颠覆性技术对能源化工行业的影响分析

2021-03-29王德亮

当代石油石化 2021年3期

王德亮

（中国石化集团经济技术研究院有限公司，北京 100029）

“十三五”期间，能源化工产业持续蓬勃发展，各能源化工公司业绩稳步增长。不难发现，过去几年间能源化工行业的繁荣依赖于市场需求的快速增长，但是随着我国能源化工产能的急剧新增、环境恶化和人员成本提高等因素的制约，能源化工产品利润下滑成不可逆转之势[1]。能源化工企业的盈利能力将越来越依赖自身核心产品的竞争力及战略选择。并且，核心产品的开发与战略选择与产业技术开发密切相关。

现今，新一轮技术革命方兴未艾，能源化工科技迎来诸多变局，传统石化技术门槛被逐步模糊，新材料技术日新月异，5G、大数据、云计算等信息技术与化工产业融合速度加快，技术融合、产业融合、颠覆性技术开发将助力能源化工产业升级[2]。作为产业技术开发王冠上的明珠，颠覆性技术是行业技术开发的方向，是行业发展的重要影响因素。理清颠覆性技术对能源化工产业的影响具有重大现实意义。本文从颠覆性技术的特征入手，对颠覆性技术的分类、作用方式及对能源化工行业的影响进行了探讨，以为能源化工企业核心产品开发和战略选择提供参考。

1 颠覆性技术的发展现状及特征

1.1 颠覆性技术的发展现状

颠覆性技术或颠覆性创新（Disruptive Innovation）由哈佛大学教授Clayton Christensen于1995年在其著作《创新者的窘境》中首次提出，并沿用至今。美国最早着手颠覆性技术的跟踪研究部署，美国国防高级研究计划局（DARPA）以军事需求目标，在颠覆性技术的创造和应用上取得了丰硕成果，被誉为颠覆性技术的孵化器。

当前，新一轮技术革命和产业革命正在孕育兴起，国家竞争、社会可持续发展需要科学技术的重大突破来提供强大支撑。在此过程中，颠覆性技术是科技和产业革命孕育、发生和发展的突破口，是产业升级的战略制高点，是后发国家实现产业弯道超车的关键。

在我国颠覆性技术上升为国家战略。习近平总书记在“十九大”报告中指出，加快建设创新型国家，要突出关键共性技术、颠覆性技术创新。《国家创新驱动发展战略实施纲要》《“十三五”国家科技创新规划》等一系列重要文件也做出了部署[3]。

1.2 颠覆性技术的特征

颠覆性技术是采用科学原理进行创新应用或由技术集成创新产生新技术，其主要特征如下[3]：

1）技术变革：“理论创新＋技术开发”为基础。颠覆性技术的核心在于理论创新，但实现对产业的影响，需要以持续的技术开发融合为支撑。理论突破，或跨学科、跨领域技术的集成创新取得突破，对现有工艺技术或产品性能进行系统革新。

2）产品变革：强劲挤压原有产品市场或引发培育出新的市场需求。颠覆性技术带来的新产品可以对传统产品形成强劲替代，传统产品逐步被挤压甚至替代；引发或培育出新市场需求，成为新的市场增长点。

3）模式变革：引发相关产业组织、生产运营等方面的变革。颠覆性技术能够引发相关产业在组织管理模式、产品制造生产模式、商业运行模式等方面的变革，并有望重塑行业或产业竞争格局。

2 颠覆性技术对能源化工行业的影响

能源化工行业颠覆性技术集中涌现于19世纪中叶，以石油化工技术的突破为代表，如流化催化裂化、合成氨、合成纤维、加氢技术等的工业化，提高了生产力，促进了产业变革和能源革命，深刻改变了人们的生活方式，推动了人类文明[4]。

当前，在高效安全、环保可持续发展的要求下，能源化工产业颠覆性技术持续发酵，综合颠覆性技术的特征、能源化工产业发展趋势分析，颠覆性技术将为能源化工产业主要带来两方面影响，一是颠覆性技术形成的先进制造基础会对传统的能源化工产业进行整体升级，此方面不会对现有的产品结构产生影响，但却会引起产业组织竞争格局的变化；二是绿色生产要求会对现有产品结构进行深入调整，改变产业产品结构格局。

2.1 先进制造为能源化工产业升级提供系统智能的解决方案

颠覆性技术形成的先进制造基础主要包括技术突破、信息技术融合应用带来的降本增效和功能性材料开发增量需求3个方面。

2.1.1 技术突破将对传统技术形成降维打击

技术突破难度日益加大，但突破后会对传统技术进行有力替代，深刻影响产业组织竞争格局。二氧化碳直接制乙烯技术、甲烷制烯烃等低碳烯烃可以为烯烃的生产提供新路径，同时减缓温室气体排放带来的环境压力，技术突破将会从原料端、产品端变革现有低碳烯烃生产路径。但是，非常规途经的低碳烯烃技术路径对催化剂要求较高，并且反应条件相对苛刻，技术突破难度较大，仍有许多基础工作需要攻破[5]。

过程强化技术有望解决石化行业“高能耗、高污染、高物耗”难题，夯实石化行业节能降耗、环保集约的发展基础。目前，过程强化技术主要包括超临界技术、膜分离技术、超重力技术、微化工技术等[6]，这些技术从反应机理、反应体系尺度、反应过程传递等多方面对现有技术进行改进完善，如超临界二氧化碳萃取在油气开发中的应用、膜分离处理高盐有机废水、超重力油品脱硫等工艺的开发，在研究基础推动和工程技术突破的基础上，会逐步提升石化制造技术水平。

催化材料设计开发理论的积累与突破有助于实现对现有催化剂的更替。催化剂在无机工业、石油炼制、有机合成等多过程多领域有重要应用，相关产品涉及人类衣食住行以及高科技领域，但是一些催化剂的生产过程、失活后的后续处理过程仍存在诸多环境污染问题。在催化机理、材料设计开发等相关理论的基础上，开发清洁、高效和环境友好型催化剂，对现有催化剂进行替代或改进反应路径，实现能源化工过程的绿色化和清洁化成为当代化学工业的追求。

2.1.2 信息技术融合全方位降低生产运营成本

数字化智能化技术日趋成熟。2020年Gartner继续扩大对人工智能潜力的预测，预计相关技术均将在十年内达到生产成熟期。随着互联网、人工智能、大数据等新一代信息技术的崛起、成熟、应用，拥有良好数字化运营基础的能源化工企业将加速向智能化方向发展。

数字智能化发展被油气行业视为持续提质降本增效的有效途径。未来十年，在油气勘探开发与生产、炼油化工、营销服务、油气管道等领域，先发企业将利用人工智能辅助决策、大数据、云平台等新技术，提高油气产量和采收率，降低单井钻井成本，有效减少油气作业或炼化生产现场的人员数量及员工劳动强度，持续提升全员劳动生产率和企业经营效益。埃森哲预测，2016–2025年，油气公司从传统运营转向数字化主导的投资组合和运营模式，有望带来1.58万亿美元的新增价值。

数字手段孵化出新业务、新模式、新机遇。BP、壳牌和Equinor等大型石油公司的Vakt、komgo SA平台推动油气交易电子化。德国能源巨头Innogy着力打造了充电桩上的电子钱包。韩国电力公司KEPCO宣布构建包括小型光伏、风电、氢能的“开放能源社区”。能源在其他行业领域的渗透性强，以能源为核心开展商业模式拓展具有跨界创新的潜能，具有很广阔的发挥空间。另外，基于区块链技术的供应链金融、加密数字法币、分布式能源交易等新业务模式将对能源化工行业的发展带来翻天覆地的变化。

2.1.3 功能性材料开发拓展增量需求

新材料为现代各种颠覆性技术提供基础支撑。新材料颠覆性技术的研发方向包括精准自由可控聚合、增材制造、纳米化等。

精准自由可控聚合、增材制造等技术将实现功能性材料的设计开发与应用，推动拓展增量需求。随着新能源、电子工业、航空航天、轨道交通等新兴产业发展，功能性新材料的开发与应用成为支撑社会新兴行业发展的基础。材料结构的精准设计、调控及合成方法和路径的选择成为最为关注的技术需求。精准自由可控聚合技术可以实现材料分子尺度的精准设计，从而获得材料在宏观尺度上特定应用场景下的性能需求。增材制造技术[7]融合计算机辅助设计、材料加工与成型技术，以数字模型文件为基础，通过软件与数控系统将专用的金属材料、非金属材料以及医用生物材料，按照熔融、固化、喷射等一系列操作逐层堆积制造出具有一定形状的实体物品的先进制造技术，其能够缩短新产品的研发周期，提高生产效率，减少坏品率，该技术在航空航天、汽车、生物医疗等领域应用前景广阔。

另外，新材料的纳米化、功能化、复合化技术将大幅提升材料的特定性能，实现特定场合下的应用，并对原有材料形成替代。复合材料经过最初的功能导向型混合制造、融合RTM等低成本制备技术阶段，进入到纳米复合、智能复合等新型复合材料阶段，并逐步实现特定场景下对木材、金属等材料的替代，并在汽车工业、航空航天、新能源等领域得到广泛认可[8]。

2.2 绿色生产推动能源多元化和低碳化

颠覆性技术推动了能源化工行业绿色生产工艺的开发，将有效促进低碳能源对化石能源的替代，并且实现石化工业原料的多样化和废弃物的减量近零排放。

2.2.1 新型能源技术推动化石能源的有效替代

低碳化是世界能源发展的长期方向，可再生能源将极大地降低温室气体排放，形成对化石能源的有效替代[9]。国际可再生能源组织预计，到2025年太阳能光伏发电、聚光太阳能发电、陆上风电和海上风电发电成本可分别下降59%、43%、26%和35%，并随着技术的进一步发展，新能源发电成本将普遍低于化石能源。麦肯锡预计，到2025年可再生能源技术每年将减少碳排放10亿～12亿吨。

储能技术的突破将极大推动新能源产业和汽车的发展。2019年，全球电化学储能累计装机规模为9 520.5 MW，新增装机为2 895.1 MW，其中，中国电化学储能新增投运规模为636.9 MW，位居全球榜首[10]。其中，全球化学储能市场中88.8%采取锂离子电池路线。过去十年，锂电池性能提高了3倍，成本下降了90%，锂电市场份额不断攀升。随着化学储能成本的降低，电动汽车的成本对普通消费者的吸引力将逐步变大。彭博新能源财经预测，2025–2029年在许多国家电动汽车将会比燃油车更便宜，到2040年，电动乘用车售价将低于2.2万美元/台，新车销售占比将达到54%，保有量达到1/3，替代石油消费800万桶/日，全球电力消费增加5%。

氢能与氢燃料电池技术已进入商业化初期，氢能将极大促进能源结构向清洁低碳方向调整。目前，欧、美、日等发达国家的氢能与氢燃料电池技术在固定式电站、通信基站备用电源、物流运输领域都已形成示范。国际氢能委员会预计，在全球温升2℃情景下，到2050年全球氢能需求潜力可达5.5亿吨，减少60亿吨二氧化碳排放，占终端能源消费比重可达18%。氢能将成为连接化石与非化石能源的桥梁，推动能源消费从“化石能源”时代过渡到“绿色低碳能源”时代。

2.2.2 生物绿色化工产业化瓶颈稳步突破

源头污染控制、资源高效循环利用等绿色化工技术促进能源化工废弃物的近零排放。能源化工在生产过程中不可避免产生有害废弃物，废弃物无害化高效处置成为工艺可持续性参与行业竞争的关键。针对不同来源、不同类别、不同性质的废弃物，源头污染控制技术、杂盐分离提纯技术、微波热解技术、热萃取清洗分离技术等被开发出来，为实现绿色生产提供了有力技术支撑。

合成生物学将为生物质燃料、基础与高端化学品、功能高分子材料开辟绿色生物制造途经。合成生物学可以设计出自然界中不存在的酶与生化反应，高效合成自然生物不能合成或合成效率很低的石油化工产品，构建工业经济发展的可再生路径，例如，构建具有光合作用的生物功能模块，通过模拟光合作用，固化二氧化碳替代石化资源来生产基础化学品、燃料和高分子材料；通过生物炼制技术生产燃料乙醇。另外，生物基材料逐步成长为新材料产业的一个重要分支，Occasm Research的研究报告统计表明，目前全球化生物基化学品和高分子材料产量在5 000万吨左右，预计到2021年产值可达100亿～150亿美元。

3 展望及建议

3.1 展望

能源化工行业颠覆性技术发展需与其他行业需求趋势相适应。能源化工行业作为国民经济的基础性产业，涉及产品种类繁多，为其他行业的发展提供重大支撑。因此，能源化工行业颠覆性技术的发展在满足自身绿色、低碳发展要求的基础上，必将受到其他行业发展趋势的促进与制约。

颠覆性技术或成为能源化工行业竞争格局的主要决定性因素。颠覆性技术能够通过技术、产品和商业模式深刻影响市场格局，对产业组织的竞争格局产生深远影响。例如，在美国“页岩革命”成功之后，美国能源信息署报告全球石油和天然气技术可采资源总量分别多达33 570 亿桶和648万亿立方米，油气资源的稀缺性受到挑战，页岩油气生产商凭借技术突破在传统油气行业拥有了一席之地[2]。

能源化工颠覆性技术开发需坚定不移走自主创新之路。世界范围内任何国家要想在新一轮科技革命中占据主导地位，最可靠的出路就是狠抓科技创新、扎扎实实地提高科技创新能力。颠覆性技术作为未来产业发展的先机必将吸引各国的广泛关注与争相竞争，坚持自主创新成为了国家和企业的必然选择与必由之路。

3.2 建议

在国家层面，需持续关注支持基础科学研究与发展，通过立法、宏观政策、金融、人才等多方面培育颠覆性技术发展的环境。颠覆性技术从萌芽到突破是基础科学和技术积累的长期过程，并且颠覆性技术逐渐向着多学科交叉的方向发展，培育公平、开放的市场竞争环境，搭建多学科交叉学科研究平台，以及集体攻关国家亟需的“核高基”技术，需要从国家层面发挥体制优势、政策优势、人才优势和资金优势，使得国家和相关企业在激烈的颠覆性技术竞争中取得先发优势。

在公司层面，需在明确公司定位的基础上，将相关颠覆性技术的开发方向上升到公司战略层面。现今，以清洁高效可持续为目标的能源技术和融合数字化、智能化的先进制造技术正在加速推进能源化工产业向服务化、绿色化、低碳化转型。能源化工公司应充分明晰行业发展方向以及企业在行业中的定位，积极推进企业向低碳化、数字化、智能化转型，制定并实施相关战略，自上而下完善技术开发与人才储备，着眼未来抢占行业发展制高点。