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應對碳中和,中國能源行業自主能源裝備研究
時間:2021.06.17瀏覽:972次

碳中和是指國家、企業、產品、活動或個人在一定時間內直接或間接產生的二氧化碳或溫室氣體排放總量,通過植樹造林、節能減排等形式,以抵消自身產生的二氧化碳或溫室氣體排放量,實現正負抵消,達到相對“零排放”。

       近日,院士謝克昌指出,實現碳中和目標的技術路徑有著優劣之分。其順序應該依次為節能提效、降低碳排放強度、增加低碳能源和減少高碳能源、通過植樹造林強化自然碳匯,以及二氧化碳捕集、封存和利用。

       目前,我國能源系統仍然以傳統能源為主,且碳排放強度偏高,因此在推進30?60雙碳目標的進程中,理想的能源路徑是走一條由低碳到零碳的轉型之路。在低碳方面,能源行業要堅持以提高能效、減少排放為理念,自主研發低碳能源裝備,不斷提高工業和能源領域的能源利用效率;同時在零碳能源方面,要大力開發可再生能源,提升可再生能源裝備技術水平。最終實現以科學合理的方式,有次序的推進30?60雙碳目標。

       一、低碳能源裝備

       作為世界第一制造業大國,我國工業領域是能源消耗的大戶,也是二氧化碳的主要排放源,目前我國工業領域能源消耗量占全國能源消耗總量的70%左右,單位GDP能耗也高出世界平均水平,因此,發展工業領域的節能減排技術和裝備是我國節能減排工作的重要課題。目前,工業余熱利用、熱電聯產、天然氣分布式利用是節能減排的主要技術,余熱鍋爐、熱電聯產機組、燃氣輪機是節能減排的主要低碳能源裝備。


       1.
余熱鍋爐

       余熱鍋爐是回收系統余熱提高能源利用效率的設備,雖然名為鍋爐,但余熱鍋爐中并不發生燃燒過程,實際上它是一個氣-水/蒸汽換熱器,利用高溫煙氣余熱、化學反應余熱、可燃氣體余熱以及高溫產品余熱生產高壓、中壓或低壓蒸汽、熱水。余熱鍋爐是工業領域提高能源利用效率的重要手段,如冶金行業的80%煙氣余熱是通過余熱鍋爐回收的,其節能效果十分顯著。

       近十年隨著節能減排工作的推進,國內主要余熱鍋爐設計制造企業獲得加速發展,余熱鍋爐為適應工業領域產能調整和增長,朝著大型化、高參數方向發展,如有色冶金行業蒸發量50 t/h、工作壓力4.2 MPa的余熱鍋爐,或鋼鐵冶金行業蒸發量達100 t/h,工作壓力12.5 MPa的干熄焦余熱鍋爐。


       2.
熱電聯產機組

       我國早期發電機組為了解決用電量需求較少考慮供熱問題,但隨著社會的發展,提高北方地區冬季取暖用能效率問題逐漸走入人們的視野,而熱電聯產機組是解決局部地區電力與熱力協同供應而提出的進階技術。

       熱電聯產機組是指同一電廠不僅生產電能,同時又可以利用做過功的蒸汽為用戶供熱的生產方式,即電能、熱能生產合為一體的工藝過程。傳統的熱電機組抽取在汽輪機組內做過功的中低品位蒸汽,以此對外進行供熱,從而達到生產電能的同時又提供熱能的目的,也稱為抽凝式熱電機組,其熱電機組效率可以提高至60%以上。此外,除了抽凝式熱電機組,還可以利用低壓光軸轉子、吸收式熱泵、高背壓供熱等節能供熱改造技術,進一步提高熱電機組的綜合效率,通過供熱改造,供熱機組熱效率可以提高至80%以上。

       隨著國家經濟的快速發展,電力市場不斷飽和,傳統的熱電機組面臨的生存壓力越來越嚴峻,通過運用合適的供熱改造技術,可以提高其市場競爭力。


       3.
燃氣輪機

       燃氣輪機是涉及國家能源和國防安全的戰略性產業,是能源動力裝備領域的最高端產品,代表裝備制造業的最高技術水平。燃氣輪機是一種先進而復雜的成套動力機械裝備,被譽為“裝備制造業皇冠上的明珠”,燃氣輪機能夠廣泛應用于燃氣發電調峰、油氣勘探開采、分布式能源等領域,各發達國家也將其列為保障國家安全、能源安全和保持國際競爭力的戰略產業。我國也十分重視燃氣輪機技術的發展,燃氣輪機是關系到我國建設清潔低碳、安全高效能源體系的重要裝備。

       按照功率等級,燃氣輪機可分為微型、小型、中型和重型。其中:發電功率為1 MW以下的稱微型燃氣輪機,1-10 MW為小型燃氣輪機,10-100 MW為中型燃氣輪機,100 MW以上為重型燃氣輪機,10 MW以下可統稱為微、小型燃氣輪機,10 MW以上可統稱為中重型燃氣輪機。

       重型燃機在全球范圍內基本形成了以GE、西門子、三菱公司三足鼎立的市場局面。國內重型燃氣輪機方面,主要以哈電集團、上電集團、東方電氣集團等國企為頭部企業,目前全行業具備了年產四十套左右燃用天然氣的F 和E 級重型燃氣輪機以及與之配套的燃氣~蒸汽聯合循環全套發電設備的能力,與國際先進技術差距正在不斷縮小。

       微、小型燃氣輪機與重型燃氣輪機相比,應用面更廣、需求量更大,在軍用電源、直升機動力、車船動力、分布式供能及工業驅動等領域均有著廣闊的市場前景,對大幅度提升我軍武器裝備技術水平與作戰能力和降低PM2.5、NOX及SO2等污染物的排放具有重要意義。

       分布式供能系統通過靠近用戶的能源利用設施,為終端用戶提供靈活、節能型的綜合能源服務,具有節能環保、能夠梯級利用和可再生能源綜合利用等特點,可有效減少中間環節損耗,降低對環境的負面影響,對于能源安全也具有重要意義。

       目前微、小型燃氣輪機市場大部分被國外廠商占據,近年來,我國微、小型燃氣輪機得到了快速發展,已經實現了高度國產化,其中許多民營企業經過長期努力具備了成熟、強大的商業競爭力。

       二、清潔能源裝備

       在實現碳達峰、碳中和的過程中,增加低碳能源是供給側減碳的主要手段,目前,我國風電和光伏產業已經雙雙居于世界首位,在全產業鏈技術和裝備方面已經具備了全面自主發展的能力,且隨著風電、光伏的技術和裝備不斷升級,未來風光發電成本還將進一步降低,屆時以風電、光伏為主的清潔能源裝備將具備更大的競爭優勢。


       1.
光伏產業鏈技術、裝備

       我國光伏近幾年得到了飛速發展,在能源低碳轉型和政策扶持下,帶動了光伏技術和裝備快速進步。根據能源局發布的數據,2020年我國光伏裝機新增4820萬千瓦,伴隨著“碳中和”的推進,2021年光伏全產業鏈將持續擴產,并且未來幾年會延續較高增速。

       (1)硅片與單晶、多晶硅技術

       硅料是生產硅片的原材料,由硅烷法、改良西門子法等生產出的高純度晶體硅可以分為單晶硅和多晶硅,這兩者都具有金剛石晶格,具有金屬光澤、可導電,并且具有半導體性質。根據不同的硅原料,可制成不同類型的太陽能電池。單晶硅電池具有電池轉換效率高和良好的穩定性,多晶硅電池轉換效率低于單晶硅太陽能電池。單晶硅的生產成本高于多晶硅。

       (2)電池片(PERC與HJT技術)

       目前常常提及的P型與N型光伏電池片主要是根據多晶硅摻入雜質及導電類型的不同。當硅中摻雜以施主雜質(V族元素如磷、砷、銻等)為主時,以電子導電為主,為N型多晶硅;當硅中摻雜以受主雜質(Ⅲ族元素如硼、鋁、鎵等)為主時,以空穴導電為主,為P型多晶硅。

       由于N型電池片的生產成本高于P型電池片,目前光伏市場應用的主流的電池片是PERC(鈍化發射極及背局域接觸電池)技術,2021年頭部企業PERC電池光電轉換效率可以提升至23.5%。

       另外,太陽能電池按照生產工藝不同可以分為晶硅電池和薄膜電池(硅片涂覆型太陽能電池以及PVD工藝高轉化率硅片太陽能電池),其中薄膜電池使用濺射靶材,靶材主要應用于薄膜太陽能電池的背電極環節以及HJT(異質結)電池的導體層。HJT技術作為PERC技術的替代技術,具有更高的光電轉換效率,未來有望得到規?;l展。

       (3)組件

       光伏組件是光伏電站建設的核心環節,光伏組件包括光伏玻璃和光伏支架,光伏支架是太陽能光伏發電系統中為了支撐、固定、轉動光伏組件而設計安裝的特殊結構件。光伏支架按照能否跟蹤太陽區分為固定支架和跟蹤支架。

       在全球來看,目前美洲地區依舊是光伏跟蹤支架的主要市場,占全球跟蹤支架需求的一半以上。根據Wood Mackenzie統計,全球前七大跟蹤支架廠家只有中信博和Nclave為中資企業,其他均為歐美企業,相比之下,我國光伏跟蹤支架滲透率較低,未來市場潛力巨大。

       (4)光伏逆變器

       光伏逆變器是太陽能光伏系統的心臟,其主要功能是將太陽能電池組件產生的直流電轉化為交流電,并入電網或使用。光伏逆變器由邏輯控制電路,濾波電路與以及逆變電路組成,其中逆變電路為逆變器核心。

       光伏組件產生的直流電,先經過直流濾波電路,去除電流波動和電磁干擾,進入逆變電路,在逆變電路中現將直流電轉換為交流電,再將不規則的交流電整流為正弦波交流電,再由輸出端的濾波電路濾除逆變過程中產生高頻干擾信號,從而并入電網或者直接供應負載。


       2.
風電裝備

       風力發電是利用風力帶動風車葉片旋轉,再透過增速機將旋轉的速度提升來促使發電機發電。風力發電機組包括風輪、發電機等;風輪由葉片、輪轂、加固件等組成。

       風電機組的零部件主要包括葉片、齒輪箱、發電機、塔架、主軸和制動系統等;其中,葉片、齒輪箱是風電機組成本中占比最大、價值最高的部分,葉片占整個機組成本的23%左右;同時鑄鍛件、電力電子也是主要零部件。

       (1)風機葉片:風機葉片屬于復合材料制品,是風機成本最高的單項零部件。大型風機葉片制作技術難度較高,而且具備葉片大、重量輕、強度高的特點,只有少數廠商具備量產能力。大功率葉片發展過程中的裝備升級與智能化生產迭代速度較快,在資金和技術上存在較大的壁壘,進一步促進了頭部公司領先地位。

       (2)風塔:由于風塔常年在野外惡劣環境下運行,風機運行對風塔的可靠性要求非常高,其運行壽命一般要保證20年。

       (3)風機鑄件:鑄件也是風機成本占比較高的零部件,鑄件制造成本受生鐵等原材料價格影響較大,且生產過程存在較高的技術、資金壁壘。

       (4)風機整機制造:中國風機整機環節處于國際領先地位,我國風機整機企業均為行業內世界領先的大型龍頭企業,其中包括金風科技、遠景能源、明陽風電、聯合動力、重慶海裝、上海電氣等。

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