logo
专注油气领域
与独立思考者同行

对石油工业影响深远的十项能源新技术

对石油工业影响深远的十项能源新技术

世界能源行业已经步入一个新的变革期,能源革命和技术革命的结合与交汇推动了工业、经济革命的发生,我们正在从油气时代步入一个以绿色能源为主的“后碳时代”。虽然在未来20年间,石油与天然气仍占主导地位,但随着新能源技术的发展和突破,撼动或颠覆这种地位的可能性日益增大。全球能源供应多元化是必然趋势,可再生能源与互联网的结合,将使现有的能源体系和结构被能源互联网所替代。能源革命的技术重点在于发展绿色低碳技术,推动技术、产业、商业模式的创新,促进能源利用技术与其他技术相结合,培育带动产业升级的新增长点。能源新技术的快速发展推动新能源和可再生能源的爆发式增长,对未来石油工业的冲击不可小觑。

通过调研分析世界范围内科技和能源发展大趋势,并根据技术成熟度、技术发展潜力、对石油工业的影响度等原则,提出了对石油工业影响深远的十项能源新技术。

太阳能开发利用技术

太阳能利用主要包括太阳能热利用和太阳能光伏发电两种技术。太阳能热利用技术广泛应用于太阳能取暖、太阳能热发电等。太阳能光伏发电则利用太阳能电池将光能直接转化为电能。

光伏发电技术的关键元件是太阳能电池,分为两种,一种是较为传统成熟的晶硅电池,另一种是新一代的薄膜电池。随着技术的进步,传统太阳能电池的光电转化率不断提升,发电成本不断降低,世界上许多国家和地区的太阳能发电成本已经达到平价水平,甚至低于化石燃料的发电成本。

薄膜电池属于非晶硅结构,与晶硅电池最大的不同在于其厚度不到1微米,连晶硅电池厚度的1/100都不到,从而大大降低了制造成本。薄膜电池易于实现大面积铺展,弱光性好,但其缺点是光电转化效率低,要转化出等量的电能所需要的薄膜电池面积巨大。从应用规模来看,2014年全球光伏电池市场中,晶硅电池占91%,薄膜电池占9%。我国是太阳能电池板第一生产大国,也是出口大国,薄膜发电已实现工业化应用。

光伏发电的应用领域不断拓宽。“阳光动力2号”太阳能飞机进行了环球飞行。太阳能汽车已问世多年。在石油工业,以槽式集热技术为基础的太阳能稠油热采技术,已经在美国及中东地区得以应用,并取得了良好效果。

为进一步提高光电转化率和降低光伏发电成本,国内外都在研发新的光伏发电技术,比如聚光光伏发电技术、光能全谱优化转换及利用技术、太阳能空间发电及传输技术等,前者被认为是第三代太阳能发电技术,已开始商业化应用。日本政府推出空间太阳能系统计划,预计到2030年实现将宇宙中收集太阳能以微波或激光束的形式传回地球,再转化为电能。

风能开发利用技术

风能开发利用的主要形式是风力发电。风力发电技术属于典型的多学科交叉高新技术,涉及机械制造、自动控制、电力电子、新材料、空气动力学等学科,其中关键性的技术包括风电机组的设计和制造、风电存储、风电并网等。

目前,以德国、丹麦为代表的风电强国已经具备了成熟的风力发电技术,发电成本在不断降低,条件好的风场发电成本仅为8美分/ 千瓦时。我国风电产业虽然起步较晚,但在国家政策驱动及全球发展态势的引领下,风电产业发展迅速,风电装备已实现了国产化,我国已成为风电装备制造和风电装机总量第一大国。

海上风电开发潜力巨大。中小型风电机组是发展中的微电网的重要组成部分。

地热能开发利用技术

地热能是新能源家族中的重要成员之一。它具备太阳能、风能等所不具备的特点,比如资源的多功能性,不受白昼和季节变化限制以及可直接利用等;与常规能源煤、石油和天然气等相比,它又是一种较为廉价的清洁能源。所以,地热在新能源和可再生能源开发行列中具有强大的竞争力和广阔的发展空间。

由于地热资源在全球范围内分布的不平衡,各国地热利用情况也不同。地热资源的综合利用技术主要包括矿区地热资源评价与钻采监测技术、地热回注热采技术、地热输油伴热技术、地热发电技术、地热分布式储能技术以及地源热泵供暖技术等。

美国不仅地热资源多,而且利用很充分。美国地热发电的装机容量居世界首位,并持续保持强劲增长。美国地热资源协会统计数据表明,目前美国利用地热发电的总量约为2200兆瓦,相当于4个大型核电站的发电量。美国利用地热产生的能量在所有可再生能源中排名第三,次于水力发电和生物能量。值得一提的是,美国能源部还推出了一项“地热技术和发展行动计划”(GTP),斥资数亿美元用于推动地热能的勘探和开发。

油气矿区地热资源丰富,现有油/ 水井可以直接利用,地热资源的综合利用可以大幅降低矿区生产、生活耗能。

高效储能技术

高效储能技术被誉为影响未来能源大格局的关键技术之一, 正呈现快速发展态势。

储能技术将是下一次能源革命里最重要的突破方向,世界各国都非常重视储能领域的投资,壳牌、康菲等石油公司也很重视并已投资储能产业。其中,高效储能电池的研发和利用,将对传统油气企业产生深远影响。

锂电池就是一种已工业化应用的高效储能电池。随着技术的进步,锂电池的能量密度不断提升,成本不断降低。按正极材料的不同,锂电池分为磷酸铁锂电池、三元锂电池、钴酸锂电池和锰酸锂电池等。锂电池按用途分为数码锂电池、动力锂电池和储能锂电池。动力锂电池的技术创新正在推动电动汽车的快速发展。

为提高能量密度和降低储能成本,进一步推动风力发电、光伏发电和电动汽车的发展,各国都在研发一些新的高效储能电池,比如金属- 空气电池、液流电池、纳米锂电池、石墨烯电池和飞轮电池等。2015年3月5日,德国电动汽车厂商Nano Flowcell 在瑞士日内瓦国际车展上展出最新一代的电动汽车产品Quant F,其配备的是液流电池,最高速可达到300公里/ 小时以上,续驶里程超过800公里。随着技术的进步和充电基础设施的不断完善,电动汽车的销量和保有量正爆发式增长,未来势必对石油工业造成直接的冲击。尽早开展电动汽车对石油消费市场影响的研究并积极做好应对之策,已经成为石油公司必须面对的紧迫课题。

生物燃料技术

生物燃料一般指液体生物燃料,主要包括生物乙醇、生物丁醇、生物柴油和航空生物燃料等。依据使用的主要原料,生物燃料的生产技术经历了四代。

世界范围内生物燃料前沿技术主要包括:油脂加氢脱氧—裂化异构两段加氢制生物航煤技术;生物质高温气化—费托合成法制备生物柴油技术;基于藻类及其基因改造制生物乙醇技术等。目前,国内外多家公司已经研发并掌握两段加氢制生物航煤技术,并建成多座工业示范装置。

法国石油研究院、道达尔公司等6家公司和机构共同投资开发生物质高温气化—费托合成法制备生物柴油技术。该技术采用较高的气化反应温度,合成气转化率高;采用较为成熟的Gasel 费托合成工艺,将生物炼油技术与传统煤化工等路线相结合,采用分散化原料预处理与集中气化合成,可充分利用现有炼油厂装置,便于最终满足生物柴油等燃料的生产和调和要求。

基于藻类及其基因改造制生物乙醇技术是第三代、第四代生物燃料技术。该技术以藻类为原料,利用它们产生的碳水化合物、蛋白质、油脂等生产生物燃料。当前最新的技术是利用代谢工程技术改造藻类的代谢途径,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。美国能源部已经为Cellana 公司的藻类项目拨款350万美元,旨在加快开发可持续、低成本的藻类生物燃料。该项目预计到2018年每亩每年可供生产2500加仑藻类生物燃料的原料;到2022年,每亩每年可供生产5000加仑藻类生物燃料的原料,有望成为将藻类生物燃料的成本降低至具有成本竞争力水平的一个重要里程碑。

预计到2030年,全球生物航煤使用比例将占航空煤油的20% 以上,生物柴油的添加比例将占到车用柴油的10% 以上。生物燃料技术可降低燃料生产成本,实现环保和经济双增效。

基于多原料的低碳烯烃/芳烃生产技术

在未来相当长的时期内,化工原料仍将以油气为主,而传统生产路线的改进和优化以及煤、生物质等其他原料的化工利用将开始获得长足发展。这些基于多原料化的低碳烯烃/ 芳烃生产技术将会形成石油的材料功能替代,大幅度提高经济效益,降低生产成本。

目前,在石油以外存在着多种化工原料替代技术方案,比如甲烷直接转化制烯烃/ 芳烃技术、甲醇制芳烃技术、甲醇石脑油耦合制烯烃技术、新一代MTO和MTP技术、生物基氨解糖类经过催化转化制芳烃技术等。其中,生物基氢解糖类经过催化转化制芳烃技术所得重整产品的组成与传统石化的重整产品组成较为接近。由于该技术将纤维素水解与传统的催化加氢、缩合等技术相结合,传统炼油厂的炼化装置经过改造即可作为该技术的生产装置,每加仑产品的新增投资成本为1.75~3美元,应用前景良好。目前,美国Virent 公司与威斯康星大学麦迪逊分校合作的该项技术已经处于工业示范阶段。

燃料电池技术

燃料电池是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置。燃料电池涉及化学热力学、电化学、电催化、材料科学、电力系统及自动控制等学科,具有能量转化效率高、环境污染少等优点。燃料电池用途广泛,既可应用于军事、空间、发电厂领域,也可应用于机动车、移动设备、居民家庭等领域。按燃料类型分类,目前主要有氢燃料电池、甲烷燃料电池、甲醇燃料电池等,其中氢燃料电池具有独特优势及良好发展前景。

氢燃料电池是使用氢元素制成储存能量的电池。其基本原理是电解水的逆反应,把氢和氧分别供给阴极和阳极,氢通过阴极向外扩散和电解质发生反应后,放出电子通过外部的负载到达阳极。氢燃料电池的实际发电效率可以达到40%~60%,远超现在内燃机的水平。同时,氢燃料电池反应后的产物只有水,可实现零排放。如果氢是通过可再生能源产生的,整个循环就是彻底的不产生有害物质排放的过程。

目前,氢燃料电池主要应用于氢燃料汽车。与纯电动汽车相比,氢燃料汽车具有重量轻、加气快、续航远等优势。丰田公司推出的Mirai 氢燃料汽车充气只需3~5分钟,最大续驶里程可达700公里。我国上汽集团推出的插电式氢燃料电池车最大续航里程达到400公里。若能大面积推广,氢燃料汽车将对燃油市场造成较大的冲击。但是,氢燃料汽车目前仍面临着制氢成本高及配套设施不完善等问题。

小微核电技术

小微核电技术主要包括小型堆技术和微型核电池技术。小型堆指功率不超过300兆瓦电力的反应堆,是一种采用模块式设计、单堆功率较小的一体化反应堆。

与大型反应堆相比,小微核电技术具有三方面优势:首先是建造成本低,小型堆采用模块化制造与安装,模块可在工厂集中加工制造,在建造地点就地组装,施工周期短、投资小;其次是安全性高,小型堆通常采取一体化设计,减少了管道可能破裂导致的泄漏情况,并且由于核能系统都布置在地面下,具有较强的抗震能力;第三是用途广泛,小型堆不仅可用于发电,还可用于供电、供热、水处理、热电联产等行业,小型堆还能为其他能源的生产提供能源,诸如油砂、页岩气的生产等。目前,世界上众多国家都已经开展了小型堆技术的设计和建造工作,美国、俄罗斯、日本等国的小型堆已经投入运营。

微型核电池是指利用微米和纳米级材料制造的超微型电源设备,该设备通过放射性物质的衰变,释放出带电粒子,从而获得持续电流,其理论寿命可达成百上千年。目前,该电池仍处于实验室研究阶段。

电燃料技术

电燃料技术是以电能、二氧化碳为原料,在微生物的催化作用下将其转化为液体烃类燃料的技术。该技术绕过了光合作用,可以不经过植物便产生生物燃料,而其转化效率为光合作用的10倍甚至更多。

电燃料技术的产出物同现有的汽车引擎具有较好的兼容性。另外,其产出物还可以合成碳水化合物或是其他可燃分子,以及包括香精、化纤、溶剂、油漆等在内的日用品。

美国能源部通过ARPA-E计划支持了14个电燃料技术项目,总预算为4800万美元,麻省理工学院、哈佛大学等都投入到了该技术的研发中。电燃料的技术难点包括微生物的筛选和培养、微生物基因工程改造以及生物反应器的制备等,目前该技术尚处于实验室研发和攻坚阶段且进展顺利。该技术一旦发展成熟将使二氧化碳变为生产烃类产品的重要原料,从而开启二氧化碳化工新时代。

能源互联网技术

能源互联网是以电力系统为核心与纽带,构建多种类型能源的互联网络,利用互联网思维与技术改造能源行业,实现横向多源互补,纵向源网荷储协调,能源与信息高度融合的新型生态化能源体系。

通过建设能源互联网,可以实现三个主要目标:构建多元能源供应体系,推动能源生产革命;培育新型业态,推动能源消费革命;促进产业升级,推动能源技术革命。美国以智能电网建设为先导推进能源互联网建设;德国以实践项目探索来大力推进能源互联网发展;我国以实施坚强智能电网来推动能源互联网建设。

随着储能技术的不断进步,能源互联网将能够实现各类型分布式可再生电源,储能设备以及可控负荷之间的协调优化控制。此外,电动汽车是交通运输系统电气化转型的重要手段,能源互联网能够为电动汽车提供更为完善且具有较强通用性的基础设施。能源互联网的建设将会使得各类型能源供应与输配网络得到整合和延伸,实现各类能源的互联共享,是对现有能源供需结构的颠覆性革命及传统能源行业观念的根本性变革。

版权声明|文章来自油气经纬,版权归原作者所有。
(本文系本网编辑转载,转载目的在于传递更多信息,并不代表本网赞同其观点和对其真实性负责。如涉及作品内容、版权和其它问题,请在30日内与本网联系,我们将在第一时间删除内容。)

未经允许,不得转载本站任何文章:

评论 抢沙发