国内外新能源技术概况及市场展望

吕庆玲

（新疆油田公司，新疆克拉玛依 834000）

1 引言

“温室效应”引起气候变化，使生态环境遭到破坏，其罪魁祸首就是温室气体的排放，CO2是温室气体的主要构成，控制碳排放已经成为国际性环境问题［1］，低碳绿色发展已成为时代潮流，是推动经济社会高质量发展、可持续发展的必由之路，世界各国也都采取了化石能源向新能源转型的诸多措施，来改善气候，进而减少温室效应带来的危害。目前风能、太阳能、生物质能和氢能是几大主流新能源，其发展现状对化石能源向新能源转型有着至关重要的影响和指导意义。

2 能源结构的演变历程

50 万—60 万年前，人类学会了钻木取火，进入木材时代。18 世纪60 年代，瓦特改良了蒸汽机，人类进行了历史上第一次能源大转换，从木材时代进入到煤炭时代。1965 年, 石油消费首次超过煤炭消费，人类进入了石油时代，完成了第二次能源大转换。随着人类环境意识的增强，低碳发展已成为必然趋势，预测2050—2080 年，新能源将取代石油的主导位置，人类社会将完成第三次能源大转换，进入新能源、再生能源时代。

3 当前主流新能源介绍

人类社会所使用的常规能源有高碳化石能源和大中型水电等，本文所介绍的几大主流新能源风能、太阳能、生物质能和氢能，是近年世界各国深入开展研究并进行规模化、商业化应用的可再生洁净能源。

3.1 太阳能

太阳能是指太阳的热辐射能，主要就是常说的太阳光线。太阳能资源非常丰富，只要太阳光存在就能提供源源不断的太阳能，太阳能的利用主要有热利用和光利用两大类，热利用主要有太阳能热发电和太阳能热化学2 种形式［2］；光利用主要含太阳能光伏和太阳能光化学。太阳能热发电和光伏的最终产品是电能，而太阳能热化学和光化学的最终产品是燃料。

3.2 风能

风是一种自然气候现象，是指空气在气压和温差的作用下产生的流动现象。风能是指空气流动所产生的动能，是可再生的清洁能源，其储量大、分布广［3］，但风能的能量密度低（只有水能的1/800），并且不稳定，目前其主要用于风力发电，风电场的年平均风速不低于6 m/s。风况可分为3 类：年平均风速6 m/s 以上时为较好；7 m/s 以上时为好；8 m/s 以上时为很好。但台风天气不允许启用风力发电，以免风轮损坏。风轮的旋转直径决定了风机的额定容量，其对应关系见表1。由于风能不稳定的特性，为避免冲击过大，一般将其直接接入大电网。

表1 风机额定容量与风轮旋转直径

3.3 现代生物质能

生物质能是储存在生物质内部的能量，自然界中只要有生命物质，就有生物质能。其与风能、太阳能一样，属可再生能源，可实现能源的永续利用，生物质能有清洁、低碳、资源丰富、可再生利用等特性［4］。目前我国生物质能利用主要为直接燃烧、制沼气、生物质制氢、原电池等方面，但受市场环境和保障机制不够完善、商业化利用难、技术等尚不具备等因素的制约，生物质能的发展和应用率并不高。

3.4 氢能

氢元素是自然界中含量最多的元素，主要以化合态物质形式出现，氢能就是氢元素在化学或者物理作用下产生的能量，具有资源丰富、来源多样、环保、可储存、可再生等突出优点，其属于二次能源，可满足可持续发展的要求。氢气和氧气燃烧的产物是水，因而氢能是自然界中最清洁的能源。氢能的利用方式有很多，可以通过燃烧氢气转化成机械能，或者作为原料用于制造氢燃料电池等。氢能是一种含有巨大潜力的新型洁净能源，已被诸多发达国家列为重要能源发展计划之一。氢元素可以固、液、气3 种形态的氢化物出现［5］，所以在储存运输的过程中，可根据环境需求进行选择，其低温液化后可用于航天试验技术领域；高压气态存储后，可用于氢燃料电池技术、氢能汽车、加氢站等。但由于氢燃料的物理及化学特性，无论是低温液态存储或是高压气态存储，都有很高的风险，这也是未来需要研究解决的主要问题之一。

4 新能源技术市场应用

随着人类环境保护意识的增强，低碳经济发展成为了世界各国的基本共识，新能源产业的发展程度也展示出一个国家高科技发展水平。从宏观经济角度看，新能源产业是新一轮国际竞争战略的核心要素，众多国家已经把新能源产业作为满足时代发展要求、促进产业结构优化的重要因素。

4.1 国际新能源技术发展概况

近年来，化石能源对“温室效应”的影响受到重视，越来越多的国家积极参与替代化石能源的新能源技术的研究［6］，太阳能、风能、生物质能及氢能都具有一定的规模应用。

国际贸易专业的应用性很强，要求学生掌握必要的知识和一定的技能，这些知识和能力的培养有赖于实践教学的开展。而目前一些学校实验室建设不足，缺乏相应的教学软件；即使有教学软件也由于各种原因利用率不高。到校外基地实习是学生熟悉企业、熟悉今后工作环境的主要途径。学生在校外实习基地实习，可以把所学的理论知识与实践相结合，迅速提高自身的适应能力和业务水平。因此，学校要想培养出符合外贸企业需要的高素质人才，必须充分利用社会资源，建立良好的校外实习基地，让学生到真实的企业环境中去学习、去锻炼。

4.1.1 太阳能的应用

欧洲各国在2018 年经济复苏后重启了对光伏项目的支持，俄乌冲突发生后，欧盟加速能源独立进程，首要任务是寻找天然气，其次是推动国家能源独立，其中光伏和风电共占到约20%的权重。2022 年预计为光伏增长大年，需求扩张动力来源于中国、印度、美国、巴西以及欧洲等。

太阳能电池技术也得到了快速发展，截至2022年1 月21 日，全球太阳能电池行业专利申请数量为42 707 项，其中，30 565 项太阳能电池专利为发明专利，占全球太阳能电池专利申请数量最多，为71.57%。实用新型太阳能电池专利和外观设计型太阳能电池专利数量分别为9 975，2 168 项，分别占全球太阳能电池专利申请数量的23.36%和5.08%。

4.1.2 风能的应用

18 世纪20 年代，在北美洲风力机被用来灌溉田地和驱动发电机发电。从1920 年起，人们开始研究利用风力机进行大规模发电。1931 年，在苏联建造了一台100 kW 容量的风力发电机，这是最早商业化的风力发电机。

据估算全世界的风能总量约1 300 亿kW，目前全球风能装机容量已超1 亿kW，产业年增长率达28.8%。世界各国都有风能利用的计划部署，美国计划到2030 年风电占电力总用量的20%，英国政府计划2020 年实现风电占电力总用量的15%，德国计划到2025 年实现风电占电力总用量的25%。

4.1.3 生物质能的应用

从行业上来看，生物质能源主要集中在发电、供热和运输领域，以供热和运输为主。如丹麦、芬兰和爱沙尼亚生物质发电只占总体可再生能源发电的2%～15%。对于大多数国家来说，固体生物质是生产生物质电力的主要燃料，而德国、意大利和克罗地亚的生物质电力主要来自沼气。在瑞士，可再生废物是生物质电力的主要燃料。

从供热结构上来看，化石燃料在大多数国家的供热方面仍然占据主导地位，通常占总供热量的75%，而生物质能是可再生供热的主要类型。一些国家如丹麦、爱沙尼亚、瑞典、芬兰的区域供热在可再生供热方面取得了进展。

在交通运输能源消耗上，化石燃料仍占全球运输能源消耗的95%以上。巴西与瑞典的可再生能源运输份额分别为25%和21%。生物柴油和燃料乙醇是主要的生物燃料类型，目前，燃料乙醇主要在汽油车比例高的国家使用，主要集中在巴西、美国和加拿大。考虑到未来电动汽车的大力发展，可再生燃料将会是替代化石燃料的重要途径。

4.1.4 氢能的应用

氢能的独特优势让世界各国在该领域都投入大量精力和资源进行研究，主要发达国家均制定了发展计划，日本明确向“氢能社会”推进国家能源战略；美国能源部成立氢能与燃料电池办公室，开展H2USA 氢能基础设施计划；德国开展Power－to－Gas（P2G）示范项目；英国开展H2Mobility Roadmap 路线；欧盟建设燃料电池与氢能联合项目（FCH2-JU）。

国际氢能源供给基础设施发展见表2。

表2 国际氢能源供给基础设施发展座

根据2017 年年底的预测，到2050 年全球环境20%的CO2减排要靠氢气完成，18%的终端能源需求由氢能承担。全球氢能源设施的市场规模到2030 年约为4 000 亿美元，到2050 年将达到1.6 万亿美元。氢能源设施市场规模预测见图1。

图1 世界氢能源设施市场规模预测

4.2 我国主要新能源技术发展现状

4.2.1 氢能

我国已有20 余省、市、自治区开始布局氢能产业，目前正在形成京津冀、华东、华南、华中四大产业集群地带，未来四大板块的带动效应将辐射到全国多个地区，推动我国氢能与燃料电池产业的进程。制氢路线：短中期内，发展高效低成本的氢化分离纯化技术；长期来看，可再生能源制氢是未来发展方向。输氢路线：2030 年能以常压高密度有机液体运输替代高压运输和低温液体氢气运输；在加氢站建设方面，规划2020 年建成100 座，2025 年超过300 座，2030 年超过1 000 座。

4.2.2 生物质能

目前我国生物质能利用主要包括生物质发电、生物液体燃料、生物质成型燃料、生物质燃气、生物制氢技术等。现阶段我国生物质能占我国能源消费总量比重仅1%左右，对比来看，欧盟的生物质能占到其终端能源消费的12%。

目前我国生物质发电主要有垃圾焚烧发电、农林生物质发电和沼气发电三大类。其中，垃圾焚烧发电占比最大，占总生物质发电量比重约为61.2%；其次是农林生物质发电，占比约为35.5%；再次是沼气发电，占比约为3.3%。到2021 年年底，我国生物质发电装机容量约3 798 万kW，发电量约1 637 亿kW·h。生物航油的替代使用是我国民航业唯一能实现大幅度碳减排的措施，未来30 年内航空CO2排放趋势及减排需求主要靠生物航油技术来实现，预计目标排放量下降50%。

4.2.3 太阳能

我国陆地上每年接收的太阳能辐射总量为3 300～8 400 MJ/m2，相当于燃烧2.4×104亿t 标准煤所释放的能量。我国在新疆、甘肃、青海、内蒙古等太阳能资源丰富地区，均有太阳能发电站建设部署，目前已建成2 座50 MW 太阳能发电站、1 座100 MW太阳能发电站。各地也正纷纷布局第二批太阳能发电站的建设。太阳能电池技术的发展也取得了一定的成绩，太阳能电池是光伏行业的重要一环。我国的太阳能电池产业具有完整产业链体系，拥有自主生产建设的知识产权专利。据统计，至2020 年，我国太阳能电池产量最多的地区是华东，占全国产量的73.2%。

4.2.4 风能

我国风电2020 年并网装机容量达7 167 万kW，新增装机连续11 年居于世界第一位。2011—2020年我国风电并网装机容量趋势如图2。

图2 2011—2020 年我国风电并网装机容量趋势

与装机容量一样，2011—2020 年，我国风电发电量呈逐年上升趋势，占全社会用电量比例也在不断攀升，如图3 所示，2020 年我国风电发电量为4 665 亿kW·h，同比增长约15%，占全社会用电量的6.2%。

图3 2011—2020 年我国风电发电量趋势

“十四五”期间，我国风电有大幅增长空间，年均增加容量超过5 000 万kW，开发方式仍以集中式为主。预计至2025 年，西部、北部地区风电新增装机容量约1.7 亿kW，东中部地区新增风电装机容量约1.5 亿kW。

5 结语

解决环境问题最重要的是以能源结构调整为主要出路，新能源事业的发展势在必行。要想快速推动低碳经济的发展，需加大新能源技术的研发，同时也要考虑新能源上下游产业链，以此来降低新能源的运行成本。本文通过介绍目前主流的新能源技术，以及国内外新能源发展的概况和趋势，为我国新能源的相关工作提供参考。