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世界能源領域前沿技術發展趨勢分析 3D打印技術應用于太陽能電池制造工藝
發布日期:2019年06月12日 點擊次數:
 

隨著新一輪工業革命興起,應對氣候變化達成全球共識,能源技術成為引領能源產業變革、實現創新驅動發展的源動力。目前,世界主要國家和地區均把能源技術視為新一輪科技革命和產業革命的突破口,從能源戰略的高度制定各種能源技術規劃、采取行動加快能源科技創新,以增強國際競爭力。同時,能源技術開發的最新動態也預示著未來全球能源發展趨勢。

 

一、全球能源技術的發展趨勢分析

1.綠色、低碳能源技術必然是未來發展主要方向

未來,能源將繼續向著低碳化、綠色、高效方向發展。歐盟科研創新資助計劃“地平線2020”2018 ~ 2020 年度支出方案中,“低碳和適應氣候變化的未來”領域將獲 33 億歐元預算,按年度工作計劃,可再生能源、能效建筑、電動運輸和儲存方案 4個清潔能源領域的項目將獲 22 億歐元撥款。俄能源部宣布支持設立遠東聯邦區可再生能源發展基金,并將制訂具體建議。英國將投入 2800 萬英鎊資助可再生能源創新、智慧能源系統創新、低碳工業創新、核能創新等能源創新項目,作為能源創新計劃 (2016 ~ 2021年 )的一部分。特朗普政府宣布退出巴黎協定,全球應對氣候變化形勢變得撲朔迷離,但全球能源領域轉型已是大勢所趨,綠色能源技術、低碳能源技術必然是未來發展主要方向。

2.小型模塊化反應堆開啟核能新時代

小型模塊化反應堆 (SMR)因其較高的安全性能、操作靈活性、電網適應性等優點,受到越來越多的關注。全球多個核電大國推進 SMR技術開發部署。美國Nuscale Power公司提交首個 SMR商業電廠設計認證審查申請。加拿大監管機構啟動了首個 SMR示范堆的一般選址和取證程序。俄羅斯將協助菲律賓開展關于在陸上或近海建造 SMR的可行性研究。俄羅斯原子能集團所屬“光線”科學生產聯合公司研發出基于熱電子發射效應原理的小型核電站,具有安全可靠、不需維護、可長期運行等特點,可作為獨立電源為偏遠地區重要設施供電。英國政府承諾通過競爭探索 SMR的潛力,評估開發、商業化和資助 SMR技術的市場利益。2018年 7月 3日,日本政府公布了最新制定的“第 5次能源基本計劃”,提出今后將開發具有安全性、經濟性和機動性優勢的堆型,小型模塊化堆將是日本未來開發的重要選項。

3.能源區塊鏈領域前景廣闊

區塊鏈技術具有去中心化存儲、信息高度透明等優勢,能實現能源的數字化、分布式精準管理,將對未來能源市場產生巨大影響。美國能源部提出“基于區塊鏈技術的能源系統新概念”,探索區塊鏈技術在管理電網方面的應用。英國石油公司和荷蘭殼牌領銜的財團將開發一個針對能源大宗商品交易的區塊鏈數字平臺。澳大利亞政府將提供 257 萬澳元以支持一個應用區塊鏈技術的光伏和用水兩年試點項目。麥肯錫公司在一份報告中指出,區塊鏈是繼蒸汽機、電力、信息和互聯網科技之后目前最有潛力觸發第 5輪顛覆性革命浪潮的核心技術,對于石油和天然氣這樣一個分布廣泛、復雜龐大的行業,區塊鏈技術的黃金期正在到來。

4.電池儲能將發揮重要作用

儲能產業作為能源結構調整的支撐產業和關鍵推手,在傳統發電、輸配電、電力需求側、輔助服務、新能源接入等不同領域有著廣闊的應用前景。國際可再生能源署 (IRENA)發布的《電力存儲和可再生能源 :成本和市場研究報告 (2030)》稱,到 2030 年,如果能源系統的可再生能源份額翻番,全球儲能容量將增加三倍。報告在基本預測情景中提出,到 2030年,全球儲能裝機將在 2017 年基礎上增長 42% ~ 68%,如果可再生能源增長強勁,那么儲能裝機增長幅度將達到155% ~ 227%。電池儲能將在改變儲能裝機結構中發揮重要作用,在尖峰負荷時段的電力能源系統中起到電源的作用。儲能技術的快速發展將給能源系統帶來顯著變化,同時,在化石燃料需求上會造成一定的影響,畢竟,儲能將越來越多地取代火電,在電力能源系統中發揮強大的電源調節能力。

5. 5G與能源的深度融合

近年來,能源行業積極實施“互聯網 +”戰略,全面提升行業信息化、智能化水平,充分利用現代信息通信技術、控制技術,實現智能設備狀態監測和信息收集,激發新型作業方式和用能服務模式。隨著各類能源業務的快速增長,電網設備、電力終端、用電客戶迫切需要通過最新的通信技術及系統支撐,滿足爆發式增長的通信需求。5G技術將支持能源領域基礎設施的智能化,并支持雙向能源分配和新的商業模式,以提高生產、交付、使用和協調有限的能源資源的效率。可再生能源、電網通信、智能電網等領域將成為 5G在全球能源行業的重點應用場景。歐盟特別注重 5G與行業的充分融合,在《關于 5G架構的觀點》白皮書中提出,5G網絡架構應具備為汽車、能源、食品、農業、醫療、教育等垂直行業提供定制化專網組網服務的能力,5G技術與商業生態系統的對接,有利于 5G網絡能夠高效率、低成本地提供各類新興業態服務。

6.3D打印技術應用于太陽能電池的制造工藝

3D打印技術除了用在晶體硅太陽電池以外,也可以應用在薄膜電池上。如美國俄勒岡州立大學的研究者們使用 3D打印技術成功地制造出了銅銦鎵硒 (CIGS)薄膜太陽電池,節約了 90%的原材料。麻省理工學院(MIT)則通過一臺特制 3D打印機將薄膜太陽電池印刷到紙張上,這種電池目前可提供 1.5% ~ 2%的電池效率。3D打印技術不僅能打印出分辨力高、導電性好的柵線,而且能夠降低生產成本,可以和高方阻發射極完美結合并應用于各類太陽電池新技術。國內外都在積極研究及應用推廣該技術,因此,3D打印技術應用于太陽能電池的制造工藝將是大勢所趨,這一技術也會帶來太陽能電池質量和效率的大幅提高。

 

二、啟示與建議

1.突破核心技術,打造新一代電力系統

以可再生能源逐步替代化石能源,使清潔能源在一次能源生產和消費中占更大份額,推動能源轉型,建設清潔低碳、安全高效的新一代能源系統,是我國能源革命的主要目標。一次能源消費中非化石能源主要來自一次電力,大幅提高非化石能源電力占比,形成非化石能源為主的電源結構,是電力系統轉型的重要標志。當前,突破高比例可再生能源、高比例電力電子裝備接入電網,多能互補綜合能源以及信息物理深度融合智能化電網等技術,是建設新一代電力系統的關鍵。

2.不斷壯大清潔能源產業,推動綠色能源發展

應對氣候變化,清潔能源扮演著舉足輕重的角色。加快水電、核電、風電、光伏等清潔能源替代迫在眉睫。國際能源署預測,在未來 5年內,中國將持續引領全球清潔能源發展。當前,我國已成為全球最大的可再生能源生產國和應用國,水電、風電、光伏裝機規模多年保持全球領先,核電在建規模也居世界首位。綠色低碳是能源技術創新的主要方向,集中在傳統化石能源清潔高效利用、新能源大規模開發利用、核能安全利用、能源互聯網和大規模儲能以及先進能源裝備及關鍵材料等重點領域。

3.加大研究力量,建立有效激勵機制

近年來,我國能源科技創新能力和技術裝備自主化水平顯著提升,建設了一批具有國際先進水平的重大能源技術示范工程。智能電網和多種儲能技術快速發展,陸上風電、海上風電、光伏發電、光熱發電、纖維素乙醇等關鍵技術均取得重要突破。一系列具備國際先進水平的重大能源示范工程成果標志著我國能源科技水平得到了跨越式發展。但與世界能源科技強國和引領能源革命的要求相比,還有較大的差距,主要體現在核心技術缺乏,高端能源裝備依賴進口 ;產學研結合不夠緊密,創新活動與產業需求脫節 ;創新體制機制不夠完善,人才培養、管理和激勵制度有待改進等幾方面。因此推動能源技術革命已迫在眉睫,必須大力推進能源技術創新,縮小與國際先進水平差距,強調自主研發與技術引進相結合。

4.明確能源科技發展戰略的優先方向與路線

能源技術是決定全球能源未來的重要因素之一,能源技術的發展方向更是關系能源戰略全局的關鍵棋子。把握世界能源科技綠色低碳、智能、高效、多元的發展方向,合理規劃建設清潔低碳、安全高效現代能源體系的中長期愿景和目標,建立穩定的政策環境,把化石能源清潔高效利用、分布式能源和智能電網、先進安全核能、規模化可再生能源作為戰略優先方向,適時更新中長期發展戰略和行動計劃,并利用技術和產業路線圖指導技術研發和產業創新。

5.大數據背景下推動能源行業數字化轉型

在“智能 +”時代,云、物聯網、數據分析、機器學習、人工智能、自動化、智能終端、增強現實等技術組成錯綜復雜的生態系統。技術不僅是提升效率的工具,還是能源行業成功的業務戰略與未來收入增長的基石。在大數據時代,能源行業的數字化轉型已是大勢所趨。

能源行業的數字化轉型,就是發展數字能源,即利用數字技術,引導能量有序流動,構筑更高效、更清潔、更經濟、更安全的現代能源體系。

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