碳中和利器，看我國能源行業(yè)有哪些自主能源裝備？

2020年9月22日，我國在第七十五屆聯(lián)合國大會(huì )上提出：“中國將提高國家自主貢獻力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實(shí)現碳中和。”

2021年3月5日，李克強總理在2021年政府工作報告中指出，扎實(shí)做好碳達峰、碳中和各項工作，制定2030年前碳排放達峰行動(dòng)方案，優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結構和能源結構。

碳中和是指國家、企業(yè)、產(chǎn)品、活動(dòng)或個(gè)人在一定時(shí)間內直接或間接產(chǎn)生的二氧化碳或溫室氣體排放總量，通過(guò)植樹(shù)造林、節能減排等形式，以抵消自身產(chǎn)生的二氧化碳或溫室氣體排放量，實(shí)現正負抵消，達到相對“零排放”。

近日，謝克昌院士表示，實(shí)現碳中和目標的技術(shù)路徑有著(zhù)優(yōu)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(guò)植樹(shù)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(jìn)30•60雙碳目標的進(jìn)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(yè)要堅持以提高能效、減少排放為理念，自主研發(fā)低碳能源裝備，不斷提高工業(yè)和能源領(lǐng)域的能源利用效率；同時(shí)在零碳能源方面，要大力開(kāi)發(fā)可再生能源，提升可再生能源裝備技術(shù)水平。最終實(shí)現以科學(xué)合理的方式，有次序的推進(jìn)30•60雙碳目標。

一、低碳能源裝備

作為世界第一制造業(yè)大國，我國工業(yè)領(lǐng)域是能源消耗的大戶(hù)，也是二氧化碳的主要排放源，目前我國工業(yè)領(lǐng)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(fā)展工業(yè)領(lǐng)域的節能減排技術(shù)和裝備是我國節能減排工作的重要課題。目前，工業(yè)余熱利用、熱電聯(lián)產(chǎn)、天然氣分布式利用是節能減排的主要技術(shù)，余熱鍋爐、熱電聯(lián)產(chǎn)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(fā)生燃燒過(guò)程，實(shí)際上它是一個(gè)氣-水/蒸汽換熱器，利用高溫煙氣余熱、化學(xué)反應余熱、可燃氣體余熱以及高溫產(chǎn)品余熱生產(chǎn)高壓、中壓或低壓蒸汽、熱水。余熱鍋爐是工業(yè)領(lǐng)域提高能源利用效率的重要手段，如冶金行業(yè)的80%煙氣余熱是通過(guò)余熱鍋爐回收的，其節能效果十分顯著(zhù)。

近十年隨著(zhù)節能減排工作的推進(jìn)，國內主要余熱鍋爐設計制造企業(yè)獲得加速發(fā)展，余熱鍋爐為適應工業(yè)領(lǐng)域產(chǎn)能調整和增長(cháng)，朝著(zhù)大型化、高參數方向發(fā)展，如有色冶金行業(yè)蒸發(fā)量50t/h、工作壓力4.2MPa的余熱鍋爐，或鋼鐵冶金行業(yè)蒸發(fā)量達100t/h，工作壓力12.5MPa的干熄焦余熱鍋爐。

2.熱電聯(lián)產(chǎn)機組

我國早期發(fā)電機組為了解決用電量需求較少考慮供熱問(wèn)題，但隨著(zhù)社會(huì )的發(fā)展，提高北方地區冬季取暖用能效率問(wèn)題逐漸走入人們的視野，而熱電聯(lián)產(chǎn)機組是解決局部地區電力與熱力協(xié)同供應而提出的進(jìn)階技術(shù)。

熱電聯(lián)產(chǎn)機組是指同一電廠(chǎng)不僅生產(chǎn)電能，同時(shí)又可以利用做過(guò)功的蒸汽為用戶(hù)供熱的生產(chǎn)方式，即電能、熱能生產(chǎn)合為一體的工藝過(guò)程。傳統的熱電機組抽取在汽輪機組內做過(guò)功的中低品位蒸汽，以此對外進(jìn)行供熱，從而達到生產(chǎn)電能的同時(shí)又提供熱能的目的，也稱(chēng)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(shù)，進(jìn)一步提高熱電機組的綜合效率，通過(guò)供熱改造，供熱機組熱效率可以提高至80%以上。

隨著(zhù)國家經(jīng)濟的快速發(fā)展，電力市場(chǎng)不斷飽和，傳統的熱電機組面臨的生存壓力越來(lái)越嚴峻，通過(guò)運用合適的供熱改造技術(shù)，可以提高其市場(chǎng)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(chǎn)業(yè)，是能源動(dòng)力裝備領(lǐng)域的最高端產(chǎn)品，代表裝備制造業(yè)的最高技術(shù)水平。燃氣輪機是一種先進(jìn)而復雜的成套動(dòng)力機械裝備，被譽(yù)為“裝備制造業(yè)皇冠上的明珠”，燃氣輪機能夠廣泛應用于燃氣發(fā)電調峰、油氣勘探開(kāi)采、分布式能源等領(lǐng)域，各發(fā)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(chǎn)業(yè)。我國也十分重視燃氣輪機技術(shù)的發(fā)展，燃氣輪機是關(guān)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(fā)電功率為1MW以下的稱(chēng)微型燃氣輪機，1-10MW為小型燃氣輪機，10-100MW為中型燃氣輪機，100MW以上為重型燃氣輪機，10MW以下可統稱(chēng)為微、小型燃氣輪機，10MW以上可統稱(chēng)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(mén)子、三菱公司三足鼎立的市場(chǎng)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(yè)，目前全行業(yè)具備了年產(chǎn)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(lián)合循環(huán)全套發(fā)電設備的能力，與國際先進(jìn)技術(shù)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(dòng)力、車(chē)船動(dòng)力、分布式供能及工業(yè)驅動(dòng)等領(lǐng)域均有著(zhù)廣闊的市場(chǎng)前景，對大幅度提升我軍武器裝備技術(shù)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(guò)靠近用戶(hù)的能源利用設施，為終端用戶(hù)提供靈活、節能型的綜合能源服務(wù)，具有節能環(huán)保、能夠梯級利用和可再生能源綜合利用等特點(diǎn)，可有效減少中間環(huán)節損耗，降低對環(huán)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(chǎng)大部分被國外廠(chǎng)商占據，近年來(lái)，我國微、小型燃氣輪機得到了快速發(fā)展，已經(jīng)實(shí)現了高度國產(chǎn)化，其中許多民營(yíng)企業(yè)經(jīng)過(guò)長(cháng)期努力具備了成熟、強大的商業(yè)競爭力。

以國內微、小型燃氣輪機知名生產(chǎn)廠(chǎng)家——新奧動(dòng)力公司為例，新奧動(dòng)力通過(guò)多年積累，突破多項關(guān)鍵技術(shù)，研制出覆蓋100千瓦到2兆瓦的系列產(chǎn)品，實(shí)現了微、小型燃氣輪機的中國制造。在產(chǎn)業(yè)化方面，新奧動(dòng)力實(shí)現了從微型到小型燃氣輪機的全周期研發(fā)、智能生產(chǎn)及工程服務(wù)全覆蓋。

新奧動(dòng)力微燃機核心機部件已實(shí)現100%國產(chǎn)化，與國外同類(lèi)型產(chǎn)品相比具有高性?xún)r(jià)比、產(chǎn)品定制化開(kāi)發(fā)、熱點(diǎn)比例可調等明顯優(yōu)勢，此外，新奧動(dòng)力微燃機因其低排放、低噪音、燃料適應性好、免維護周期長(cháng)、遠程診斷運維等優(yōu)勢，已成為分布式發(fā)電、熱電聯(lián)供、備用電力、孤島發(fā)電的最佳選擇。目前，新奧動(dòng)力以微、小型燃氣輪機為核心裝備的分布式供能項目已經(jīng)在浙江、山東、河北、安徽、新疆等國內多地開(kāi)花結果，通過(guò)微燃機賦能眾多企業(yè)實(shí)現綠色低碳高質(zhì)量發(fā)展。

二、清潔能源裝備

在實(shí)現碳達峰、碳中和的過(guò)程中，增加低碳能源是供給側減碳的主要手段，目前，我國風(fēng)電和光伏產(chǎn)業(yè)已經(jīng)雙雙居于世界首位，在全產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)和裝備方面已經(jīng)具備了全面自主發(fā)展的能力，且隨著(zhù)風(fēng)電、光伏的技術(shù)和裝備不斷升級，未來(lái)風(fēng)光發(fā)電成本還將進(jìn)一步降低，屆時(shí)以風(fēng)電、光伏為主的清潔能源裝備將具備更大的競爭優(yōu)勢。

1.光伏產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)、裝備

我國光伏近幾年得到了飛速發(fā)展，在能源低碳轉型和政策扶持下，帶動(dòng)了光伏技術(shù)和裝備快速進(jìn)步。根據能源局發(fā)布的數據，2020年我國光伏裝機新增4820萬(wàn)千瓦，伴隨著(zhù)“碳中和”的推進(jìn)，2021年光伏全產(chǎn)業(yè)鏈將持續擴產(chǎn)，并且未來(lái)幾年會(huì )延續較高增速。

（1）硅片與單晶、多晶硅技術(shù)

硅料是生產(chǎn)硅片的原材料，由硅烷法、改良西門(mén)子法等生產(chǎn)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(zhì)。根據不同的硅原料，可制成不同類(lèi)型的太陽(yáng)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(yáng)能電池。單晶硅的生產(chǎn)成本高于多晶硅。

（2）電池片（PERC與HJT技術(shù)）

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(zhì)及導電類(lèi)型的不同。當硅中摻雜以施主雜質(zhì)（V族元素如磷、砷、銻等）為主時(shí)，以電子導電為主，為N型多晶硅；當硅中摻雜以受主雜質(zhì)（Ⅲ族元素如硼、鋁、鎵等）為主時(shí)，以空穴導電為主，為P型多晶硅。

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

另外，太陽(yáng)能電池按照生產(chǎn)工藝不同可以分為晶硅電池和薄膜電池（硅片涂覆型太陽(yáng)能電池以及PVD工藝高轉化率硅片太陽(yáng)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(yáng)能電池的背電極環(huán)節以及HJT（異質(zhì)結）電池的導體層。HJT技術(shù)作為PERC技術(shù)的替代技術(shù)，具有更高的光電轉換效率，未來(lái)有望得到規?；l(fā)展。

（3）組件

光伏組件是光伏電站建設的核心環(huán)節，光伏組件包括光伏玻璃和光伏支架，光伏支架是太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統中為了支撐、固定、轉動(dòng)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(yáng)區分為固定支架和跟蹤支架。

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

（4）光伏逆變器

光伏逆變器是太陽(yáng)能光伏系統的心臟，其主要功能是將太陽(yáng)能電池組件產(chǎn)生的直流電轉化為交流電，并入電網(wǎng)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(chǎn)生的直流電，先經(jīng)過(guò)直流濾波電路，去除電流波動(dòng)和電磁干擾，進(jìn)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(guò)程中產(chǎn)生高頻干擾信號，從而并入電網(wǎng)或者直接供應負載。

2.風(fēng)電裝備

風(fēng)力發(fā)電是利用風(fēng)力帶動(dòng)風(fēng)車(chē)葉片旋轉，再透過(guò)增速機將旋轉的速度提升來(lái)促使發(fā)電機發(fā)電。風(fēng)力發(fā)電機組包括風(fēng)輪、發(fā)電機等；風(fēng)輪由葉片、輪轂、加固件等組成。

風(fēng)電機組的零部件主要包括葉片、齒輪箱、發(fā)電機、塔架、主軸和制動(dòng)系統等；其中，葉片、齒輪箱是風(fēng)電機組成本中占比最大、價(jià)值最高的部分，葉片占整個(gè)機組成本的23%左右；同時(shí)鑄鍛件、電力電子也是主要零部件。

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

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

（3）風(fēng)機鑄件：鑄件也是風(fēng)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(jià)格影響較大，且生產(chǎn)過(guò)程存在較高的技術(shù)、資金壁壘。

（4）風(fēng)機整機制造：中國風(fēng)機整機環(huán)節處于國際領(lǐng)先地位，我國風(fēng)機整機企業(yè)均為行業(yè)內世界領(lǐng)先的大型龍頭企業(yè)，其中包括金風(fēng)科技、遠景能源、明陽(yáng)風(fēng)電、聯(lián)合動(dòng)力、重慶海裝、上海電氣等。

三、結語(yǔ)

對于碳中和，表面上看是對碳排放的約束問(wèn)題，而實(shí)際上卻是能源和生態(tài)環(huán)境保護的問(wèn)題。在實(shí)現碳達峰、碳中和的雙碳目標進(jìn)程中，我國工業(yè)領(lǐng)域和能源領(lǐng)域進(jìn)行節能減碳、可再生能源替代都離不開(kāi)先進(jìn)的能源裝備，而在燃氣輪機和風(fēng)電、光伏設備方面，我國低碳、清潔能源裝備水平仍然有較大的提升空間，未來(lái)在碳中和背景下，隨著(zhù)新能源技術(shù)和節能減排技術(shù)的發(fā)展，各類(lèi)低碳、清潔能源裝備也將成為實(shí)現碳中和的利器。

（張學(xué)坤）