2021年世界前沿科技发展态势总结及2022年趋势展望——能源篇

世界能源领域2021年态势总结

全球能源供需格局转变，多地陷入“能源荒”。2021年以来，随着世界主要经济体逐渐从疫情中恢复，能源需求持续增加。据国际能源署预计，全球能源需求将同比增长4.6%，超过2019年水平。其中，石油需求同比增长6%、煤炭需求同比增长4.5%、天然气需求同比增长3.2%、可再生能源需求同比增长8%。但是能源供给恢复迟滞于需求增长，加之库存不足、极端气候、全球通胀和能源结构转型等多种因素叠加影响，全球能源短缺现象加剧。欧洲多国深陷能源危机，英国尤甚。英国多家天然气供应商申请破产、大型电力供应商停止接受新客户、近一半加油站一度没有汽油供应。此外，与能源相关的钢铁、化工、化肥和食品等行业也出现停工停产现象。除欧洲外，美国，日本、印度、黎巴嫩等亚洲国家，巴西、委内瑞拉等南美洲国家也出现不同程度的能源短缺，大面积停限电现象频发。

全球能源结构转型加速。美国拜登政府上台后大力发展清洁能源，促进能源结构转型，包括更新“重建更好”预算框架，在未来10年内为清洁能源项目投入5500亿美元；设立2030年前部署30吉瓦、2050年前部署1.1亿千瓦海上风电的目标；计划2021-2024年每年新增30吉瓦太阳能，2025-2030年每年新增60吉瓦，2035年后每年新增240吉瓦，并使太阳能发电满足美国40%的电力需求；对全国建筑进行节能改造以确保2035年减少美国建筑物50%碳足迹等。此外，拜登政府还通过禁止在联邦土地进行新的石油及天然气钻探、实施严格的甲烷污染限制和设置机动车排放标准等限制化石能源开发。欧盟委员会发布Fit for 55一揽子计划，修订欧洲《可再生能源指令》，明确指出欧洲能源转型的首要目标是2030年将可再生能源在欧盟能源消费中的占比从当前的32%提升至40%。英国商业、能源和工业战略部投入9200万英镑的公共资金，为储能、海上风能和生物质生产等创新绿色技术提供支持，助力英国能源系统向清洁、绿色转型。此外，英国还投资2.2亿英镑推动钢铁、制药和造纸等污染最严重的碳密集型行业向清洁低碳转型。日本经济产业省更新《2050碳中和绿色增长战略》，指出日本需大力加快能源和工业部门的结构转型，并确定海上风电、太阳能和氢能等产业的具体发展目标。

气候问题日益严峻，各国不断出台减排新举措。美国能源部启动多个减排项目，包括为碳捕集和封存项目提供4500万美元，助力天然气发电、水泥和钢铁生产等碳排放源脱碳；投资3500万美元开发减少石油、天然气和煤炭行业甲烷排放的技术；投入1300万美元开展17个减排项目，以降低联邦机构建筑的碳排放。美国还与欧盟委员会联合提出《全球甲烷减排承诺》，将开发甲烷排放量实时监测工具，从而精确量化甲烷减排量。英国商业、能源和工业战略部投入5500万英镑支持工业低碳替代燃料技术，包括将电锅炉、电窑炉和电熔炉等工业电器进行低碳化改造等。德国新一届政府计划加快绿色能源部署，并将煤炭淘汰期限从2038年提前至2030年，以实现其气候目标。日本新能源产业技术综合开发机构宣布在“碳循环、下一代火力发电等技术开发”框架下，投入160亿日元（约合1.4亿美元）支持二氧化碳资源化利用技术开发。

全球氢能热度持续上升，能源巨头加码氢能投入。美国能源部启动《能源地球计划》，以加快在未来10年内推出更丰富、更经济和更可靠的清洁能源解决方案；投入5250万美元改进电解水制氢设备，开展生物制氢研究、电化学制氢研究和燃料电池系统设计等共31个氢能项目。美国劳伦斯-利弗莫尔国家实验室、太平洋西北国家实验室和国家能源技术实验室启动验证地质构造中大规模储氢可行性的新项目等。英国商业、能源与产业战略部发布《国家氢能战略》，提出通过4个发展阶段使其成为氢能领域全球领导者的愿景，包括到2025年拥有1吉瓦的氢气生产能力、到2030年拥有5吉瓦的氢气生产能力等。德国国家氢能委员会发布2021-2025年氢能行动计划，其中包含80项提案，为有效实施国家氢能战略提出具体行动建议。德国联邦经济部和交通部计划投资超过80亿欧元资助62个大型氢能项目。这些项目涵盖了从氢气生产运输到工业应用的整个氢能价值链。俄罗斯政府内阁批准氢能发展草案，拟定了在俄罗斯打造新产业的目标、战略倡议和关键措施。根据草案，俄罗斯计划到2024年，氢气潜在供应量达20万吨；到2035年，氢气出口量达每年200万至1200万吨；到2050年达到每年1500万至5000万吨。日本政府从绿色创新基金中拨款3700亿日元（约合32.2亿美元）用于在未来10年内加速氢能技术研发、促进氢能使用。日本新能源产业技术综合开发机构也宣布在“燃料电池大规模扩展应用产学研协同攻关项目”框架下投入66.7亿日元（约合5793万美元），以推进氢燃料电池研发。韩国发布《氢能领先国家愿景》，将打造覆盖生产、流通、应用的氢能生态环境，争取到2030年构建产能达100万吨的清洁氢能生产体系，并将清洁氢能比重升至50%。此外，挪威国家石油公司Equinor、法国液化空气公司等传统能源巨头，以及美国钢铁公司、西班牙钢铁公司Arcelor Mittal、日本常石集团和日本川崎重工等其他行业的巨头也纷纷加大氢能投入，海上风能制氢、光伏制氢、氢能飞机、氢能船舶和氢能火车等项目数量呈爆发式增长。

世界能源领域2022年趋势展望

部分发达国家核电发展继续放缓，全球核电建设重心向发展中国家转移。近年来，核电在全球能源市场的份额持续回升，截至2020年11月，全球在运核电机组442台，总装机容量3.92亿千瓦，满足了全球约11%的电力需求。中国核电发展迅速，发电量从2013年的105太瓦时增至2020年的366太瓦时，2021-2025年每年将新增6-8台核电机组；俄罗斯计划在2035年前新建10台大型核电机组，将核能发电占比提高到25%；印度计划到2031年将核电总装机容量从现有的678万千瓦增加到2248万千瓦；波兰正在建设本国第一座核电站，后续还将再建5座核电站。在发展中国家持续发展核电的同时，部分发达国家调整其核电发展计划，放缓或放弃发展核电，如德国通过立法确定淘汰核电，2022年底将关闭国内所有核电站；比利时计划在2025年前逐步淘汰核能发电；西班牙计划在2030年前关闭国内所有核电站；瑞士明确不再批准新建核电站，对现有核电站不延期退役；美国一些小型、低效核电站受低成本天然气和可再生资源竞争的影响，宣布提前关闭。此外，韩国、瑞典、法国等国家也计划降低核电比例。

各国政府减排政策影响下，减排应用场景将取得新突破。为应对气候变化，各国不断出台减排政策，使得越来越多的企业投入减排领域，推动新减排应用产生。美国SOM公司正在设计新型减碳建筑。该建筑整合了最小化材料、碳捕集和生物材料等技术，每年可从自身管道和空气中吸收约1000吨二氧化碳。美国Summit Carbon Solutions和Navigator公司计划修建一个涵盖爱荷华州66个县的二氧化碳运输管道，从而降低该区域煤炭、乙醇和化肥等行业的碳足迹。英国首个Allam-Fetvedt循环燃气发电项目完成了前端工程设计，2025年建成后将具备300兆瓦的能源供应能力以及80万吨的碳捕集能力。丹麦马士基物流公司订购8艘使用碳中和甲醇燃料的船舶，预计将于2024年初将该船舶投入使用。瑞士苏黎世联邦理工学院开发出太阳能燃料系统，实现了从环境空气中捕集水和二氧化碳到运输燃料的全过程合成。挪威钢铁生产商Hybrit交付了全球首单不使用煤生产的“绿钢”产品，计划于2026年全面实现无化石能源“绿钢”的商业化和规模化生产。

氢能发展继续加速，新方案和新项目将陆续落地。美国氢能公司Nel Hydrogen US与美国核电厂运营商Exelon将于2022年完成核电站制氢系统部署，该项目将配备挪威Nel氢气公司最新的1.25兆瓦级MC250质子交换膜电解槽，用于验证核能制氢的经济可行性，并为未来大规模制氢提供模板。英国玻璃企业皮尔金顿测试并证明氢气生产浮法（片）玻璃的可行性，将于2022年继续验证氢气的安全性和经济性，并开展氢气规模生产玻璃试验。此外，英国将在“HyNet工业燃料转换”框架下，对食品、饮料、电力和废物等领域开展大规模使用氢气的新项目。德国Fraunhofer-Gesellschaft公司开发了一种可实现氢气和天然气混合运输的新型膜技术，混合气体经过两次分离后可获得纯度高达90%的氢气。该公司正在对该膜技术进行优化，以使氢气纯度进一步提高。法国可再生能源制氢项目开发商Lhyfe与Chantiers de l’Atlantique将于2022年建造并运行全球首个海上绿氢工厂。韩国贸易、工业和能源部旗下的氢能有轨电车项目将进入商用化和量产阶段，该氢能有轨电车车内搭载氢燃料电池，无需外部电力供应设施，成本相对低廉，有望成为替代地铁的交通工具。

美国将成为世界第一大液化天然气出口国。美国能源信息署2021年12月公布的数据显示，2022年底路易斯安那州Sabine Pass和Calcasieu Pass的液化天然气（LNG）项目投入运营后，美国将总计有由44套装置组成的7个LNG生产设施，出口LNG液化能力为114亿立方英尺/天，峰值液化能力为139亿立方英尺/天，将超过澳大利亚（114亿立方英尺/天）和卡塔尔（103亿立方英尺/天），成为世界第一大液化天然气出口国。预计，2024年美国第八个液化天然气出口设施Golden Pass投入使用后，美国出口LNG液化能力将进一步提升到163亿立方英尺/天。此外，美国联邦能源管理委员会和美国能源部还批准了10个新建LNG项目，并批准卡梅隆、自由港和科珀斯克里斯蒂三个现有项目的产能扩建，这些项目的新增液化能力为250亿立方英尺/天。美国LNG项目建设速度在全球LNG行业是前所未有的，预计将对美欧俄能源地缘政治和全球LNG市场带来影响。

作者丨 张宇麒

编辑丨 郑实