對石油工業影響深遠的十項能源新技術

世界能源行業已經步入一個新的變革期，能源革命和技術革命的結合與交匯推動了工業、經濟革命的發生，我們正在從油氣時代步入一個以綠色能源為主的“后碳時代”。雖然在未來20年間，石油與天然氣仍占主導地位，但隨著新能源技術的發展和突破，撼動或顛覆這種地位的可能性日益增大。全球能源供應多元化是必然趨勢，可再生能源與互聯網的結合，將使現有的能源體系和結構被能源互聯網所替代。能源革命的技術重點在于發展綠色低碳技術，推動技術、產業、商業模式的創新，促進能源利用技術與其他技術相結合，培育帶動產業升級的新增長點。能源新技術的快速發展推動新能源和可再生能源的爆發式增長，對未來石油工業的沖擊不可小覷。

通過調研分析世界范圍內科技和能源發展大趨勢，并根據技術成熟度、技術發展潛力、對石油工業的影響度等原則，提出了對石油工業影響深遠的十項能源新技術。

太陽能開發利用技術

太陽能利用主要包括太陽能熱利用和太陽能光伏發電兩種技術。太陽能熱利用技術廣泛應用于太陽能取暖、太陽能熱發電等。太陽能光伏發電則利用太陽能電池將光能直接轉化為電能。

光伏發電技術的關鍵元件是太陽能電池，分為兩種，一種是較為傳統成熟的晶硅電池，另一種是新一代的薄膜電池。隨著技術的進步，傳統太陽能電池的光電轉化率不斷提升，發電成本不斷降低，世界上許多國家和地區的太陽能發電成本已經達到平價水平，甚至低于化石燃料的發電成本。

薄膜電池屬于非晶硅結構，與晶硅電池最大的不同在于其厚度不到1微米，連晶硅電池厚度的1/100都不到，從而大大降低了制造成本。薄膜電池易于實現大面積鋪展，弱光性好，但其缺點是光電轉化效率低，要轉化出等量的電能所需要的薄膜電池面積巨大。從應用規模來看，2014年全球光伏電池市場中，晶硅電池占91%，薄膜電池占9%。我國是太陽能電池板第一生產大國，也是出口大國，薄膜發電已實現工業化應用。

光伏發電的應用領域不斷拓寬?！瓣柟鈩恿?號”太陽能飛機進行了環球飛行。太陽能汽車已問世多年。在石油工業，以槽式集熱技術為基礎的太陽能稠油熱采技術，已經在美國及中東地區得以應用，并取得了良好效果。

為進一步提高光電轉化率和降低光伏發電成本，國內外都在研發新的光伏發電技術，比如聚光光伏發電技術、光能全譜優化轉換及利用技術、太陽能空間發電及傳輸技術等，前者被認為是第三代太陽能發電技術，已開始商業化應用。日本政府推出空間太陽能系統計劃，預計到2030年實現將宇宙中收集太陽能以微波或激光束的形式傳回地球，再轉化為電能。

風能開發利用技術

風能開發利用的主要形式是風力發電。風力發電技術屬于典型的多學科交叉高新技術，涉及機械制造、自動控制、電力電子、新材料、空氣動力學等學科，其中關鍵性的技術包括風電機組的設計和制造、風電存儲、風電并網等。

目前，以德國、丹麥為代表的風電強國已經具備了成熟的風力發電技術，發電成本在不斷降低，條件好的風場發電成本僅為8美分/ 千瓦時。我國風電產業雖然起步較晚，但在國家政策驅動及全球發展態勢的引領下，風電產業發展迅速，風電裝備已實現了國產化，我國已成為風電裝備制造和風電裝機總量第一大國。

海上風電開發潛力巨大。中小型風電機組是發展中的微電網的重要組成部分。

地熱能開發利用技術

地熱能是新能源家族中的重要成員之一。它具備太陽能、風能等所不具備的特點，比如資源的多功能性，不受白晝和季節變化限制以及可直接利用等；與常規能源煤、石油和天然氣等相比，它又是一種較為廉價的清潔能源。所以，地熱在新能源和可再生能源開發行列中具有強大的競爭力和廣闊的發展空間。

由于地熱資源在全球范圍內分布的不平衡，各國地熱利用情況也不同。地熱資源的綜合利用技術主要包括礦區地熱資源評價與鉆采監測技術、地熱回注熱采技術、地熱輸油伴熱技術、地熱發電技術、地熱分布式儲能技術以及地源熱泵供暖技術等。

美國不僅地熱資源多，而且利用很充分。美國地熱發電的裝機容量居世界首位，并持續保持強勁增長。美國地熱資源協會統計數據表明，目前美國利用地熱發電的總量約為2200兆瓦，相當于4個大型核電站的發電量。美國利用地熱產生的能量在所有可再生能源中排名第三，次于水力發電和生物能量。值得一提的是，美國能源部還推出了一項“地熱技術和發展行動計劃”（GTP），斥資數億美元用于推動地熱能的勘探和開發。

油氣礦區地熱資源豐富，現有油/ 水井可以直接利用，地熱資源的綜合利用可以大幅降低礦區生產、生活耗能。

高效儲能技術

高效儲能技術被譽為影響未來能源大格局的關鍵技術之一， 正呈現快速發展態勢。

儲能技術將是下一次能源革命里最重要的突破方向，世界各國都非常重視儲能領域的投資，殼牌、康菲等石油公司也很重視并已投資儲能產業。其中，高效儲能電池的研發和利用，將對傳統油氣企業產生深遠影響。

鋰電池就是一種已工業化應用的高效儲能電池。隨著技術的進步，鋰電池的能量密度不斷提升，成本不斷降低。按正極材料的不同，鋰電池分為磷酸鐵鋰電池、三元鋰電池、鈷酸鋰電池和錳酸鋰電池等。鋰電池按用途分為數碼鋰電池、動力鋰電池和儲能鋰電池。動力鋰電池的技術創新正在推動電動汽車的快速發展。

為提高能量密度和降低儲能成本，進一步推動風力發電、光伏發電和電動汽車的發展，各國都在研發一些新的高效儲能電池，比如金屬- 空氣電池、液流電池、納米鋰電池、石墨烯電池和飛輪電池等。2015年3月5日，德國電動汽車廠商Nano Flowcell 在瑞士日內瓦國際車展上展出最新一代的電動汽車產品Quant F，其配備的是液流電池，最高速可達到300公里/ 小時以上，續駛里程超過800公里。隨著技術的進步和充電基礎設施的不斷完善，電動汽車的銷量和保有量正爆發式增長，未來勢必對石油工業造成直接的沖擊。盡早開展電動汽車對石油消費市場影響的研究并積極做好應對之策，已經成為石油公司必須面對的緊迫課題。

生物燃料技術

生物燃料一般指液體生物燃料，主要包括生物乙醇、生物丁醇、生物柴油和航空生物燃料等。依據使用的主要原料，生物燃料的生產技術經歷了四代。

世界范圍內生物燃料前沿技術主要包括：油脂加氫脫氧—裂化異構兩段加氫制生物航煤技術；生物質高溫氣化—費托合成法制備生物柴油技術；基于藻類及其基因改造制生物乙醇技術等。目前，國內外多家公司已經研發并掌握兩段加氫制生物航煤技術，并建成多座工業示范裝置。

法國石油研究院、道達爾公司等6家公司和機構共同投資開發生物質高溫氣化—費托合成法制備生物柴油技術。該技術采用較高的氣化反應溫度，合成氣轉化率高；采用較為成熟的Gasel 費托合成工藝，將生物煉油技術與傳統煤化工等路線相結合，采用分散化原料預處理與集中氣化合成，可充分利用現有煉油廠裝置，便于最終滿足生物柴油等燃料的生產和調和要求。

基于藻類及其基因改造制生物乙醇技術是第三代、第四代生物燃料技術。該技術以藻類為原料，利用它們產生的碳水化合物、蛋白質、油脂等生產生物燃料。當前最新的技術是利用代謝工程技術改造藻類的代謝途徑，使其直接利用光合作用吸收二氧化碳合成乙醇、柴油或其他高碳醇等。美國能源部已經為Cellana 公司的藻類項目撥款350萬美元，旨在加快開發可持續、低成本的藻類生物燃料。該項目預計到2018年每畝每年可供生產2500加侖藻類生物燃料的原料；到2022年，每畝每年可供生產5000加侖藻類生物燃料的原料，有望成為將藻類生物燃料的成本降低至具有成本競爭力水平的一個重要里程碑。

預計到2030年，全球生物航煤使用比例將占航空煤油的20% 以上，生物柴油的添加比例將占到車用柴油的10% 以上。生物燃料技術可降低燃料生產成本，實現環保和經濟雙增效。

基于多原料的低碳烯烴/芳烴生產技術

在未來相當長的時期內，化工原料仍將以油氣為主，而傳統生產路線的改進和優化以及煤、生物質等其他原料的化工利用將開始獲得長足發展。這些基于多原料化的低碳烯烴/ 芳烴生產技術將會形成石油的材料功能替代，大幅度提高經濟效益，降低生產成本。

目前，在石油以外存在著多種化工原料替代技術方案，比如甲烷直接轉化制烯烴/ 芳烴技術、甲醇制芳烴技術、甲醇石腦油耦合制烯烴技術、新一代MTO和MTP技術、生物基氨解糖類經過催化轉化制芳烴技術等。其中，生物基氫解糖類經過催化轉化制芳烴技術所得重整產品的組成與傳統石化的重整產品組成較為接近。由于該技術將纖維素水解與傳統的催化加氫、縮合等技術相結合，傳統煉油廠的煉化裝置經過改造即可作為該技術的生產裝置，每加侖產品的新增投資成本為1.75~3美元，應用前景良好。目前，美國Virent 公司與威斯康星大學麥迪遜分校合作的該項技術已經處于工業示范階段。

燃料電池技術

燃料電池是一種將存在于燃料與氧化劑中的化學能直接轉化為電能的發電裝置。燃料電池涉及化學熱力學、電化學、電催化、材料科學、電力系統及自動控制等學科，具有能量轉化效率高、環境污染少等優點。燃料電池用途廣泛，既可應用于軍事、空間、發電廠領域，也可應用于機動車、移動設備、居民家庭等領域。按燃料類型分類，目前主要有氫燃料電池、甲烷燃料電池、甲醇燃料電池等，其中氫燃料電池具有獨特優勢及良好發展前景。

氫燃料電池是使用氫元素制成儲存能量的電池。其基本原理是電解水的逆反應，把氫和氧分別供給陰極和陽極，氫通過陰極向外擴散和電解質發生反應后，放出電子通過外部的負載到達陽極。氫燃料電池的實際發電效率可以達到40%～60%，遠超現在內燃機的水平。同時，氫燃料電池反應后的產物只有水，可實現零排放。如果氫是通過可再生能源產生的，整個循環就是徹底的不產生有害物質排放的過程。

目前，氫燃料電池主要應用于氫燃料汽車。與純電動汽車相比，氫燃料汽車具有重量輕、加氣快、續航遠等優勢。豐田公司推出的Mirai 氫燃料汽車充氣只需3～5分鐘，最大續駛里程可達700公里。我國上汽集團推出的插電式氫燃料電池車最大續航里程達到400公里。若能大面積推廣，氫燃料汽車將對燃油市場造成較大的沖擊。但是，氫燃料汽車目前仍面臨著制氫成本高及配套設施不完善等問題。

小微核電技術

小微核電技術主要包括小型堆技術和微型核電池技術。小型堆指功率不超過300兆瓦電力的反應堆，是一種采用模塊式設計、單堆功率較小的一體化反應堆。

與大型反應堆相比，小微核電技術具有三方面優勢：首先是建造成本低，小型堆采用模塊化制造與安裝，模塊可在工廠集中加工制造，在建造地點就地組裝，施工周期短、投資??；其次是安全性高，小型堆通常采取一體化設計，減少了管道可能破裂導致的泄漏情況，并且由于核能系統都布置在地面下，具有較強的抗震能力；第三是用途廣泛，小型堆不僅可用于發電，還可用于供電、供熱、水處理、熱電聯產等行業，小型堆還能為其他能源的生產提供能源，諸如油砂、頁巖氣的生產等。目前，世界上眾多國家都已經開展了小型堆技術的設計和建造工作，美國、俄羅斯、日本等國的小型堆已經投入運營。

微型核電池是指利用微米和納米級材料制造的超微型電源設備，該設備通過放射性物質的衰變，釋放出帶電粒子，從而獲得持續電流，其理論壽命可達成百上千年。目前，該電池仍處于實驗室研究階段。

電燃料技術

電燃料技術是以電能、二氧化碳為原料，在微生物的催化作用下將其轉化為液體烴類燃料的技術。該技術繞過了光合作用，可以不經過植物便產生生物燃料，而其轉化效率為光合作用的10倍甚至更多。

電燃料技術的產出物同現有的汽車引擎具有較好的兼容性。另外，其產出物還可以合成碳水化合物或是其他可燃分子，以及包括香精、化纖、溶劑、油漆等在內的日用品。

美國能源部通過ARPA-E計劃支持了14個電燃料技術項目，總預算為4800萬美元，麻省理工學院、哈佛大學等都投入到了該技術的研發中。電燃料的技術難點包括微生物的篩選和培養、微生物基因工程改造以及生物反應器的制備等，目前該技術尚處于實驗室研發和攻堅階段且進展順利。該技術一旦發展成熟將使二氧化碳變為生產烴類產品的重要原料，從而開啟二氧化碳化工新時代。

能源互聯網技術

能源互聯網是以電力系統為核心與紐帶，構建多種類型能源的互聯網絡，利用互聯網思維與技術改造能源行業，實現橫向多源互補，縱向源網荷儲協調，能源與信息高度融合的新型生態化能源體系。

通過建設能源互聯網，可以實現三個主要目標：構建多元能源供應體系，推動能源生產革命；培育新型業態，推動能源消費革命；促進產業升級，推動能源技術革命。美國以智能電網建設為先導推進能源互聯網建設；德國以實踐項目探索來大力推進能源互聯網發展；我國以實施堅強智能電網來推動能源互聯網建設。

隨著儲能技術的不斷進步，能源互聯網將能夠實現各類型分布式可再生電源，儲能設備以及可控負荷之間的協調優化控制。此外，電動汽車是交通運輸系統電氣化轉型的重要手段，能源互聯網能夠為電動汽車提供更為完善且具有較強通用性的基礎設施。能源互聯網的建設將會使得各類型能源供應與輸配網絡得到整合和延伸，實現各類能源的互聯共享，是對現有能源供需結構的顛覆性革命及傳統能源行業觀念的根本性變革。

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