世界能源领域前沿技术发展趋势分析，3D打印技术应用于太阳能电池制造工艺

来源:能源情报研究

随着新一轮工业革命兴起，应对气候变化达成全球共识，能源技术成为引领能源产业变革、实现创新驱动发展的源动力。目前，世界主要国家和地区均把能源技术视为新一轮科技革命和产业革命的突破口，从能源战略的高度制定各种能源技术规划、采取行动加快能源科技创新，以增强国际竞争力。同时，能源技术开发的最新动态也预示着未来全球能源发展趋势。

一、全球能源技术的发展趋势分析


1.绿色、低碳能源技术必然是未来发展主要方向

未来，能源将继续向着低碳化、绿色、高效方向发展。欧盟科研创新资助计划“地平线2020”2018 ～ 2020 年度支出方案中，“低碳和适应气候变化的未来”领域将获 33 亿欧元预算，按年度工作计划，可再生能源、能效建筑、电动运输和储存方案 4个清洁能源领域的项目将获 22 亿欧元拨款。俄能源部宣布支持设立远东联邦区可再生能源发展基金，并将制订具体建议。英国将投入 2800 万英镑资助可再生能源创新、智慧能源系统创新、低碳工业创新、核能创新等能源创新项目，作为能源创新计划 (2016 ～ 2021年 )的一部分。特朗普政府宣布退出巴黎协定，全球应对气候变化形势变得扑朔迷离，但全球能源领域转型已是大势所趋，绿色能源技术、低碳能源技术必然是未来发展主要方向。


2.小型模块化反应堆开启核能新时代

小型模块化反应堆 (SMR)因其较高的安全性能、操作灵活性、电网适应性等优点，受到越来越多的关注。全球多个核电大国推进 SMR技术开发部署。美国Nuscale Power公司提交首个 SMR商业电厂设计认证审查申请。加拿大监管机构启动了首个 SMR示范堆的一般选址和取证程序。俄罗斯将协助菲律宾开展关于在陆上或近海建造 SMR的可行性研究。俄罗斯原子能集团所属“光线”科学生产联合公司研发出基于热电子发射效应原理的小型核电站，具有安全可靠、不需维护、可长期运行等特点，可作为独立电源为偏远地区重要设施供电。英国政府承诺通过竞争探索 SMR的潜力，评估开发、商业化和资助 SMR技术的市场利益。2018年 7月 3日，日本政府公布了最新制定的“第 5次能源基本计划”，提出今后将开发具有安全性、经济性和机动性优势的堆型，小型模块化堆将是日本未来开发的重要选项。

3.能源区块链领域前景广阔

区块链技术具有去中心化存储、信息高度透明等优势，能实现能源的数字化、分布式精准管理，将对未来能源市场产生巨大影响。美国能源部提出“基于区块链技术的能源系统新概念”，探索区块链技术在管理电网方面的应用。英国石油公司和荷兰壳牌领衔的财团将开发一个针对能源大宗商品交易的区块链数字平台。澳大利亚政府将提供 257 万澳元以支持一个应用区块链技术的光伏和用水两年试点项目。麦肯锡公司在一份报告中指出，区块链是继蒸汽机、电力、信息和互联网科技之后目前最有潜力触发第 5轮颠覆性革命浪潮的核心技术，对于石油和天然气这样一个分布广泛、复杂庞大的行业，区块链技术的黄金期正在到来。


4.电池储能将发挥重要作用

储能产业作为能源结构调整的支撑产业和关键推手，在传统发电、输配电、电力需求侧、辅助服务、新能源接入等不同领域有着广阔的应用前景。国际可再生能源署 (IRENA)发布的《电力存储和可再生能源 ：成本和市场研究报告 (2030)》称，到 2030 年，如果能源系统的可再生能源份额翻番，全球储能容量将增加三倍。报告在基本预测情景中提出，到 2030年，全球储能装机将在 2017 年基础上增长 42% ～ 68%，如果可再生能源增长强劲，那么储能装机增长幅度将达到155% ～ 227%。电池储能将在改变储能装机结构中发挥重要作用，在尖峰负荷时段的电力能源系统中起到电源的作用。储能技术的快速发展将给能源系统带来显著变化，同时，在化石燃料需求上会造成一定的影响，毕竟，储能将越来越多地取代火电，在电力能源系统中发挥强大的电源调节能力。

5. 5G与能源的深度融合

近年来，能源行业积极实施“互联网 +”战略，全面提升行业信息化、智能化水平，充分利用现代信息通信技术、控制技术，实现智能设备状态监测和信息收集，激发新型作业方式和用能服务模式。随着各类能源业务的快速增长，电网设备、电力终端、用电客户迫切需要通过最新的通信技术及系统支撑，满足爆发式增长的通信需求。5G技术将支持能源领域基础设施的智能化，并支持双向能源分配和新的商业模式，以提高生产、交付、使用和协调有限的能源资源的效率。可再生能源、电网通信、智能电网等领域将成为 5G在全球能源行业的重点应用场景。欧盟特别注重 5G与行业的充分融合，在《关于 5G架构的观点》白皮书中提出，5G网络架构应具备为汽车、能源、食品、农业、医疗、教育等垂直行业提供定制化专网组网服务的能力，5G技术与商业生态系统的对接，有利于 5G网络能够高效率、低成本地提供各类新兴业态服务。


6.3D打印技术应用于太阳能电池的制造工艺

3D打印技术除了用在晶体硅太阳电池以外，也可以应用在薄膜电池上。如美国俄勒冈州立大学的研究者们使用 3D打印技术成功地制造出了铜铟镓硒 (CIGS)薄膜太阳电池，节约了 90%的原材料。麻省理工学院(MIT)则通过一台特制 3D打印机将薄膜太阳电池印刷到纸张上，这种电池目前可提供 1.5% ～ 2%的电池效率。3D打印技术不仅能打印出分辨力高、导电性好的栅线，而且能够降低生产成本，可以和高方阻发射极完美结合并应用于各类太阳电池新技术。国内外都在积极研究及应用推广该技术，因此，3D打印技术应用于太阳能电池的制造工艺将是大势所趋，这一技术也会带来太阳能电池质量和效率的大幅提高。

二、启示与建议


1.突破核心技术，打造新一代电力系统
以可再生能源逐步替代化石能源，使清洁能源在一次能源生产和消费中占更大份额，推动能源转型，建设清洁低碳、安全高效的新一代能源系统，是我国能源革命的主要目标。一次能源消费中非化石能源主要来自一次电力，大幅提高非化石能源电力占比，形成非化石能源为主的电源结构，是电力系统转型的重要标志。当前，突破高比例可再生能源、高比例电力电子装备接入电网，多能互补综合能源以及信息物理深度融合智能化电网等技术，是建设新一代电力系统的关键。


2.不断壮大清洁能源产业，推动绿色能源发展

应对气候变化，清洁能源扮演着举足轻重的角色。加快水电、核电、风电、光伏等清洁能源替代迫在眉睫。国际能源署预测，在未来 5年内，中国将持续引领全球清洁能源发展。当前，我国已成为全球最大的可再生能源生产国和应用国，水电、风电、光伏装机规模多年保持全球领先，核电在建规模也居世界首位。绿色低碳是能源技术创新的主要方向，集中在传统化石能源清洁高效利用、新能源大规模开发利用、核能安全利用、能源互联网和大规模储能以及先进能源装备及关键材料等重点领域。


3.加大研究力量，建立有效激励机制

近年来，我国能源科技创新能力和技术装备自主化水平显著提升，建设了一批具有国际先进水平的重大能源技术示范工程。智能电网和多种储能技术快速发展，陆上风电、海上风电、光伏发电、光热发电、纤维素乙醇等关键技术均取得重要突破。一系列具备国际先进水平的重大能源示范工程成果标志着我国能源科技水平得到了跨越式发展。但与世界能源科技强国和引领能源革命的要求相比，还有较大的差距，主要体现在核心技术缺乏，高端能源装备依赖进口 ;产学研结合不够紧密，创新活动与产业需求脱节 ;创新体制机制不够完善，人才培养、管理和激励制度有待改进等几方面。因此推动能源技术革命已迫在眉睫，必须大力推进能源技术创新，缩小与国际先进水平差距，强调自主研发与技术引进相结合。


4.明确能源科技发展战略的优先方向与路线

能源技术是决定全球能源未来的重要因素之一，能源技术的发展方向更是关系能源战略全局的关键棋子。把握世界能源科技绿色低碳、智能、高效、多元的发展方向，合理规划建设清洁低碳、安全高效现代能源体系的中长期愿景和目标，建立稳定的政策环境，把化石能源清洁高效利用、分布式能源和智能电网、先进安全核能、规模化可再生能源作为战略优先方向，适时更新中长期发展战略和行动计划，并利用技术和产业路线图指导技术研发和产业创新。


5.大数据背景下推动能源行业数字化转型

在“智能 +”时代，云、物联网、数据分析、机器学习、人工智能、自动化、智能终端、增强现实等技术组成错综复杂的生态系统。技术不仅是提升效率的工具，还是能源行业成功的业务战略与未来收入增长的基石。在大数据时代，能源行业的数字化转型已是大势所趋。

能源行业的数字化转型，就是发展数字能源，即利用数字技术，引导能量有序流动，构筑更高效、更清洁、更经济、更安全的现代能源体系。