RMI-中國(guó)新一代清潔低碳技術(shù)展望

2023.10作者姓名按姓氏首字母順序排列。本報(bào)告作者特別感謝以下來自企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)的專家對(duì)報(bào)告撰寫提供的洞見與建議。/3 5 10 11 14 16 18 22 30 23 26 28 28 30 32 34 36 37 38/4隨著越來越多國(guó)家和地區(qū)陸續(xù)提出碳中和目標(biāo)，針對(duì)轉(zhuǎn)型路徑和具體行動(dòng)措施的分析和選擇逐漸成為了各行業(yè)充分應(yīng)用的基礎(chǔ)上，全球應(yīng)當(dāng)也必須通過更多低碳清潔技術(shù)的創(chuàng)新和加速發(fā)展來充分挖掘零碳轉(zhuǎn)型的潛力，在前的投資增長(zhǎng)很大程度上反映在了供應(yīng)鏈成本的上漲以及勞動(dòng)力、水泥、鋼鐵和關(guān)鍵礦物等材料的持續(xù)價(jià)格增在碳達(dá)峰、碳中和宏偉目標(biāo)的指導(dǎo)以及行業(yè)和市場(chǎng)的大力推進(jìn)下，中國(guó)在清潔能源技術(shù)方面始終發(fā)揮著主導(dǎo)作而另一方面，在零碳轉(zhuǎn)型的情景下，當(dāng)前清潔能源技術(shù)的發(fā)展規(guī)模和水平仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。根據(jù)多家研究機(jī)構(gòu)估領(lǐng)域。盡管中國(guó)在過去的5-10年已經(jīng)在可再生能源發(fā)電裝機(jī)和新能源汽車等領(lǐng)域取得了突破性成就，但既有轉(zhuǎn)要長(zhǎng)期的投資和孵化。為了幫助政策制定者、行業(yè)企業(yè)和投資者等利益相關(guān)方更加清晰地識(shí)別碳中和轉(zhuǎn)型路徑中各項(xiàng)清潔能源和低碳究，希望在對(duì)中國(guó)未來零碳轉(zhuǎn)型過程中需要的清潔能源和低碳技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)性梳理的基礎(chǔ)上，為不同利益相關(guān)方提供對(duì)技術(shù)發(fā)展方向和優(yōu)化方案的建議。/6通過系統(tǒng)性針對(duì)性的分析為行業(yè)闡明技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，為企業(yè)提供技術(shù)應(yīng)用場(chǎng)景和時(shí)間的參考，為政策制定者描繪加速技術(shù)突破的支持政策方向，為投資和金融機(jī)構(gòu)呈現(xiàn)投資領(lǐng)域希望從動(dòng)力電池、熱泵、電解鐵礦石和液流電池儲(chǔ)能這4項(xiàng)不同行業(yè)的清潔低碳技術(shù)出發(fā)，為加速技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用提供參考和借鑒。研究團(tuán)隊(duì)將在后續(xù)持續(xù)發(fā)布其他技術(shù)種類/7技術(shù)現(xiàn)狀及應(yīng)用前景在碳中和的新紀(jì)元下，新能源汽車即將成為未來交通出行市場(chǎng)的主流，動(dòng)力電池也因此順理成章地成為了未來之路上的“動(dòng)力之源”。正因如此，在當(dāng)前動(dòng)力電池技術(shù)蓬勃發(fā)展的初期階段，關(guān)于其未來市場(chǎng)增長(zhǎng)空間、技術(shù)性能、成本，特別是如何影響新能源汽車推廣應(yīng)用進(jìn)程的討論和關(guān)切也愈發(fā)熱烈。作為《中國(guó)低碳清潔技術(shù)淺析匯編》的開篇之作，我們希望通過本文的分析和描述盡可能解答讀者的上述疑問，并對(duì)動(dòng)力電池技術(shù)未來（1）中國(guó)是全球最重要的動(dòng)力電池市場(chǎng)，在碳中和目標(biāo)的引領(lǐng)下，中國(guó)（2）過去10年，以鋰離子電池為代表的動(dòng)力電池在能量密度和成本兩項(xiàng)特性上都已經(jīng)取得了較為明顯的突（3）在當(dāng)前技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)的基礎(chǔ)上，動(dòng)力電池技術(shù)能夠支撐中國(guó)道路交通行業(yè)在2050年之前完成90%以上的車輛電動(dòng)化轉(zhuǎn)型工作，以乘用車為主；剩余10%左右以長(zhǎng)途乘用車和中重型卡車為主的車輛，（4）按照目前電池技術(shù)、基礎(chǔ)設(shè)施和市場(chǎng)的發(fā)展速度，傳統(tǒng)液態(tài)鋰離子電池在2025年左右就能夠滿足城市內(nèi)通勤私家車、公交車、網(wǎng)約車和出租車等車輛類型的全面電動(dòng)化轉(zhuǎn)型需求，屆時(shí)這些車輛的總擁有成（5）鈉離子電池、固態(tài)電池等新型電池技術(shù)將在加速車輛電動(dòng)化轉(zhuǎn)型中發(fā)揮重要作用，2030年后動(dòng)力電池（6）長(zhǎng)期來看，動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)具有廣闊的增長(zhǎng)潛力和前景，超前投資會(huì)（7）動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)且粋€(gè)龐大的系統(tǒng)，其長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展不僅需要多維度全進(jìn)行其產(chǎn)業(yè)鏈上下游的聯(lián)通以及循環(huán)經(jīng)濟(jì)和全生命周期體系的建立，盡快在自身生產(chǎn)和末端處理環(huán)節(jié)實(shí)關(guān)于上述觀點(diǎn)背后的邏輯和分析，請(qǐng)您繼續(xù)閱讀正文部分的內(nèi)容，也歡迎您對(duì)感興趣的內(nèi)容和話題與我們進(jìn)行/9動(dòng)力電池指被應(yīng)用于交通領(lǐng)域、為交通工具提供動(dòng)力的電池，是近年來新興的電池種類。電動(dòng)汽車和動(dòng)力電池的發(fā)展歷史可以追溯到19世紀(jì)，但由于受到電池性能、基礎(chǔ)設(shè)施以及燃油汽車的快速發(fā)展等因素的影響，動(dòng)力電池和電動(dòng)汽車不得不逐漸退到了幕后。直到20世紀(jì)80年代，能源危機(jī)的出現(xiàn)大幅推進(jìn)了電動(dòng)汽車和動(dòng)力電池研發(fā)的進(jìn)程，而21世紀(jì)特斯拉、松下和寧德時(shí)代等行業(yè)先驅(qū)更是進(jìn)一步推動(dòng)了動(dòng)力電池行業(yè)爆發(fā)式的增長(zhǎng)。在新時(shí)代中國(guó)碳達(dá)峰、碳中和等低碳轉(zhuǎn)型目標(biāo)的大背景下，動(dòng)力電池的應(yīng)用前景已經(jīng)不再局限于電動(dòng)汽車和交通電氣化，以動(dòng)力電池技術(shù)為基礎(chǔ)的化學(xué)儲(chǔ)能也將成為新型電力系統(tǒng)的重要組成，為清潔能源的穩(wěn)定、安全并網(wǎng)打好基礎(chǔ)。因此可以說，以鋰電池為代表的動(dòng)力電池技術(shù)已經(jīng)成為了中國(guó)能源轉(zhuǎn)型和實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)的核心技術(shù)未來幾年中，整個(gè)電動(dòng)車市場(chǎng)仍將呈現(xiàn)加速擴(kuò)張的態(tài)勢(shì)，同時(shí)儲(chǔ)能電池也將迎來到2030年時(shí)全球動(dòng)力和儲(chǔ)能電池需求將達(dá)到2.8TWh，是2021年的10倍。即便是在全球新產(chǎn)業(yè)全面蓬勃發(fā)展的趨勢(shì)下，中國(guó)動(dòng)力電池到2030年的市場(chǎng)份額/109動(dòng)力電池出現(xiàn)已經(jīng)上百年，而現(xiàn)代鋰離子電池的基本原理則是在上世紀(jì)90年代形成的理論框架。以鋰離子電池池管理系統(tǒng)及其組裝模式等方面加以嘗試和創(chuàng)新，以在所有零部件和生產(chǎn)工藝中，對(duì)電池性能影響最大的因素是電池化學(xué)材料的選擇。正極材料方面，經(jīng)過多年的淘汰選擇后，目前主流的動(dòng)力電池種類通常使用兩大類正極材料：磷酸鐵鋰正極，和三元（三元指鎳錳鈷NMC或鎳鈷鋁NCA這三種金屬的氧化物以不同比例混合而成的正極材料）正極。磷酸鐵鋰的優(yōu)勢(shì)在于成本低、壽命長(zhǎng)、安全性好。三元的優(yōu)勢(shì)在于能量密度高、低溫性能好。兩者互為補(bǔ)充，占領(lǐng)了幾乎全部的電動(dòng)汽車市場(chǎng)。負(fù)極方面，大多數(shù)電池廠商都選擇基于石墨的負(fù)極材料，同時(shí)也有頭部廠商已經(jīng)開始向比容量更高、技術(shù)難度……/11電池的性能有多種影響因素，如安全性能、充電速度、壽命等，其中能量密度和成本著影響動(dòng)力電池的應(yīng)用前1前者決定了新能源汽車的續(xù)航能力，是定位新能源汽車對(duì)燃油車使用場(chǎng)景替代能力的核心，后者關(guān)系到新能源汽車價(jià)格，影響著新能源汽車的市場(chǎng)吸引力和推廣應(yīng)用進(jìn)程。兩者的結(jié)合直接反映了新能源汽車的性價(jià)通常來講，動(dòng)力電池的正負(fù)極材料、生產(chǎn)工業(yè)以及內(nèi)部系統(tǒng)各元件間的相互作用模式?jīng)Q定了其能量密度的大小。過去十幾年中動(dòng)力電池能量密度的發(fā)展大致可以分為兩個(gè)階段。2唯續(xù)航論”的信念，部分廠商把能量密度作為衡量電池性能的最重要標(biāo)準(zhǔn)。在這一階段，磷酸鐵鋰和三元鋰電池以優(yōu)越的整體性能，從錳酸鋰、鈦酸鋰甚至鎳氫電池等一眾化學(xué)材料里脫穎而出，成為最主流的動(dòng)力電池類型，電池平均單體能量密度也從100Wh/kg上下提升到170Wh/kg（磷酸鐵鋰）和250Wh/kg（三元）左22018年之后，由于電池材料和制造工藝趨于穩(wěn)定，金屬材難度逐漸加大，以及由電池導(dǎo)致的車輛事故頻發(fā)等原因，動(dòng)力電池的發(fā)展重心逐步向安全、廉價(jià)、長(zhǎng)壽等方面轉(zhuǎn)移。這一階段電池能量密度的增長(zhǎng)明顯放緩，2021年時(shí)單體電池市場(chǎng)平均密度約為180Wh/kg，電池組約為來進(jìn)一步突破能量密度上的瓶頸?；氖褂眯枨蟆?017年開始，國(guó)家在新能源汽車購(gòu)置補(bǔ)貼的申領(lǐng)標(biāo)準(zhǔn)中已經(jīng)開始容納動(dòng)力電池能量密度相關(guān)1能量密度，即單位重量下的電能量，是最常用來衡/12動(dòng)力電池及其系統(tǒng)的成本通常是新能源汽車成本的最主要組成部分（40%左右），而在動(dòng)力電池中，材料成本和研發(fā)投入則構(gòu)成了其主要成本要素。隨著新能源汽車產(chǎn)業(yè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，動(dòng)力電池的研發(fā)成本得到充分的稀釋，總成本也因此快速下降。根據(jù)北極星儲(chǔ)能網(wǎng)數(shù)據(jù)顯示，2010年，鋰離子電池的單體平均價(jià)格和電池組價(jià)格分別在5元/Wh和7元/Wh左右，到了2020年，鋰電池單體價(jià)格和電池組的平均價(jià)格分別然而，目前的動(dòng)力電池價(jià)格水平與實(shí)現(xiàn)新能源汽車與燃油汽車總擁有成本平價(jià)（購(gòu)買和使用電動(dòng)汽車的總成本與燃油車剛好相等）仍然有一定的差距。一般而言，動(dòng)力電池電池組的價(jià)格需要至少達(dá)到0.65電動(dòng)汽車與同等規(guī)格的燃油汽車成本平價(jià)的目標(biāo)?？紤]到新能源汽車在續(xù)航能力、充電便利性等方面存在一定的劣勢(shì)，且物流車特別是長(zhǎng)途運(yùn)輸重型卡車等商用車對(duì)成本的敏感性更高，動(dòng)力電池需要進(jìn)一步拓展成本下降/13盡管長(zhǎng)期來看金屬價(jià)格不會(huì)持續(xù)上漲，但仍然很有可能保持高于2020年價(jià)格的高位狀態(tài)，電池廠商也將因此承擔(dān)更大的成本壓力。除了探索鋰離子電池的成本縮減空間外，部分廠商也在著手研發(fā)下一代低成本電池，例如呼聲很高的鈉離子電作為動(dòng)力電池最主要的功能載體，新能源汽車推廣應(yīng)用的進(jìn)程決定著動(dòng)力電池發(fā)展的方向和前景，而動(dòng)力電池技術(shù)水平的高低則直接影響著新能源汽車的性能和市場(chǎng)接受度。由于應(yīng)用場(chǎng)景不同，各種類型的新能源汽車汽車對(duì)動(dòng)力電池的性能和成本要求存在一定的差異。例如，城市內(nèi)日常通勤的車輛對(duì)新能源汽車的續(xù)航里程要求相對(duì)較低，但對(duì)成本相對(duì)敏感，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)化轉(zhuǎn)型難度較低；而重型長(zhǎng)途卡車由于對(duì)配送里程和經(jīng)濟(jì)性較為敏在這樣的情況下，動(dòng)力電池技術(shù)的發(fā)展方向和前景不僅會(huì)受到原材料和科技水平的影響，也與其市場(chǎng)定位和發(fā)揮作用的場(chǎng)景密切相關(guān)。因此在分析不同動(dòng)力電池技術(shù)路線的性能和成本變化趨勢(shì)的同時(shí)，系統(tǒng)性識(shí)別以新能源汽車為核心的動(dòng)力電池應(yīng)用場(chǎng)景、不同車型的電動(dòng)化轉(zhuǎn)型需求以及技術(shù)路線，對(duì)明確動(dòng)力電池的技術(shù)方向和為了更加清晰地展示動(dòng)力電池未來的應(yīng)用場(chǎng)景潛力，以及動(dòng)力電池在發(fā)展到怎樣的階段和時(shí)期才能滿足各車型電動(dòng)化的基本性能要求，我們計(jì)算了各車型新能源車和燃油車的總擁有成本（即一定使用年限內(nèi)購(gòu)置成本、燃料成本和維護(hù)等成本的總和），并觀察了在動(dòng)力電池不同的能量密度和成本狀態(tài)下新能源車和燃油車總擁有成本對(duì)比的變化。同時(shí)，結(jié)合對(duì)動(dòng)力電池能量密度和成本變化趨勢(shì)的預(yù)測(cè)，能夠幫讀者呈現(xiàn)出動(dòng)力電池在滿足車在進(jìn)行模擬計(jì)算的過程中，我們假設(shè)各車型全面電動(dòng)化轉(zhuǎn)型的條件為新能源車總擁有成本低于燃油車總擁有成由于日常行駛里程較短，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)化轉(zhuǎn)型對(duì)電池的能量密度和成本綜合要求最低，因此這一領(lǐng)域?qū)⑹俏磥礓囯x子電池最普遍的應(yīng)用場(chǎng)景。同時(shí)由于鈉離子電池具備較大的成本下降空間，在中遠(yuǎn)期同樣具備占據(jù)一定市場(chǎng)份額的潛力?？紤]到性價(jià)比仍然是這一場(chǎng)景下車輛車型推廣應(yīng)用效果的最主要影響因素，進(jìn)一步通過技術(shù)研發(fā)和/14極限值 離子電池更適合該場(chǎng)景的電動(dòng)化轉(zhuǎn)型應(yīng)用。電動(dòng)化難度最大的是有長(zhǎng)距離出行需求的私家車和中長(zhǎng)途重型卡車，兩者在鋰離子電池的時(shí)代均無法實(shí)現(xiàn)新能態(tài)電池在2030年左右可以接近達(dá)到滿足長(zhǎng)途出行私家車電動(dòng)化需求的能量密度和成本水平，但依然無法完全解電解質(zhì)鋰離子電池將覆蓋其他乘用和商用車輛。/15動(dòng)力電池未來發(fā)展的方向十分明確，即在進(jìn)一步開發(fā)和突破現(xiàn)有電池的能量密度并降低成本的同時(shí)，積極探索鈉離子電池、固態(tài)電池等新型電池技術(shù)的發(fā)展空間。由于市場(chǎng)基礎(chǔ)大、性能相對(duì)穩(wěn)定，短期內(nèi)液態(tài)鋰離子電池仍然將是新能源汽車加速推廣的主要根基，因此2030年之前持續(xù)開發(fā)鋰電池的技術(shù)潛力是確保城市內(nèi)車輛逐步向全面電動(dòng)化過渡的重點(diǎn)。與此同時(shí)，其他新型電池技術(shù)如果能逐漸加速其商業(yè)化進(jìn)程，也將成為解決長(zhǎng)距離除此之外，動(dòng)力電池本身的全生命周期優(yōu)化管理的重要性也將逐步凸顯。一方面原材料開采和進(jìn)口的依賴性較強(qiáng)，國(guó)際地緣政治局勢(shì)和金屬材料市場(chǎng)的發(fā)展變化增加了動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)的不確定性。短期來看，對(duì)采礦業(yè)的依賴限制了動(dòng)力電池的產(chǎn)能擴(kuò)張，也加劇了金屬市場(chǎng)的供給壓力和價(jià)格波動(dòng)；長(zhǎng)期來看，雖然金屬礦產(chǎn)儲(chǔ)量足夠支撐新能源汽車未來數(shù)十年內(nèi)的發(fā)展，但逐漸枯竭的資源仍然會(huì)導(dǎo)致開采成本逐漸升高，對(duì)動(dòng)力電池和新能源汽車市場(chǎng)產(chǎn)生不利影響。另一方面，廢舊電池的回收和處理創(chuàng)造了緩解上游原材料不足等問題的機(jī)遇，但同時(shí)也增加了環(huán)境污染的風(fēng)險(xiǎn)。由于目前動(dòng)力電池的回收處置的產(chǎn)業(yè)規(guī)范尚不明確，沒有得到妥善處理的廢舊電池在報(bào)廢過程中會(huì)消耗大量能量，并有可能造成環(huán)境污染。如何充分利用報(bào)廢動(dòng)力電池中的金屬材料，通過循環(huán)經(jīng)濟(jì)清潔回收和再利用控制對(duì)環(huán)境的影響，同時(shí)將回收資源用于新電池的生產(chǎn)，電池在技術(shù)性能方面仍將快速進(jìn)步，成為引領(lǐng)中國(guó)新能源汽車大規(guī)模推廣應(yīng)用的基礎(chǔ)。但動(dòng)力電池發(fā)展仍受到原材料、資金、技術(shù)等多方面因素的影響，要充分發(fā)揮其作用，就必須建立良好的政策和市場(chǎng)環(huán)境，同時(shí)完善其全生命周期產(chǎn)業(yè)鏈。這其中既包括持續(xù)推進(jìn)新能源汽車市場(chǎng)的發(fā)展，不斷提高對(duì)電池能量密度的要求，也包括明確不同動(dòng)力電池技術(shù)在新能源汽車各車型和使用場(chǎng)景中的需求和發(fā)展階段，完善充電基礎(chǔ)設(shè)施的配置，還包括建立電池全生命周期管理體系，明確電池回收責(zé)任，加強(qiáng)回收再利用，打通電池生產(chǎn)裝配企業(yè)、用戶、回/16中國(guó)熱泵技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展方向術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展方向作為人類“衣食住行”需求的重要載體，建筑滿足了人民日常生產(chǎn)生活的大部分用能需求。2021年，中國(guó)建筑部門運(yùn)行階段二氧化碳排放量高達(dá)21.3億噸，約占全國(guó)碳排放總量的20%，推動(dòng)建筑行業(yè)的清潔能源替代和能效提升也因此成為了實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)的關(guān)鍵。目前中國(guó)建筑日常運(yùn)行過程中，約60%的能源消費(fèi)來自采暖、熱水和制冷。熱泵技術(shù)作為建筑減碳最具前景的技術(shù)之一，能夠有效通過電氣化和效率提升等方式大大降低傳統(tǒng)供熱和制冷方式產(chǎn)生的能耗和排放，也是未來建筑行業(yè)向零排放轉(zhuǎn)型過渡的最重要解決方案之一。由于熱泵技術(shù)本身已經(jīng)相對(duì)成熟，我們將從成本經(jīng)濟(jì)性和具體適用場(chǎng)景的角度在本文中對(duì)各類熱泵產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力和技術(shù)方向和在中國(guó)各地區(qū)發(fā)展?jié)摿M(jìn)行簡(jiǎn)要梳理，希望幫助讀者進(jìn)一步了解熱泵技術(shù)在中國(guó)的現(xiàn)狀，定位下一階段應(yīng)用(1)熱泵是建筑領(lǐng)域節(jié)能減碳的最佳方案之一。預(yù)計(jì)到2050年，在零碳情景下中國(guó)熱泵占建筑采暖和熱水供熱的比例可達(dá)60%。熱泵技術(shù)有效利用環(huán)境中的低溫可再生熱源，替代了傳統(tǒng)的化石能源燃燒(3)在經(jīng)濟(jì)性分析中，部分熱泵產(chǎn)品的綜合成本已具備與傳統(tǒng)供熱產(chǎn)品相替代的競(jìng)爭(zhēng)力，但由于初始成本較(4)考慮到中國(guó)幅員遼闊且各地區(qū)氣候條件差異較大，各地區(qū)應(yīng)當(dāng)因地制宜選擇適合的熱泵技術(shù)。例如，使用吸收式熱泵替代原有集中供暖的化石燃料熱源較為適合北方集中供暖地區(qū)；而商用或自用分布式熱泵關(guān)于上述觀點(diǎn)背后的邏輯和分析，請(qǐng)您繼續(xù)閱讀正文部分的內(nèi)容，也歡迎您對(duì)感興趣的內(nèi)容和話題與我們進(jìn)行/18..熱泵技術(shù)在建筑低碳發(fā)展領(lǐng)域備受關(guān)注，其在采暖和熱水兩大建筑運(yùn)行運(yùn)用場(chǎng)景中對(duì)于傳統(tǒng)化石燃料燃燒或電力直接供熱的替代具有巨大的節(jié)能減碳潛力。在傳統(tǒng)的供熱方式中，熱量遵循自然流動(dòng)方向，即從高溫側(cè)（熱源）流向低溫側(cè)（需求側(cè)），通常需要通過燃燒化石能源的方式先釋放熱量制造高溫?zé)嵩?，再向需求?cè)傳遞熱量。這一過程中，熱量通常來自于非可再生能源，造成了大量的碳排放；此外，化石能源的燃燒溫度較高，通常在500攝氏度以上，遠(yuǎn)高于供熱實(shí)際所需的溫度（例如地暖熱水溫度通常不高于60攝氏度），造成了不必要的浪費(fèi)。與之相比，利用制冷劑的相變特性，熱泵設(shè)備可以從低溫?zé)嵩矗ㄈ缈諝?、淺層地?zé)岬龋┪諢崃坎⑨屜啾葌鹘y(tǒng)的燃燒供熱方式，熱泵的節(jié)能減碳潛力體現(xiàn)為兩方面：一方面，熱泵通常由電力驅(qū)動(dòng)，而在脫碳的過程中可再生能源發(fā)電占比預(yù)計(jì)將逐步提高，供熱熱源將極大減少對(duì)化石燃料的依賴；另一方面，熱泵所提供的熱量大部分來自外界自然環(huán)境，大幅提升供熱效率的同時(shí)還使得環(huán)境中的可再生熱能5得到了有效利用。也因此，熱泵技術(shù)在中國(guó)多省已被列入可再生清潔能源范疇。除了可以滿足建筑的供熱需求之外，熱泵還若向室內(nèi)供應(yīng)10kWh熱量6維持室溫20℃,燃煤供暖需要消耗約14kWh化學(xué)能（燃煤效率約70%），電阻煤/19從減少碳排放的角度，由于熱泵通常為電能驅(qū)動(dòng)，熱泵的碳減排潛力主要取決于熱泵自身的性能效率以及電網(wǎng)的二氧化碳排放因子。我們以燃?xì)獗趻鞝t供暖的二氧化碳排放作為對(duì)比進(jìn)行分析研究8，得出了如圖表10所示表示熱泵較于燃?xì)獗趻鞝t有減碳潛力，反之，熱泵則會(huì)造成更多為3.5，按照生態(tài)環(huán)境部2022年公布的全國(guó)電網(wǎng)排放因子0.5810kg-CO2/kWh計(jì)算，則熱泵已經(jīng)具備了相較燃?xì)獗趻鞝t的減碳潛力。熱泵制熱性能系數(shù)的進(jìn)一步提升，以及電網(wǎng)排放因子的進(jìn)一步降低則能夠幫助繼續(xù)強(qiáng)化熱泵的減碳能力。因此綜合考慮熱泵的性能效率和電網(wǎng)清潔程度，短期來看，在可再生電力豐富的地區(qū)和長(zhǎng)江以南的夏熱冬冷地區(qū)使用熱泵能夠獲得更加明顯的減碳效果；長(zhǎng)期來看，隨著全國(guó)范圍的可再生電力迅速增長(zhǎng)，電網(wǎng)排放因子將進(jìn)一步降低，熱泵的減碳潛力將逐漸被充分挖掘，且將愈發(fā)明顯。10最常見的分類方式是以環(huán)境低溫?zé)嵩吹膩碓捶诸?，可以分為空氣源熱泵、地源熱泵和水源熱泵，分別以室外空氣、地下常溫土壤和地表或地下水為熱源。此外，以實(shí)現(xiàn)熱量流動(dòng)的方式分類，可分為主要以電力消耗為主的在中國(guó)熱泵市場(chǎng)中，空氣源熱泵產(chǎn)品占據(jù)絕對(duì)主導(dǎo)地位。據(jù)產(chǎn)業(yè)在線數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，2021年中國(guó)空氣源熱泵（含天氟地水）行業(yè)銷售額約238億元，占總體熱泵市場(chǎng)的約96%。與水地源熱泵相比，空氣源熱泵受地理?xiàng)l件限制暖氣/地暖/20而水地源熱泵在實(shí)際運(yùn)行的過程中相比空氣源熱泵顯著表現(xiàn)出效率高、耗電低、噪音小等優(yōu)勢(shì)。雖一度由于不規(guī)范安裝施工導(dǎo)致土壤或水體污染，但近年來在城市大型示范項(xiàng)目的因地制宜規(guī)范開發(fā)運(yùn)行中，水地源熱泵的發(fā)展也不容忽視。水地源熱泵品牌集中度相對(duì)較低，主要原因是早期發(fā)展準(zhǔn)入門檻低。但隨著市場(chǎng)規(guī)范化和各主流品牌的產(chǎn)品延伸，市場(chǎng)品牌整合度近年有所提升，主要的內(nèi)外資品牌包括美國(guó)特靈、美國(guó)約克、清華同吸收式熱泵可以有效回收利用低溫?zé)嵩?，廣泛用于工業(yè)、電力等行業(yè)的余熱回收應(yīng)用。因此，在利用區(qū)域內(nèi)或者跨區(qū)域余熱資源實(shí)現(xiàn)為建筑提供供熱方面具備巨大潛力。吸收式熱泵的采購(gòu)方一般為企業(yè)和機(jī)構(gòu)，提供這類熱泵技術(shù)在運(yùn)行耗能方面的表現(xiàn)相較于傳統(tǒng)供熱方式優(yōu)勢(shì)明顯，但由于消費(fèi)者對(duì)產(chǎn)品了解不足以及早期介入市場(chǎng)時(shí)成本偏高，目前熱泵在建筑供熱方式中滲透率仍然不高。但在產(chǎn)品成本競(jìng)爭(zhēng)力增強(qiáng)和建筑行業(yè)降碳趨勢(shì)的推動(dòng)下，作為可再生能源技術(shù)的熱泵被廣泛認(rèn)為是最具增長(zhǎng)前景的清據(jù)IEA測(cè)算，2020年全球熱泵供暖設(shè)備存量約為1.8億臺(tái)，占總供熱需求的7%，在本世紀(jì)中葉實(shí)現(xiàn)零碳情境下，2030年將達(dá)到約6億臺(tái)。按此推測(cè)，2050年前全球熱泵存量將達(dá)到約18億臺(tái)，熱泵占總供熱的需求約為50%，其中中國(guó)設(shè)備保有量約占全球的30%。落基山研究所預(yù)計(jì)到2050年，在零碳情景下中國(guó)熱泵占建筑采暖從熱泵的應(yīng)用場(chǎng)景上看，中國(guó)各地區(qū)當(dāng)前的供熱條件和供熱需求不盡相同。目前熱泵供暖產(chǎn)品的主要需求包括新建或翻修住房供暖設(shè)備自采、“煤改電”和地產(chǎn)開發(fā)商精裝集采等。據(jù)中國(guó)節(jié)能協(xié)會(huì)熱泵專委會(huì)介紹，以空氣源熱泵水機(jī)為例，其中消費(fèi)者自行采購(gòu)的需求約占70%，主要來自南方夏熱般通過熱泵經(jīng)銷商零售渠道；“煤改電”需求約占20-30%，為政府統(tǒng)一采購(gòu)；而地產(chǎn)開發(fā)商集采目前僅占5%-10%，但呈顯著上升趨勢(shì)。隨著“煤改電”的政策窗口期接近尾聲，零售和開發(fā)商將是熱泵企業(yè)最應(yīng)重點(diǎn)進(jìn)攻影響熱泵購(gòu)買決策最重要的因素是成本經(jīng)濟(jì)性和產(chǎn)品適用性。從消費(fèi)者角度，對(duì)比熱泵與替代產(chǎn)品的成本是首要考量。此外，熱泵能否在建筑中適用則需考慮地理環(huán)境、施工條件、使用習(xí)慣等具體因素。需要打通市場(chǎng)，當(dāng)分析部署熱泵的經(jīng)濟(jì)性時(shí)，我們需要關(guān)注初始成本和運(yùn)行成本兩個(gè)方面，其中初始成本由設(shè)備費(fèi)用和安裝費(fèi)設(shè)備費(fèi)用：在品牌、技術(shù)等條件都相近的情形下，產(chǎn)品價(jià)格主要取決于熱泵功率。供暖用熱泵功率大小的選擇主要由供熱面積、地區(qū)溫度、建筑密閉性及采光等因素決定；而熱泵熱水器的功率大小的選擇主要由水箱體積安裝費(fèi)用：供暖用熱泵（主要是地暖或散熱器型的熱泵水機(jī)）的安裝費(fèi)用取決于原建筑是否有供熱設(shè)施且設(shè)施的可改造利用程度，若建筑原本存在供暖管道系統(tǒng)可利用，安裝費(fèi)用也會(huì)相對(duì)較低。熱泵熱風(fēng)機(jī)類似制冷空調(diào)，安裝難度較低。若新建供暖設(shè)施，在各種熱源種類的熱泵中，空氣源熱泵由于無需打井埋管，安裝費(fèi)用相/21運(yùn)行費(fèi)用：等于單位電價(jià)和總耗電量相乘。供暖用熱泵耗電量影響因素包括供熱時(shí)長(zhǎng)、能效等級(jí)9、室內(nèi)外溫差、建筑保溫性能等，其他條件一定的情況下，對(duì)于供熱時(shí)間越長(zhǎng)、能效等級(jí)越低、室內(nèi)外溫差越大、建筑保溫性能越差的建筑，熱泵供熱耗電量會(huì)更大。而熱泵熱水器耗電量主要受熱水溫度、能效等級(jí)、外部環(huán)境溫度8642 60 取暖設(shè)備成本對(duì)比供暖：對(duì)于新建戶用供暖設(shè)施的消費(fèi)者，從初始成本和運(yùn)行成本綜合考慮，目前熱泵在與傳統(tǒng)取暖方式的經(jīng)濟(jì)性對(duì)比方面實(shí)際上已經(jīng)不相上下甚至更優(yōu)。雖然安裝熱泵的初始成本比傳統(tǒng)的電地暖和燃?xì)忮仩t高熱水：對(duì)于選擇空氣能熱泵熱水器的消費(fèi)者而言，對(duì)于用水量不大的一般家庭而言，在不考慮補(bǔ)貼的情形下，空氣能熱水器的綜合成本可在5-8年追平電熱水器，但在10-15年的使用年限內(nèi)很難追平天然氣熱水器。如果當(dāng)而在用戶實(shí)際購(gòu)買決策中，大部分用戶受初始成本比綜合成本的影響更大，且對(duì)于早期用戶而言面臨的新產(chǎn)品試錯(cuò)風(fēng)險(xiǎn)較高。在經(jīng)濟(jì)性方面，如果熱泵初始成本能夠進(jìn)一步下降或者享受到更優(yōu)惠的低碳補(bǔ)貼，消費(fèi)者新購(gòu)/22中國(guó)南北緯度跨度大，地跨不同溫度帶，不同地區(qū)的供熱需求和現(xiàn)有供暖條件存在差異。如圖表13，中國(guó)主要分為嚴(yán)寒、寒冷、溫和、夏熱冬冷和夏熱冬暖五個(gè)氣候區(qū)。嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)基本處于秦淮線以北及青藏高原地區(qū)，該地區(qū)冬季寒冷漫長(zhǎng)，需要長(zhǎng)時(shí)間供暖，并在大中城市已基本實(shí)現(xiàn)了入戶集中供暖；夏熱冬冷地區(qū)則對(duì)于夏季制冷和冬季供暖同時(shí)兼具需求，且該地區(qū)傳統(tǒng)上沒有入戶供暖管網(wǎng)等；而夏熱冬暖和溫和地區(qū)則對(duì)供暖設(shè)為方便分類討論，本章節(jié)中我們將中國(guó)大致按北方集中供暖區(qū)、北方分布供暖區(qū)、南方夏熱冬冷地區(qū)三大重點(diǎn)/23該地區(qū)主要為華北、東北、西北地區(qū)的大中城市，中高層樓房建筑居多，由于已有完整的供暖管網(wǎng)設(shè)施由區(qū)域供熱公司統(tǒng)一提供，且管理部門大多禁止自行改動(dòng)供暖設(shè)施，以防止破壞系統(tǒng)水力平衡。另外，該地區(qū)的生活供暖：現(xiàn)有的市面的零售型熱泵產(chǎn)品較難滲透到該部分市場(chǎng)，供暖方面的主要機(jī)會(huì)為吸收式熱泵替代原有集中供暖熱源。區(qū)域供暖公司推廣吸收式熱泵回收煙氣余熱、汽輪機(jī)乏汽余熱以及工業(yè)余熱供熱將極大減少化石燃料燃燒。據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)前全國(guó)電廠和工業(yè)余熱可以實(shí)現(xiàn)約170億平方米的供熱需求，理論上完全可以覆蓋中國(guó)集中供暖地區(qū)的供暖需求。吸收式熱泵技術(shù)本身相對(duì)成熟，其進(jìn)一步滲透主要有賴于余熱利用管理機(jī)制熱水：對(duì)于戶用消費(fèi)者而言在家中購(gòu)買或替換熱水器時(shí)很少選擇空氣能熱水器?？諝饽軣崴鞯脑O(shè)計(jì)工作溫度一般在零度以上，由于北方冬季氣溫較低，所以熱水器水箱需要安裝在室內(nèi)。因?yàn)樗潴w積過大占用空間，所以這成為北方消費(fèi)者選擇的最大阻礙之一。另外，空氣能熱水器目前在市場(chǎng)中的普遍問題是消費(fèi)者認(rèn)知度偏以”冷、暖、熱水”三聯(lián)供的形式，獨(dú)立供熱的大型商用建筑可能為推廣突破口。該類商業(yè)建筑自身體量大，自身需要打造供暖系統(tǒng)，如酒店、商場(chǎng)等，在商業(yè)電價(jià)高且熱水需求量大的條件下，空氣源熱泵三聯(lián)供或?yàn)楦鼉?yōu)選擇，比如北京商業(yè)、酒店一體化建筑王府井東方新天地廣場(chǎng)就在配備冷暖空氣源熱泵的基礎(chǔ)上，配備了10北方分散供暖主要為北方小城鎮(zhèn)及廣大農(nóng)村地方，以民用建筑為主，居住較為分散，平房和低樓層建筑多，其中部分有條件地區(qū)可在部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)、小區(qū)等人員密集區(qū)域進(jìn)行熱泵集中供暖改造。對(duì)于個(gè)人采暖的用戶，該地區(qū)供暖：從技術(shù)研發(fā)方向上看，目前改善低溫制熱能力的主流技術(shù)路線包括噴氣增焓、雙級(jí)壓縮、冷媒創(chuàng)新等。目前常規(guī)的變頻加噴氣增焓的空氣源熱泵產(chǎn)品在東北地區(qū)冬季-12℃以下的低溫環(huán)境下工作COP仍可以達(dá)到2.2后等服務(wù)的可得性也是該區(qū)域最重要的競(jìng)爭(zhēng)力。/24為保證北方農(nóng)村地區(qū)熱泵用戶的售后服務(wù)，海爾集團(tuán)熱水：該區(qū)域熱泵熱水器發(fā)展機(jī)會(huì)較小。該區(qū)域相對(duì)于北方大中城市而言，人均受教育水平和人均收入水平更低，對(duì)熱泵熱水器的市場(chǎng)認(rèn)知度更低，價(jià)格更敏感，且商業(yè)樓宇數(shù)量小，因而市場(chǎng)的打開速度預(yù)計(jì)會(huì)慢于城市秦淮以南地區(qū)并非集中供暖覆蓋區(qū)域，而江蘇、安徽、四川、貴州等南方省份冬季氣溫低且時(shí)間長(zhǎng)。該區(qū)域供暖：對(duì)于該地區(qū)新建住宅小區(qū)和商業(yè)樓宇，可因地制宜選擇空氣源熱泵或集中式水地源熱泵，而原本無供暖設(shè)施的老舊小區(qū)則可考慮空氣源熱泵。由于該地區(qū)冬季最冷月平均氣溫也通常在零攝氏對(duì)于住宅熱泵的自采需求，空氣源熱泵仍然是主流的選擇。為滿足安裝便利性，建議在建筑的設(shè)計(jì)施工階段為熱泵安裝留出建筑設(shè)計(jì)的空間；產(chǎn)品也應(yīng)在操作系統(tǒng)方面盡量集成滿足用戶各方面功能需求。如果住宅中有條南方精裝交付的小區(qū)中提供熱泵供熱逐漸成為潮流，如上海虹橋某新建住宅小區(qū)在銷售配備了熱泵交付的新樓盤時(shí)，就向客戶介紹熱泵所帶來的時(shí)尚、環(huán)保、舒適概念，并強(qiáng)調(diào)比傳統(tǒng)空調(diào)節(jié)能40%-50%。此外，多個(gè)南方沿江城市如重慶、長(zhǎng)沙、南京等江水源可再生能源站都已投入使用，以水源熱泵為商務(wù)區(qū)提供集中冷暖兩聯(lián)熱水：熱水供應(yīng)方面，由于冬季氣溫相對(duì)溫和且經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，中國(guó)東南沿海地區(qū)的空氣能熱水器滲透率相對(duì)較此外，與北方城市相似，該地區(qū)的新建建筑，尤其是商業(yè)樓宇，根據(jù)自身對(duì)熱水需求，從節(jié)能省電角度出發(fā)，/25鑄造零碳鋼鐵的“核心”技術(shù)的發(fā)展與展望解鐵礦石技術(shù)的發(fā)展與展望鋼鐵行業(yè)是全球最主要的碳排放部門之一，占全球總量的近10%。中國(guó)作為最大的鋼鐵生產(chǎn)和消費(fèi)國(guó)（產(chǎn)量及消費(fèi)量占比均超過50%在2019年，中國(guó)鋼鐵行業(yè)的碳排放量占全國(guó)總量的17%，而全行業(yè)70%以上的排碳放環(huán)節(jié)則來自于傳統(tǒng)長(zhǎng)流程煉鋼工藝中以高爐為代表的鐵前環(huán)節(jié)。因此，雙碳目標(biāo)的達(dá)成離不開鋼鐵行業(yè)的深度脫碳，而改良和替代傳統(tǒng)煉鋼技術(shù)路線，積極研發(fā)低碳或零碳煉鋼技術(shù)路線則是最重要抓手。本文將我們將著眼于一種極具顛覆性的鋼鐵脫碳生產(chǎn)技術(shù)——直接電解鐵礦石技術(shù)，并對(duì)其在歐美市場(chǎng)的發(fā)展模式和現(xiàn)狀進(jìn)行梳理，并分析其在中國(guó)發(fā)展的挑戰(zhàn)與機(jī)遇，希望引發(fā)讀者對(duì)于這一技術(shù)的關(guān)注和思考，并幫助讀者了解(1)直接電解鐵礦石技術(shù)作為一種減碳潛力巨大（可實(shí)現(xiàn)95%以上碳減排）的顛覆性初級(jí)鋼生產(chǎn)技術(shù)，已(2)高溫熔融法和低溫堿液法為兩種最主流且具備商業(yè)化前景的直接電解鐵礦石技術(shù)路線，分別由美國(guó)波士頓金屬公司和歐洲Σiderwin項(xiàng)目組牽頭研發(fā)，其發(fā)展模式分別為研究者和業(yè)界專家創(chuàng)業(yè)融資，以及由(3)根據(jù)目前技術(shù)主要研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)規(guī)劃，電解鐵礦石技術(shù)在2030年后實(shí)現(xiàn)商業(yè)化部署，我們預(yù)計(jì)在碳價(jià)攀升和可再生電力成本進(jìn)一步降低的情形下，到2050年該技術(shù)有望進(jìn)一步擴(kuò)大規(guī)關(guān)于上述觀點(diǎn)背后的邏輯和分析，請(qǐng)您繼續(xù)閱讀正文部分的內(nèi)容，也歡迎您對(duì)感興趣的內(nèi)容和話題與我們進(jìn)行/27從上世紀(jì)中葉以來至今，數(shù)十種新型煉鋼技術(shù)路線被研究提出，其中部分技術(shù)，尤其在本世紀(jì)全球雙碳趨勢(shì)背景下，已經(jīng)進(jìn)入試點(diǎn)或者工業(yè)應(yīng)用階段。落基山研究所于2021年9月發(fā)布的《碳中和目標(biāo)下的中國(guó)鋼鐵零碳之路》報(bào)告中對(duì)當(dāng)前主流的鋼鐵脫碳技術(shù)進(jìn)行了整理總結(jié)，從減排潛力看，最亮眼的莫過于顛覆性初級(jí)鋼技術(shù)，包括氫氣直接還原鐵、氫等離子體熔融還原、直接電解技術(shù)等。其中，前兩者在中國(guó)的鋼企中均已有試點(diǎn)或規(guī)從2004年開始，歐洲超低碳排放煉鋼工藝計(jì)劃（ULCOS）的雖然直接電解鐵礦石技術(shù)目前技術(shù)成熟度在各類低碳技術(shù)中相對(duì)較低，但由于對(duì)原礦品位降低要求，且具備實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)性的潛力，該技術(shù)近年來研究成果進(jìn)展迅速，吸引了業(yè)界目光。從減碳潛力上看，在零碳電網(wǎng)情形下電解鐵礦石技術(shù)的減碳潛力可與氫氣直接還原鐵等技術(shù)媲美，實(shí)現(xiàn)95%以上的碳減排。此外，電解鐵礦石下的兩種不同技術(shù)路線在成本競(jìng)爭(zhēng)力和鐵礦石品位要求方面各有亮點(diǎn)。其中，低溫堿液法由于設(shè)備技術(shù)相對(duì)簡(jiǎn)單，能耗較低，因此噸鋼綜合成本在2050年預(yù)計(jì)可與氫氣直接還原鐵競(jìng)爭(zhēng)。根據(jù)Agora預(yù)測(cè)，低溫堿液法的噸鋼綜合成本在2050年約645-828歐元（約合人民幣4500-5800元），基本接近落基山研究給出2050年30元/千克以上氫氣價(jià)格下的粗鋼價(jià)格情境。而高溫熔融法工藝中超高溫環(huán)境對(duì)于原礦品位的要求較低，根據(jù)波士頓金屬公司介紹，與當(dāng)前的氫氣直接還原鐵技術(shù)相比，高溫直接電解鐵礦石對(duì)原礦石的鐵含量要求從65%以上降至這是一種在熔融鹽中通電使得金屬沉積于電極的冶金技術(shù)，是一種完全電氣化的初級(jí)鋼煉制技術(shù)，這項(xiàng)技術(shù)相比傳統(tǒng)的高爐-轉(zhuǎn)爐等路線相比，無需含碳還原劑原料添加，理論上可將范圍一碳排放降至零，是一種顛覆性的/28電解過程無需對(duì)鐵礦石進(jìn)行前期的破碎、篩分、選礦、造塊等預(yù)處理，直接將其和部分氧化物電解質(zhì)（如硅、鎂、鈣的氧化物）投入電解池內(nèi)，通電加熱至1600度左右的熔融狀態(tài)。陽極和陰極分別位于容器的頂部和底部，在電流作用下，熔融物中的氧離子在陽極反應(yīng)生成氧氣逸出；鐵離子在陰極還原成熔融的鐵水，可在爐內(nèi)熔鹽電解金屬的工藝原理并非首創(chuàng)，在鋁、鎂等金屬冶煉行業(yè)中早已普遍使用，而這種技術(shù)運(yùn)用到鋼鐵煉制上實(shí)屬突破。但由于鐵的熔點(diǎn)高，保證電解池內(nèi)電極材料在高溫易腐蝕的條件下保持穩(wěn)定性一直以來是該工藝的以在近1600度極端高溫的反應(yīng)條件下在表面形成一層氧化膜，以保護(hù)底層的金屬，從而與池內(nèi)熔融物和陽極附近生成的氧氣基本不發(fā)生反應(yīng)。這項(xiàng)突破性的技術(shù)使得鐵礦石的高溫熔融電解有了相對(duì)平價(jià)可得的電極材料選/29~25%~40%但值得一提的是，由于高溫熔融法的工藝流程于傳統(tǒng)煉鋼路線相比有顛覆性的創(chuàng)新，所以該技術(shù)在相對(duì)較低品位的原礦利用方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。由于鐵礦石無需預(yù)處理環(huán)節(jié)，且極端高溫環(huán)境可以創(chuàng)造更好的還原反應(yīng)條件，因此對(duì)于鐵礦石含鐵比例的要求的嚴(yán)苛程度較低。在低碳煉鋼技術(shù)路線中，相比當(dāng)前最熱門的氫氣直接還原鐵配合電弧爐煉鋼路線，高溫熔融法對(duì)于鐵礦石的品位要求可以放低約10%，有利于降低對(duì)高品位進(jìn)口鐵礦低溫堿液法（Low-temperatureElectrowinning）低溫堿液法現(xiàn)階段的主要研究機(jī)構(gòu)為ArcelorMittal鋼鐵公司牽頭的Σiderwin項(xiàng)目組，技術(shù)成熟度（TRL）介于5到6之間，目前工程規(guī)模的試點(diǎn)項(xiàng)目正在建設(shè)中。這是一種在110℃左右的堿性溶液電解池內(nèi)，將鐵礦石直接電解沉積在電極上的一種煉鐵技術(shù)。由于所需加熱溫度不高，所以該技術(shù)路線的能耗水平不到高爐的70%，且無需持續(xù)加熱保溫，可以間歇性錯(cuò)峰利用電力。該技術(shù)與高溫熔融法同為完全電氣化的鋼鐵生產(chǎn)路線，減碳潛力非?？捎^。/30投入鐵礦石顆粒一直以來，該技術(shù)的研究方向在于提高該電解反應(yīng)的法拉第效率11和反應(yīng)速率。通過在實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目中對(duì)不同的電流強(qiáng)度、電壓水平、電解質(zhì)配比、礦石精度等條件進(jìn)行測(cè)試，目前該電解反應(yīng)的法拉第效率可以達(dá)到90%以上，已達(dá)到較理想水平。為了提高電解反應(yīng)的速率，Σiderwin項(xiàng)目的一大主要工藝突破方向在于如何使得陽極不斷生成的氧氣氣泡迅速排出，從而防止溶液導(dǎo)電性受其影響減弱帶來的反應(yīng)速率下降。項(xiàng)目組通過計(jì)算流體前電解器的規(guī)模和解決多個(gè)電解器共同運(yùn)行的問題。雖然已開始從實(shí)驗(yàn)室向工業(yè)規(guī)模邁進(jìn)，但目前Σiderwin項(xiàng)目的全部產(chǎn)能仍然低至每48小時(shí)產(chǎn)出100千克純鐵。因此，未來如何在保證反應(yīng)效率和速率的前提下提高單次反應(yīng)產(chǎn)量是達(dá)到擴(kuò)產(chǎn)最終達(dá)到工業(yè)化級(jí)別的關(guān)鍵。此外，未來的其他研發(fā)方向也包括通過優(yōu)化設(shè)計(jì)智能控制、根據(jù)目前技術(shù)主要研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)規(guī)劃，電解鐵礦石技術(shù)在2030年后實(shí)現(xiàn)商業(yè)化部署，我們預(yù)計(jì)在碳價(jià)攀升和可再生電力成本進(jìn)一步降低的情形下，到2050年該技術(shù)有望進(jìn)一步擴(kuò)大規(guī)模，從歐美國(guó)家的試點(diǎn)向其他地區(qū)拓展，在全球鋼鐵產(chǎn)量中占比最高達(dá)到5%左右，成為除氫冶金以外的重要零碳鋼從技術(shù)發(fā)展上看，2030-2040年直接電解鐵礦石技術(shù)有望實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。歐洲綠鋼聯(lián)盟的觀點(diǎn)認(rèn)為到2040年前后直接電解鐵礦石煉鐵的技術(shù)成熟度（TRL）可達(dá)9以上，能完全符合客戶交付水準(zhǔn)，進(jìn)入商業(yè)化部署階段，雖然成本競(jìng)爭(zhēng)力還有提升空間，但會(huì)成為全球鋼鐵產(chǎn)能的重要技術(shù)路線之一。企業(yè)的觀點(diǎn)則相對(duì)樂觀，對(duì)商業(yè)化工廠部署的時(shí)間點(diǎn)預(yù)測(cè)均在2030年左右。據(jù)波士頓金屬公司對(duì)于高溫熔融電解煉鋼技術(shù)的規(guī)劃，公司在2023年將完成中試驗(yàn)證項(xiàng)目，2025年前將建成示范工廠（年產(chǎn)能達(dá)約2.5萬噸），最遲在2030年開始商業(yè)化工廠部署。Σiderwin項(xiàng)目組對(duì)于堿液電解法的預(yù)估也是最遲在2030年左右進(jìn)入商業(yè)化工廠部署的階段，年產(chǎn)能拉升到從成本比較上看，即使在直接電解技術(shù)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化之后，噸鋼成本仍是競(jìng)爭(zhēng)力短板。目前傳統(tǒng)長(zhǎng)流程工藝粗鋼資本成本和運(yùn)營(yíng)成本比例約為1:3。而高溫熔融法目前的噸鋼電耗在4000度左右，該能耗水平在工藝優(yōu)化后的提升空間不大，按照全球平均工業(yè)電價(jià)約0.9元/度計(jì)算，加上其他輔料的運(yùn)營(yíng)成本估計(jì)約4000元，假設(shè)資本成/31從減碳潛力上看，直接電解技術(shù)具有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，未來碳價(jià)攀升的情境下或更具吸引力。目前長(zhǎng)流程（高爐-轉(zhuǎn)爐）煉鋼的噸鋼二氧化碳排放約為2噸。相對(duì)該技術(shù)路線而言，Σiderwin項(xiàng)目當(dāng)前噸鋼減碳水平在30%左右，2050年的減排潛力在50%-80%（取決于電網(wǎng)脫碳水平）；根據(jù)落基山研究所測(cè)算，在零碳電網(wǎng)的假設(shè)下，波士頓金屬公司的高溫熔融法電解鐵礦石技術(shù)可實(shí)現(xiàn)高達(dá)95%減排水平。因此在2050年鋼鐵碳市場(chǎng)完全生效的情境下，直接電解技術(shù)的噸鋼可貢獻(xiàn)1-1.5噸碳排放減量，在市場(chǎng)碳價(jià)1000元/噸以上時(shí)基本可與傳統(tǒng)長(zhǎng)流中國(guó)鋼企在世界上產(chǎn)量處于領(lǐng)先地位，在低碳鋼鐵技術(shù)的發(fā)展上具備資金和政策優(yōu)勢(shì)。直接電解鐵礦石技術(shù)在鋼鐵脫碳和保障供應(yīng)鏈安全等方面具備巨大潛力，我們認(rèn)為這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)當(dāng)獲得中國(guó)鋼企的密切關(guān)注并加入到待研發(fā)技術(shù)名錄。對(duì)于中國(guó)鋼鐵公司而言，如果希望自建直接電解鐵礦石的低碳技術(shù)能力，波士頓金屬公司和波士頓金屬公司是一家由研究者和業(yè)界專家于2013年共同建立的初創(chuàng)企業(yè)，其創(chuàng)立時(shí)間不到十年，目前已經(jīng)完成兩輪融資，累計(jì)總募集資金約8500萬美元。波士頓金屬公司是典型的“研究型企業(yè)”，其創(chuàng)始人之一麻省理工學(xué)院教授DonaldSadoway于2010年與團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)室中研發(fā)出適合高溫熔融電解鐵礦石的惰料，為技術(shù)發(fā)展奠定了基石；2013年該研究成果在《自然》雜志發(fā)表；2014年電解煉鋼中試線開始運(yùn)作并取機(jī)構(gòu)的增加，目前波士頓金屬公司的董事會(huì)中已有多位來自投資基金的高級(jí)管理者；此外，我們看到潛在客戶寶馬汽車旗下的風(fēng)投基金也參與了去年的融資輪次?？梢灶A(yù)見波士頓金屬公司未來對(duì)于商業(yè)模式、客戶關(guān)系、該項(xiàng)目負(fù)責(zé)人是來自ArcelorMittal的HervéLavelaine，他十余年來歷任各項(xiàng)歐洲低碳煉鋼技術(shù)研究項(xiàng)目 鋼鐵技術(shù)系列項(xiàng)目的延續(xù)，所以對(duì)于低溫堿液法電解技術(shù)而言，其前期積累的總研發(fā)投入也遠(yuǎn)超該期資助金額，但在Σiderwin項(xiàng)目該技術(shù)期間取得了重要進(jìn)展。2019年低溫堿液法電解鐵試點(diǎn)項(xiàng)目在法國(guó)城市Maizières開中國(guó)鋼鐵行業(yè)仍然是巨頭主導(dǎo)的競(jìng)爭(zhēng)格局。頭部鋼企是行業(yè)內(nèi)產(chǎn)能、資金、人才、技術(shù)等資源集聚地，也是目前引領(lǐng)鋼鐵行業(yè)低碳轉(zhuǎn)型的中堅(jiān)力量。作為新興工業(yè)國(guó)家，中國(guó)鋼鐵行業(yè)還處于高消費(fèi)期，碳排放尚未達(dá)峰。加之由于已部署的長(zhǎng)流程煉鋼資產(chǎn)較為年輕，所以目前的低碳技術(shù)方向以節(jié)能增效和改良現(xiàn)有高爐冶煉工藝為河鋼和建龍?jiān)趪?guó)內(nèi)顛覆性初級(jí)鋼低碳生產(chǎn)技術(shù)研發(fā)方面處于領(lǐng)跑地位。今年寶武鋼鐵湛江工廠百萬噸級(jí)別氫基豎爐開建，預(yù)計(jì)2023年建成投產(chǎn)，集成了焦?fàn)t煤氣和氫氣作為還原氣在豎爐內(nèi)直接還原鐵的功能，總投資近20億元。2020年底河鋼與全球領(lǐng)先的工業(yè)爐制造商Tenova簽署合作協(xié)議，共同建設(shè)中國(guó)第一個(gè)Energiron雖然鋼企對(duì)顛覆性初級(jí)鋼技術(shù)的探索實(shí)踐當(dāng)前的體量有限，但行業(yè)低碳轉(zhuǎn)型的方向不會(huì)改變，對(duì)于中長(zhǎng)期低碳技術(shù)的儲(chǔ)備在未來或成為企業(yè)最核心競(jìng)爭(zhēng)力。中國(guó)在直接電解鐵礦石技術(shù)方面的發(fā)展尚處于萌芽期，但我們相/32信頭部鋼企會(huì)持續(xù)布局。目前從公開資料查詢看到寶武鋼鐵在2021年年底發(fā)布低碳冶金創(chuàng)新基金項(xiàng)目征集中提到熔融氧化物無碳電化學(xué)煉鐵技術(shù)。此外，由寶武牽頭全球低碳冶金創(chuàng)新聯(lián)盟也于去年年底成立，這也為鋼鐵與直接還原鐵和氫基熔融還原等顛覆性技術(shù)不同，直接電解法目前在中國(guó)被應(yīng)用和探索還剛剛起步，現(xiàn)在面臨?國(guó)際技術(shù)成熟度低：無論是高溫熔融法?存在較高進(jìn)入壁壘：波士頓金屬公司和ArcelorMittal長(zhǎng)期在該技術(shù)上的積累筑牢了進(jìn)入壁壘，對(duì)于后發(fā)企?電力供應(yīng)條件較高：由于電解鐵礦石方案能耗要求高，對(duì)于電力供應(yīng)的要求較高，尤其是高溫電解路線需要不間斷電力供應(yīng)，因此建立大規(guī)模試點(diǎn)項(xiàng)目或商業(yè)化工廠均需要綜合考慮本地電價(jià)、可再生電力的可獲參照中國(guó)鋼企引入氫冶金技術(shù)的切入時(shí)間點(diǎn)差不多在技術(shù)成熟度處于在5-9之間，類比可術(shù)的合作或者引入的技術(shù)成熟度門檻即將觸發(fā)，對(duì)于想要在此技術(shù)做中長(zhǎng)期布局的中國(guó)鋼企而言，可以重點(diǎn)以?密切關(guān)注技術(shù)動(dòng)向：建立技術(shù)情報(bào)監(jiān)測(cè)能力，掌握全球前沿技術(shù)的最新研發(fā)進(jìn)程，從而在切入技術(shù)的時(shí)機(jī)?突破關(guān)鍵技術(shù)瓶頸：當(dāng)決定部署技術(shù)之后，可通過投資或者與國(guó)外設(shè)備供應(yīng)商合作的形式在關(guān)鍵技術(shù)和專?創(chuàng)新解決電力供應(yīng)：在項(xiàng)目規(guī)劃早期需充分考慮項(xiàng)目用電總量與強(qiáng)度，可考慮可再生電力資源豐富且便宜的地區(qū)進(jìn)行布局。低溫技術(shù)路線對(duì)于電力穩(wěn)定性要求較低可考慮自建發(fā)電設(shè)施；高溫技術(shù)路線需依賴不間/33堆”中國(guó)液流電池儲(chǔ)能技術(shù)的現(xiàn)狀與前景電池儲(chǔ)能技術(shù)的現(xiàn)狀與前景而一種既經(jīng)濟(jì)適用又安全可靠的儲(chǔ)能技術(shù)則是保證在風(fēng)電光伏的快速發(fā)展過程中的電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的重要基從新型儲(chǔ)能技術(shù)到電化學(xué)儲(chǔ)能，再到液流電池技術(shù)的種種技術(shù)路線和應(yīng)用場(chǎng)景，希望幫助讀者了解液流電池之(1)儲(chǔ)能市場(chǎng)的快速發(fā)展與可再生電力的大力開發(fā)密不可分，儲(chǔ)能被認(rèn)為是用于調(diào)節(jié)可再生電力波動(dòng)性的有效解決方案。而在眾多儲(chǔ)能技術(shù)中，新型儲(chǔ)能技術(shù)，尤其是電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)在當(dāng)下的增長(zhǎng)趨勢(shì)及預(yù)期最(2)液流電池作為當(dāng)前電化學(xué)儲(chǔ)能中的小眾技術(shù)路線，以其安全性和耐用性兩大特點(diǎn)脫穎而出，即使在價(jià)格(3)在各類液流電池的主流技術(shù)路線中，全釩路線最為成熟，市場(chǎng)占有率最高，商業(yè)化程度相對(duì)領(lǐng)先，其在(4)在液流電池在中國(guó)未來發(fā)展過程中，進(jìn)一步推動(dòng)規(guī)?；完P(guān)鍵部件替代降本是重中之重，此外，積極引/35近年來中國(guó)可再生電力裝機(jī)快速增長(zhǎng)，2021年新增風(fēng)光裝機(jī)量已經(jīng)超過了1億千瓦，占新增裝機(jī)總量的58%。隨著新能源發(fā)電比例不斷提高，風(fēng)光的隨機(jī)波動(dòng)屬性對(duì)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來了巨大挑戰(zhàn)。而儲(chǔ)能設(shè)備就如“蓄水池”，是目前用以平滑間歇性電源功率和保證電網(wǎng)運(yùn)行靈活性和穩(wěn)定性的最有效截至目前，全國(guó)多數(shù)省份陸續(xù)出臺(tái)了對(duì)于新能源發(fā)電配置儲(chǔ)能設(shè)施的要求，其中發(fā)電側(cè)的配儲(chǔ)規(guī)模通常占總裝發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。除此之外，電網(wǎng)側(cè)、用戶側(cè)的儲(chǔ)能需求也會(huì)隨新能源電力比例提升而被逐步放大。國(guó)務(wù)院在《2030年前碳達(dá)峰行動(dòng)方案》中提出全國(guó)2030年風(fēng)光發(fā)電總裝機(jī)容量達(dá)到12億千瓦的目標(biāo)，國(guó)家電網(wǎng)總工程師陳國(guó)平預(yù)估在這一目標(biāo)下需要至少配備2億千瓦的儲(chǔ)能設(shè)施。而業(yè)界普遍認(rèn)為實(shí)際裝機(jī)量或遠(yuǎn)超規(guī)劃，落從當(dāng)前儲(chǔ)能類型上看，據(jù)中關(guān)村儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)盟發(fā)布的《儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)研究白皮書2022》數(shù)據(jù)顯示（如圖表且相比2020年同期增長(zhǎng)了74%，發(fā)展勢(shì)頭更為強(qiáng)勁。報(bào)告預(yù)測(cè)在保守假設(shè)下2026年中國(guó)新型儲(chǔ)能累計(jì)裝機(jī)對(duì)市場(chǎng)規(guī)模增長(zhǎng)貢獻(xiàn)最大的新型儲(chǔ)能裝機(jī)包括電化學(xué)儲(chǔ)能、壓縮空氣、飛輪儲(chǔ)能等多種技術(shù)路線。其中，電化些規(guī)模較小或者抽蓄條件較差的儲(chǔ)能場(chǎng)景。鋰離子電池作為代表性的電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)，在過去十年內(nèi)大幅降本但由于污染問題已處于淘汰下行的發(fā)展階段。其他各類電化學(xué)儲(chǔ)能和物理儲(chǔ)能（如壓縮空氣、飛輪儲(chǔ)能）技術(shù)/36/37作為電化學(xué)儲(chǔ)能方式的一種，液流電池有時(shí)也被稱為可充電的燃料電池，其工作原理和燃料電池類似。如圖表19所示，正負(fù)極電解液儲(chǔ)存在兩個(gè)獨(dú)立容器內(nèi)，中間連接部位為發(fā)電區(qū)，該區(qū)域被離子交換膜隔項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)對(duì)鋰電池和液流電池在儲(chǔ)能表現(xiàn)做了多維度對(duì)比（見圖表20）。從統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)上看，鋰電池消防安全隱患大、循環(huán)次數(shù)少；而同屬電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)，但目前市占率僅不足1%的液流電池從產(chǎn)品屬性上正好彌補(bǔ)了這兩大缺陷。由于占地空間在發(fā)電側(cè)和電網(wǎng)側(cè)等場(chǎng)景中相對(duì)充裕，液流電池能量密度較小的劣勢(shì)不會(huì)成為關(guān)鍵的限制因素。此外，受安全性和成本的限制，鋰電池在儲(chǔ)能4小時(shí)以上時(shí)長(zhǎng)方面的提升潛力有限，而液流電池可獻(xiàn)。加上可觀的降本空間，液流電池近來在逐漸國(guó)內(nèi)市場(chǎng)被推廣為新一代突創(chuàng)性技術(shù)解決方案。尤其是在新能源電力并網(wǎng)和輔助服務(wù)等快速增長(zhǎng)的應(yīng)用場(chǎng)景中，液流電池被認(rèn)為在未來將成為和鋰離子電池規(guī)模相當(dāng)?shù)闹髁?38/39液流電池一般按照電極的活性物質(zhì)進(jìn)行分類，從當(dāng)前商業(yè)化進(jìn)程上看，發(fā)展較好的四類液流電池分別為全釩液流電池、鐵鉻液流電池、鋅基液流電池和全鐵液流電池。其中，全釩液流電池商業(yè)化水平最高，是目前裝機(jī)量各類液流電池的商業(yè)化發(fā)展程度主要取決于成本競(jìng)爭(zhēng)力和技術(shù)適用性。電池總成本由初始成本、維護(hù)成本和使在不同液流電池技術(shù)中，全釩液流電池技術(shù)最成熟，但適宜工作溫度區(qū)間較窄，無調(diào)節(jié)的情況下無法在零度以下的環(huán)境中穩(wěn)定工作。由于金屬釩離子活性物質(zhì)的價(jià)態(tài)豐富，高低價(jià)態(tài)釩離子溶液天然適合用在正負(fù)極作為儲(chǔ)能介質(zhì)重復(fù)可逆氧化還原反應(yīng)。另一方面