量密度，约为传统锂离子电池的7至8倍，可使电动汽车一次充电即行驶1000公里。
先进核技术备受关注，发展势头良好。第四代核电技术方面，美国凯洛斯能源公司和加拿大核实验室公司签订了合作开发氟化盐冷却反应堆技术的协议，双方将研究如何对反应堆运行过程中产生的氚进行分离、分析和贮存。俄罗斯增殖快堆技术取得新进展，闭式燃料循环运行后，放射性废物数量减少到“几乎为零”。英国商业、能源和工业战略部宣布投入4000万英镑，支持3个先进模块化反应堆（AMR）项目和若干核能相关研究、设计和制造项目。
小型模块化反应堆（SMR）方面，美国DOE已批准向NuScale电力公司SMR项目拨付13.55亿美元资助NuScale设计建造12个装机容量为60MWe的反应堆模块；美国纽斯凯尔动力公司的SMR已完成美国核管会的设计认证审查，该堆成为美国首个通过认证的四代SMR设计。芬兰国家技术研究中心宣布启动开发区域供热SMR项目，并围绕SMR技术在芬兰建立新的工业产业链。
聚变能方面，国际热核聚变实验反应堆（ITER）重大工程安装于2020年7月在法国南部正式开始了为期5年的组装工作。ITER项目成员包括欧盟、美国、俄罗斯、英国、中国、日本、韩国和印度等共35个国家，是当今世界规模最大、影响最深远的国际大科学工程，旨在模拟太阳发光发热的核聚变过程，探索受控核聚变技术商业化可行性。ITER有望在2025年获得第一束等离子体。美国DOE先进能源研究计划署（ARPA-E）宣布在“促进热核聚变的突破性研究”主题计划（BETHE）框架下投入3200万美元，资助15个具有商业应用潜力的聚变能研究项目。英国兆安球形托卡马克升级版（MAST-U）首次成功进行等离子体放电，后续将进行一系列试验，并探索将其作为聚变反应堆形态的可行性。如果MAST-U表现出强劲的效能提升，英国政府将再投入2.2亿英镑，依照MAST-U的经验建造一个示范聚变发电站。
世界能源领域2021年趋势展望
能源需求将反弹。IEA基于“2021年疫苗与治疗方法问世、全球经济将开始复苏、电力需求和工业产出将增加”的假设，认为能源需求将出现大幅反弹。在石油需求方面，IEA认为原油供应过剩现象将在2021年底前逐渐消除，原油供需将再度实现平衡。IEA预测，2021年日均石油消费量将达到9690万桶/天，汽油和柴油的购买需求会非常强劲，将恢复到疫情前的99%左右。在煤炭需求方面，根据IEA发布的《煤炭2020：到2025年前的分析与预测》，2021年全球煤炭消费量将有望反弹，同比上升2.6％，这主要受中国、印度和东南亚国家需求增长带动。此外，由于预期的电力需求增加以及天然气价格上涨，2021年欧洲和美国等地的煤炭消费量也可能增加，或将成为欧、美两地区近十年来首次出现的煤炭消费量上升。
可再生能源将引领全球电力行业发展。IEA表示，在大多数国家，太阳能光伏和陆上风电已经是最便宜的电力来源。IEA预计，2021年，以太阳能和风能为主的可再生能源装机容量将增长近10%，可再生能源发电量增幅将超过6％，这将进一步压缩传统能源，使可再生能源在电力结构中的比重从2020年的28％扩大到29％。2023年太阳能和风能的累计装机容量将超过天然气，到2024年超过煤炭。到2025年，仅太阳能光伏就会占到可再生能源新增装机容量的60%，风能占30%。在成本进一步下降的推动下，到2025年，可再生能源将占到全球电力新增装机容量的95%，可再生能源将超过煤炭，成为全球最大的电力来源。届时，预计可再生能源将提供世界三分之一的电力。
美国能源政策重点由传统能源转向清洁能源。面对美国新一届政府走马上任，美国的能源政策也将发生重大变化。相比于依赖传统能源、力求实现能源净出口的特朗普政府，拜登政府的能源政策目标是在2050年之前确保美国实现100%的清洁能源经济,并达到净零碳排放。根据拜登团队发布的《清洁能源革命和环境计划》，拜登上台后，将立即采取一系列措施，包括：重新加入《巴黎协定》、大力推广清洁能源的广泛应用、采取强力措施阻止与未完成碳排放承诺的国家来往、在全球范围内禁止化石燃料补贴、未来十年加强对能源和气候的研究，以及投资4000亿美元开展清洁能源基础设施建设。拜登政府的能源政策旨在刺激美国清洁能源产业的发展，提升美国在全球清洁能源市场的竞争力。
作者简介
张宇麒 国务院发展研究中心国际技术经济研究所战略部，研究助理
研究方向：能源领域战略、技术和产业前沿
作者丨 张宇麒
编辑丨 刘瑾