全球新能源的中国沿海区域高质量发展机遇与挑战前瞻产业研究院2023年8月目录CONTENT01“3060”双碳背景与全球新能源产业发展03新能源产业技术突破方向分析02中国沿海地区新能源产业发展优势与挑战04沿海地区新能源发展实践与启示背景1.1工业文明与“3060”双碳目标发展1.2新能源为全球应对气候变化的关键1.1工业文明：以利用化石能源为基础，带来温室气体排放工业文明是以工业化为重要标志、机械化大生产占主导地位的一种现代社会文明状态，例如用煤炭发电和供暖，以燃油为动力的汽车，对煤炭、原油、天然气等传统化石能源的利用使人类从农业文明走向了工业文明。后工业化时代将进入可持续发展的经济模式，对新能源的开发已成为本世纪的全球性议题。180018301860189019201950196619691972197519781981198419871990199319961999200220052008201120142017风能核能氢能传统生物质能其他可再生能源生物质能太阳能煤炭天然气石油资料来源：OurWorldinData；公开资料前瞻产业研究院整理蒸汽机时代煤炭电气化时代石油信息化时代煤炭+石油+天然气智能化时代化石能源+新能源化石能源为主导化石能源向新能源转变19世纪18世纪20世纪21世纪1800-2019年全球一次能源消费结构（TWh）2019石油天然气煤炭438493929253620化石能源登上历史舞台主要特点→制造自然物、改变并征服自然使用能源→煤炭、石油、天然气等化石能源主体观念→人类中心主义人与自然的关系→处于不和谐状态工业文明的特征1.1“双碳”目标：为我国重大战略部署、减排将缓解全球气候变暖由温室气体排放所带来的气候变化已成为21世纪全人类共同面对的严峻挑战之一，现阶段中国CO2排放总量大，2021年碳排放占全球的31.1%。减排压力大。在2020年9月份的第七十五届联合国大会一般性辩论上，国家主席习近平向全世界承诺：力争于2030年前达到峰值，2060年前实现“碳中和”的宏远目标，至此，双碳目标成为我国重大战略部署。习主席在第七十五届联合国大会发言：“中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。”“3060”双碳目标事关中华民族永续发展和构建人类命运共同体2000-2021年全球能源相关的CO2排放量（单位：亿吨）《巴黎协定》温控目标——全球气温升幅控制在比工业化前水平高2℃之内，并寻求进一步控制在1.5℃之内236.41338.8433.28105.2320002003200620092012201520182021全球中国资料来源：BP；《巴黎协定》等前瞻产业研究院整理1.2.1全球新能源产业蓬勃发展，为应对气候变化的关键全球持续推进可再生能源替代化石能源，发展新能源，实现能源转型，降低化石能源消费，减少碳排放。截至2022年底，全球可再生能源发电装机总容量达到3372GW，其中，新增电力装机容量中可再生能源占比83%。从减碳成效来看，2022年太阳能和风力发电的显着增长帮助电力行业减少了约465百万吨CO2排放，其他可再生能源、电动汽车和热泵等新能源技术，帮助减少了大约85百万吨CO2的排放。资料来源：IRENAIEA前瞻产业研究院整理1444156616981852201421852357254228073064337220122013201420152016201720182019202020212022单位：GW2012-2022年全球可再生能源发电装机总容量2022年全球可再生能源新增装机总容量占比23523085风力发电太阳能发电其他新能源技术单位：百万吨2022年全球新能源技术减碳情况1.2.2新能源汽车持续渗透，成为全球节能减排重要一环燃油车排放是全球温室气体的重要来源（约占10%），新能源汽车成为减排重要一环，加大新能源汽车对传统燃油车的替代效应，可以有效改善汽车使用环节的碳排放。从单车全生命周期碳排放核算来看，新能源车的单车全生命周期碳排放比传统燃油车相比能减排25%-45%。从使用环节看，新能源汽车在使用环节的碳排放是传统燃油车的50%左右。2018-2022年全球新能源汽车销量持续增长，2022年达到1065万辆，同比增长63.5%。资料来源：TrendForce前瞻产业研究院整理201.8204.6296.7651.11065.020182019202020212022单位：万辆2018-2022年全球新能源汽车销量全生命周期较传统燃油车减排25%-45%使用环节较传统燃油车减排50%新能源汽车减碳情况优势&挑战2.4新能源技术发展的必要性2.1全国新能源产业发展现状2.2沿海地区新能源产业发展面临的挑战2.3新能源产业发展面临的挑战2.1.1产业供需情况：全国新能源产业供需呈现快速增长得益于国家“双碳”发展机遇，中国新能源产业正处于快速发展阶段。从发电装机规模来看，截至2021年底，包括水力、风能等可再生能源发电及核电在内的新能源发电装机容量占比提升至45.5%；2021年新增新能源发电装机规模占比超过七成，新能源成为发电装机的主要增长力。从应用需求端来看，中国新能源汽车保有量也呈现加速增长趋势资料来源：国家能源局；公安部前瞻产业研究院整理中国新能源汽车保有量变化1532613814927841001201720182019202020212022.6单位：万辆中国新能源发电新增装机占比超七成火电26.3%水电13.3%风电27.0%光伏31.2%其他2.3%2021年2016-2021年中国发电装机容量结构变化0%50%100%201620172018201920202021火电核电太阳能发电风电水电其他新能源发电占比45.5%注：新能源指非常规能源，已经广泛利用的煤炭、石油、天然气、水能等能源属于常规能源。2.1.2产业生态图谱：新能源产业优势持续增强以风电、光伏、新能源汽车和氢能为代表的新能源产业已成为世界能源版图中最为热门的竞争领域。近年来，我国逐步完备新能源产业链，新能源产业优势持续增强。资料来源：前瞻产业研究院整理新能源及可再生能源发电设备、组件及零部件制造氢能、水电、风电、光伏发电及可再生能源发电下游具体应用新能源车加氢站输变电2.2.1沿海地区优势：风能和太阳能资源丰富，海洋能资源潜力较大我国海岸线绵长，近海海域辽阔，沿海地区太阳能及风能资源丰富，其中，海上风电具有功能密度较高、就近消纳等天然优势，海上风电场不占用土地资源，且风机容量大，风资源利用率更加充分；在同等光照条件下日照时间长、辐射量高等优势使得海上光伏项目的光照利用效率更高，海上光伏电站发电量较高。此外，我国近岸及其毗邻海域海洋能资源储备丰富，能量密度位于世界前列，中国占全球海洋能源发电储量的近1/5。资料来源：前瞻产业研究院整理沿海地区风能优势中国海岸线长达1.8万公里，可利用海域面积300多万平方公里，海上风能资源丰富资源丰富中国近海风能资源主要集中在东南沿海及其附近岛屿，风功率密度基本在300瓦/平方米以上功率密度高就近消纳海上风电分布在沿海地区，紧邻中国电力负荷中心，不需要长距离的电力运输，且海上风电不占用土地资源沿海地区太阳能优势日照时间长沿海地区地势开阔，通常享有更多的日照时间，水面反射光能够促进太阳能资源充分利用辐射强度高沿海地区通常位于较低维度，太阳直射角度更大，显著提升太阳能发电量，水上光伏发电量一般较陆地光伏高5%-10%2.2.2沿海地区优势：出口技术装备，推动跨国产业互联互通中国新能源产品出口增长明显，尤其是光伏产品。2022年，中国光伏组件、硅片、电池片出口量分别达到约153.6GW、36.3GW、23.8GW，同比增长56%、61%、131%。，出口额、出口量均创历史新高；2022年中国出口的风电光伏产品为其他国家减排二氧化碳约5.73亿吨，合计减排28.3亿吨，约占全球同期可再生能源折算碳减排量的41%。中国沿海地区可发挥其出口优势，推动新能源产业在全球范围的互联互通。资料来源：中国光伏行业协会前瞻产业研究院整理5.73亿吨153.6GW23.8GW36.3GW中国出口风电光伏产品为其他国家减排二氧化碳组件硅片电池片2022年中国光伏产品出口情况沿海地区新能源产品出口优势•中国沿海地区汇聚大量高科技企业和产业集群，可为新能源技术局装白研发、生产和出口提供强大支撑产业集群优势•中国沿海地区靠近港口，有利于海运出口，节省运输成本和时间。临海的地理位置更方便与全球客户和供应链交互地理位置优势•中国沿海地区经济发展水平较高，拥有更丰富的资金和人才资源经济发展优势2.3.1产业发展挑战：规模化供给与高效率应用之间的不协调光伏发电、风电为主的新能源发电侧受到资源不可控和天气、昼夜、季节等自然条件的影响，具有间歇性、波动性、随机性等特征，电能质量也会衍生出频率、电压等一系列问题。与此同时，受制于“储存”和“传输”等瓶颈，导致新能源从规模化生产到高效率应用之间的不协调和不匹配，进而引发电量大于电力系统最大传输和负荷消纳电量的弃风、弃光现象。资料来源：融通新能云；全国新能源消纳监测预警中心等前瞻产业研究院整理间歇性波动性随机性可再生能源发电不间断供电稳定供电调度错峰用电需求供需矛盾1357911131517192123一日光伏发电功率变化1357911131517192123风电负荷一日风力发电功率和用电负荷变化0%5%10%15%青海内蒙古西新疆河北甘肃吉林山西宁夏蒙东陕西辽宁全国弃风率：3.1%0%5%10%15%20%西藏青海内…宁夏陕西河北新疆甘肃吉林山西全国弃光率：2.0%2.3.2产业发展挑战：新能源电力供给与需求存在区域错配根据太阳能、风能等主要新能源的资源分布情况来看，我国新能源电力的供给地区主要是西北和东北，而用电需求多在东部和南部地区，新能源电力供需存在区域错配，电力传输过程进一步增加了新能源供电的成本，给新能源大规模利用带来挑战。中国太阳能资源分布图（光伏发电潜力）资料来源：SOLARGIS；全球能源互联网发展合作组织前瞻产业研究院整理中国风资源分布图（附风电场）2.3.3产业发展挑战：土地资源不足制约新能源维持高速大规模发展新能源大规模利用面临着土地资源不足的问题。与传统能源相比，新能源能量密度较低，普遍占地面积大，且涉及土地类型复杂，每千瓦的光伏/风电及其配套设施至少占地20-150平方米。新能源维持高速大规模发展需要依赖土地，在面对我国人多地少的基本国情和现代化建设的进程时，土地资源约束明显。土地资源不足导致新能源项目建设存在用地供应缺口，制约着新能源产业的大规模发展。资料来源：国家统计局；国土资源部；世界银行等前瞻产业研究院整理0.3610.2210.1840.1570.0950.0851961年2000年2018年世界中国单位：公顷/人中国人均耕地面积不到全球平均水平的1/2风电项目的土地使用存在审批繁琐和指标获取难问题光伏项目也存在着土地使用不规范甚至违规占地等问题土地资源短缺问题项目用地违规风险2.4新能源技术发展的必要性：技术创新是产业发展的核心增长力从新能源产业发展机遇来看，生态文明的建设与“双碳”目标的实现均离不开新能源产业的发展和新能源技术创新的推动；从产业发展挑战来看，土地资源不足、能源资源供需错配、可再生能源电力供需不协调等问题，都需通过相关技术的发展来解决。总而言之，技术创新是新能源产业发展的核心增长力。资料来源：前瞻产业研究院整理技术创新是核心增长力储能可再生能源智能电网氢能…抓住机遇沿海优势碳中和目标工业文明目标实现以技术创新推动能源转型风光资源丰富且具备出口区位优势工业文明向生态文明转变依托于技术创新克服挑战供需间不协调供需区域错配土地资源不足推动海上风电、海洋能等新兴能源技术开发促进电力传输、分布式能源及智能电网技术进步发展电力配套“储存”技术及地热能的需求技术3.1新能源产业整体技术路径3.2新能源产业关键技术分析3.1新能源产业整体技术路径资料来源：前瞻产业研究院整理风能太阳能相较于其他可再生能源，风能与太阳能资源丰富潜力大海上风能资源更丰富，大量资源处于远海深海浮动海上风电技术钙钛矿叠层电池技术光子倍增器薄膜技术硅基太阳能电池转化效率低太阳能吸收波长限制效率低风能与太阳能存在波动性，需要长时间的廉价储能方案可再生能源风能太阳能海洋能地热能等铁空气电池液态金属电池热岩储能碳块高温储热氢能制氢储运氢加氢用氢长时储能电化学储能热储能机械储能化学储能电磁储能传统机械储能存在局限可再生能源、电气化无法解决所有问题，氢能作为重要能源载体发挥着作用氢燃料电池汽车电动汽车新能源汽车动力电池为关键技术突破口海洋能地热能智能电网新型化石能源天然气水合物固态流化开采CO2置换开采闪蒸式地热发电地源热泵“双碳”愿景下，清洁能源为发展主旋律开采与碳封存双重效益跳出“石油思维”风能与太阳能资源与用电需求存在区域错配潮流能发电波浪能发电储量最大应用最广光伏与陆上风电项目建设土地资源不足风能与太阳能受天气影响大应用广泛运行稳定性更好固态电池降低成本是关键PEM质子燃料电池3.2.1天然气水合物:全球资源储量极其丰富的新型能源天然气水合物又称“可燃冰”，是水和天然气在高压低温环境条件下形成的冰态、笼形化合物，主要分布于海洋及陆地永久冻土带。迄今为止，在世界各地的海洋及大陆地层中预测的可燃冰资源量可供人类使用1000年。且可燃冰密度高，1立方米的可燃冰可转化为160-180立方米的天然气和0.8立方米的水，且燃烧后仅生成少量的二氧化碳和水，相对于煤、石油等传统化石燃料而言，被国际公认为最可能接替石油的能源。资料来源：关进安等《地球上的天然气水合物：现状与展望》前瞻产业研究院整理全球天然气水合物资源分布情况天然气水合物（陆上和海洋）53%可利用和无法利用的化石燃料（煤、石油、天然气）27%土壤8%水中溶解的有机质5%陆地生物圈4%泥炭3%其他0%极地砂层海洋砂层海洋泥质地层海底丘体等未变形海洋泥质地层开采难度越来越大资源浓度含量降低总体积增大推测的水合物分布区域实际获取水合物样品的区域注：饼状图为地球上有机碳的分布结构。3.2.1天然气水合物:针对深水浅层非成岩可燃冰的固态流化开采固态流化法是最早由中国提出的一种跳出“石油思维”的开采技术。周守为等人基于我国具有埋深浅、无致密盖层、非成岩、弱胶结、易于碎化等特点，提出了针对深水浅层非成岩天然气水合物的固态流化开采方法。先利用海底的机械装置将赋存有天然气水合物的储层进行碎化处理，而后将其输送至海平面的开采平台上进行深加工。在水合物浆液被举升的过程中，伴随着外界温度及压力的变化，水合物逐渐分解，从而获得天然气。资料来源：周守为等前瞻产业研究院整理固态流化开采工艺示意图固态流化开采技术的优势及不足优势Ø水合物分解速度较慢，不利于大规模开发；Ø沉积物的提升耗能过大，若开采区域大，也需对海底土层稳定性进行评估，避免地质灾害和大规模的甲烷泄漏。挑战ü可借鉴深海采矿的技术路线，相关深海采矿装备适当改造便可利用；ü地质风险和环境风险较低，解决了开采中的出砂问题，安全性较好；可燃冰储层海平面泥沙层水合物固体机械破碎管内气化流化泵送泥沙初分离回填3.2.1天然气水合物:CO2-CH4置换法可实现开采和CO2封存的双赢CO2-CH4置换法指基于CO2与水的结合比CH4更具化学亲和力的原理，利用天然气水合物与二氧化碳水合物保持稳定时的压力差，将甲烷气体置换出来并进行收集的开采方法。该方法在开采可燃冰的同时又能实现二氧化碳的封存，具有环境友好的特性。然而，该方法的置换效率不高，通过从外界温压、添加剂的使用、CO2注入时的形态等方面寻找合适方法来提高置换效率，是置换开采技术实现商业化利用的改进突破点。资料来源：前瞻产业研究院整理CO2-CH4置换开采工艺示意图CO2置换开采技术的优势及挑战优势Ø自然地层中CO2注入困难，置换速率过于缓慢，难以实现商业化应用。挑战ü在置换甲烷水合物同时放出大量的热，提供甲烷水合物分解所需热量，降低额外能耗；ü对储层的初始压力、温度等条件敏感性不高，因而适应性更加广泛；ü进行二氧化碳封存，且使得原来地层的孔隙被另外的水合物填充，解决开采中的地质风险。CO2储罐分离装置CH4储罐CH4CO2海洋钻井平台水合物层非渗透层海平面CH4·nH2O分解CH4+nH2OCO2·nH2O生成CO2+nH2O放热3.2.2太阳能：钙钛矿叠层电池技术可实现高转换效率现阶段，硅太阳能电池面临着转换效率较低的问题。据OxfordPV公司数据，标准硅电池的最高转换效率约为26%，平均转换效率在15-20%。而该公司研发的钙钛矿叠层电池能够提升太阳光的利用水平并实现高转换效率至29.52%。钙钛矿叠层电池是利用钙钛矿型的有机金属卤化物半导体作为吸光材料的第三代太阳能电池，除了拥有高转换效率还具备价格低、投资小、制备简单等优势。然而，由于钙钛矿材料对氧气、水分和热量非常敏感，其稳定性和使用寿命较晶硅和无机薄膜材料有明显差距，为钙钛矿电池的发展带来了一定的挑战。资料来源：OxfordPV公司前瞻产业研究院整理钙钛矿叠层电池大幅提升太阳光利用水平钙钛矿叠层电池（OxfordPV）标准硅电池（实际最高转换率）29.52%26%15-20%标准硅电池（平均转换率）太阳能电池转换效率对比ü转换效率高ü成本低ü制备简单ü可印刷制备p稳定性挑战优势p使用寿命p铅：毒性3.2.2太阳能：光子倍增器薄膜技术无需电气连接提升转换效率除钙钛矿叠层电池外，CambridgePhotonTechnology的光子倍增器薄膜无需电气连接即可以提高电池的转换效率。光子倍增器薄膜由一层布满硒化铅量子点的有机聚合物组成，薄膜可以吸收硅材料不能转换的蓝色光子和绿色光子，并激发量子点发射出能量较低的红色或红外光子，帮助太阳能电池实现高转换效率。理论上，光子倍增器薄膜可使太阳能电池的潜在转换效率提高到35%。未来，光子倍增器薄膜产品能否真正实现高转换效率是商业化的关键。35%资料来源：CambridgePhotonTechnology、GammaScientific前瞻产业研究院整理更多光子撞击硅，提供更大的输出功率红外线较长波长的光直接穿过薄膜并被硅吸收硅光伏堆叠较短波长的蓝色和绿色光子激发量子点，发射两个近红外光子光子倍增器薄膜硒化铅量子点光谱ü无需电气连接ü无毒理论潜在转换效率光子倍增器薄膜技术光谱及波长3.2.3风能：浮动海上风电技术为重点发展方向目前风电是全球重点发展的能源，相较于陆地风电，海上风电更丰富。但由于设计局限，固定式海上风电场必须建在浅海区，而浅海空间有限，近八成的海上风力资源处于深海区域。浮动海上风电技术将支撑基础改为漂浮式，使得海上风电允许在海上几乎任何地方部署风力涡轮机，可最大限度地利用海上风能潜力，是未来深远海上风电开发的主要技术。目前，欧美等国均在开发浮动海上风电项目。三种主要浮动海上风电类型Spar-buoy立柱式长300英尺直径25英尺空心充满空气沙子电缆系泊线TensionLegPlatform张力腿式巨大的浮力模块电缆系泊线Semi-submersible半潜式系泊线电缆混凝土管充满空气风功率：W=1/2ρv3S=1/2ρv3πr2（ρ=空气密度、v=风速、r=叶片半径）资料来源：国家可再生能源实验室前瞻产业研究院整理国外浮动海上风电示范项目项目国家决策年份基础类型HywindScotland英国2017立柱式KincardinePhase12018半潜式KincardinePhase22020半潜式WindFloatAtlantic葡萄牙2019半潜式Groix＆Belle-Ile法国2021半潜式ProvenceGrandLarge2021张力腿式EolMed2021驳船式EoliennesFlottantesduGolfeduLion2021半潜式X1WindPLOCAN西班牙2021张力腿式FloatingPowerPlantPLOCAN2021半潜一波浪能联合式3.2.4海洋能:开发潜力较大，技术开发存在风险和不确定性海洋能是指能量以潮汐能、波浪能、温差能、盐差能、海流能等形式存在于海洋之中。海洋能蕴藏丰富，分布广，清洁无污染，但能量密度低，地域性强，因而开发困难并有一定的局限。开发利用的方式主要是发电。我国沿岸和近海及毗邻海域的各类海洋能资源理论总储量约为6.11×1011kW。其中，波浪能的储量最高，为5.74×108kW；潮流能技术可利用量占储量比例最大，为29.93%。资料来源：路晴《中国波浪能技术进展与未来趋势》前瞻产业研究院整理中国海洋能资源储量和可利用量情况能源类型理论储量（kW）技术可利用量（kW）可利用量占储量比例（%）波浪能5.7410115.781080.10温差能3.6610103.661081.00潮汐能1.101082.1810719.82盐差能1.141081.1410710.00潮流能1.401074.1910629.93海洋能资源总量6.1110119.811080.16海洋能发展的优势与挑战优势开发难度较大、能量密度低、稳定性较差、分布不均匀。技术研发存在风险和不确定性。挑战蕴藏丰富，分布广，清洁无污染。3.2.4海洋能:CorPowerOcean波浪能转换器可提高装置可靠性波浪能的利用主要将储存在波浪中的能量通过波浪的上升和下降以及来回运动转换为电能的过程。受高温、高湿、高盐雾及台风多发等恶劣海洋环境影响，波浪能装置对可靠性要求很高。CorPowerOcean公司的波浪能转换器是点吸收器类型的转换器，表面有一个浮标吸收海浪的能量。其先进的控制技术可以对浮标进行调整和失谐从而改变系统对不同海洋环境的响应，提高可靠性并产生更多电力。资料来源：CorPowerOcean前瞻产业研究院整理CorPowerOcean公司的波浪能转换器及关键技术特点波簧技术复合浮标UMACK锚串级变速箱预张力油缸实时控制系统•电能产量提高3倍•效率高•使用寿命长•降低成本和碳足迹•大批量•低成本•承载能力、成本更优•提高功率输出、安全低成本可靠性模块化安全性3.2.4海洋能:兆瓦级波浪能发电平台正式进入建造阶段2022年6月，南方电网广东电网公司牵头研究的兆瓦级波浪能发电平台在东莞正式开工建造。作为国家重点研发计划兆瓦级波浪能发电装置关键技术研究及示范验证项目，将建成深远海漂浮式波浪能发电平台，实现在远海岛礁的并网示范，建成以波浪能为主体电源的新型电力系统示范岛。建成后将投放至深远海区域，在满负荷工况下，兆瓦级波浪能发电装置每天可产生2.4万度电，能够为3500户家庭提供绿色电力。资料来源：前瞻产业研究院整理兆瓦级波浪能发电平台3500户家庭2.4万度电/天兆瓦级波浪能发电装置建成3.2.4海洋能:世界首座潮流能发电站最大单机容量发电机组正式并网2022年4月29日，在浙江舟山南部海域，世界最大单机容量1.6兆瓦潮流能发电机组“奋进号”正式并入国家电网。该“奋进号”机组，是杭州林东新能源（LHD）团队研发的潮流能第四代单机兆瓦级机组，总重325吨，设计年发电量200万度，预计可减少二氧化碳排放1994吨。该机组并网后，发电站总装机容量由1.7兆瓦提升至3.3兆瓦。资料来源：杭州林东新能源科技股份有限公司人民网前瞻产业研究院整理中国LHD林东大型潮流能发电站325吨200万度电/年1.6兆瓦减少1994吨P3.3兆瓦00.511.522.533.5并网前并网后1.7兆瓦发电站总装机容量“奋进号”机组3.2.5长时储能：可匹配新能源发电、具有成本及价值优势可实现跨天、跨月，乃至跨季节充放电循环的储能系统为长时储能系统。现阶段我国大力发展光伏、风电等可再生能源，但新能源发电具有间歇性，长时储能可凭借长周期、大容量特性，在更长时间维度上调节新能源发电波动，在清洁能源过剩时避免电网拥堵，负荷高峰时增加清洁能源消纳。目前，抽水蓄能是电网长时储能的最大来源，而锂离子电池是新储能技术的主要来源，新型长时储能与现有锂电相比，具有容量边际成本优势，并不受地理位置及资源限制。成本（￥）时长（小时）锂电池成本长时储能成本长时储能价值对抗极端天气提升新能源稳定性延缓设备重置削峰填谷电价套利辅助市场资料来源：ARPA-E‘sDAYS2020；南方能源观察等前瞻产业研究院整理1铁空气技术电池3固态电池5液态空气2“热岩”储能4重力储能6石灰石基材储能7液态金属8液流电池新型长时储能前沿技术研究方向3.2.5长时储能：“热岩”储能原料易得、具有成本及环保优势“热岩”储能技术也是长时储能的一大前沿技术。其基本原理是空气中的热能从一个大的储能罐移动到另一个储能罐，然后再返回，在某个点截取能量作为有用功的输出。HenrikStiesdal的“热岩”储能系统包括两个进程——第一个进程为系统充电，第二个进程为其放电。相对于电池储能技术而言，它的原料易得，拥有极大地成本优势，更为重要的是，这一储能技术更为环保安全。压缩机加热到600℃385℃空气涡轮膨胀机热交换器75℃空气降到25℃降到-30℃岩石600℃空气涡轮膨胀机发电机-30℃空气压缩机充电状态加热到75℃绝缘放电状态初始温度385℃初始温度75℃电能可再生能源发电……电能传输电能用户端资料来源：前瞻产业研究院整理“热岩”储能优势及挑战优势岩石在冷却收缩时会沉到储能罐底部；在加热膨胀时会导致储能罐壁变形。因此需要特殊的内部绝缘方法，能随着岩石膨胀和收缩而弯曲。挑战技术装置原料易得、便宜，拥有极大地成本优势，并且环保安全3.2.5长时储能：铁空气电池为低成本长时储能发展方向铁空气电池是长时储能技术的一大重要研究方向，其原理是可逆生锈。放电时，铁空气电池从空气中吸入氧气并将铁金属转化为铁锈；充电时，电流的应用将铁锈转化为铁，电池呼出氧气。相较于锂离子电池，铁空气电池原材料简单、耐用，仅为铁和空气，成本不到锂离子电池的十分之一，并且可能具有比锂离子电池高得多的能量密度。铁锈铁充电放电氧气氧气排出吸入铁空气电池循环原理资料来源：FormEnergy官网前瞻产业研究院整理低成本存储能量的成本不到锂离子电池技术的十分之一可优化可与锂离子电池完美搭配，实现最佳的能源系统配置可靠性可提供100小时以上的持续时间模块化可以放置在任何地方以满足公用事业需求扩展性具有零碳经济所需的全球规模的材料和设计安全性没有热失控的风险，没有重金属，可回收性高铁空气电池主要优势铁空气电池主要难点挑战1由于电池在阴极吸入的空气有很多杂质，会与电解质发生反应，导致电池使用寿命缩短，因此需要找到一种不透水，但能吸收氧气的呼吸膜作为阴极材料挑战2氧化反应主要发生在铁的表面，进入铁内部的氧气和水分较少，所以电池循环可能只影响到表面的一层，因此，实际与理论的能量密度有较大差异3.2.5长时储能：几乎零退化的新型液态金属电池为革命性储能技术可再生能源的能量存储能力一直是阻碍可再生能源发展的一大障碍，当今锂离子电池的常见问题是随着电池的使用其容量或转化效率会逐渐退化。麻省理工学院（MIT）DonaldSadoway教授团队的Ambri公司开发出了一种几乎零退化的液态金属电池，在测试中发现，经过十年的日常充放电后，这种电池仍能保持初始转化效率的85%（初始转化效率约为70%），因此适用于长时储能。另外，这种电池在成本和性能方面也胜过锂离子电池。Ambri公司规划将在2023年前实现液态金属电池的低成本技术商业化，并用于大型项目的长时储能。资料来源：Ambri公司前瞻产业研究院整理4.充电Ca-SbCaCa2+Sb-+CaSbCaSbCa2+e-e-e-e-1.充电状态2.放电3.放电状态Ca和Sb形成金属间合金液体钙合金固体锑粒子半反应：(3)CaSbCa2++Sbx+2e-(4)Ca2++2e-Ca总充电反应：CaSbx+EnergyCa+Sbx(1)CaCa2++2e-(2)Ca2++Sbx+2e-CaSb半反应：Ca+SbxCaSbx+Energy总放电反应：基于CaCl2盐电解质优势低成本只需钙和锑两种金属，钙金属是地球上第五大可用元素易获得，成本远远低于锂离子电池性能优在500℃高温下工作时，不受热逃逸、电解液分解和废气排放的影响寿命长由于是液体，电池在其使用寿命期间的性能下降幅度很小液态金属电池主要优势3.2.5长时储能：AntoraEnergy热能储存兼具技术及经济优势Antora使用的是炼钢炉和铝厂作为电极的石墨块作为热能存储材料，使用热光伏将炽热碳块所发出的红外辐射和光转换为电能。Antora储能装置具有高能量密度、低成本、高扩展性等优势，可同时发挥技术与经济效益。资料来源：AntoraEnergy；StanfordENERGY前瞻产业研究院整理最高1500℃电能电能热能高强度光100MWh/1MW储能装置100KWe/200kWth放电装置√成本较低（$1/kwhth）√供应链较为成熟稳定√导热性能较高材料优势储热材料——碳√适合高温热储能方式√光在固体储能装置中具有独特优势√可灵活转换为电能或热能传导优势热传导方式——辐射√能量转换效率较高（40%）√能量密度较高（10-200kW/m2）√规模化不影响效果及成本转换优势电能转换方式——热光伏AntoraEnergy热能储存三大核心技术特征与优势702591354525发电供热发电供热发电供热AntoraEnergy储能装置规模化太阳能+AntoraAntora与其他发电/供热方式标准化成本对比（$/MWh）目前电网+天然气2040太阳能+锂电储能+天然气3.2.6地热能:包含直接热能利用和地热能发电中国地热资源储量丰富，地热能利用技术包含直接热能利用和地热能发电。就直接利用而言，地源热泵技术具备利用效率高、供热制冷兼备等优势，目前浅层地埋管地源热泵供暖技术使用最为广泛。地热能发电是利用蒸汽的热能在汽轮机中转变为机械能，然后带动发电机发电；由于高温地热资源热量品位高、发电能力强，闪蒸式发电是地热发电的主力方式。资料来源：王贵玲等《碳中和目标驱动下地热资源开采利用技术进展》前瞻产业研究院整理地球浅表200m内岩土和水体中蕴含的低温热能，主要依赖于热泵技术；地源热泵技术具备利用效率高、地域适宜性较强、供热制冷兼备等优势；目前浅层地埋管地源热泵供暖技术使用最广泛、技术最成熟。地热发电的主要形式之一，地热发电厂最简单、成本最低的设计。主要用于中低温地热发电，由地热水系统和低沸点介质系统组成。地热能利用技术类型闪蒸式发电技术已在地热发电领域得到广泛应用，尤其是中高温地热田。地热能直接热能利用地热能发电浅层地温能开发利用技术水热型地热资源直接利用技术干蒸汽型地热发电系统闪蒸式地热发电系统中深层地热资源无扰开发技术中间介质法地热发电系统近年来获得了快速发展，但目前仍存在冷热不平衡、热枯竭、采灌不均衡、某些地区回灌困难、结垢阻塞等问题，未来在系统经济性与可持续利用方面仍需进一步研究。3.2.6地热能:闪蒸汽发电为应用最广泛的地热能发电技术在三种主要地热能发电系统中，闪蒸汽发电是最常见的地热发电技术。高压将地热井中的地热流体推到地表，在闪蒸罐中沸腾成蒸汽，从而推动涡轮机旋转，驱动发电机发电；分离后的热水可继续利用后排出，或经冷凝后再注入回地层。资料来源：王贵玲等《碳中和目标驱动下地热资源开采利用技术进展》前瞻产业研究院整理闪蒸式地热发电系统示意图冷凝器涡轮机发电机闪蒸器约3000米冷水蒸汽热水闪蒸式地热发电的优势与不足优势Ø闪蒸式地热发电系统循环效率略低于干蒸汽发电技术；Ø设备直接受水质影响，易结垢、腐蚀；Ø直接以地下热水蒸气为工质，因而对于地下热水的温度、矿化度以及不凝气体含量等要求较高。不足ü高温地热资源热量品位高、发电能力强；ü系统较简单，运行和维护方便，可以采用混合式热交换器；ü闪蒸器比表面式蒸发器结构简单，金属消耗量少，造价较低。3.2.7新能源汽车：化学和物理两条路径推动动力电池技术发展电池、电机、电控是新能源汽车的三大组成部分，其中动力电池是最关键的一环。动力电池产业的发展主要由化学（材料）和物理（结构）两条技术路径推动。化学（材料）方面主要是正极材料、负极材料、电解液以及隔膜材料方面的完善与革新；物理（结构）方面大电芯、大模组、去模组、集成化趋势明显。资料来源：前瞻产业研究院整理技术路径正极材料化学物理负极材料电解液三元材料降低液态含量、固态电解质方向磷酸铁锂新材料电芯形状电池包结构圆柱、方壳、软包高镍化、去钴化、单晶化能量密度进一步提升磷酸锰铁锂、镍锰酸锂、富锂锰基等硅基负极材料、锂金属负极等隔膜湿法+涂覆一体化CTP、CTC等大电芯大模组、去模组、集成化电池电控电机3.2.7新能源汽车：固态电池突破锂电池局限进行升级替代目前，新能源汽车的传统锂电池存在能量密度较低和安全隐患等问题，固态锂电池可通过将传统锂离子电池中使用的聚合物隔膜替换为固态隔膜突破传统锂电池的局限。QuantumScape公司开发的新一代固态锂电池使用了陶瓷材料制成的固态隔膜使得固态电池拥有更高的能量密度，另外该固态电池还拥有充电快、低成本、寿命长和安全性强的优势。量产进度是固态电池面临的主要挑战，随着固态电池量产进程的加快，固态电池有望升级成为新一代动力电池。资料来源：QuantumScape公司前瞻产业研究院整理低成本通过消除阳极主体材料和制造成本来降低成本寿命长单层电池能够进行超过1000次循环，能量保持率约为90%；10层电池能够进行至少800次循环，能量保持率大于80%安全性通过消除传统电池中的可燃有机多孔隔膜和有机阳极液材料常规液态电池QuantumScape固态电池阳极集电器碳/硅阳极液体电解质多孔聚合物隔膜阴极活性液体电解质阴极集电器充电状态放电状态阳极集电器阴极活性阴极集电器固态隔膜金属锂能量密度高、充电快固态隔膜可以抵抗枝晶（锂生长使电池短路）的形成，提高能量密度，并实现12分钟内完成10-80%的充电固态电池的优势3.2.8不含碳的氢能作为能源载体也发挥着重要作用氢能作为二次能源，是重要的工业原料和能源载体。虽然可再生能源、电气化转型为实现净零排放的主要途径，但电气化并不能解决所有问题。要满足各种应用领域的降碳效果，仍然需要可持续燃料的发展，不含碳的氢能在能源变革的过程中也扮演着重要角色。传统储能电网基础设施可再生能源核能化石能源天然气基础设施氢气制备发电氢燃料汽车合成燃料生物质燃料/油品升级氨气/肥料金属冶炼其他终端应用供暖3.2.8电解水制氢：目前仅ALK、PEM电解水制氢可实际应用电解水制氢主要包括传统碱性（ALK）电解、阴离子交换膜电解（AEM）电解、质子交换膜（PEM）电解和高温固体氧化物（SOEC）电解四种技术路线。目前可实际应用的电解水制氢技术主要为ALK与PEM两类技术，AEM电解、SOEC电解还分别处于研发阶段和示范初期。4OH-阳极阴极AEM4OH-2H24H2O2H2O+O24e-4H+阳极阴极PEM2H22H2OO24e-阳极阴极ceramic2O2-O2+4e-2H22H2O4e-无膜电解固体聚合物电解质膜基电解碱性电解酸性电解固体氧化物陶瓷膜基电解低温（<100℃）高温（>800℃）e-OH-OERHEROER：Ni，Fe，Co，oxidesHER：NialloysOER：Ni-basedHER：Ni，Ni-Fe…OER：IrOXHER：PtOER：Ni-basedHER：Ni，Ni-Fe…传统碱性（ALK）电解阴离子交换膜（AEM）电解质子交换膜（PEM）电解高温固体氧化物（SOEC）电解3.2.8氢燃料电池：中国燃料电池国产化程度较低氢燃料电池系统是氢能源汽车里最核心的部件，就如同燃油车里的发动机。我国的氢燃料电池产业正处于产业导入的关键时期，但是由于未完全掌握关键材料与零部件的核心技术，整体产业链条尚不完备，国产化程度较低，导致国内氢燃料电池产品的发电效率、功率、耐久性等与国际先进水平仍存巨大差距。荷载阳极尾气阴极尾气空气燃料气600-1000℃650-800℃60-120℃160-210℃50-120℃固体氧化物燃料电池熔融碳酸盐燃料电池碱性燃料电池质子交换膜燃料电池硝酸盐燃料电池O2-CO32-OH-H+H+电解质阳极阴极O2O2CO2O2O2H2H2H2H2COCO2H2OCOCO2H2OH2OH2OH2H2O燃料电池类别国内外氢燃料电池产业核心指标对比资料来源：银河证券前瞻产业研究院整理指标国内水平国际水平电堆体积功率密度2.2-2.7Kw/L3.1kW/L电堆催化剂0.6g/kW0.19g/kW燃料电池系统功率30-60kW92-114kW储氢系统35MPa70MPa客车车载工况寿命3000-5000h12000-18000h轿车车载工况寿命2000h>5000h百公里加速时间15s9.6-12.5s低温启动性能-20~-10℃-30℃3.2.8氢燃料电池：减小同功率下铂的使用量是降成本的关键PEM质子燃料电池是当前燃料电池的主流发展方向。其中，电堆是燃料电池的核心部件，而催化剂占有重要地位。由于燃料电池对催化剂的活性、稳定性和耐久性等指标要求较高，贵金属铂的使用量很高，催化剂占据电堆过半成本。在不改变燃料电池功率的前提下，减少铂的使用量是降低燃料电池成本的关键点之一。阳极：2H2®4H++4e-阴极：4H++4e-+O2®2H2双极板气体扩散层膜电极质子交换层2H2O2H2O24e-4H+燃料电池及电堆成本构成资料来源：《现代化工》2021年第4期前瞻产业研究院整理PEM质子燃料电池构造及作用示意图燃料电池系统PEMFC电堆气体循环系统•双极板•膜电极•密封层Ø扩散层Ø质子交换膜Ø催化剂占电堆成本70%占燃料电池系统成本60%占整车成本60%催化剂51%双极板24%启示4.1厦门市海沧区新能源产业发展实践4.2沿海地区新能源发展总结与展望4.1厦门市海沧区：新能源新材料产业坚持龙头引领、创新驱动厦门海沧区是全国重点台商投资区之一和福建自贸区厦门片区建设的核心区，2022年实现地区生产总值1067.48亿元，其中，新能源新材料产业规模390.3亿元，工业产值386.07亿元，为支撑海沧区发展的支柱产业之一，拥有厦钨新能源、凯纳石墨烯等一批具有较高国际影响力的新能源、新材料企业。资料来源：厦门市海沧区；福建省工业和信息化厅；公司公告等前瞻产业研究院整理2022年海沧区新能源新材料产业工业产值及规上企业数量245.48140.591014新能源新材料工业产值（亿元）规上企业（家）新能源整车储能系统集成新能源电池材料厦门钨业（厦钨新能源）凯纳石墨烯金龙旅行车戴尔乐中航太克爱维达行业地位创新业务布局l钴酸锂市占率全球第一，三元材料市占率排名前列l国内第一家生产石墨烯的企业l新能源商用车、智能驾驶均走在全国前列l低速电动车产品线丰富，采用先进技术l高端工业电源、锂电池储能设备供应商l中国UPS企业十强l高电压钴酸锂、高电压NCM三元材料、高镍三元材料、固态电池等l石墨烯粉体、石墨烯复合导电剂、固态电解质等l新能源商用车、氢燃料动力、自动驾驶平台等lHDK低速电动汽车，城市越野电动汽车等l工商业储能系统、家庭储能系统等l智慧能源（光伏发电、充电桩、储能等能源互联网）、数据中心UPS等4.1厦门市海沧区：“湾区经济”助力新能源企业出海厦门市海沧区三面临海，是福建南部拓海贸易的重要港口。从政策端来看，厦门市及海沧区“十四五”规划中均多次提及培育贸易竞争优势、打造建设国际一流海湾城区，为企业出口提供良好的环境。从企业端来看，海沧区厦钨新能源、凯纳石墨烯加速“出海”，积极拓展海外电池材料、石墨烯材料等业务。加强与台湾地区交流合作，扩大对台先行先试福建自贸区厦门片区将重点建设成为两岸新兴产业和现代服务业合作示范区、东南国际航运中心、两岸区域性金融服务中心和两岸贸易中心。深入对接粤港澳大湾区大湾区积极扶持新能源汽车等战略性新兴产业，推动创新成果产业化，培育新材料产业创新体系。海沧区与其形成区位协同，提升空间效率。海沧区p厦门“十四五”规划：建设国际贸易中心p推进贸易转型升级，提升贸易枢纽功能，建设服务全国、面向国际、内外连接的贸易新平台p支持引导大型国有和民营外贸综合服务企业建设跨国供应链体系p深化与共建“一带一路”国家和地区贸易合作p海沧“十四五”规划：“两湾”发展核心p按照“岛外大发展”空间导向，推动产业布局发展p海沧湾：由南向北串起海湾城区国际形象的主线p马銮湾：打造产城融合的国际化生态海湾新城公司与法国ORANO（欧安诺集团）下属公司签署合资协议，在法国北部港口城市敦刻尔克设立一家电池正极材料合资企业及一家前驱体合资企业。海沧区企业“出海”实践资料来源：政策文件；公开资料等前瞻产业研究院整理4.2沿海地区新能源发展总结与展望总结来看，新能源在全球能源转型与去碳化中发挥着关键作用，其中技术创新为行业发展的重要助推力，中国在光伏等领域的装备出口为开拓国际市场提供了重要支撑。从沿海地区来看，制造业升级、技术创新发展、跨地区联动、企业加速出海成为当地提升产业核心竞争力的关键思路，有望带动新能源全产业链高质量发展。前沿技术为重点突破口沿海地区发展启示新能源为全球应对气候变化的关键发挥潜力技术突破•光伏、海上风电、新型储能、氢能等细分领域有更大投资机会，海洋能和天然气水合物开发潜力巨大•出台的政策和补贴等加速了技术革新和壁垒突破的速度资料来源：前瞻产业研究院整理制造业升级：——海沧区在新能源新材料领域先进制造推动湾区经济发展技术创新发展：——全球第一条百兆瓦柔性钙钛矿组件生产基地落地厦门海沧半导体产业园跨地区联动：——与台湾地区、粤港澳大湾区形成区位协同、协作发展企业加速出海：——标杆企业积极开拓海外市场加大技术研发力度，保障供应链自主可控p拓展实施国家新能源重大科技项目，大力发展异质结光伏（HIT/HJT）、HBC光伏电池、固态电池等技术，从设备、材料、装备入手，积极建立新的产业生态。鼓励优势企业走向全球市场，抢占国际市场产业竞争制高点p以“一带一路”为重点，完善国际能源合作框架和区域能源合作框架，推动能源企业更好地“走出去”和全面国际化。新能源产业高质量发展建议投资/决策你需要前瞻的眼光！