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应对碳中和,中国能源行业自主能源装备研究
时间:2021.06.17浏览:97次

碳中和是指国家、企业、产品、活动或个人在一定时间内直接或间接产生的二氧化碳或温室气体排放总量,通过植树造林、节能减排等形式,以抵消自身产生的二氧化碳或温室气体排放量,实现正负抵消,达到相对“零排放”。

       近日,院士谢克昌指出,实现碳中和目标的技术路径有着优劣之分。其顺序应该依次为节能提效、降低碳排放强度、增加低碳能源和减少高碳能源、通过植树造林强化自然碳汇,以及二氧化碳捕集、封存和利用。

       目前,我国能源系统仍然以传统能源为主,且碳排放强度偏高,因此在推进30•60双碳目标的进程中,理想的能源路径是走一条由低碳到零碳的转型之路。在低碳方面,能源行业要坚持以提高能效、减少排放为理念,自主研发低碳能源装备,不断提高工业和能源领域的能源利用效率;同时在零碳能源方面,要大力开发可再生能源,提升可再生能源装备技术水平。最终实现以科学合理的方式,有次序的推进30•60双碳目标。

       一、低碳能源装备

       作为世界第一制造业大国,我国工业领域是能源消耗的大户,也是二氧化碳的主要排放源,目前我国工业领域能源消耗量占全国能源消耗总量的70%左右,单位GDP能耗也高出世界平均水平,因此,发展工业领域的节能减排技术和装备是我国节能减排工作的重要课题。目前,工业余热利用、热电联产、天然气分布式利用是节能减排的主要技术,余热锅炉、热电联产机组、燃气轮机是节能减排的主要低碳能源装备。


       1.
余热锅炉

       余热锅炉是回收系统余热提高能源利用效率的设备,虽然名为锅炉,但余热锅炉中并不发生燃烧过程,实际上它是一个气-水/蒸汽换热器,利用高温烟气余热、化学反应余热、可燃气体余热以及高温产品余热生产高压、中压或低压蒸汽、热水。余热锅炉是工业领域提高能源利用效率的重要手段,如冶金行业的80%烟气余热是通过余热锅炉回收的,其节能效果十分显著。

       近十年随着节能减排工作的推进,国内主要余热锅炉设计制造企业获得加速发展,余热锅炉为适应工业领域产能调整和增长,朝着大型化、高参数方向发展,如有色冶金行业蒸发量50 t/h、工作压力4.2 MPa的余热锅炉,或钢铁冶金行业蒸发量达100 t/h,工作压力12.5 MPa的干熄焦余热锅炉。


       2.
热电联产机组

       我国早期发电机组为了解决用电量需求较少考虑供热问题,但随着社会的发展,提高北方地区冬季取暖用能效率问题逐渐走入人们的视野,而热电联产机组是解决局部地区电力与热力协同供应而提出的进阶技术。

       热电联产机组是指同一电厂不仅生产电能,同时又可以利用做过功的蒸汽为用户供热的生产方式,即电能、热能生产合为一体的工艺过程。传统的热电机组抽取在汽轮机组内做过功的中低品位蒸汽,以此对外进行供热,从而达到生产电能的同时又提供热能的目的,也称为抽凝式热电机组,其热电机组效率可以提高至60%以上。此外,除了抽凝式热电机组,还可以利用低压光轴转子、吸收式热泵、高背压供热等节能供热改造技术,进一步提高热电机组的综合效率,通过供热改造,供热机组热效率可以提高至80%以上。

       随着国家经济的快速发展,电力市场不断饱和,传统的热电机组面临的生存压力越来越严峻,通过运用合适的供热改造技术,可以提高其市场竞争力。


       3.
燃气轮机

       燃气轮机是涉及国家能源和国防安全的战略性产业,是能源动力装备领域的最高端产品,代表装备制造业的最高技术水平。燃气轮机是一种先进而复杂的成套动力机械装备,被誉为“装备制造业皇冠上的明珠”,燃气轮机能够广泛应用于燃气发电调峰、油气勘探开采、分布式能源等领域,各发达国家也将其列为保障国家安全、能源安全和保持国际竞争力的战略产业。我国也十分重视燃气轮机技术的发展,燃气轮机是关系到我国建设清洁低碳、安全高效能源体系的重要装备。

       按照功率等级,燃气轮机可分为微型、小型、中型和重型。其中:发电功率为1 MW以下的称微型燃气轮机,1-10 MW为小型燃气轮机,10-100 MW为中型燃气轮机,100 MW以上为重型燃气轮机,10 MW以下可统称为微、小型燃气轮机,10 MW以上可统称为中重型燃气轮机。

       重型燃机在全球范围内基本形成了以GE、西门子、三菱公司三足鼎立的市场局面。国内重型燃气轮机方面,主要以哈电集团、上电集团、东方电气集团等国企为头部企业,目前全行业具备了年产四十套左右燃用天然气的F 和E 级重型燃气轮机以及与之配套的燃气~蒸汽联合循环全套发电设备的能力,与国际先进技术差距正在不断缩小。

       微、小型燃气轮机与重型燃气轮机相比,应用面更广、需求量更大,在军用电源、直升机动力、车船动力、分布式供能及工业驱动等领域均有着广阔的市场前景,对大幅度提升我军武器装备技术水平与作战能力和降低PM2.5、NOX及SO2等污染物的排放具有重要意义。

       分布式供能系统通过靠近用户的能源利用设施,为终端用户提供灵活、节能型的综合能源服务,具有节能环保、能够梯级利用和可再生能源综合利用等特点,可有效减少中间环节损耗,降低对环境的负面影响,对于能源安全也具有重要意义。

       目前微、小型燃气轮机市场大部分被国外厂商占据,近年来,我国微、小型燃气轮机得到了快速发展,已经实现了高度国产化,其中许多民营企业经过长期努力具备了成熟、强大的商业竞争力。

       二、清洁能源装备

       在实现碳达峰、碳中和的过程中,增加低碳能源是供给侧减碳的主要手段,目前,我国风电和光伏产业已经双双居于世界首位,在全产业链技术和装备方面已经具备了全面自主发展的能力,且随着风电、光伏的技术和装备不断升级,未来风光发电成本还将进一步降低,届时以风电、光伏为主的清洁能源装备将具备更大的竞争优势。


       1.
光伏产业链技术、装备

       我国光伏近几年得到了飞速发展,在能源低碳转型和政策扶持下,带动了光伏技术和装备快速进步。根据能源局发布的数据,2020年我国光伏装机新增4820万千瓦,伴随着“碳中和”的推进,2021年光伏全产业链将持续扩产,并且未来几年会延续较高增速。

       (1)硅片与单晶、多晶硅技术

       硅料是生产硅片的原材料,由硅烷法、改良西门子法等生产出的高纯度晶体硅可以分为单晶硅和多晶硅,这两者都具有金刚石晶格,具有金属光泽、可导电,并且具有半导体性质。根据不同的硅原料,可制成不同类型的太阳能电池。单晶硅电池具有电池转换效率高和良好的稳定性,多晶硅电池转换效率低于单晶硅太阳能电池。单晶硅的生产成本高于多晶硅。

       (2)电池片(PERC与HJT技术)

       目前常常提及的P型与N型光伏电池片主要是根据多晶硅掺入杂质及导电类型的不同。当硅中掺杂以施主杂质(V族元素如磷、砷、锑等)为主时,以电子导电为主,为N型多晶硅;当硅中掺杂以受主杂质(Ⅲ族元素如硼、铝、镓等)为主时,以空穴导电为主,为P型多晶硅。

       由于N型电池片的生产成本高于P型电池片,目前光伏市场应用的主流的电池片是PERC(钝化发射极及背局域接触电池)技术,2021年头部企业PERC电池光电转换效率可以提升至23.5%。

       另外,太阳能电池按照生产工艺不同可以分为晶硅电池和薄膜电池(硅片涂覆型太阳能电池以及PVD工艺高转化率硅片太阳能电池),其中薄膜电池使用溅射靶材,靶材主要应用于薄膜太阳能电池的背电极环节以及HJT(异质结)电池的导体层。HJT技术作为PERC技术的替代技术,具有更高的光电转换效率,未来有望得到规模化发展。

       (3)组件

       光伏组件是光伏电站建设的核心环节,光伏组件包括光伏玻璃和光伏支架,光伏支架是太阳能光伏发电系统中为了支撑、固定、转动光伏组件而设计安装的特殊结构件。光伏支架按照能否跟踪太阳区分为固定支架和跟踪支架。

       在全球来看,目前美洲地区依旧是光伏跟踪支架的主要市场,占全球跟踪支架需求的一半以上。根据Wood Mackenzie统计,全球前七大跟踪支架厂家只有中信博和Nclave为中资企业,其他均为欧美企业,相比之下,我国光伏跟踪支架渗透率较低,未来市场潜力巨大。

       (4)光伏逆变器

       光伏逆变器是太阳能光伏系统的心脏,其主要功能是将太阳能电池组件产生的直流电转化为交流电,并入电网或使用。光伏逆变器由逻辑控制电路,滤波电路与以及逆变电路组成,其中逆变电路为逆变器核心。

       光伏组件产生的直流电,先经过直流滤波电路,去除电流波动和电磁干扰,进入逆变电路,在逆变电路中现将直流电转换为交流电,再将不规则的交流电整流为正弦波交流电,再由输出端的滤波电路滤除逆变过程中产生高频干扰信号,从而并入电网或者直接供应负载。


       2.
风电装备

       风力发电是利用风力带动风车叶片旋转,再透过增速机将旋转的速度提升来促使发电机发电。风力发电机组包括风轮、发电机等;风轮由叶片、轮毂、加固件等组成。

       风电机组的零部件主要包括叶片、齿轮箱、发电机、塔架、主轴和制动系统等;其中,叶片、齿轮箱是风电机组成本中占比最大、价值最高的部分,叶片占整个机组成本的23%左右;同时铸锻件、电力电子也是主要零部件。

       (1)风机叶片:风机叶片属于复合材料制品,是风机成本最高的单项零部件。大型风机叶片制作技术难度较高,而且具备叶片大、重量轻、强度高的特点,只有少数厂商具备量产能力。大功率叶片发展过程中的装备升级与智能化生产迭代速度较快,在资金和技术上存在较大的壁垒,进一步促进了头部公司领先地位。

       (2)风塔:由于风塔常年在野外恶劣环境下运行,风机运行对风塔的可靠性要求非常高,其运行寿命一般要保证20年。

       (3)风机铸件:铸件也是风机成本占比较高的零部件,铸件制造成本受生铁等原材料价格影响较大,且生产过程存在较高的技术、资金壁垒。

       (4)风机整机制造:中国风机整机环节处于国际领先地位,我国风机整机企业均为行业内世界领先的大型龙头企业,其中包括金风科技、远景能源、明阳风电、联合动力、重庆海装、上海电气等。

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