绿色能源转型

陈荣圻

针对全球气候变暖问题，2015 年12 月，联合国在法国巴黎召开的《气候变化框架公约》缔约国大会上，197 个国家成为缔约国，达成的全球碳中和目标为：到21 世纪中叶，全球平均气温上升控制在2 ℃以内，并努力限制在1.5 ℃以内。为了实现这一目标，我国国家主席习近平在2020 年9 月联合国大会一般性辩论上首次承诺中国将力争在2030 年前实现碳达峰，努力争取2060 年前实现碳中和，并在2021 年4 月的40 国气候视频峰会上再次承诺；2021 年10 月31 日在英国格拉斯哥举行的《联合国气候变化框架公约》第26次缔约方大会上达成“格拉斯哥气候协议”。

在这次会议召开前夕，中国发布了两个重要文件：2021年10月24日，《中共中央国务院关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》；2021 年10 月27 日，国务院新闻办公室发表《中国应对气候变化的政策和行动》白皮书。前一个文件指出，要处理好减污降碳和能源安全、产业链供应链安全、粮食安全、群众正常生活的关系；有效应对绿色低碳转型可能伴随的经济、金融、社会风险，防止过度反应，确保安全降碳，对双碳目标提出具体意见。意见指出，到2025 年，单位国内生产总值能耗比2020 年下降13.5%；单位国内生产总值二氧化碳排放比2020 年下降18%；非化石能源消费比重达到20%左右；森林覆盖率达到24.1%，森林蓄积量达到180亿m3，中国每天造林面积约120 km2。2030 年，单位国内生产总值能耗大幅下降；单位国内生产总值二氧化碳排放比2005 年下降65%以上；非化石能源消费比重达到25%左右，风电、太阳能发电总装机容量达到12 亿kW 以上；森林覆盖率达到25%左右，森林蓄积量达到190 亿m3，二氧化碳排放量达到峰值并实现稳中有降。到2060 年，非化石能源消费比重达到80%以上，碳中和目标顺利实现，实际上化石能源消费还留有20%的余地。

2021 年10 月27 日，国务院新闻办公室发表《中国应对气候变化的政策和行动》白皮书，是继2011 年以来发布的第二本白皮书。白皮书指出，中国基本上扭转了二氧化碳排放快速增长的局面。2020 年，中国碳排放强度比2015 年下降18.8%，超额完成“十三五”约束性目标，比2005年下降48.4%。

中国“十四五”科技发展规划包括多个重点产业：新一代的信息技术（6G）、生物技术、新能源、新材料、新技术装备（量子计算机、机器人）、新能源汽车、环保技术、航空航天和海洋技术等，其中许多项目与绿色能源转型有关。

英国《独立报》网站2021 年12 月1 日报道：国际舆论称，2021 年10—11 月在格拉斯哥举行的联合国气候变化大会（COP26）根本无法与2021 年中国在其他气候行动方面的出色表现相比。中国政府“做得多，说得少”，除了对双碳承诺付诸实施外，2021 年10月，在云南昆明主办的联合国《生物多样性公约》缔约国大会第十五次会议上宣布，中国将不再新建境外煤电项目。2021 年对中国是不错的开始，1 月中国发布关于发展国际合作的白皮书，包括一整章节关于“一带一路”伙伴国家生态环保的内容；10 月的中国-东盟领导人会议，发表《关于加强中国-东盟绿色和可持续发展合作的联合声明》；11 月的中非合作论坛上，中国与非洲国家签署《中非应对气候变化合作宣言》。此类合作举措与COP 围绕气候融资等事项的长期僵局形成鲜明对比。

国际能源署于2021 年12 月1 日发布的报告称，2021 年全球新增可再生能源装机容量攀升至历史新高。全世界新安装的太阳能光伏板、风力涡轮机、氢能电解槽和其他可再生能源设备将达到创纪录水平。可再生能源发电量将在未来几年加速增长，到2026 年，将占到全球发电量的近95%。尽管用于太阳能光伏板和风力涡轮机的关键材料成本不断上升，但2021 年仍将新增约290 GW 的可再生能源发电装机容量，打破2020年创下的历史纪录。

2021—2026 年，新增的可再生能源发电装机容量预计将比2015—2020 年高出50%。其驱动力是政府出台政策加大支持力度，以及在格拉斯哥气候峰会前和召开期间各国宣布了更雄心勃勃的清洁目标。但全世界可再生能源发电装机容量远未达到实现下一目标所需的水平，即到2050 年实现温室气体（主要是二氧化碳和甲烷）净零排放，以防止平均气温上升的最危险幅度（1.5 ℃以内）。

国际能源署预计到2026 年，中国的风能和太阳能发电装机容量将达到1 200 GW，比设定完成这一目标的日期（2030年）早4年。印度的新增发电装机容量将比2015—2020 年翻一番。欧洲和美国的动作也将显著加快。中国继续展示了在清洁能源领域的力量，可再生能源扩张表明，中国的二氧化碳排放量可能在2030年前达到峰值。

1 能源转型

面对气候变暖，世界主要经济体都作出了减排承诺，必将进行能源转型，将传统能源煤炭、石油和天然气转变为可再生绿色能源。

中国富煤、缺油、少气的资源结构，决定了以煤炭为主的火力发电。中国每年消耗40 多亿t 煤炭，约占全球煤炭消耗量的1/2，燃煤发电约占中国电力生产量的2/3。2021 年10 月31 日—11 月14 日在英国格拉斯哥气候峰会（COP26）上，联合国秘书长古特雷斯称：电力部门逐渐淘汰煤电是实现地球平均气温升高控制在1.5 ℃内最重要的一步。因为当前煤电部门需要清除最脏、污染最严重的化石燃料。2030 年前，全球发电领域的煤炭用量必须比2010 年下降80%。这意味着，发达国家必须承诺在2030 年前逐步淘汰煤炭发电，其他国家必须在2040年前做到这一点。

中国在2020 年新增煤电装机容量控制在11 GW以内，国家能源局表示，2021 年中国煤炭消费比要下降到50%以下。2021 年11 月，包括中国在内出现世界性缺电，针对这一新情况，煤电在短时间内又稍增，但煤炭消费转折期仍可能在2021 年到来。2021 年中国的煤炭消费量约占全球煤炭消费量的53.8%，面对减少对煤炭长期依赖的挑战，中国正从绿色能源开发方面的巨大投资能力中获益。中国可再生能源发电装机容量占总发电装机容量的42.4%。中国在太阳能光伏板和风力涡轮机领域处于世界领先地位。中国将不断加速让新技术成为推动经济增长的引擎，在绿色能源发电领域拥有竞争优势，中国科技巨头企业在利用人工智能和大数据进行监控方面具有强大的竞争力。此外，政府的高度参与也促成了一种双重杠杆生态系统，这有助于推动我国在短期和中期进行的改革，从而打造对煤炭依赖更少的模式。

占中国碳排放总量约15%的钢铁行业，中国目前有237 家钢铁企业，产能约6.5 亿t。总部设在赫尔辛基的能源与清洁空气研究中心于2021 年8 月13 日发布报告：中国在钢铁领域的成功取决于中国政府在电力和低碳钢铁行业加大了对清洁能源的投入。据中国电力企业联合会称，2021 年底，非化石能源发电装机规模占比将首次超过煤电。2021 年一季度，重点钢铁企业调查结果是：占91%的电源投资投入非化石能源发电。

除了太阳能和风能发电，中国水力发电资源丰富，除了早期建成的长江三峡水力发电站，云南西部横断山高山峡谷区、高黎黄山、怒山等南纵列，其间澜沧江、怒江、元江等成帚状排列。2021 年竣工的云南白鹤滩水电站装机容量仅次于长江三峡水电站。中国水力发电在一次能源消费中占比近8%，占全球水电消费量的30.1%左右。核电站已建成490 座，占全国总发电量的5%，美国约占20%，差距很大，发展空间很大。2021 年5 月19 日，中俄合作在山东田湾和徐大堡开工建造一座核电站，建成后发电量将达到37 亿kWh，相当于每年减排3 068 t 二氧化碳。风能和太阳能开发重点在大西北新疆、宁夏、甘肃等地，地域开阔，日照时间长，风力资源丰富，这些贫瘠地区借此可以使经济增长。

2021 年完工的甘肃酒泉戈壁滩风力场，装机容量达10 GW，相当于长江三峡发电站发电量的1/2，计划2025 年再建，使其装机容量翻一番，达到20 GW。甘肃玉门本是中国石油工业的摇篮，如今从矿物燃料转型为可再生能源。玉门现在跃居全国新能源前沿，在平坦的沙漠上，正在安装巨大的环状定日镜，每个光环的中心是一个塔，用来接收反射的光，并将其集中到一个光束，产生足够的热量来运行一个热电站。玉门将成为中国新能源的先驱。当前中国正在建设一批总规模近3 000 万kW 的大型太阳能光伏项目，新疆是全球最重要的太阳能光伏产业多晶硅生产基地之一。单新疆大全等4 家大型企业，2020 年生产多晶硅24.3 万t，占全球市场的36%。作为太阳能电池的主要原材料，新疆生产的多晶硅已成为全球绿色能源产业不可或缺的一环。宁夏盛产硅，全省面积6 万多km2，平原占1/4。而青海地处青藏高原，日照时间长，全省面积约72万km2，降水少，适合发展太阳能。

除了发电需用可再生能源取代燃煤，还有燃油汽车改用锂电池作为动力，截至2020 年6 月底，我国电动汽车保有量为450 万辆，跃居世界首位，成为引领汽车产业转型的重要力量，但与目前燃油车保有量2.4 亿辆差距巨大，电动汽车发展空间很大。与其配套的充电站，全国累计建设38 万座，换电站449座，建成各种充电桩132.2 万个，其中公共充电桩65.8万个，私人拥有79.4 万个，总量占世界第一。同时已建成“十纵十横两环”4.9万m 高速公路快充网络。

2 绿色能源的原材料

2.1 稀土元素——风电涡轮发电机

稀土元素在元素周期表内是第Ⅲ副族元素，原子序数57～71 为镧系元素。通常分为铈组（镧、铈、钕、钜、钐）和钇组（铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥、钇），也可将镧到钆称为轻稀土，钆到镥称为重稀土。

各个稀土元素常以差别很大的不同量存在于同一种矿石内，如独居石及氟碳铈矿石中以轻稀土为主，钪钇矿石以钇和钪为主，黑稀金矿以钇及重稀土为主，都是有银色光泽的金属，质地较软。原子价主要是正三价（镥及铽有极个别的四价氧化物，钐、铕有二价化合物），能形成稳定的络合物及微溶于水的草酸盐、氟化物、碳酸盐及氢氧化合物等。三价稀土元素化合物的化学性质除钪外，其余都很相似，分离较难，采用萃取分离法及离子交换法已能制得单一的稀土元素化合物。纯稀土化合物的性能各有不同，其应用领域也有所不同。早期广泛应用于磁性、荧光、激光材料等，在电子技术、原子能工业，在合金钢及非铁合金中掺入少量混合稀土金属可以改善性能。如今，单一钕用于风力涡轮发电机及以锂电池提供动力的汽车，其发动机动力转向使用稀土磁铁。铽是节能灯的主要成分，铕用于激光设备，铈用于柴油内燃机催化转化机，其他稀土元素用于动力工具、智能手机、医疗设备等。

如今，稀土元素也用于武器，美国和英国的导弹系统及其他军事装备需使用稀土磁铁，大多来自中国。英美澳正在酝酿本国稀土计划，从矿山场地清理到建厂，预计要到2023 年才能开始生产。2011 年，三国准备把稀土元素的开采扩展到世界其他地区，如格陵兰岛。然而格陵兰岛议会担心其对环境的影响，因此禁止开采铀矿，实际上是阻止了世界上最大的稀土项目之一。

2020 年，我国稀土开采量已经降到全球的60%左右，虽然仍居全球第一，但已接近我国的稀土消费份额。我国稀土依然在全球处于主导地位，主要在于稀土开采后的加工能力，所以我国稀土加工产品仍占全球90%以上。这主要是因为通过几十年的研发，我国稀土加工能力不断提升。

目前，我国已经在稀土研发方面进行布局，设立了中国科学院稀土研究院，不过科研机构的研发成果偏重于基础，要转化为真正领先的加工和应用，还需要进一步的研发投入。中国五矿和中国铝业正准备成立中国稀土集团，推动从开采到加工、应用的高端化发展。

2.2 锂和钴——锂电池

20 世纪90 年代，日本索尼公司实现锂电池商业化，其比之前的镍氢电池、铅酸电池能储备更多的电能，在新能源汽车、电脑、智能手机等产品上得到普及。相关研究还在2019 年获得诺贝尔化学奖。但锂电池最大的缺点是成本高，尤其是2021 年以来，锂电池相关原材料价格飞涨，逼迫各国纷纷布局“后锂电池”时代，主要目标就是压缩成本和提高耐用性。首先瞄准了成本更低的镁电池。镁离子可以携带2 个正电荷，而锂离子只能携带1 个正电荷，因此理论上镁电池的能量密度比锂电池更大。镁电池的电极正极材料采用有机化合物，电解质采用硼化物，但至今只报道实验室已经能反复充放电超过500 次，未见工业化生产。除此以外，还有锌电池和钠电池，其中钠电池比较成熟。这些“后锂电池”的工作原理高度相似，只是受制于没有合适的电极材料。钠电池一直到2000 年之后才取得突破，当前技术最先进的钠电池生产企业是中国“宁德时代”集团，具备全球最高的能量密度160 Wh/kg 和快充特性（15 min 可充电80%），计划于2023年形成基本产业链。

相关资料显示，锂资源近80%集中在美洲四湖和澳大利亚。中国需要的锂资源80%都要靠进口。中国锂业巨头江西赣锋锂业公司相继将阿根廷盐湖等外国锂矿收入囊中。赣锋锂业正迅速发展壮大，提出了2025 年电动汽车锂电池的锂化合物产量比2020年翻一番的目标。这一目标与中国发展电动汽车的方向一致。2020 年，该公司锂化合物产能达到9 万t（以碳酸锂计算），到2025 年至少达到20 万t，是可以生产超过400 万台电动汽车电池的规模。公司还提出了将产能增加到60 万t 的计划。氢氧化锂是生产车载锂电池的原料，2020 年全球生产的氢氧化锂中，赣锋锂业占据24%的份额，仅次于美国雅宝公司的27%。

相比钠电池的原料钠，锂在地壳中的储量仅为0.006 5%，全球储量8 600 万t，而钠在地壳中的储量为2.74%，仅中国柴达木盆地的钠储量就达到3 216亿t。从原料角度看，锂电池肯定将让位于钠电池，只要解决一些技术问题，将来电动汽车将是钠电池的天下。2021 年7 月底，全球最大的车载电池企业宁德时代新能源科技股份有限公司召开了在线发布会，推出该公司第一款钠离子电池。这种电池15 min可充电80%以上，最大的优点是不使用锂、钴等稀有金属。

钴可作为锂电池的正极材料。来自国内知名有色金属产业咨询研究机构的数据显示，预计到2025年锂电池对于钴的消费将增长至16.4 万t。随着5G 技术的普及，智能电子产品快速增长，同时新能源革命下电动汽车可持续发展，中国已经成为全球最大的钴消费国。2020 年全球钴需求量达13.6 万t，其中中国消费量达7.1 万t，占全球消费量的52%；中国目前也是全球钴精炼产能最大的国家。与高需求量成反比的是，中国自身的钴资源富矿少而贫矿多，品位也比较低。中国钴原材料严重依赖进口。数据显示，2020 年中国钴资源对外依存度高达97%，而到2025年这一数字预计高达99%。

据美国地质调查局统计，2020 年全球钴储量721万t，集中分布于刚果（金）、澳大利亚、古巴等国，其中刚果（金）最丰富。中国驻刚果（金）大使馆经济商务处数据显示，刚果（金）的钴储量达到450 万t，占世界储量50%以上，是世界上最重要的钴生产国之一。

据悉，外资企业进入刚果（金）进行矿产资源开发时间早，早期开发的铜钴矿品位高，大矿、富矿多，开采条件更好，基本上为露天开采，目前尚未进入系统性地下开采阶段。相对而言，中资企业进入刚果（金）较晚，获取铜钴矿资源质量不及外资企业。

2.3 铀——核燃料

目前，我国核电站发电量只占发电总量的5%，而美国这一占比达20%，我国发展核电空间很大，建造安全核电站的技术已获自主创新专利，核燃料铀是关键原料。铀是锕系第Ⅲ族元素之一，符号U，原子序数92，具有放射性，化学性质活泼。铀以质量数为234、235 及238 3 种同位素存在于铀矿中，沥青铀矿中含量最多，少量存在于独居石等稀土矿石中，也微量存在于海水中。铀238 的半衰期为4.49×109年。同位素235 可用作核燃料。铀238 俘获中子后转变为铀239，也是核燃料。

随着全球核能需求增加，对铀的需求也在增加。铀是一种有限资源。据估计，海洋中蕴藏着超过45 亿t 铀，大约是陆地储量的1 000 倍，从海洋中提炼铀可能是一种更具可持续性的方式。然而，海水中的铀浓度极低，据估测，每升海水中含有3.3 μg铀，使得从海水中提取铀要比从地下提炼铀困难得多，成本也昂贵得多。20世纪50年代，科学家们就看到了从海水中提取铀作为核燃料的可能性，但一直到20 世纪80 年代，日本科研人员才找到一种提取海水中铀的方法，即利用一种名为偕胺肟的化合物来吸附铀。由中国科学院牵头的新研究项目，聚焦于这种化合物的吸附能力，研究成果发表在2021 年11 月底出版的英国杂志《自然·可持续发展》上。

科学家们以自然界中发现的分形（例如血管）为模板设计了一种多孔膜。研究发现，较以前使用的材料，含有偕胺肟的膜提取铀的效果要高得多，吸附能力是以前的20 倍。研究报告的主要作者称：“血管等分形在生物系统中无处不在。它们使物质的优化交换和转化成为可能。”这启发了新吸附剂的设计。研究发现，在4 周时间里，1 g 这种膜从天然海水中提取出9.3 mg铀，是使用薄膜提取铀的最高水平。

美国佐治亚理工学院及橡树岭国家实验室的科学家发表文章称，中国团队开发的这种材料比许多同时代的吸附剂更好。他们还指出，还可从海水中吸附其他分子，比如钒、铁、锌、铜等，因此需要一种方法来进行分离。目前的进展加上其他国家研究人员的努力，让我们距离开发一种实用、有效的吸附剂越来越近。

2.4 氢能

氢能既能用来发电，还能作为汽车的动力。氢是宇宙中最轻也是最丰富的元素。从理论上讲，氢作为燃料有很多好处，尽管其在地球上很少单独存在，但可以利用清洁电力分解淡水来生产氢。

氢一旦被制成，就可以像石油和天然气一样充当化学能量载体，通过管道或经压缩送到需要的地方。每单位质量氢储存的能量是汽油的3 倍。氢气燃烧时会释放出储存的能量，而这一过程实质上是氢气和氧气结合生成水，所以，氢是绿色燃料。

在2021 年11 月结束的COP26 上，政府作出气候承诺，表明我国要在21 世纪中叶实现碳净零排放的目标。传统的化石、石油、天然气和甲烷能源必须转型，太阳能、风能的成本将随着技术进步而下降，使得利用清洁能源大规模生产氢成为可能。

目前，世界每年生产约7 000 万t 氢，主要用于制造氮肥和甲醇等化学品，以及炼油去杂。电解水制取氢气所用电力，大约96%来自天然气、石油和煤炭，这种生产过程得到的氢被称为“灰氢”。而用甲烷产生的电力生产得到的氢被称为“蓝氢”。而“绿氢”是由可靠的可再生电力电解水产生的。在当前，可再生能源在全球还处于不发达阶段，绿氢成本高于蓝氢，更高于灰氢。

那么，绿氢的前景如何？目前，欧盟绿氢行业的电解槽总容量不到1 GW，但在2020 年7 月，该行业设下了到2024 年电解槽容量达到6 GW、2030 年达到40 GW 的目标。缩小绿氢和灰氢价格之间的差距需要时间，生产1 kg 氢需要50～55 Wh 的电力和9～10 L淡水。高达86%的绿氢成本花在了电解槽供电上。而风能和太阳能的成本在过去10 年快速下降，预计还会进一步下降，对生产绿氢是一个好消息。中国的风电、太阳能发电已处于全球第一，成本也最低，为生产绿氢打下坚实的基础，绿氢也将成为中国新能源之一，将大规模生产。

电解槽本身占据了其他成本。目前，1 台10 MW电解槽成本是3 年前的1/2，而且价格还会进一步下降，原因是这些设备的制造商正在持续发展。最后，有些技术难题远未解决，尤其是氢能从产地到消费地点的运输问题。氢是一种很难大体量运输的气体，要压缩、液化，并需要特殊的设备，导致成本昂贵。相比天然气压缩后运输，氢的运输要求更高，这无疑也增加了成本。

全世界将氢视作大机遇，根据研究估计，到2050年，绿氢市场规模可能增长到1 万亿美元，许多企业希望从中获益。中国为了在2060 年前实现碳中和，在寻求替代能源过程中发现氢的潜力，正在制定一项详细的试点计划，将山东省改造成一个“氢能中心”。为了减少碳的影响，考虑的选项之一就是氢能。氢能因蕴藏量丰富和零排放而被盛赞为未来能源。在世界最大碳排放量的中国力图发展绿色能源时，中国的“十四五”规划也描绘出一条从碳氢化合物转向氢的路径。中国的太阳能、风能发电已居全球第一，完全有条件发展绿氢。

山东省拟建设的基础设施项目中，首先要建设一条总长度180 km 的氢气输送管道，将氢从上游生产厂输送给分布在全省商业和工业中心的终端用户。该管网的干线架设在省会济南和青岛之间，支线将扩展到潍坊和淄博的周边工业区。所有地区都将100%使用氢能，并为燃料电池汽车提供加氢站。氢气密度很小，1 辆载重30～40 t 的运输车只能运输300～500 kg 的氢气。且氢气必须在低于-253 ℃才能液化，又会提高氢能的使用成本，所以管道化是最佳运输方案，其维护和运输成本将是最低的。

山东以制造氢气到运输所取得的试点经验，将延伸到广东、江苏和浙江等用电重点省份。山东计划利用风能和太阳能发电生产绿氢，但考虑到山东省风能和太阳能资源的季节性波动，我国风能和太阳能发电生产重点地区在大西北，不可避免将建设一个输送可再生能源电能的全国电网，以便全国各地生产绿氢。

3 清洁能源的废金属处理问题

国际能源署的一份报告称：矿物是未来清洁能源系统中必不可少的原料。未来的能源系统中，数以千万计的风力涡轮发电机、太阳能光伏板、电动汽车都需要矿物来制造。报告显示，全世界要想在2050 年前实现碳的净零排放，对于关键矿物的整体需求量就要增至目前的6 倍。这些关键矿物包括锂、钴、铜、镍和稀土元素。这对实现清洁能源构成重大挑战。

首先是采矿。人类历史上采矿技术取得的进步难以胜数，但99%的金属开采仍然依靠挖掘矿石，而在此之前往往还要清除大量覆岩，然后被开采出来的矿石经过加工，由此产生了大量的废弃物，每年约1 000 亿t，超过其他任何人造废物。矿物开采和加工还要耗费大量能源，采矿业是温室气体排放的最大主体之一。2018 年，采矿业在全球排放的二氧化碳多达36亿t，约为温室气体排放总量的10%。

清洁能源相比化石能源需要多得多的矿物，无论风力涡轮机、太阳能光伏板、电池和输送电力设备，都要以矿物作为零部件，包括输电网的铁塔和电缆线。

国际能源署估算，2030—2040 年，从供应链中回收的矿物，主要是废电池中的铜、钴、镍和锂，总量要从每年10 万t 左右增至每年120 万t。巨大的电动车市场将催生一个新的回收行业。目前还不清楚锂电池的回收率，权威人士认为在5%左右。