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2023年中国新一代清洁低碳技术展望.pdf
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1、2023.10中国新一代清洁低碳技术展望rmi.org/4中国新一代清洁低碳技术展望导言 中国低碳清洁技术图景展望.5第一章 迈向碳中和的“源动力”中国动力电池技术现状及应用前景 8 一、始于节能,盛于零碳动力电池的前世今生.10 二、从技术到成本动力电池的核心特性及发展趋势.11 三、新能源汽车动力电池的关键应用场景.14 四、面向未来动力电池的进阶之路.16第二章 搭建建筑节能的“基石”中国热泵技术应用现状及发展方向 17 一、热泵:最具前景的低碳建筑供热技术.18 二、从现状到未来:掌握打开热泵市场的成功之钥.22 三、节能又节约:热泵的综合优势.30 四、挖掘潜力:洞察不同地域供热市场
2、需求.23第三章 铸造零碳钢铁的“核心”中国直接电解铁矿石技术 的发展与展望 .26 一、直接电解铁矿石最具减碳潜力的颠覆性技术之一.28 二、聚焦直接电解技术的两种路线.28 三、中国直接电解铁矿石技术发展展望.30第四章 积蓄零碳能量的“反应堆”中国液流电池储能技术 的现状与前景.32 一、储能市场蓬勃发展,新型储能增长强劲.34 二、液流电池安全耐用,比较优势异军突起.36 三、液流技术百花齐放,全钒路线木秀于林.37 四、降本提效势在必行,市场引导亦不可少.38目录导言中国低碳清洁技术图景展望rmi.org/6中国新一代清洁低碳技术展望2022年11月20日,联合国气候大会第二十七次缔
3、约方会议(COP27)正式落幕,作为本次会议最具代表性的成果,“损失与损害”基金协议的达成不仅为发达国家和发展中国家在应对气候风险方面的进一步合作创造了新的平台,也再次将技术和投资对于应对气候变化和实现零碳转型的重要性推上了新的高度。随着越来越多国家和地区陆续提出碳中和目标,针对转型路径和具体行动措施的分析和选择逐渐成为了各行业关注的焦点。由于碳中和目标实现的难度更高,对能源系统的挑战更大,在传统意义上政策和市场解决方案得到充分应用的基础上,全球应当也必须通过更多低碳清洁技术的创新和加速发展来充分挖掘零碳转型的潜力,在高效实现碳中和目标的同时,为市场创造新的增长空间。国际能源署(IEA)近期发
4、布的 世界能源投资报告 显示,在政府财政和可持续投资领域的支持下,自2020年以来,清洁能源投资的增长速度已经增加到了12%,远远超过2015-2020年的水平。不过由于受到疫情的影响,当前的投资增长很大程度上反映在了供应链成本的上涨以及劳动力、水泥、钢铁和关键矿物等材料的持续价格增长上。为了实现零碳转型,未来清洁能源领域的投资仍然需要持续加速才能满足减排的需求。在碳达峰、碳中和宏伟目标的指导以及行业和市场的大力推进下,中国在清洁能源技术方面始终发挥着主导作用,其中2021年清洁能源投资总额达到了3800亿元,位居全球之首。特别是在可再生能源、电网和新能源汽车等领域,政策的支持和快速的技术研发
5、迭代使得中国在这些领域不仅实现了自给自足,还通过大规模出口带动了全球能源转型。而另一方面,在零碳转型的情景下,当前清洁能源技术的发展规模和水平仍然远远不够。根据多家研究机构估算,中国碳中和目标的实现至少需要约100万亿元人民币的投资,其中大部分用于清洁能源和突创性减排技术等领域。尽管中国在过去的5-10年已经在可再生能源发电装机和新能源汽车等领域取得了突破性成就,但既有转型工作的持续发展以及储能、氢能、碳捕获和封存、柔性直流、车网互联等突创性技术的商业化和规模化仍然需要长期的投资和孵化。为了帮助政策制定者、行业企业和投资者等利益相关方更加清晰地识别碳中和转型路径中各项清洁能源和低碳技术所发挥的
6、作用,厘清不同技术的应用场景、核心成分、龙头企业、成本经济性和商业化应用时间,并定位各类技术加速发展的模式和所需的政策、投资支持,落基山研究所开展了 中国低碳清洁技术图景展望 的系列研究,希望在对中国未来零碳转型过程中需要的清洁能源和低碳技术进行系统性梳理的基础上,为不同利益相关方提供对技术发展方向和优化方案的建议。在前期的基础性研究中,项目团队根据不同文献资料和信息的综合分析,已经梳理出了国际上相对常见的约300项清洁能源和低碳技术,同时结合中国市场的实际需求,优选了电力、交通、工业、建筑等行业的数十项在中国更具发展前景的技术,并对各类技术的成熟度和碳减排潜力进行了综合评估(见下图)。rmi
7、.org/7中国新一代清洁低碳技术展望在此基础上,本研究将持续对上述各项技术进行深入探索,并通过系列文章的形式逐一解析每项技术的特点、应用场景、成本经济性变化趋势、商业化应用的时间节点、主要利益相关方和加速推广的政策及投资建议等,力图通过系统性针对性的分析为行业阐明技术发展趋势,为企业提供技术应用场景和时间的参考,为政策制定者描绘加速技术突破的支持政策方向,为投资和金融机构呈现投资领域和规模的判断。本报告包含 中国低碳清洁技术展望 系列文章前四篇的内容,分别为:迈向碳中和的“源动力”中国动力电池技术现状及应用前景 搭建建筑节能的“基石”中国热泵技术应用现状及发展方向 铸造零碳钢铁的“核心”中国
8、直接电解铁矿石技术的发展与展望 积蓄零碳能量的“反应堆”中国液流电池储能技术的现状与前景 希望从动力电池、热泵、电解铁矿石和液流电池储能这4项不同行业的清洁低碳技术出发,为加速行业低碳清洁技术的发展和应用提供参考和借鉴。研究团队将在后续持续发布其他技术种类专题的系列文章。图 中国清洁能源和低碳技术成熟度及减碳潜力对比第一章迈向碳中和的“源动力”中国动力电池技术现状及应用前景rmi.org/9中国新一代清洁低碳技术展望迈向碳中和的“源动力”中国动力电池技术现状及应用前景在碳中和的新纪元下,新能源汽车即将成为未来交通出行市场的主流,动力电池也因此顺理成章地成为了未来之路上的“动力之源”。正因如此,
9、在当前动力电池技术蓬勃发展的初期阶段,关于其未来市场增长空间、技术性能、成本,特别是如何影响新能源汽车推广应用进程的讨论和关切也愈发热烈。作为中国低碳清洁技术浅析汇编的开篇之作,我们希望通过本文的分析和描述尽可能解答读者的上述疑问,并对动力电池技术未来的发展方向和所需要的支持进行简要梳理。关于动力电池技术的现状和应用前景,我们的基本观点如下:(1)中国是全球最重要的动力电池市场,在碳中和目标的引领下,中国动力电池产销量将持续占据全球领先地位。(2)过去10年,以锂离子电池为代表的动力电池在能量密度和成本两项特性上都已经取得了较为明显的突破,但仍然存在很大的增长空间。(3)在当前技术发展趋势的基
10、础上,动力电池技术能够支撑中国道路交通行业在2050年之前完成90%以上的车辆电动化转型工作,以乘用车为主;剩余10%左右以长途乘用车和中重型卡车为主的车辆,需要依靠电池技术的进一步突破或采用氢能等其他新能源技术、市场模式等才能完成转型。(4)按照目前电池技术、基础设施和市场的发展速度,传统液态锂离子电池在2025年左右就能够满足城市内通勤私家车、公交车、网约车和出租车等车辆类型的全面电动化转型需求,届时这些车辆的总拥有成本将低于同等规格燃油车。(5)钠离子电池、固态电池等新型电池技术将在加速车辆电动化转型中发挥重要作用,2030年后动力电池市场会呈现液态锂离子电池、固态电池和钠离子电池共存的
11、局面。(6)长期来看,动力电池产业具有广阔的增长潜力和前景,超前投资会加速新型技术的市场化进程,并可能引领整体电池和新能源汽车行业的发展。(7)动力电池产业链是一个庞大的系统,其长远发展不仅需要多维度全领域的政策支持,也需要尽快有效地进行其产业链上下游的联通以及循环经济和全生命周期体系的建立,尽快在自身生产和末端处理环节实现彻底的零排放。关于上述观点背后的逻辑和分析,请您继续阅读正文部分的内容,也欢迎您对感兴趣的内容和话题与我们进行讨论。rmi.org/10中国新一代清洁低碳技术展望图表 1 全球动力电池装机量(GWh)一、始于节能,盛于零碳动力电池的前世今生动力电池指被应用于交通领域、为交通
12、工具提供动力的电池,是近年来新兴的电池种类。电动汽车和动力电池的发展历史可以追溯到19世纪,但由于受到电池性能、基础设施以及燃油汽车的快速发展等因素的影响,动力电池和电动汽车不得不逐渐退到了幕后。直到20世纪80年代,能源危机的出现大幅推进了电动汽车和动力电池研发的进程,而21世纪特斯拉、松下和宁德时代等行业先驱更是进一步推动了动力电池行业爆发式的增长。在新时代中国碳达峰、碳中和等低碳转型目标的大背景下,动力电池的应用前景已经不再局限于电动汽车和交通电气化,以动力电池技术为基础的化学储能也将成为新型电力系统的重要组成,为清洁能源的稳定、安全并网打好基础。因此可以说,以锂电池为代表的动力电池技术
13、已经成为了中国能源转型和实现双碳目标的核心技术之一。中国目前是全球最大的新能源汽车市场,2021年新能源汽车年销量已经超过了全球总量的60%,较为完善的基础设施布局、充分的政策支持以及成熟的动力电池产业链功不可没。自2015年起,我国公交车、出租车、轻型物流车、私家车等车型先后掀起了电动化的浪潮,2021年,在我国碳中和目标以及市场用户需求的双重推动下,11月电动汽车市场渗透率首次超过了20%。在电动汽车爆发式增长的背后,中国动力电池产业稳固而扎实的行业领军地位发挥了重要作用,2021年中国共生产锂电池219.7GWh(包括中国本土电池厂以及外国企业在中国建厂),占比超过全球总装机量的80%,
14、而国内新增动力电池和储能电池装机分别达到了154GW和1.87GW,成为了世界动力电池生产和消费的主力军。在2021年全球动力电池装机量排名中,中国企业占据了装机量前10中的6个席位,其他名次上的外国企业也大多在中国设立了生产工厂。未来几年中,整个电动车市场仍将呈现加速扩张的态势,同时储能电池也将迎来大规模的应用,因此BNEF预计到2030年时全球动力和储能电池需求将达到2.8TWh,是2021年的10倍。即便是在全球新能源汽车和动力电池产业全面蓬勃发展的趋势下,中国动力电池到2030年的市场份额仍然能保持在50%以上,约合1.5TWh左右。rmi.org/11中国新一代清洁低碳技术展望图表
15、2 全球动力电池装机量逐年增长(GW)20142016201820202015201720192021制造厂商特斯拉/松下等等比亚迪化学材料高镍三元正极+硅基负极磷酸铁锂正极+石墨负极特殊工艺无极耳叠片电池管理及组装电池车壳设计(Cell to Chassis)无模组刀片设计性能特点高能量密度高安全性电池名称4680电池刀片电池常见正极材料图表 3 不同动力电池产品及特性实例二、从技术到成本动力电池的核心特性及发展趋势动力电池出现已经上百年,而现代锂离子电池的基本原理则是在上世纪90年代形成的理论框架。以锂离子电池为例,其基本工作原理就是使锂离子在正极和负极分别进行镶嵌和脱出,以此形成电流来实
16、现充放电。但即便原理相同,锂离子电池实际产品的具体设计思路仍然多种多样,制造厂商都极力在电池的化学材料、生产工艺、电池管理系统及其组装模式等方面加以尝试和创新,以此进一步提高电池的综合性能。在所有零部件和生产工艺中,对电池性能影响最大的因素是电池化学材料的选择。正极材料方面,经过多年的淘汰选择后,目前主流的动力电池种类通常使用两大类正极材料:磷酸铁锂正极,和三元(三元指镍锰钴NMC或镍钴铝NCA这三种金属的氧化物以不同比例混合而成的正极材料)正极。磷酸铁锂的优势在于成本低、寿命长、安全性好。三元的优势在于能量密度高、低温性能好。两者互为补充,占领了几乎全部的电动汽车市场。负极方面,大多数电池厂
17、商都选择基于石墨的负极材料,同时也有头部厂商已经开始向比容量更高、技术难度也更大的硅基负极迈进。图表 4 市场常见的电池电极化学材料磷酸铁锂镍锰钴镍钴铝石墨掺硅石墨硅基负极常见负极材料925396098115137251rmi.org/12中国新一代清洁低碳技术展望但为了实现交通行业全面电动化和零碳转型的目标,动力电池的能量密度必须进一步增大,以满足不同车型多样化的使用需求。从2017年开始,国家在新能源汽车购置补贴的申领标准中已经开始容纳动力电池能量密度相关的限值要求。2021年底,工信部修订文件锂离子电池行业规范条件,进一步提高了电池新建产能的最低能量密度要求,其中三元锂电池提高到单体电池
18、能量密度210Wh/kg,电池组能量密150Wh/kg,其他锂电池提高到单体电池能量密度160Wh/kg,电池组能量密度115Wh/kg。类似的,由工信部支持的报告 节能与新能源汽车技术路线图2.0 中预测,到2030年时,普通型电池将实现单电芯250Wh/kg,高端型将超过400Wh/kg,相比2020年提升超过40%,将进一步增加新能源汽车在高端乘用车和轻、中型物流车中的竞争力。160Wh/kg电池的性能有多种影响因素,如安全性能、充电速度、寿命等,其中能量密度和成本着影响动力电池的应用前景。1前者决定了新能源汽车的续航能力,是定位新能源汽车对燃油车使用场景替代能力的核心,后者关系到新能源
19、汽车价格,影响着新能源汽车的市场吸引力和推广应用进程。两者的结合直接反映了新能源汽车的性价比,是交通行业电动化转型进程的重要影响因素。能量密度通常来讲,动力电池的正负极材料、生产工业以及内部系统各元件间的相互作用模式决定了其能量密度的大小。过去十几年中动力电池能量密度的发展大致可以分为两个阶段。2010到2018年,动力电池市场中盛行着“唯续航论”的信念,部分厂商把能量密度作为衡量电池性能的最重要标准。在这一阶段,磷酸铁锂和三元锂电池以优越的整体性能,从锰酸锂、钛酸锂甚至镍氢电池等一众化学材料里脱颖而出,成为最主流的动力电池类型,电池平均单体能量密度也从100Wh/kg上下提升到170Wh/k
20、g(磷酸铁锂)和250Wh/kg(三元)左右。22018年之后,由于电池材料和制造工艺趋于稳定,金属材料价格不断提高,能量密度的突破性提升的技术难度逐渐加大,以及由电池导致的车辆事故频发等原因,动力电池的发展重心逐步向安全、廉价、长寿等方面转移。这一阶段电池能量密度的增长明显放缓,2021年时单体电池市场平均密度约为180Wh/kg,电池组约为144Wh/kg。头部厂商在努力完善和挖掘现有动力电池技术的同时,也开始逐步着眼于下一代电池技术的研发,来进一步突破能量密度上的瓶颈。1 能量密度,即单位重量下的电能量,是最常用来衡量电池性能的指标。电池能量密度越大,车辆可携带的电池就越多,续航里程就越
21、远,对充电网络的依赖就越低。2 车用动力电池产业发展促进政策研究报告 中国汽车技术研究中心 2013图表 5 2021年12月我国新产电动汽车电池组能量密度分布来源:北极星储能网 rmi.org/13中国新一代清洁低碳技术展望电池单体价格电池组价格电池单体能量密度电池组能量密度目前平均水平0.65 元/Wh0.87 元/Wh180 Wh/kg144 Wh/kg2030年预测 0.54 元/Wh 250 Wh/kg 210 Wh/kg20134.452015电芯2.5520171.4720191.0420143.942016电池组1.9720181.2120200.9120210.861.403
22、.052.681.711.441.030.870.730.680.660.850.530.440.340.310.230.201.26图表 6 锂离子电池性能与成本预测在目前的电池技术框架下,电池厂商可以从改进正负极材料、电芯设计等方面入手改善电池的能量密度,但由于受到电池材料化学特性的限制,传统液态电解质锂离子电池的单体能量密度很难超过350Wh/kg,因此为了实现新能源汽车续航性能上的突破,动力电池厂商已经开始将研发力量逐步投入到突创性新型电池技术当中。目前行业内普遍认为前景较为乐观的是固态电池技术,固态电池使用固态电解质取代液态有机电解液和隔膜,在机械强度、安全性、能量密度等方面都更为出
23、色,其理论能量密度的最高值能够达到700Wh/kg,是目前锂离子电池的2倍。成本动力电池及其系统的成本通常是新能源汽车成本的最主要组成部分(40%左右),而在动力电池中,材料成本和研发投入则构成了其主要成本要素。随着新能源汽车产业规模的不断扩大,动力电池的研发成本得到充分的稀释,总成本也因此快速下降。根据北极星储能网数据显示,2010年,锂离子电池的单体平均价格和电池组价格分别在5元/Wh和7元/Wh左右,到了2020年,锂电池单体价格和电池组的平均价格分别为约0.65元/Wh和0.87元/Wh,相比10年前下降了近90%。然而,目前的动力电池价格水平与实现新能源汽车与燃油汽车总拥有成本平价(
24、购买和使用电动汽车的总成本与燃油车刚好相等)仍然有一定的差距。一般而言,动力电池电池组的价格需要至少达到0.65元/Wh才能满足电动汽车与同等规格的燃油汽车成本平价的目标。考虑到新能源汽车在续航能力、充电便利性等方面存在一定的劣势,且物流车特别是长途运输重型卡车等商用车对成本的敏感性更高,动力电池需要进一步拓展成本下降的空间,才能更好地满足电动化转型的需求。图表 7 储能、新能源汽车应用场景下按容量加权平均计算的电池价格(元/Wh)来源:BloombergNEFrmi.org/14中国新一代清洁低碳技术展望可以预见的是,未来几年内锂离子电池价格下降趋势将有所放缓。一方面,在过去十年间规模效应是
25、成本下降的主要驱动力,但随着规模效应带来的效益逐渐减少,未来锂离子电池成本削减将主要依赖正极材料、生产工艺、电芯设计等方面上的技术创新。另一方面,受到供需关系、地缘政治以及资源分布等多方面因素的影响,电池原材料的价格从2021年开始持续上涨,钴、镍、锂等金属价格都翻了数倍,受此影响2022年电池价格也有所回升。尽管长期来看金属价格不会持续上涨,但仍然很有可能保持高于2020年价格的高位状态,电池厂商也将因此承担更大的成本压力。除了探索锂离子电池的成本缩减空间外,部分厂商也在着手研发下一代低成本电池,例如呼声很高的钠离子电池。钠离子电池将锂离子电池中的锂替换为钠,原理与锂离子电池基本一致,尽管能
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