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世界能源技术大盘点 储能技术和智能电网是核心
2016-07-25 19:47:32   来源:   评论:0 点击:

纵观全球,能源技术创新进入高度活跃期,以绿色低碳为主要方向,主要能源大国不断推出能源科技创新的举措。

当前,世界主要国家均把能源技术视为新一轮科技革命和产业革命的突破口,制定各种政策措施抢占发展制高点,增强国家实力和地位。

  在碳限制排放时代,技术的掌握将越来越决定减排目标的实现,也决定一个地区未来的经济繁荣和竞争力。一直以来,欧盟致力于引领世界低碳能源技术的发展,其绿色技术产业领先全球,也是主要先进能源技术输出地区之一。为保持欧盟地区的能源技术地位,激发更大潜力,欧盟委员会推出《欧洲战略能源技术计划》(SET-Plan),希望可以加快低碳技术的发展和部署。

  该计划的目标是创新技术,通过统筹研究、为项目提供资金从而降低技术成本。在欧洲境内,SET-Plan致力于科研和创新,帮助成员国顺利转向低碳能源系统,同时促进各国政府、企业、研究机构和欧盟之间的合作。SET-Plan包括计划指导小组、欧洲工业计划、欧洲能源研究联盟以及SET-Plan信息系统。

  市场需要能源创新技术

  为加快欧洲能源系统转型,2015年2月25日,欧盟委员会公布了能源联盟的战略纲领,旨在降低欧盟对进口石油和天然气的依赖,帮助成员国实现能源多样化。能源联盟将遵循五个原则:确保能源供应安全;建立完全一体化、具有竞争力的内部能源市场;降低能源需求,提高能源效率;加强利用可再生资源;加强研究、创新,以发展绿色技术。

  可以看出,技术创新是这五原则之一,可见欧盟对能源技术创新的重视程度。此外,确保能源供应安全、提高能源效率、加强利用可再生能源等原则也离不开对技术的依赖。对此,欧盟能源和气候行动专员MiguelAriasCanete说:“我们鼓励技术创新。我们需要一个技术创新的、高效的可再生能源市场。”

  欧盟认为,目前在洁净低碳技术方面欧盟并不占优势。在建立能源联盟后,通过充分交流、资源共享,不仅可以让欧盟居民享受更低廉的能源账单,还会让欧盟的公司成为可再生能源、低碳技术方面的领头羊。欧盟对节能产品、技术需求量很大,目前90%的存量房能源效率低下,94%的交通工具依赖于汽油。

  对此,欧盟已经出台了大量激励措施,希望各成员国中实力雄厚、有竞争力的企业能够提供更多的高效节能产品和技术,同时带动就业,创造更多的工作岗位。多种举措下,预计到2030年,欧盟能源效率至少提高27%。

  多机构联手打造好环境

  为了实现能源联盟目标,为创新技术发展提供良好的环境,欧盟在SET-Plan下设立了多个机构,以求全方位、立体化为能源技术研发保驾护航。其中战略能源技术督导小组由欧盟成员国的高级代表组成,还包括来自冰岛、挪威、瑞士和土耳其的代表。督导小组协调制定相关计划并对实施情况进行监督,促进国家之间的联合行动。

  欧洲产业计划(EIIs)则负责召集在关键技术领域的欧盟成员国、产业及研究人员,通过集中资金、技术和研究设施促进能源技术市场的发展。欧洲产业计划下设风能、太阳能、电网、碳捕捉与封存、核电、生物质能、智慧城市和社区、燃料电池和氢能源等八个领域,每个领域都设有专门网站和领导小组。

  此外,还有欧洲能源研究联盟(EERA)和SET-Plan信息系统。前者负责联合科研院所和高校制定新能源技术发展计划,并协调研究工作、共享信息;后者负责评估能源技术政策的影响,审查各种技术方案的成本和效益并评估实施成本,这些信息对欧洲私人企业、贸易协会、金融机构等至关重要。

  欧洲风能技术平台(TPWind)

  TPWind是欧洲风力能源领域政策、技术研究、发展途径不可或缺的平台,也为成员国(包括风能方面欠发达的国家)之间的非正式合作提供机会。风能是欧盟主要的可再生能源技术之一,需要给予其正确的支持。根据欧洲风能协会的预测,如果政策足够到位,到2030年,风能将为欧盟提供34%的电力。

  然而,如果政策制定者只考虑短期,这个目标可能不会实现。长期以来,技术方面的战略行动都是促进风能发展的根本。TPWind将国家与欧盟政策互补,构建有效的市场,实现战略协作,最终促进技术发展。该组织的目标是实现成本削减,确保风力发电(无论是陆上风电还是海上风电)的竞争力。

  新技术展示

  风机中的“变形金刚”

  一种可折叠模块化的风机叶片设计被联合科研团队公布,应用这种设计的风电机组能够被用于恶劣天气条件下实现自我保护功能,可以应用于海上的大型风机。

  该团队的设计被称为“分段超轻变形风轮”,这种叶片按照风向进行安装,在危险的天气条件下可以像棕榈树叶一样折叠起来,应用这种设计的叶片能够在实现最大叶片长度的同时保持轻量化,分段设计可让叶片在现场进行安装。

  当折叠式叶片达到最大长度时,在海面的强大风力吹动下可以发出50兆瓦的功率峰值。如果采用传统配置方案,这样的长叶片将会出乎意料的沉重,但在全新的分段结构设计下,超长叶片也可以达到超轻的结构质量。此外,新设计拥有应对恶劣天气的适应性,在遭受大风时能够顺风变形弯曲,在飓风中可以完全收起,将影响因素降至最低。

  欧洲电网计划(EEGI)

  EEGI是在战略能源技术计划指导下设立的欧洲工业计划之一。该计划提出了为期9年的示范项目,以加速欧洲未来电网的创新发展。方案更侧重于电网系统的创新,而不仅仅是单纯的技术创新,解决了在现实工作条件下,整合新技术的挑战并对结果进行验证。

  EEGI希望在路线图和实施计划的基础上,与欧盟委员会、欧洲电力与燃气监管机构及其他利益相关者密切合作,共同推进示范项目的建设。

  EEGI的目标是:增加可再生能源和分布式电源的承载能力;将各国电网整合成为联通整个欧洲的、以市场为基础的大电网;为客户提供高水平的电力供应;对新发展作出合理预期,如逐步实现电气化运输;让电网在未来变得更加经济有效,使客户受益;鼓励客户广泛参与到市场和提高能源效率的活动中来;在智能电网领域,为新的投资者开放市场并提供商业机会。

  技术趋势分析

  储能技术和智能电网是核心

  在欧洲未来电网中,不仅有装机规模较大的发电厂,在可再生能源比重不断增加的情况下,还会有大量分散的、家庭用太阳能或热电联产装置。例如,在英国,很多家庭有自己的小锅炉。在这种电网结构下,促进了储能和电能质量控制技术的发展,因此欧洲未来供电结构是分布式发电和交互式供电。

  要想大规模实现可再生能源供电,储能技术是电网技术的核心,是解决可再生能源间歇性供电问题的有效方案。现在主要的储能技术包括抽水蓄能、压缩空气蓄能、电池储能、超导磁储能等。全球范围内,该技术发展很快,特斯拉主打的家庭用锂电池Powerwall铅酸蓄电池点燃了电池储能的火焰。澳大利亚Redflow公司研发了更为高效的锌溴液流电池,不仅可以与家庭太阳能装备相配套,还可有效缓解电网设施投资矛盾。液态空气储能系统研究也获得突破,可不受地域限制,独立灵活地实现电力存储与释放。

  在智能电网方面,为满足欧洲未来供电需求要进行大胆尝试,具有柔性、易接入、可靠、经济4个方面的特性。对提高电能传输能力和减少损耗的需要导致新型网络技术的兴起,如气体绝缘输电技术,超导性、高温运行技术、柔性交流输电技术等。

  欧盟能源联盟提出,到2020年,所有成员国均实现装机发电互换率(即电网互联水平)至少达到10%,这仅仅是最低目标,因此对电网技术的发展提出了更高要求。

  燃料电池和氢能源联合机构(FCH-JU)

  该机构是一个独特的公私合作伙伴关系,在欧洲范围内,支持对燃料电池和氢能源的科学研究、技术开发和示范项目。目标是加速市场引进这些先进技术,发挥作用,把相关技术作为实现低碳能源系统的有效工具。

  燃料电池是一种高效的转化技术,氢能源也是一种清洁能源载体,二者具有很大的潜力,有助于对抗二氧化碳的排放,解决欧洲面临的能源挑战,减少对碳氢化合物的依赖并促进经济增长及就业。FCHJU通过联合各界,努力将这些好处带给欧洲。燃料电池和氢能源将配合可再生能源技术应用于电力运输、促进分布式发电,帮助欧洲应对风能等发电方式间歇性的难题。FCHJU成员主要主要由三部分组成:欧盟委员会、HydrogenEurope燃料电池和氢工业的代表、N.ENERGY研究小组代表。

  技术趋势分析

  种类繁多,市场很大

  燃料电池(FuelCell)是一种将存在于燃料与氧化剂中的能量直接转化为电能的发电装置,涉及化学热力学、电化学、电催化、材料科学、电力系统及自动控制等学科的有关理论,具有发电效率高、环境污染少等优点。

  按燃料处理方式的不同,可分为直接式、间接式和再生式。直接式燃料电池按温度的不同又可分为低温、中温和高温三种类型。间接式包括重整式燃料电池和生物燃料电池。再生式包括光、电、热、放射化学燃料电池等。按照电解质类型的不同,可分为碱型、磷酸型、聚合物型、熔融碳酸盐型、固体电解质型燃料电池。

  目前,欧洲燃料电池市场蓬勃发展,德国是欧洲主要碱性燃料电池进出口贸易国,2014年德国进口碱性电池金额为2.25亿美元,法国进口金额为1.57亿美元,英国为1.77亿美元。

  走在燃料电池研发前沿的国家是美国。碱性燃料电池(AFC)是第一个燃料电池技术的发展,最初应用于美国航空航天局的太空计划,在航天器上生产水和电力。据物理学家组织网报道,美国科学家开发出一种直接以生物质为原料的低温燃料电池。这种燃料电池只需借助太阳能或废热就能将稻草、锯末、藻类甚至有机肥料转化为电能,能量密度比基于纤维素的微生物燃料电池高出近100倍。

  可持续核能技术平台(SNETP)

  SNETP主要分为三部分:核电二代&三代协会(NUGENIA)、欧盟可持续核工业倡议(ESNII)、核能热电联产工业倡议(NC2I)。三个机构共同努力做到:维持现今安全的、富有竞争力的核技术;开发新一代更加可持续的反应堆技术;发展新的核电应用设施。

  NUGENIA是一个国际性非盈利协会,致力于研究和发展核裂变技术,主要关注二代、三代核电站。通过发起和支持国际研发项目方案,为社会公众提供科学和技术基础。该协会联合来自工业、研究机构、安全组织和学术界的利益相关者,共同开发核电领域技术。

  ESNII则主要针对当前对第四代快中子反应堆示范技术的需要,结合配套的科研基础设施、燃料设施展开研发工作。该机构的主要目标是在2025年之前,设计、许可、建设钠冷快堆(SFR),该项目称为ASTRID,同时建设柔性快速谱镭射装置,称为MYRRHA。此外,ALFRED示范项目采用铅冷快堆(LFR)技术,ALLEGRO示范项目为气冷快堆(GFR)技术,二者均为核电技术路线图的一部分。

  NC2I的目标是利用核能技术,为节能低碳社会打造创新的、富有竞争力的热电联产技术。目前,进展较好的项目将在10年内,为数个能源密集型产业提供热电联产示范系统。

  技术趋势分析

  三代技术将成主流

  目前,核电的技术进化趋势十分明显。1970~1990年,国际普遍采用二代核电技术,即压水反应堆和沸水反应堆;经过更新改进,三代及三代+技术将持续应用到2050年,主要为加压重水反应堆;2070~2090年,气冷式快堆、铅冷式快堆、熔盐反应堆等将成为主流。在国际能源署发布的《2015核电技术路线图》中,认为小型模块化反应堆(SMR)通过微电网或孤立市场有效拓展了能源市场,尤其在部分不适合建设大型核电站的地方。模块化的设计也有助于解决融资障碍。

  截至2014年12月,世界上共有438个可运行的反应堆,装机约为396吉瓦。大约82%的反应堆是轻水反应堆(LWR),其中又有63%为压水反应堆(PWR),19%为沸水反应堆(BWR)。世界上11%的加压重水反应堆(PHWR)在加拿大和印度运营,约3%的气冷式核反应堆(GCR)全部在英国运营,大部分将在未来十年退休。另外3%的反应堆的俄语缩写为RBMK,也就是石墨慢化轻水冷却反应堆(LWGR);这些反应堆目前只有俄罗斯在运营,在下一个十年结束前很可能就退役。438个反应堆里还有一个是钠冷式快反应堆(FBR),这是四代核电技术实例之一。

  此外,核聚变反应堆技术也在加紧研发之中,主要应用高温超导体、环形腔磁场等技术控制聚变等离子体。目前世界上最大的核聚变项目是ITER(国际高热原子能反应堆),是一个由30个国家联合建立的巨大核聚变反应堆,位于法国南部,仅磁体重量就与一架波音747飞机相当。同时多家私人资本公司也在加速研究小型核聚变装置,以求产品早日问世。

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