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)合國大會上提出：“中國將提高國家自主貢獻(xiàn)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(dá)到峰值，努力爭取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。”

2021年3月5日，李克強(qiáng)總理在2021年政府工作報(bào)告中指出，扎實(shí)做好碳達(dá)峰、碳中和各項(xiàng)工作，制定2030年前碳排放達(dá)峰行動方案，優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和能源結(jié)構(gòu)。

碳中和是指國家、企業(yè)、產(chǎn)品、活動或個(gè)人在一定時(shí)間內(nèi)直接或間接產(chǎn)生的二氧化碳或溫室氣體排放總量，通過植樹造林、節(jié)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(xiàn)正負(fù)抵消，達(dá)到相對“零排放”。

近日，謝克昌院士表示，實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)的技術(shù)路徑有著優(yōu)劣之分。其順序應(yīng)該依次為節(jié)能提效、降低碳排放強(qiáng)度、增加低碳能源和減少高碳能源、通過植樹造林強(qiáng)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(tǒng)仍然以傳統(tǒng)能源為主，且碳排放強(qiáng)度偏高，因此在推進(jìn)30•60雙碳目標(biāo)的進(jìn)程中，理想的能源路徑是走一條由低碳到零碳的轉(zhuǎn)型之路。在低碳方面，能源行業(yè)要堅(jiān)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(xiàn)以科學(xué)合理的方式，有次序的推進(jìn)30•60雙碳目標(biāo)。

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，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(jié)能減排技術(shù)和裝備是我國節(jié)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(jié)能減排的主要技術(shù)，余熱鍋爐、熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組、燃?xì)廨啓C(jī)是節(jié)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(tǒng)余熱提高能源利用效率的設(shè)備，雖然名為鍋爐，但余熱鍋爐中并不發(fā)生燃燒過程，實(shí)際上它是一個(gè)氣-水/蒸汽換熱器，利用高溫?zé)煔庥酂?、化學(xué)反應(yīng)余熱、可燃?xì)怏w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%煙氣余熱是通過余熱鍋爐回收的，其節(jié)能效果十分顯著。

近十年隨著節(jié)能減排工作的推進(jìn)，國內(nèi)主要余熱鍋爐設(shè)計(jì)制造企業(yè)獲得加速發(fā)展，余熱鍋爐為適應(yīng)工業(yè)領(lǐng)域產(chǎn)能調(diào)整和增長，朝著大型化、高參數(shù)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(dá)100t/h，工作壓力12.5MPa的干熄焦余熱鍋爐。

2.熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組

我國早期發(fā)電機(jī)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(fā)展，提高北方地區(qū)冬季取暖用能效率問題逐漸走入人們的視野，而熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組是解決局部地區(qū)電力與熱力協(xié)同供應(yīng)而提出的進(jìn)階技術(shù)。

熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組是指同一電廠不僅生產(chǎn)電能，同時(shí)又可以利用做過功的蒸汽為用戶供熱的生產(chǎn)方式，即電能、熱能生產(chǎn)合為一體的工藝過程。傳統(tǒng)的熱電機(jī)組抽取在汽輪機(jī)組內(nèi)做過功的中低品位蒸汽，以此對外進(jìn)行供熱，從而達(dá)到生產(chǎn)電能的同時(shí)又提供熱能的目的，也稱為抽凝式熱電機(jī)組，其熱電機(jī)組效率可以提高至60%以上。此外，除了抽凝式熱電機(jī)組，還可以利用低壓光軸轉(zhuǎn)子、吸收式熱泵、高背壓供熱等節(jié)能供熱改造技術(shù)，進(jìn)一步提高熱電機(jī)組的綜合效率，通過供熱改造，供熱機(jī)組熱效率可以提高至80%以上。

隨著國家經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，電力市場不斷飽和，傳統(tǒng)的熱電機(jī)組面臨的生存壓力越來越嚴(yán)峻，通過運(yùn)用合適的供熱改造技術(shù)，可以提高其市場競爭力。

3.燃?xì)廨啓C(jī)

燃?xì)廨啓C(jī)是涉及國家能源和國防安全的戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)，是能源動力裝備領(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?xì)廨啓C(jī)是一種先進(jìn)而復(fù)雜的成套動力機(jī)械裝備，被譽(yù)為“裝備制造業(yè)皇冠上的明珠”，燃?xì)廨啓C(jī)能夠廣泛應(yīng)用于燃?xì)獍l(fā)電調(diào)峰、油氣勘探開采、分布式能源等領(lǐng)域，各發(fā)達(dá)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(zhàn)略產(chǎn)業(yè)。我國也十分重視燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)的發(fā)展，燃?xì)廨啓C(jī)是關(guān)系到我國建設(shè)清潔低碳、安全高效能源體系的重要裝備。

按照功率等級，燃?xì)廨啓C(jī)可分為微型、小型、中型和重型。其中：發(fā)電功率為1MW以下的稱微型燃?xì)廨啓C(jī)，1-10MW為小型燃?xì)廨啓C(jī)，10-100MW為中型燃?xì)廨啓C(jī)，100MW以上為重型燃?xì)廨啓C(jī)，10MW以下可統(tǒng)稱為微、小型燃?xì)廨啓C(jī)，10MW以上可統(tǒng)稱為中重型燃?xì)廨啓C(jī)。

重型燃機(jī)在全球范圍內(nèi)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(nèi)重型燃?xì)廨啓C(jī)方面，主要以哈電集團(tuán)、上電集團(tuán)、東方電氣集團(tuán)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?xì)廨啓C(jī)以及與之配套的燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)全套發(fā)電設(shè)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?xì)廨啓C(jī)與重型燃?xì)廨啓C(jī)相比，應(yīng)用面更廣、需求量更大，在軍用電源、直升機(jī)動力、車船動力、分布式供能及工業(yè)驅(qū)動等領(lǐng)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(shù)水平與作戰(zhàn)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(tǒng)通過靠近用戶的能源利用設(shè)施，為終端用戶提供靈活、節(jié)能型的綜合能源服務(wù)，具有節(jié)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(jié)損耗，降低對環(huán)境的負(fù)面影響，對于能源安全也具有重要意義。

目前微、小型燃?xì)廨啓C(jī)市場大部分被國外廠商占據(jù)，近年來，我國微、小型燃?xì)廨啓C(jī)得到了快速發(fā)展，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了高度國產(chǎn)化，其中許多民營企業(yè)經(jīng)過長期努力具備了成熟、強(qiáng)大的商業(yè)競爭力。

以國內(nèi)微、小型燃?xì)廨啓C(jī)知名生產(chǎn)廠家——新奧動力公司為例，新奧動力通過多年積累，突破多項(xiàng)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(xiàn)了微、小型燃?xì)廨啓C(jī)的中國制造。在產(chǎn)業(yè)化方面，新奧動力實(shí)現(xiàn)了從微型到小型燃?xì)廨啓C(jī)的全周期研發(fā)、智能生產(chǎn)及工程服務(wù)全覆蓋。

新奧動力微燃機(jī)核心機(jī)部件已實(shí)現(xiàn)100%國產(chǎn)化，與國外同類型產(chǎn)品相比具有高性價(jià)比、產(chǎn)品定制化開發(fā)、熱點(diǎn)比例可調(diào)等明顯優(yōu)勢，此外，新奧動力微燃機(jī)因其低排放、低噪音、燃料適應(yīng)性好、免維護(hù)周期長、遠(yuǎn)程診斷運(yùn)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，新奧動力以微、小型燃?xì)廨啓C(jī)為核心裝備的分布式供能項(xiàng)目已經(jīng)在浙江、山東、河北、安徽、新疆等國內(nèi)多地開花結(jié)果，通過微燃機(jī)賦能眾多企業(yè)實(shí)現(xiàn)綠色低碳高質(zhì)量發(fā)展。

二、清潔能源裝備

在實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和的過程中，增加低碳能源是供給側(cè)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，且隨著風(fēng)電、光伏的技術(shù)和裝備不斷升級，未來風(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(zhuǎn)型和政策扶持下，帶動了光伏技術(shù)和裝備快速進(jìn)步。根據(jù)能源局發(fā)布的數(shù)據(jù)，2020年我國光伏裝機(jī)新增4820萬千瓦，伴隨著“碳中和”的推進(jìn)，2021年光伏全產(chǎn)業(yè)鏈將持續(xù)擴(kuò)產(chǎn)，并且未來幾年會延續(xù)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(dǎo)電，并且具有半導(dǎo)體性質(zhì)。根據(jù)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(zhuǎn)換效率高和良好的穩(wěn)定性，多晶硅電池轉(zhuǎn)換效率低于單晶硅太陽能電池。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(jù)多晶硅摻入雜質(zhì)及導(dǎo)電類型的不同。當(dāng)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(dǎo)電為主，為N型多晶硅；當(dāng)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(dǎo)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，目前光伏市場應(yīng)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(zhuǎn)換效率可以提升至23.5%。

另外，太陽能電池按照生產(chǎn)工藝不同可以分為晶硅電池和薄膜電池（硅片涂覆型太陽能電池以及PVD工藝高轉(zhuǎn)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(yīng)用于薄膜太陽能電池的背電極環(huán)節(jié)以及HJT（異質(zhì)結(jié)）電池的導(dǎo)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(zhuǎn)換效率，未來有望得到規(guī)?；l(fā)展。

（3）組件

光伏組件是光伏電站建設(shè)的核心環(huán)節(jié)，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(fā)電系統(tǒng)中為了支撐、固定、轉(zhuǎn)動光伏組件而設(shè)計(jì)安裝的特殊結(jié)構(gòu)件。光伏支架按照能否跟蹤太陽區(qū)分為固定支架和跟蹤支架。

在全球來看，目前美洲地區(qū)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(jù)WoodMackenzie統(tǒng)計(jì)，全球前七大跟蹤支架廠家只有中信博和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(tǒng)的心臟，其主要功能是將太陽能電池組件產(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)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)過直流濾波電路，去除電流波動和電磁干擾，進(jìn)入逆變電路，在逆變電路中現(xiàn)將直流電轉(zhuǎn)換為交流電，再將不規(guī)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(chǎn)生高頻干擾信號，從而并入電網(wǎng)或者直接供應(yīng)負(fù)載。

2.風(fēng)電裝備

風(fēng)力發(fā)電是利用風(fēng)力帶動風(fēng)車葉片旋轉(zhuǎn)，再透過增速機(jī)將旋轉(zhuǎn)的速度提升來促使發(fā)電機(jī)發(fā)電。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組包括風(fēng)輪、發(fā)電機(jī)等；風(fēng)輪由葉片、輪轂、加固件等組成。

風(fēng)電機(jī)組的零部件主要包括葉片、齒輪箱、發(fā)電機(jī)、塔架、主軸和制動系統(tǒng)等；其中，葉片、齒輪箱是風(fēng)電機(jī)組成本中占比最大、價(jià)值最高的部分，葉片占整個(gè)機(jī)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(jī)葉片：風(fēng)機(jī)葉片屬于復(fù)合材料制品，是風(fēng)機(jī)成本最高的單項(xiàng)零部件。大型風(fēng)機(jī)葉片制作技術(shù)難度較高，而且具備葉片大、重量輕、強(qiáng)度高的特點(diǎn)，只有少數(shù)廠商具備量產(chǎn)能力。大功率葉片發(fā)展過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(yùn)行，風(fēng)機(jī)運(yùn)行對風(fēng)塔的可靠性要求非常高，其運(yùn)行壽命一般要保證20年。

（3）風(fēng)機(jī)鑄件：鑄件也是風(fēng)機(jī)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)過程存在較高的技術(shù)、資金壁壘。

（4）風(fēng)機(jī)整機(jī)制造：中國風(fēng)機(jī)整機(jī)環(huán)節(jié)處于國際領(lǐng)先地位，我國風(fēng)機(jī)整機(jī)企業(yè)均為行業(yè)內(nèi)世界領(lǐng)先的大型龍頭企業(yè)，其中包括金風(fēng)科技、遠(yuǎn)景能源、明陽風(fēng)電、聯(lián)合動力、重慶海裝、上海電氣等。

三、結(jié)語

對于碳中和，表面上看是對碳排放的約束問題，而實(shí)際上卻是能源和生態(tài)環(huán)境保護(hù)的問題。在實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和的雙碳目標(biāo)進(jìn)程中，我國工業(yè)領(lǐng)域和能源領(lǐng)域進(jìn)行節(jié)能減碳、可再生能源替代都離不開先進(jìn)的能源裝備，而在燃?xì)廨啓C(jī)和風(fēng)電、光伏設(shè)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，未來在碳中和背景下，隨著新能源技術(shù)和節(jié)能減排技術(shù)的發(fā)展，各類低碳、清潔能源裝備也將成為實(shí)現(xiàn)碳中和的利器。

（張學(xué)坤）