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CMIC:把握“硅能源”战略机遇,促进高质量发展

发布时间:2022-09-28 11:50:45

来源:赛迪智库

作者:解楠 刘欣亮 王若达 夏梦阳

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  【CMIC讯】能源作为与物质、信息并重且攸关人类生存发展的托底型要素,正随全球科技革命和产业变革发生形态跃迁。国际局势的不稳定性和新冠疫情的不确定性,进一步强化了能源在国家间战略竞争中的地位和作用。今年1月,习近平总书记主持中央政治局第三十六次集体学习时提出“积极有序发展光能源、硅能源、氢能源、可再生能源”。党中央立足我国能源结构和全球能源转型,着眼“双碳”目标和机遇,首次明确“硅能源”在我国发展战略中的突出作用。硅能源是硅基半导体技术与能源产业链的最新融合,内涵丰富、外延宽泛,对保障我国能源安全、把握能源变革机遇、实现高质量发展意义重大。
  
  01 对硅能源的理解
  
  硅是地壳中含量第二丰富的元素,也是最重要的半导体材料。在光伏发电领域,利用硅的半导体光电效应能够将太阳光转换为电能,是实现能源种类转换的功能材料;在集成电路领域,硅的特殊原子结构可轻易实现导体和绝缘体的相互切换,是实现不同功能器件的基础。
  
  硅材料的特殊性质决定了硅能源内涵的丰富性和外延的拓展性。从狭义上看,硅能源是基于硅材料转换得到的能源,特指晶硅太阳能光伏发电;从广义上看,硅能源是硅基半导体技术与能源产业链的融合,包括支撑能源产生、能源传输、能源消费和能源存储的硅基半导体材料和器件,如产生环节的晶硅光伏电池、输送环节的电力电子器件、消费环节的集成电路芯片、储存环节的储能电池等。在全球新一轮能源变革大势下,简单的将硅能源等同于“以晶硅电池为主的光伏发电”有其局限性,硅能源更多是指广义上的硅能源,即是以半导体硅材料为基础,贯穿能源产生、传输、存储、应用全环节的现代能源产业链。从这个意义上讲,硅能源与光能源、水能源、氢能源等新能源具有本质区别,硅能源是能源体系,而后者均是能源来源。
  
  硅能源具有供给安全充沛、清洁低碳、高效利用的显著优势,是新一轮能源变革中的“弄潮儿”。在供给方面,假设地球表面铺满光伏组件,按平均转换效率 20%计算,两小时的发电量即可满足全球一年用电需求。在生产制造方面,硅材料在提纯、器件制造过程基本无碳排放,而晶体硅电池发电是物理过程,电站安装简单,即使发电过剩也不会产生污染物排放。从能量利用看,硅能源在同等质量下净产出的能量是碳能源的千倍以上,硅基功率半导体器件等在电机控制领域的应用可为全球节约1.6万亿度电。整体来看,硅能源是实现“碳中和、碳达峰”目标最有力的技术产业,在对能源和半导体产业链的深度融合的基础上,带来巨大的增量市场。
  
  02 硅能源的战略意义
  
  新一轮能源革命的实质,是打破人类对传统碳资源的依赖,形成以硅能源为代表的清洁能源体系。硅能源带来的变革将从材料端向下延伸,引发能源应用与装备拓展创新,更好推动全球性的绿色低碳可持续发展。
  
  从能源革命看,硅能源是促进能源可持续发展的重要力量。当前,随着人类活动对资源环境的透支和破坏,地球上的煤、石油、天然气等碳资源逐步走向枯竭,同时碳能源排放大量二氧化碳加剧全球变暖,迫使人类必须选择一条由高碳到低碳再到脱碳的绿色可持续发展路径。相比于碳,硅含量更加丰富且分布广泛均匀,是地壳中第二丰富材料,利用其制备的太阳能电池可源源不断将太阳能转化为电能,对全球各国发展机会平等,是最有望取代碳基资源并成为未来主流能源的新型能源类别。
  
  从大国崛起看,硅能源是国际竞争的战略制高点。人类发展史已深刻表明,能源是决定大国兴衰和国际秩序变化的关键因素,能源体系的变化往往是大国兴衰先导。英国发明了蒸汽机,率先使用了煤炭缔造了日不落帝国;近一个世纪以来,美国依靠控制世界石油资源,坐稳超级大国。当前,全球能源又处于大变革的紧要关头,以光伏为代表的清洁能源在成本等方面已初步具备替换传统碳能源的优势,正驱动新一轮能源变革的“硅能源原动机”已现雏形。谁能掌控对硅能源的主导权,谁就能在新一轮国际竞争中加快崛起。
  
  从能源安全看,硅能源将成为后俄乌冲突时代能源重要依靠力量。碳资源分布不均衡,需要在全球范围内大范围输运,现有能源供应链体系极易受到地缘政治冲突、自然灾害、出口管制等因素影响,资源禀赋存在劣势的国家一旦遭遇“断供”将产生严重的地域危机,甚至对全球产业链供应链带来连锁式影响。自20世纪70年代,中东战争、海湾战争等“黑天鹅”事件已导致全球发生至少4次规模较大的能源危机,近期俄乌冲突再一次印证了“能源安全事关全球”的定律。欧盟已将硅能源作为重要发展方向,欲摆脱对俄罗斯碳资源依赖,极有可能在全球范围内形成能源转型高潮。
  
  从产业变革看,硅能源将加速信息技术与能源产业深度融合。新一轮科技革命和产业变革正加速演进,硅基半导体技术切入能源产业链将大幅改变现有电力架构。一方面,碳中和愿景下能源系统电气化、电力系统低碳化、能源供应系统去中心化将推动发电从集中式向分散式演进,需要更多的半导体器件维持电网的智能控制和柔性传输;另一方面,能源结构的革新也将给信息技术应用带来更大空间,大数据、云计算、集成电路等高耗能行业的电力保障将更加稳固,带动计算芯片、存储芯片、感知芯片等产业加速发展。
  
  03 硅能源引发
  
  新的能源革命和产业变革
  
  硅能源作为新型能源产业链,在全球新一轮科技和产业浪潮中将发挥重大作用、产生深远影响,特别是对当前依赖碳资源的能源产业链将产生颠覆性变革,形成持续、稳定、灵活、安全可靠的现代能源体系。
  
  硅能源将颠覆依靠传统碳资源的能源获取方式。在全球应对气候变化共识的大背景下,能源获取和使用正向低碳化、绿色化方向发展,清洁能源替代化石能源将是大势所趋。硅能源凭借绿色低碳、成本低廉、供给充沛、配臵灵活的显著优势将在能源生产层面引发新的变革,光伏发电将逐步取代依靠煤炭、石油、天然气等传统碳资源的能源获取路径,成为未来主流能源来源。据统计,2020年全球用电量27万亿度,预计2050年将达近50万亿度,假定硅能源在未来能源结构中占比超过半数,则光伏累积装机量将达2.5万GW。但从目前看,全球晶体硅电池装机量仅为926GW,仍存在巨大的市场增量 。
  
  硅能源将破解以交流输变电主导的能源传输模式。随着光伏产业快速发展,电力系统中电力电子器件将增多,发电系统的转动惯量随着火电占比下降而持续减少,硅能源的灵活使用将推动以光伏发电为供电主体的直流微网系统,困扰全球百年的“交直流之争”或出现新的结论。在光伏发电和硅基半导体技术推动下,直流系统将是支撑未来高比例硅能源接入和灵活高效用能的重要技术方向,逐步形成以高压直流输电为主的电力传输格局。以半导体器件为核心的柔性电网、柔性变电站等直流输变电装备将取代以铜铁材料为核心的传统交流输电网络,水轮机、汽轮机、柴油机等传统发电设施将更替为光伏加换流器,输电环节将采用直流输电替代原有的不可控交流输电,变电中的油浸式变压器、干式变压器、真空断路器等也将替换为电力电子变压器、直流断路器、固态开关、有源电力滤波器等。
  
  硅能源将推进锂电储能和直流负荷支撑的消费应用终端。硅作为锂离子电池的负极材料,其比容量和抗压性较传统石墨烯材料优势更加显著,是实现高能量密度储能电池的关键材料。随着硅基材料技术的不断演进,导电性和体积膨胀等产业化瓶颈不断攻克,锂离子电池的续航能力和安全性能大幅增强,一批直流负荷如电动自行车、电动汽车、直流楼宇、直流家居等新业态持续涌现,成为碳中和背景下新能源技术催生的样板性产业。据国外机构预测,到2025年,全球电动汽车销量将达到1079万辆,以每年32.57%的速度快速增长。汽车“新三化”趋势带动了 AC/DC、DC/DC等硅基电源管理的广泛应用,并延伸至手机、可穿戴设备、5G 基站、物联网等场景。
  
  硅能源将牵引半导体技术向以效率优势实现节能优势发展。硅基半导体器件作为硅能源产业链的一环,也是全球各国竞相争夺的战略高地,但半导体作为高耗能行业,目前仍以电驱动芯片为主,电能的流入最终转换成芯片的功能和功耗,因此亟待在“双碳”目标实现芯片层面和产业层面的节能化发展。在芯片层面,“高能效、低功耗”将成为集成电路发展的主流方向,随着摩尔定律向3纳米演进,低功耗设计和系统集成技术快速跟进,芯片尺寸和功耗进一步降低,特别是“异构计算”、“存算一体”等新型计算存储芯片问世,带来了算力大幅提升下功耗的小幅增加。在产业层面,硅能源在支撑半导体工厂方面优势显著,光伏作为绿色清洁能源可与半导体企业的自备电厂协调发电,满足自身消纳需求,同时节能系统、节能终端因更多使用节能器件而实现产业环节变革。
  
  04 政策建议
  
  世界百年未有之大变局和中华民族伟大复兴的战略全局,要求我国必须加快硅能源产业前瞻布局和高质量发展,持续推进能源与信息技术深度融合,打造以效率优势实现节能优势的“双碳”发展路径,支撑产业高质量发展。
  
  一是谋划顶层设计。统筹国家硅能源产业战略布局,配套编制发展规划和行动方案,清晰绘制当前至2035年我国产业发展蓝图,设立专家委员会提供战略咨询。引导地方政府积极衔接跟进硅能源产业,因地制宜开展产业布局。
  
  二是实施核心技术攻坚。充分发挥新型举国体制优势,整合资源集中攻坚事关国家战略利益、可锤炼长板优势、具备自主知识产权的核心技术,形成以光伏发电、柔性输电为基础的新型电力体系和以新能源汽车为主体的应用体系。
  
  三是打造应用示范。探索在青海等绿色电力丰富地区建设一批硅材料生产绿色工厂,支持以绿色电力生产绿色硅产品。鼓励硅能源与人工智能、大数据等新一代信息技术的深度融合,加强光伏在交通、建筑等领域的深度应用。
  
  四是注重人才队伍建设。积极开展学科交叉,充分利用集成电路和储能一级学科建设契机,扩大硅能源人才招收培养规模。加强人才引进力度,以校企合作、校地合作等方式深入推进产教融合,促进行业高端紧缺人才双向流动。
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