在一些国家和地区设法用可靠的能源替代俄罗斯天然气的过程中,既用到了代表将来的新技术,也有代表过去的陈旧技术。煤炭就是属于“东山再起”的一种能源,而核聚变的应用前景尚在重新评估中。但向着绿色能源过渡的进程正在加速。发生在乌克兰的战事,还有气候学家们忧心忡忡的预判,都在促进能源革命的进程。这从太阳能、风能、潮汐能和地热能产业的快速发展就能窥见一斑。此外,别忘了还有氢能源。
作者:James Chater
渴求电力
1992年美国总统大选期间,比尔•克林顿的竞选口号非常有名:“关键在于经济,真笨!”如果我们把“经济”替换成“电力”,那就成了“关键在于电力!”电力转型需要的是绿色电力——远大于目前的发电产能。需求来自于常规市场:家用、电动汽车和工业用途。但造成供需失衡的是工业。重工业正逐渐摆脱煤炭和天然气能源,正在向电力转型。钢铁行业一马当先,正在用电力或氢气能源代替煤炭和焦炭。(许多钢铁厂都在进行“去碳化”,SSAB声称已经生产出了全球第一炉百分之百零化石能的钢。)其它行业,例如矿业,也在跟进中。
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全球的绿色能源
据国际能源署(IEA)称,到2030年为止,商业量产清洁能源的产量将翻至三倍。增长最快的清洁能源是风能和太阳能,两者共占2022年电力总产能的12%,比2021年增长10%。欧洲仍然是绿色能源开发的领跑者。虽然BP公司已经削减了对绿色能源的投资,其它公司,例如意大利国家电力公司(Enel)和葡萄牙电力公司(EDP),都在继续奋力推进。执意与美国和中国角力的欧盟削减了对绿色项目的批文,同时允许提高国家补贴额度。这获得了德国的大力支持,该国的目标是2030年前80%的电力都用可再生能源生产,并且建成30吉瓦(GW)海上风电产能。西班牙批准了若干海上风电项目,伊比德罗拉公司(Iberdrola)的投资颇巨。葡萄牙位于Mina de Orgueirel的首座海上风电场已经投产,该国计划2030年前建成10吉瓦产能。作为意大利经济不发达地区之一,西西里岛喜迎意大利国家电力公司在卡塔尼亚投建双面光伏板厂,给地方经济注入了活力。
再往北方, 挪威国家石油公司(Equinor ) 及其英国合作伙伴S S ERenewables开始在Dogger Bank扩建风电场。丹麦近期正在为9吉瓦海上风电项目招标,挪威也在为两座总产能3吉瓦的风电场公开招标。英国宣布拍卖价值2.05亿英镑的绿色电力。美国的《通货膨胀削减法案》2022版提出了2030年前实现二氧化碳排放减少40%的方案。和欧盟相美国也在调整监管政策,以便促进风电场的发展,而且重点也是海上风电场。挪威国家石油公司和英国BP公司计划扩建位于纽约滨海的Beacon风电场。GlennmontPartners正在和美国GreenGo能源公司合作开发超过1吉瓦的太阳能发电及储存项目。而在更南方,墨西哥北部沙漠中的一处巨型太阳能发电站迎来了揭幕。拉丁美洲和加勒比海沿岸国家总共约有250个太阳能发电项目。在中东地区,太阳能和风电项目也在改变当地的能源结构,尽管该地区以往的绿色电能占比一直都很低。
2022年,绿电产能的增长率出色地达到了12.8%。沙特阿拉伯宣布将投资2664亿美元在绿电产业。多数项目由一家活跃于中东、中亚和非洲的阿拉伯联合酋长国能源公司Masdar承担。随着水电产能大幅下滑,非洲大陆也在面临能源短缺。屡屡经历停电的南非,正在通过立法推动电力项目的快速推进。其它正在着力发展电力项目的国家包括津巴布韦(中国将建造一座浮式发电站)、摩洛哥、肯尼亚、埃塞俄比亚、赞比亚和埃及。澳大利亚的绿电项目也在迎头赶上,本届政府迄今为止核准的清洁能源项目数量翻了一倍。去年9月公布的一份清洁能源发展计划显示,将投入400亿美元用于将煤电厂改造成可再生能源发电厂。再看亚洲,印度的太阳能发电产业完成了一波爆发性增长,实现了对天然气的取代,但是煤炭的应用基本没有改变。该国将每年招标8吉瓦风电项目,直至2030年。中国计划在戈壁沙漠地区,建造产能高出天际的450吉瓦太阳能和风能发电站。
创新
绿色能源领域始终都在坚持科技创新。为避免过多占用原本可以耕种的土地资源,浮式太阳能发电站问世了。现在又出现了一种“农电(agrivoltaics)”,它可以避免农作物遭受全球变暖的影响。它的思路是将农作物种在光伏板之间,利用光伏板为作物或动物遮阴降温。日本、韩国、法国和中国,都是较早开发农电产业的国家。在风电领域,比较突出的创新是一座被称为浮式风机阵列(windcatcher)的发电站。它由117套机组堆叠而成,高达300米。小型翼片的发电效率比大型翼片高,而且能承受更高的风速。海浪/潮汐能的开发速度始终落后于太阳能和风能,但新技术的出现意味着这种情况将会改变。意大利国家电力公司(Enel)开发的海浪能转换器,即位于奥克尼岛(Orkney)滨海的PB3 PowerBuoy和Orbital O2,就是这方面的典型案例。Orbital O2海浪能转换器是全球最大功率的潮汐能发电装置。据估计,仅利用潮汐洋流发的电就足够提供英国电力需求的11%。
和海浪/潮汐能一样,地热能源的稳定性是风能和太阳能不具备的优势。而且它还在进行技术升级。例如Vendicorp公司正在和昆士兰大学合作开发超临界涡轮机、换热器和风冷冷凝器,专门用于地热、太阳能和垃圾燃烧发电站。英国能源公司CeraPhi和Fraser Well Management公司在开发一种闭环系统,它可以利用废弃油气井进行热传导,从而在较低温度下利用地热发电并为城市供暖。
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适用于绿色能源市场的阀门产品
在形形色色的阀门应用领域,到处都有丰富的商机。例如OHL Gutermuth公司专门为太阳能发电站提供高压阀门。此外,该公司曾经给迪拜最大规模的太阳能聚光发电站提供过特种阀门产品,也曾担任过中国装备制造商上海电气集团的顾问。今年初,维美德公司(Valmet)宣布将为某个吉瓦级绿氢厂提供阀门解决方案。
萨姆森Pfeiffer公司的产品系列中,有适用于环境友好型制氢的自动关断阀,也有适用于电解厂的阀门产品。去年,欧玛(AUMA)向台湾省沁水地区的一座新一代地热发电站供应了四十台执行器。它们的设计要求是能承受强腐蚀环境,因为会暴露在高温、高湿的酸性气体中。
克服间歇性
风和太阳都不是24小时连续可用的能源,如何克服这一缺点?答案之一就是混合发电系统。它可以利用两种或更多能源发电,通常是可再生能源,而且多种能源对应的发电系统连接到同一个节点。通常夏季风力会变弱而阳光变强,混合发电系统就能从风力发电模式切换到太阳能模式。这种混合发电系统一般都是独立运作,并且配置有储电设备,或是将电力转换成氢气。(见下图)
锂
储电技术的现状可谓是喜忧参半。主流储电技术仍然是锂电池,它有两大主要缺点:容易起火,此外西方国家的大部分锂都依赖中国提供。还有一个不利因素就是储电设备的发展速度不够快,不足以令能源公司摆脱对基荷供电源的依赖。不仅如此,电动汽车也对发电领域的电池需求产生了竞争。到2030年,市场对锂电池的需求预计将上升到原来的5倍以上。尽管目前有众多相关项目,例如Masdar在英国投资12亿美元的项目,Albemarle在南卡罗琳娜州的锂电池厂项目,Glencore和Iberdrola的合作项目,依靠锂电池储存电力显然无法满足市场的需求。
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二氧化碳
幸运的是还有其它解决方案。其中有一种绝对出乎意料,就是二氧化碳!Energy Dome公司开发了一种闭环式二氧化碳热动力转换的技术,其本质上是一种热机械工艺。利用富余的绿色能源将二氧化碳气体压缩、储存并液化。当需要利用能源时,让液态二氧化碳蒸发膨胀,从而驱动涡轮机。相关的压缩机、涡轮机和换热器,和油气行业所用的那些类似。
氢
另一种解决方案就是发展迅速的绿氢。氢是通过将水分子电解为氢和氧得到的。电解需要电能,如果采用的是绿色电力,这意味着减少二氧化碳排放。全球最大的海上风电公司沃旭能源(Ørsted,亦有音译“奥斯特德公司”)位于丹麦的H2RES项目就是个很好的例子,它属于风力制氢项目,位于丹麦滨海。与之类似的有荷兰的NortH2项目,它依靠一座3至4兆瓦的海上风电场供电并制氢。在中国(西氢东送管线)、法国、葡萄牙、欧洲(管道网)、加拿大、西班牙(BP绿氢枢纽)、美洲和非洲,也都有相关项目。尽管目前有众多项目在建,但是距离建成一个足以作为间歇性可再生能源的后备支援体系,仍有很远的路要走。我们需要有耐心。
人力短缺
不恐高的你正在找工作吗?安装光伏发电板或搭建风力发电机的工作可能非常适合!投资庞大的太阳能及风力发电项目,将现有的人力资源推到了极限。拜登颁布了“降低通货膨胀法令”后,美国的劳动力短缺现象尤其严重。而且欧洲同样缺少太阳能发电站的建设工人。BP公司近期宣布将聘用一百多位员工,参与建设海上风电场。