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美国能源科技研发投入与能源转型之路
美国能源科技研发投入与能源转型之路
摘要:
能源作为经济社会发展的基础性资源,经济性是其开发利用中必须考虑的重要方面。
美国在能源科技研发过程中非常注重技术的经济性和商业化推广前景,致力于降低清洁能源开发成本,打造清洁可负担和清洁可替代的现代能源系统,切实推进能源转型之路。
虽然近年来美国能源研发投入争议不断,但其先进能源研究计划(ARPA-E)机制成功地在基础科学和应用科学之间搭建了一座转化桥梁,堪为科研与市场有机结合的典范。
关键词:
美国;能源科技;研发投入;先进能源研究计划
1引言
奥巴马总统新的征程已经启动,能源领域的一系列举措和成效是其上一个任期内的重要标签,主导了清洁能源大发展、演绎了页岩气革命神话,能源转型之路还在继续。
作为奥巴马能源政策忠实的执行者,曾被寄予厚望的能源部部长朱棣文于2013年2月1日宣布正式辞任,在能源部35年的历史上,朱棣文以首位诺贝尔奖得主、任职时间最长,并领导能源部掌控270亿美元年度预算而载入史册。
与此同时,2月25-27日,美国能源创新峰会如期举行,这是由朱棣文一手促成,并成为实现其新能源发展梦想的重要载体,也是他最引以为豪的工作之一。
其实朱棣文的请辞早有预兆。
2012年《Nature》杂志刊登了朱棣文和先进能源研究计划署(ARPA-E)前任署长ArunMajumdar联名署名的展望文章:
《可持续能源未来的机遇与挑战》。
该文章集中反映了ARPA-E经过第一轮为期三年测试周期的研究成果,从整体角度梳理清晰了可持续能源发展的形势,尤其重视经济性比较,这其实也是朱棣文对自己最引以为豪工作的一份政治总结。
如今,前ARPA-E创建者ArunMajumdar已入职谷歌,能源局局长Steven很快来替代。
我们综合2013年美国第四届能源创新峰会的成果、朱棣文的政治绩效和自我评价,《可持续能源未来的机遇与挑战》展望文章,集中呈现美国在能源研发领域的投入特点、总体成效和未来趋势。
2美国能源科技研发投入特点
美国能源创新理事会(AmericanEnergyInnovationCouncil,AEIC)发布《促进美国创造力:
政府在能源创新中的作用》报告,指出美国政府在技术研究领域的投资已是美国在许多领域经济竞争力的组成部分,即使在预算紧缩时,这样的投资对美国经济的竞争力和发展清洁、经济、安全供应的能源也是至关重要的。
比如美国页岩气今天的成功,其实源于上个世纪80年代实施的非常规天然气勘探开发经济激励政策,这一措施对页岩气的早期发展起到了积极的推动作用。
奥巴马政府上台后,能源问题成为其倚重的政策重点。
“谁能领导21世纪的清洁能源经济,谁就能领导21世纪的全球经济。
我希望美国成为这个国家,我希望美国赢得未来”,奥巴马在一次演讲中简洁明了地指出了美国对能源问题的认识与定位,并提名朱棣文出任能源部部长,开始目标远大的能源科技研发征程。
第二任期伊始,奥巴马在胜选演讲中说:
“我们要让孩子们生活在一个不受全球变暖威胁的美国”,透露出其对美国能源和环境问题的努力方向。
美国在常规化石能源、可再生能源、能效、核能等领域的长期投入,再加上以页岩气为代表的非常规油气的异军突起,使得美国的“能源独立”梦想接近实现。
近年来,美国石油对外依存度快速下降(图1),石油消费量从2005年的9.4亿吨下降至2010年的8.5亿吨,降幅达9.5%,为10年来最低需求水平。
同时,根据美国能源信息署《2012年能源展望》的预测,2010-2035年,美国人均能源消费量将以平均每年0.5%的速度下降。
然而,美国国内也不乏对其能源政策的质疑声音,认为能源研发投入存在明显失误,尤其是可再生能源领域的研究成果与研发投入不相匹配。
图1美国石油对外依存度变化趋势
(数据来源:
EIA网站)
2.1能源研发投入持续下降
虽然美国一直致力于能源科技研发,积极追求充足、高效、清洁、安全的能源来源,但不管是纵向历史数据比较,还是横向与其它发达国家投入对比,或者对照其它领域投入,都可以发现,美国能源研发投入持续下降,比例明显偏低。
从纵向历史数据来看,第二次石油危机以后,美国能源研发投入持续下降,能源研发预算占联邦研发预算的比例从1981年的超过10%下降到2005年的不到2%(图2)。
虽然奥巴马政府上台后,美国能源研发投入有所加强,从2011年开始,这一比例从2%上升到2.5%左右,近几年始终徘徊在58亿美元左右。
图2美国能源研发预算占联邦研发预算的比例
(数据来源:
OECDStatistics)
图3美国与部分欧洲国家研发投入
(数据来源:
OECDStatistics)
从横向其它发达国家能源研发投入来看,从20世纪80年代开始,欧盟主要成员国(19个)的能源研发投入占国家研发投入的比例在7%-12%之间,远高于美国不到2%的投入水平(图4)。
此外,除国家层面的能源研发投入外,欧盟委员会还通过“框架计划”(FrameworkProgram)为各成员国科技研发提供资金支持。
目前,“框架计划”每年的科研投入约有12%-15%流向能源领域。
不过国家投入仍是欧盟成员国能源研发投入的主要来源,“框架计划”提供的支持仅占各国家能源研发投入的4%-5%。
OECD国家能源研发投入占比的变化趋势与美国相似,从上个世纪80年代开始一直呈下降趋势,最终稳定在4%左右,仍高出美国两个百分点(图5)。
图4部分欧盟成员国能源研发预算占国家研发预算的比例
(数据来源:
OECDStatistics,除保加利亚、塞浦路斯、爱沙尼亚、拉脱维亚、立陶宛、波兰、罗马尼亚、斯洛文尼亚的所有欧盟成员国)
图5OECD国家能源研发预算占国家研发预算的比例
(数据来源:
OECDStatistics)
从与其它领域研发投入对比来看,美国能源研发投入也并不高。
如图6所示,能源部研发费用约100亿,其中能源领域研发投资在50亿美元左右,而同期医学研究超过300亿美元,国防研发超过800亿美元。
图6美国联邦研发支出(国防、健康、能源、航天)
(数据来源:
巴特尔研究院《2013年全球研发投入展望》)
2.2能源研发投入逐渐向清洁能源、能效和电力系统领域倾斜
煤基合成油和核能等能源研发在二战中发挥了重要作用。
战后,美国政府仍在化石能源和核能方面投入大量研发费用。
1948–1977的30年间,联邦政府在化石能源发电领域累积投入162亿美元(按2011美元不变价格)研发费用,在核能领域累积投入488亿美元(按2011美元不变价格)研发费用,分别占能源研发总费用的24%和73%。
20世纪70年代的能源危机使美国能源研发投入逐渐向清洁能源、能效和电力系统领域倾斜。
1978–2012的35年间,美国可再生能源研发投入占能源研发总投入的17%,能效研发投入占15%,电力系统研发占7%,与1948–2012的65年间相比,清洁能源、能效和电力系统领域的研发投入分别提高了4.9、5和2.2个百分点。
如果再将时间周期缩短,从2003–2012的10年间,可再生能源、能效和电力系统的投入比例则比1978–2012年间再提高0.6、1.7和8.5个百分点,如图7所示。
图7美国不同时期的能源研发投入
(数据来源:
美国国会研究服务报告,2012.3.7)
总体来看,美国能源各子领域研发投入变化非常明显,从第一次石油危机之后,尤其是近几年以来,逐步加大可再生能源和电力系统研发投入,提高清洁能源生产消纳比例和电力系统安全性,同时研发能源高效利用技术,降低能源消耗的增长速度,与此同时,核能研发投入不断压缩,化石能源研发投入比例则基本维持不变。
2.3可再生能源研发投入与石油价格高度正相关
从第一次石油危机开始,美国可再生能源研发投入受石油价格影响较大,二者之间显著正相关(图8),每次石油价格快速上涨都伴随着可再生能源研发投入的大幅增加。
不过,2008年之后,受全球金融危机、页岩气革命影响,以及环境保护和清洁能源利用日益受到社会重视,美国可再生能源研发投入与石油价格的相关性有所减弱。
图8美国可再生能源研发投入与国际石油价格
(数据来源:
HillardHuntingtonandChristineJojarth,FinancingtheFuture:
InvestmentsinAlternativeSourcesofEnergy)
从大的趋势来看,石油价格大幅上涨,必然引发石油进口国开发新能源的压力与动机增强,带来新能源的开发热潮,推动新能源开发成本持续下降,最终使新能源价格接近甚至低于石油,就像上个世纪30年代石油部分取代煤炭一样。
2.4能源科技研发投入始终伴随巨大争议
美国国内对能源研发投入的质疑声一直不断,认为政府投入大量资金,经过数十年的研发,却没有产生多少突破性的研究成果,远不及曼哈顿原子弹研发计划和阿波罗载人登月计划成效显著。
据此,美国科技政策专家DeborahD.Stine分析了曼哈顿计划、阿波罗计划和能源研发计划之间的差异,指出投入强度低、紧迫性弱、目标分散、客户为私营部门是美国能源研发成果平平的主要原因。
能源研发投入强度低。
如图9所示,虽然能源研发计划的总投入高于曼哈顿计划和阿波罗计划,但由于能源研发计划的时间跨度比较长(超过30年),其年均研发投入远低于曼哈顿计划和阿波罗计划。
以2008年美元不变价格计,1974-2008的35年间,美国能源研发年均投入约30亿美元,而曼哈顿计划(1942-1946)年均投入为40亿美元,阿波罗计划(1960-1973)年均投入更高达70亿美元。
图9曼哈顿计划、阿波罗计划和能源研发计划年度投入对比
(数据来源:
美国国会研究服务报告,2009.6.30)
能源研发紧迫性弱。
曼哈顿计划和阿波罗计划目标的快速实现对美国国家安全具有重要意义,紧迫性非常高。
曼哈顿计划起源于第二次世界大战,美国必须先于德国研制出核武器,否则同盟国阵营面临战败的危险。
阿波罗计划起源于冷战时期,当时前苏联已成功发射第一艘载人飞船,美国出于太空主导权丧失和军备竞赛落后的恐慌,决定进行登月计划。
而能源研发计划的经济性更强,紧迫性显然远低于曼哈顿计划和阿波罗计划,从最高领导层到最终执行层对革命性能源科技缺乏志在必得的决心。
能源研发目标分散。
曼哈顿计划和阿波罗计划都具有清晰、单一的目标:
研制出原子弹和把美国人送上月球,而能源研发计划实现美国“能源独立”的宏大愿景似乎已沦为一句口号,其总体目标——获取清洁、经济和可靠的能源供应——至少有三个并不总是一致的子目标:
能源资源和技术的多样性、具有商业价值,以及满足环保要求。
能源研发计划目标的分散性使得其工作缺乏重点,并互相牵制,加大了达成最终目标的难度。
能源研发成果的最终客户为私营部门。
联邦政府是曼哈顿计划和阿波罗计划研究成果的需求方,而能源研发计划的新技术需要通过产业化推向市场,其最终客户是私营部门,因此,是否可以商业推广、是否能够盈利便决定了一个能源研发项目成功与否。
私营部门与政府部门还有一个非常重要的区别,那就是从本质上看,私营部门真正需要的不是新技术、不是清洁能源,而是利润。
部分学者认为,把获取清洁、经济、可靠能源供应的公共目标交给私营部门,本身存有矛盾,很难达成理想的目标。
2.5ARPA-E是美国能源科技研发的新亮点
美国前能源部长朱棣文在辞职前夕给能源部全体成员的一封信中写道“能源部在突破横亘于基础科学和应用科学之间的壁垒已取得显著进展”、“从根本上改变了能源技术领域的现状”,这一突破和改变的推动之一就是2009正式运作的美国能源部先进能源研究计划(ARPA-E)。
在ARPA-E机制出现之前,美国已有科学办公室(OfficeofScience)和应用研究办公室(AppliedOffices),分别负责推进基础科学和应用科学研究。
基础研究影响深远,意义重大,但因其风险极高和商业化前景模糊的特点,私营部门很少介入,几乎全部由政府资助;应用研究则多为改进型和应用型课题,对现有技术体系和人类社会的改变有限,但风险相对较低,商业化前景较为明朗,盈利潜力较大,私营部门是这类研究的投资和收益主体。
美国在基础研究和应用研究领域都取得了丰硕的成果,然而大量基础研究成果的应用性转化却一直不尽如人意,耗费了巨额资金的研究成果只能停留在纸面论著中,无法转化为现实生产力和社会财富。
在这种状况下,美国能源部借鉴曾取得巨大成功的国防高级研究计划局(DefenseAdvancedResearchProjectsAgency,DARPA)于2007年组建了先进能源研究计划局(AdvancedResearchProjectsAgency-Energy,ARPA-E),从2009年开始为大量前瞻性能源研究项目提供资助,帮助其渡过研发前期风险高、私营部门不愿介入的危险阶段,有效突破了基础研究向应用研究转化的机制障碍,促成了一批有价值的研究成果(图10)。
图10ARPA-E的定位
(资料来源:
美国能源部网站)
1)ARPA-E的目标
ARPA-E以改变现有的“游戏规则”为宗旨,支持高风险、高回报的能源技术研发,致力于成为基础研究和应用研究之间的桥梁,让清洁能源技术的成本低于传统技术,从根本上改变能源技术的现状,从而提升美国在经济和环境方面的安全系数,确保美国在能源领域的领先优势。
2)ARPA-E的组织与管理模式
ARPA-E采用非常灵活的组织和管理模式,以提升效率和效益。
这种运营模式已经成为美国政府内部小型机构的典范。
ARPA-E关注和投资那些有可能对美国能源现状产生巨大影响的革命性能源技术,选择的项目必须同时满足“技术推力”和“市场拉力”这两个条件。
ARPA-E投资计划决定之前,需要召开研讨会,对研究领域的科技效益、面临的挑战展开严格的辩论,其资助项目的选择基于下列要素:
效益(Impact):
对美国的经济和能源安全产生重大影响,确保美国在部署先进能源技术方面的领先地位
转化(Transform):
对于有可能实现的技术进行挑战,希望能破坏现有的学习曲线并且超越现有科技。
桥接(Bridge):
连结基础科学与应用科技,未曾进行研究或获得资助并且可以催化新的兴趣与投资产生。
团队(Team):
必须有来自科学、技术和商业等领域的精英们组成最佳研发团队,整合跨领域的技能迅速推进能源技术创新。
ARPA-E已资助的项目大部分介于技术概念(TRL2)到实验和验证(TRL4)阶段之间(图11)。
TRL2和TRL4之间的间隔被称为技术开发的“死亡之谷”,处于这个阶段的开发项目投资风险非常高。
图11ARPA-E资助的项目分布
(资料来源:
美国能源创新峰会介绍材料)
ARPA-E的一大特点是其具有较强的吸引私营部门资金的能力。
处于前期阶段的革命性能源研究项目由于风险过高,私营部门一般不愿涉足,ARPA-E则为这些项目提供政府资金支持,帮助其度过最危险的时期,一旦技术开发有所突破,出现商业化应用前景,则引进私营部门投资,完成后续研发过程。
截至2013年初,ARPA-E总共吸引了超过4.5亿美元民间投资,约占政府累积投入(2009-2012年,政府为ARPA-E累积投入约8.55亿美元)的53%。
2.6美国能源转型需要投资、创新和市场等综合力量
不同形式能源的替代进程和美国当前能源结构表明,能源转型将需要大概半个世纪的时间(图12)。
考虑到化石燃料发现和开采预期的技术进步,化石能源成本在未来数十年和非碳能源相比仍将具有竞争力。
随着过去30年诸如极端温度、洪涝、野火、干旱和暴风雨等极端天气事件的增加,总的损失已超过每年1500亿美元。
有越来越多的证据表明这些改变都和气候变化相关。
尽管缓解或适应这些变化的总成本还有很强的不确定性,但是谨慎的风险管理不等于不作为的不确定性。
需要设计更加灵活的能源机制使不同能源包括环境成本的整体成本更直接地反映到其市场价格中。
如果需要及时缓解气候风险,则清洁能源技术的商业化推广速度必须加快。
图12美国能源结构历史变化情况
国际能源署(IEA)对直到2035年的发电结构和碳排放所作的预测如图13所示。
在新政策情景中,清洁能源的发电比例将显著增加,碳排放量增长的速度降低,但总量并未下降。
总之,为了加速利用经济可行的清洁能源,政府需要颁布政策来激励投资、创新和引导市场力量,为加快能源转型提供更多的动力。
图13IEA预测的到2035年电力结构和碳排放情景
(资料来源:
朱棣文、ArunMajumdar,《可持续能源未来的机遇与挑战》)
3能源科技研发在电力领域投入的关键词和方向:
清洁可负担
根据2010年美国能流(图14)可知,美国能源使用量约98千万亿英热单位(41亿吨标煤),其中石油占40.13%、天然气占22.66%、煤炭占22.87%、核能占8.13%、生质能占2.78%、水力占2.71%、风能占0.15%、地热占0.31%。
电力占总能源消耗的38%,占一次能源22.87%的煤炭有90%用于电力生产,核能则完全用于电力生产,天然气则有26.43%用于电力生产。
图142010年美国能流图
(资料来源:
LawrenceLivermore国家实验室)
清洁能源的大量应用取决于其发电成本的持续下降,美国能源信息署预测到2016年不同电源的平准化发电成本如图15所示。
相较于这些预测,一项基于投资和购电合同已完成的项目数据,对不同形式可再生能源的分析表明,目前美国2012年第四季度陆上风电平准化发电成本(LCOE)大约为每兆瓦时73美元,这些成本还不包括输电线的成本(平均为每千瓦300美元)。
一些专家估计,到2020年,陆上风电LCOE将下降到每兆瓦时60美元以下。
不算补助金(除去美国投资税收抵免),美国2011-2012年安装的公用事业规模的太阳能光伏发电项目的成本为大约每兆瓦时150美元。
在光照良好的地区,公用事业规模的太阳能光伏发电成本预计在每兆瓦时60-120美元之间。
假定天然气成本为每百万英热单位3-4美元,美国天然气联合循环发电的最低LCOE大约为每兆瓦时50-60美元。
尽管LCOE是一个很重要的因素,但发电时间、不同规模下的LCOE以及储能潜力同样也很重要。
图15美国能源信息署预测到2016年不同电源的平准化发电成本
注:
A-传统燃煤发电,B-配备有碳捕集与封存的先进燃煤发电,C-先进天然气联合循环发电,D-配备有碳捕集与封存的先进天然气联合循环发电,E-传统天然气发电,F-先进核电,G-陆上风电,H-海上风电,I-太阳能光伏发电,J-太阳能热发电,K-地热发电,L-生物质发电,M-水电。
(资料来源:
朱棣文、ArunMajumdar,《可持续能源未来的机遇与挑战》)
1)太阳能
2010年,美国能源部开始实施Sunshot计划,旨在到2020年不用补助将太阳能(光伏和热)LCOE成本降至每兆瓦时50-60美元。
对于公用事业规模的光伏发电,整体装机成本要达到每瓦约1美元,包括太阳能电池组件的0.5美元,并网用电力电子器件的0.1美元和系统平衡部件(包括安装、许可和所有其他费用)的0.4美元。
美国正在从研发新型半导体材料、先进控制系统,以及新型光能捕获系统等新技术,尽早将光伏发电成本降低到市场可接受的水平。
2)风能
涡轮机、叶片和齿轮箱的重要改进以及风塔高度的增加是风能成本下降的原因。
尽管风机最大容量已达到了7.5MW,但目前大部分已安装的风机是1.5-2MW。
随着风机高度和尺寸的增加,作用在齿轮箱、叶片和风塔上的机械应力也显著增加。
直驱型风机受到了越来越大的关注,这类发电机目前使用的永磁体是由像钕和镝这类稀土材料制成的。
相比于陆上风电,海上风电可建在居民区附近同时又足够远而不至引起当地的反对。
然而,由于需要建造能多年不用替换的可以承受恶劣海上环境的稳定海上结构,海上风电的成本很高。
此外,由于重型维护目前需要平静的海面,海上风机必须高度可靠。
3)化石燃料脱碳
继续利用化石燃料发电需要在未来十年大幅削减主要固定排放源的碳排放量。
通过热力学效率的高性价比改进、热电联产和废热利用可以实现更高效的一次能源利用,从而减少碳排放。
此外,燃煤和天然气电厂及其他的主要排放源(如水泥厂、钢铁厂)配备碳捕集与封存技术(CCS)也很有必要。
选择富氧燃烧还是燃烧后捕集并没有一个明确的答案。
现有粉煤电厂利用可用技术实现90%二氧化碳捕集率的改造成本估计接近原始电厂的资本成本。
此外,电厂能量的20%-40%也将被用于二氧化碳的分离、压缩和传输,因此只有热力学效率最高的超临界和超超临界机组可考虑实施改造。
通过富氧燃烧(粉煤电厂或天然气电厂)或整体煤气化联合循环(IGCC)技术来实现,高度集中的二氧化碳排放流将使二氧化碳的捕集会相对容易实现。
需要开发、中试和示范接近商业规模的创新型化学和物理分离方法是现实问题。
由于没有合理的二氧化碳价格,私营部门不愿在技术开发上做更多投资。
基于这一原因,旨在提高采油率和可促进地热能利用的碳捕集、利用与封存(CCUS)技术的研发为碳捕集技术的投资提供了财政激励措施。
4)核能
核电在减少发电部门的碳排放方面发挥了重要的作用,但日本福岛核事故减缓了全球核电发展步伐。
处于安全考虑,部分国家开始谨慎推进核电的发展,有些国家甚至选择放弃核能。
第三代核电站的安全性比前几代显著提升。
当核反应堆紧急关闭时,最初几天由于衰变热量最大且亟需驱散是最危急的。
目前正在建设的第三代反应堆采用了头三天内在不和电网或应急电源连接或不使用堆外冷却水时能安全冷却的设计,实现了非能动安全性。
第三代核电站的平准化发电成本(LCOE)约为每兆瓦时100-120美元,尽管这一成本和天然气比不具竞争力,但是它比采用CCS技术的化石燃料电厂的预期成本要低。
另一个挑战是单个大型反应堆(1.0-1.5GW)相关的冷却和配电需求。
核反应堆的工程、采购和施工、运行和维护以及退役成本约为每千瓦装机6000-6600美元,这比一个相当规模的天然气电厂高五倍。
5)电网储能
电网级别能量储存将提高输配电系统的可靠性和效率。
平衡和优化负荷与发电是一个挑战,需要改良的技术、商业和监管愿景。
间歇性电力供应和需求的不匹配发生在多个时间和能量尺度上。
对于秒-分级尺度,电压和频率的稳定目前是通过电网辅助设备来实现的,大部分是利用大型电容器组和化石燃料电厂的热旋储备,也会使用电池组和机械飞轮。
热旋储备也用于支持数分钟到数小时的发电。
现代天然气碳循环电厂的设计能达到每分钟50MW的功率快速增加,当与改进的电网传感和控制相结合时足以解决大部分可再生能源的间歇性问题。
对于小时-隔夜尺度,将需要成百上千兆瓦和兆瓦时级别的功率和能量容量,还可以使用许多小型(成百上千千瓦级别)分布式储能。
成本最低的中长期储存电力的方式是利用抽水蓄能电站和压缩空气储能,资本成本大约为每千瓦时100美元。
然而地理因素限制了这两种方法的发展。
新的电化学系统和模块式低成本压缩空气储能系统具有较好的发展前景。
4能源科技研发在交通运输领域投入的关键词和方向:
清洁可替代
石油基液体燃料占到目前交通部门能源来源的绝大部分(如图16)。
2011年全世界石油消费量约26.9亿吨,其中有18.95亿吨原油和7.91亿吨精炼产品经过跨国贸易,给社会带来了巨大的经济和环境成本。
美国从提高燃油汽车能效和寻找替代燃料两个方面应对新的“石油危机”和“环境危机”。
图162010年美国石油基液体燃料的消耗组成与模式
改进交通工具能效能够大幅降低对石油的依赖。
在未来10-20年,有望在不影响安全性的前提下,实现将交通工具的整体重量再减轻20%-40%。
交通工具每减轻10%的重量,燃料消耗将减少6%-8%。
降低摩擦导致的能耗也是提高交通能效的重要途径。
在摩擦学、轮胎、制动和废热回收等领域具有成本效益的技术进步以及空气动力学优化有望在
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