FABIE观察 |浅析 “碳中和”背景下能源装备的发展

1发布 · 2021-05-08 09:15 57


FABIE说



2020年9月22日,中国政府在第七十五届联合国大会上提出:“中国将提高国家自主贡献力度,采取更加有力的政策和措施,二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值,努力争取2060年前实现碳中和。”2021年3月5日,国务院总理李克强在2021年国务院政府工作报告中指出,扎实做好碳达峰、碳中和各项工作,制定2030年前碳排放达峰行动方案,优化产业结构和能源结构。


碳中和是指国家、企业、产品、活动或个人在一定时间内直接或间接产生的二氧化碳或温室气体排放总量,通过植树造林、节能减排等形式,以抵消自身产生的二氧化碳或温室气体排放量,实现正负抵消,达到相对“零排放”。


“碳中和”大背景下,清洁能源装备、燃料电池、节能减排装备行业迎来重大发展机遇。中国发电装机量方面仍然以火电为主,清洁能源发电量逐年上升,随着“碳中和”的推进,趋势确定性提升。未来国内能源结构将减少石化比重,向清洁能源倾斜。机械装备行业将在“碳中和”背景下迎来新的机遇。


一、“碳中和”与机械行业的联系




1.“碳中和”的产业内涵

2020年9月我国政府在第七十五届联合国大会上提出,“二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值,努力争取2060年前实现碳中和”。


从概念上讲,“碳中和”指通过各种方法减少二氧化碳排放量,直接手段是通过碳封存和碳抵消实现。从实务上讲,在保持经济增长的前提下降低经济生产活动中的碳排放,是可以通过改变能源利用结构和降低单位产值能耗等手段实现的。而在这一过程中装备制造业将扮演重要的角色。


2.“碳中和”在机械制造行业的映射

根据WRI统计数据,中国的碳排放41.6%由发电和供热行业贡献,23.2%来自制造业和建筑业用能,7.5%来自交通运输领域,以上3个领域碳排放占比超过全国总量的72%,是需要进行“碳中和”节能减排的大户。


因此要实现“碳中和”,一方面可以通过使用低碳排放的绿色发电代替高排放的化石能源发电方式,另一方面在交通领域使用低碳能源代替汽油柴油消耗,此外还可以通过优化原有的制造业和建筑业系统,在生产和施工中尽可能节约能源的使用,提高能源利用率。


我国主要碳排放领域占比


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二、各能源装备在“碳中和”下的发展


1.“碳中和”下的机械行业迎来新机遇

“碳中和”大背景下,清洁能源装备、燃料电池、节能减排装备行业迎来重大发展机遇。中国发电装机量方面仍然以火电为主,清洁能源发电量逐年上升,随着“碳中和”的推进,趋势确定性提升。未来国内能源结构将减少石化比重,向清洁能源倾斜。机械装备行业将在“碳中和”背景下迎来新的机遇。


首先,电力领域的低碳发电是“碳中和”的重中之重,这为光伏、风电、核电等清洁能源长期发展指明了确定性方向。同时要加快交通运输业的脱碳过程,锂电设备和燃料电池的发展依然具有广阔空间。此外制造业和建筑业的碳排放同样不容忽视,节能减排装置有望发挥重要作用。


从效能角度看,清洁能源装备尤其是光伏设备和风电设备,将有力推动清洁能源发电占比提升,而以锂电设备和燃料电池为主的低碳储能装置有望彻底改变交通行业排放问题。最后对于传统重工业,尤其是石化炼化行业,对老旧设备节能改造以及余热回收和热电联产设备等投资手段,可以实现存量能耗部门节能减排的目的。


2000-2019年我国能源消费占比统计

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1.清洁能源装备--低碳开路先锋


2020年12月12日,习近平总书记在气候雄心峰会上宣布:到2030年,中国风电、太阳能发电总装机容量将达到12亿千瓦以上。中国发电装机量方面仍然以火电为主,但比例逐年下降。2020年全国发电装机容量220,058万千瓦,比2019年末增长9.5%。其中,火电装机容量124,517万千瓦,增长4.7%;水电装机容量37,016万千瓦,增长3.4%;核电装机容量4,989万千瓦,增长2.4%;并网风电装机容量28,153万千瓦,增长34.6%;并网太阳能发电装机容量25,343万千瓦,增长24.1%。发电量总量上逐年稳步增长,结构上火电比例逐年下降,清洁能源发电量逐年上升。


因此,风电与光伏的装机容量或迎来新一轮的上升周期,随着“碳中和”的推进,该趋势将延续。


我国应对气候变化的规划目标


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中国目前在清洁能源方面在全球居于领先地位,根据IRENA数据,2020年中国氢能、风能和太阳能装机量分别占全球总装机量的27.25%、33.82%和35.14%,均位于全球首位。清洁能源方面,作为低碳的开路先锋,中国已占据先发优势,随着“碳中和”的推进,中国将扩大清洁能源在全球的领先优势,利好国内清洁能源装备企业。


2020年全球风电装机产量占比

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2020年全球太阳能发电装机产量占比


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1.锂电设备行业迎来发展机遇


全球动力电池近年迎来新一轮扩产浪潮,各大厂商均不同程度的推动扩产计划。“碳中和”的提出将为锂电设备行业带来新的发展机遇,伴随着“碳中和”和动力电池扩产浪潮,锂电设备行业将充分受益。


近年来中国新能源汽车销量持续增长,根据中国汽车工业协会的数据,2020年中国新能源汽车销量136.73万辆,同比增长13%。与之对应的动力电池的装机量也持续增长,根据高工产业研究院数据,2020年中国动力电池装机量62.85GWh,同比增长约1%。伴随着全球拥抱汽车电动化,动力电池新一轮的扩产浪潮已经到来,“碳中和”的提出将为扩产浪潮提供新的发展机遇,动力电池下游产业将充分吸收扩产需求,锂电设备行业将充分受益。


2015-2020年中国新能源汽车销量

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2.光伏设备技术迭代推动低碳发展


2020年3月1日,国家电网公司发布“碳达峰、碳中和”行动方案,指出在能源供给侧,构建多元化清洁能源供应体系,最大限度开发利用风电、太阳能发电等新能源。未来国内能源结构将减少石化比重,向清洁能源倾斜。


中国光伏产业近年来飞速发展,技术更新叠加需求增长推动全国低碳发展,“碳中和”的提出为光伏提供进一步的政策性支持。根据Solarzoom数据,2020年中国光伏装机量19,087MW,同比增长81.78%,2015-2019年中国光伏装机量较为稳定,2020年大幅提升。中国目前是世界第一大光伏出口国,2019年光伏组件出口额63,467.22MW,同比增长61.56%,同比增速在经历2015年-2019年的不温不火后,于2020年达到历史最高。伴随着“碳中和”的推进,2021年光伏全产业链将持续扩产,并且未来几年会延续高增速。长期来看,光伏发电比重将不断提升,光伏设备企业将充分承接光伏扩产需求。


2015-2020年中国光伏装机量


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3.风电与核电装机助力低碳发电


2020年3月5日十三届人大四次会议,国务院总理李克强在关于2021年重点工作中提出:在确保安全的前提下积极有序的发展核电。作为清洁能源,中国核电近年来持续增长,根据国家统计局数据,2020年中国核电装机量3662.5万千瓦,同比增长5.14%,增速较2018和2019年放缓。随着2021年政府工作重点的提出,核电发展空间较大,未来核电的发展速度或将有所提升,发电量比重上将逐渐增加。


2017-2020年中国核电装机量

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同样为清洁能源的风电也是实施“碳中和”的重要一环,2020年中国风力发电4,657亿千瓦时,同比增长25.12%。伴随着“碳中和”的推进,风力发电占总发电量比重将继续提升,风力装机量将持续增长,相关风机主机及零部件企业将受益。




2016-2020年中国风电装机量


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2.燃料电池装备--氢能有望成为能源转型关键


1.氢能有望成为能源转型关键推手

在“碳达峰”、“碳中和”的目标下,能源结构的转型和替代发挥着至关重要的作用。氢能作为清洁能源,具有储量丰富、热值高、零污染、可存储、来源广泛等优点,有望在推动能源转型及提高能源系统灵活性方面发挥关键作用。


氢燃料电池具备无污染排放、高能量密度、高能量转化效率等优点。不同于作为储能装置的锂电池,氢燃料电池本身就是一个发电装置,可以通过非燃烧电化学反应将化学能转换为电能,反应过程中不存在污染排放。根据美国能源部报告,若以质量为基础,氢燃料电池能量密度几乎是汽油的三倍。此外,氢燃料氢气发电比传统的内燃机效率更高。根据亿华通招股说明书,氢燃料电池汽车的反应效率超过50%,明显高于传统燃油车的30-40%。燃料电池商用车还可实现整车续航里程超过500km,充分说明了燃料电池技术具备充足的应用潜力。


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商用货车污染物排放量大,氢燃料电池商用车或提供良好解决方案。2020年8月,生态环境部发布《中国移动源环境管理年报》,报告披露2014年我国温室气体排放总量(不包括LULUCF)为123.01亿吨二氧化碳当量,交通运输温室气体排放量约为8.2亿吨二氧化碳当量,其中道路运输占比84.1%。若按车型对道路交通排放进行划分,中重型商用车排放量占比最高,达到46.9%,这说明减少中重型商用车温室气体排放量在减碳进程下显得十分重要,或成为实现碳中和路径上的重要一环。


我国运输业温室气体排放量统计


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我国车辆温室气体排放占比统计


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目前我国燃料电池车主要应用于商用车领域。根据新能源汽车国家大数据联盟统计数据,截止至2020年11月30日,物流特种车在燃料电池汽车中占比最高为53.4%,其次为公交客车占比36%,租赁乘用车占比仅为0.1%。


氢燃料电池车和电动汽车有望形成互补共存的局面。由于锂电池本身的电能充放特点,电动汽车在中短距离运输中适用性较高。考虑到锂电池能量密度较低,在商用车领域采用锂电设备,将提高车辆自重,降低重卡等重型商用车长途运输的经济适用性。此外,续航和充电时长在一定程度上也会限制重型商用车的运输效率。相比之下,燃料电池车能量密度高,加注燃料便捷、续航里程较高,更加适用于长途、大型、商用车领域,未来有望和与纯电动汽车形成互补并存的格局。


燃料电池应用车辆占比统计


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2.政策指引燃料电池产业积极发展


2016年国家发展改革委、国家能源局印发《能源技术革命创新行动计划(2016—2030年)》,将氢能与燃料电池技术创新列为15项能源技术革命重点创新行动之一,明确产业发展的战略方向及创新目标。


2017年国家发改委、国家能源局印发《解决弃水弃风弃光问题实施方案》,全面树立能源绿色消费理念,明确把提高可再生能源利用水平作为能源发展的重要任务。电解水制氢是氢能产业的发展趋势,政策鼓励可再生能源富集地区布局建设的电力制氢、大数据中心等优先消纳可再生消费电力,通过该方式可有效提高能量利用率,减少能源浪费,符合绿色能源可持续发展的要求。


我国氢能产业发展政策梳理


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2020年9月,财政部、工信部、科技部、发改委、国家能源局五部门联合发布了《关于开展燃料电池汽车示范应用的通知》,支持燃料汽车电池汽车关键核心技术突破和产业化应用,推动形成布局合理、各有侧重、协同推进的燃料电池汽车发展格局。通知明确“以奖代补”的支持方式,对入围示范的城市群按照其目标完成情况给予奖励。“以奖代补”的政策以发展燃料电池汽车关键核心技术产业为核心,将有助于促进行业规范化健康发展,推动燃料电池产业化落地。



2020年10月27日《节能与新能源汽车技术路线图(2.0版)》发布,对燃料电池车的功能及氢能基础设施等提出了明确的要求。该路线图量化了车用氢能需求,将2025年、2030-2035年加氢站的建设目标分别提高至1000座和5000座;同时提出2025年、2030-2035年燃料电池车保有量分别达到10万辆、100万辆的目标。


3.氢气产业链发展完备

氢气产业链包含上游制氢、中游储运和下游加氢及终端应用。氢气是燃料电池最主要的原料之一,也是理想的清洁能源。虽然氢是地球上最多的元素,但自然状态下的游离态氢却较为匮乏,因此需要一定的制氢技术将氢气从含氢原料中大规模制备出来,以满足日益增长的氢气需求。中国目前制氢方法约有五种,最常用的制氢方法则是以煤炭、天然气为主的化石能源重整制氢,电解水制氢和以焦炉煤气、氯碱尾气、丙烷脱氢为代表的工业副产气制氢。


我国氢能产业链


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可再生能源+电解水制氢模式潜力大,有望解决储能问题。电解水制氢是较为成熟的制氢方式。绿色环保,副产高价值氧气,并且可以有效地消纳风电、光伏发电等不稳定电力,实现富余波谷储能。但成本受电价影响较大,当使用富余波谷电力时,由于风电、水电、光伏等电力的平均成本较低;而使用以火电为主的传统电力成本较高,一次能源效率也不高。电解水制氢技术主要有碱性水电解槽、质子交换膜水电解槽、固体氧化物水电解槽,其中碱性水电解槽和质子交换膜水电解槽较成熟,且各有优势。



加氢基础设施是氢能利用和发展的中枢环节,是为燃料电池车充装燃料的专门场所。不同来源的氢气经氢气压缩机增压后,储存在高压储罐内,再通过氢气加注机为氢燃料电池车加注氢气。在商业运行模式下,乘用车氢气加注时间一般控制在3-5分钟。加氢站作为氢能源战略中十分关键的一环,以其氢燃料的储备辐射周边区域,使得车辆能够及时的补充能源,形成良好的循环。


2021年2月,LBST发布第十三次全球加氢站年度评估报告,数据显示截止至2020年底全球共有加氢站553座,全球加氢站数量仍然呈现高速增长态势,四个国家新增加氢站数量显著,分别是日本28座、韩国26座、中国18座、德国14座。


2010年-2020年全球加氢站数量统计


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燃料电池是一种将燃料和氧气结合起来产生电力的电化学装置。因其在将化学能转化为电能的过程中产生的大部分是水,有害气体较少,因此对环境污染较小。燃料电池系统主要由燃料电池堆、空气循环系统、供氢系统、水/热管理系统、电控系统这五大系统构成。而空压机则是空气循环系统中的重要组成部分。燃料电池空压机通过对进堆空气进行增压,可以提高燃料电池系统的效率和紧凑性。



根据中汽协数据,2015-2019年,我国燃料电池汽车销量持续攀升,从年销10辆攀升至2019年的2737辆,年复合增长率为306.74%。但是2020年氢燃料电池汽车行业遇冷,销量下滑明显。一方面许多采购业主等待国补及地方补贴政策,另一方面疫情导致部分进口核心材料配套物流周期延长影响车辆交付,多因素叠加使得2020年产销量不及预期。随着补贴政策落地和海外贸易恢复,2021年燃料电池汽车销量有望实现反弹。


燃料电池汽车整车系统


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根据《现代化工》发表的《氢能及燃料电池产业瓶颈分析与思考》,目前氢能及燃料电池大规模发展及应用仍然面临着燃料电池成本高、基础设施建设薄弱、终端用氢成本高等瓶颈,随着技术的革新、行业标准的明确以及相关政策法规的发力,氢能及燃料电池商业化有望加快。


4.节能减排装备--制造业低能耗发展的抓手


1.高能耗行业普遍需要节能改造

除大力发展光伏、锂电、燃料电池等行业以提升清洁能源的使用以外,大部分的传统行业目前仍在使用传统供能方式。在重工业制造业以及有色金属冶炼等行业,其整体节能减排改造更倾向于在原有装备基础上的优化。根据国家统计局给出的2018年中各个行业能源消费的情况,制造业、水电燃气以及交通运输占据了超过70%的能源消耗。


各行业能源消耗情况统计


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根据国家统计局数据,2018年我国能源消费总量达到47.2亿吨标准煤,部分制造业部门能源消费量较高,例如黑色金属冶炼及压延加工业煤炭消费总量达到6.23亿吨标准煤,占能源消费总量比重达到13.2%。



对于这些有着极高能源需求的传统行业,普遍需要节能减排的改造。目前市场上有效的应用包括有余热利用,热电联产,脱硫脱硝以及原材料再生与回收等技术。


2.1 节能减排装备应用场景—余热利用回收工业能源

余热利用技术大致分类有高温废气余热、废汽废水余热、高温产品和炉渣余热、化学反应余热等,技术特点在于利用多余的热能转化为电能,得以将冗余能源保存或者以二次利用。余热利用在机械行业内主要体现在传统工业锅炉与电力锅炉向余热锅炉的改造优化。目前国内技术较为成熟,根据国家统计局给出的2015年至2019年锅炉进口数量,我们发现2018年后锅炉进口量显著减小。同时2020年全年锅炉累计产量44万吨,相较2018、2019年,累积产量32万与39万蒸发量吨有着稳步的提升,因此我们认为国内锅炉产业发展稳定,对该产业未来持积极态度。


2020年7月,由陕鼓动力起草的《高炉余热余压能量回收煤气透平与鼓风机同轴(BPRT)技术规范》由工业和信息化部发布并启用,对未来余热锅炉产业的发展有着较强的引导与规范作用。


2.2 节能减排装备应用场景—热电联产助力城市供热

热电联产技术是将生物质转化为可用于发电供热的能源的技术,不同的生物质对应不同的生产技术,包括直接燃烧技术和气化技术。通过利用生物化学能,热电联产有利于减少煤炭使用,进而减少碳排放。根据《中国工业统计年鉴》,热电联产与生物质发电相关企业数量,以及资产总值占比在近年来显著提升。因此我们认为未来热电联产的市场将更加活跃。


随着用电、用热需求的持续提升,热电联产项目也在城市供热体系中发挥了重要的供给作用,我国城市热电厂蒸汽供热能力和总量占总供热比重整体呈现上升趋势。根据住房和城乡建设部数据,2019年我国城市集中供热中,热电厂蒸汽供热能力达到8.8万吨/小时,占全部蒸汽供热能力的87.17%;热电厂蒸汽供热总量为5.74亿吉焦,占全部蒸汽供热总量的88.27%。


2014-2019年城市热电厂供热能力统计


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2014-2019年城市热电厂供热总量统计


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2.3 节能减排装备应用场景—城市环卫需求持续释放


近年来,环卫行业逐渐受到国家重视,随着垃圾分类、乡村振兴、农村环境整治改革等政策的推出和落实,环卫装备市场需求持续释放,整体呈现增长态势。但是目前环保设备电动化率仍处于较低水平。2018年国家发布《打赢蓝天保卫战三年行动计划》,其中特别指出加强环保行业新能源设备的普及率。随着“碳中和”的提出,环保设备电动化的趋势将被持续推进。


写在最后


对于碳中和,表面上看是对碳排放的约束问题,而实际上却是能源和生态环境保护的问题。简单点说,就是减少碳排放的意思,并有一个限值和时限。众所周知,作为非道路移动机械,工程机械一直是环境污染的大户,据统计非道路移动机械的保有量仅为机动车的1/6,但是其排放的碳氧化物573万吨、颗粒物48.5万吨,与机动车排放的574.3万吨和50.9万吨旗鼓相当。然而,工程机械作为重要的生产工具,目前在基础设施、水利、电力、矿山、港口等各工程领域都不可或缺。


有效推进工程机械行业向着“碳达峰”发展,更多的需要优化工程机械产业结构和能源结构,推动工程机械绿色环保技术、装备和产品研发的应用等多个方面,这也将是当下及未来很长一段时间的发展重点。简而言之,就是控制工程机械的尾气排放,并研发和量产绿色、环保的新能源动力产品。近年来,工程机械行业一直在探索新能源转化方面不懈努力,天然气、电能、氢能等新能源产品不断面世。在碳中和的大方向下,将引领各行各业向智能化、高效化、清洁化方向发展,有望促进各类机械设备的替换与迭代。

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环保设备能源环境清洁能源

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