欧洲人“过冬”和世界第三次能源变革
发布于2022-11-21
从油气到新能源 将带火哪些创新技术和应用？
为了保障这个冬天的能源供应，欧洲费劲了心思。
意大利甚至公布了一条教大家煮意大利面时少用天然气的官方建议：“锅里的水一煮开就关小火”。还有一系列节约能源的小贴士——缩短淋浴时间、调低暖气、把洗衣机和洗碗机装满再开动等。
一方面，欧洲人积极展开了各种“自救”行动，比如抢购来自中国的电热毯、取暖器、热水袋、暖手/脚宝等取暖小家电，一度让中国的电热毯在欧洲市场卖断货。另一方面，欧盟全面加速能源转型，大量购置能源设备。
而比起家庭，工业领域受到的打击更大。欧盟统计局(Eurostat)的数据显示，欧元区19个国家7月工厂产出较上月下降2.3%，为2020年4月以来最大降幅，突显能源价格飙升和供应链瓶颈的影响。从钢铁到化工企业，欧洲一些能源消费大户正在减产。
可以说，为了顺利度过这个冬天，欧洲人民真的已经很拼了。然而靠东方制造的温暖度过寒冬只能是应急之策，电热毯的潮水退去之后，真正需要解决的根本问题还是要加速能源转型。
能源危机的深层原因
中国电热毯热销欧洲背后，这一场能源危机的重要原因，在于欧洲对俄罗斯天然气的严重依赖。欧盟统计局数据显示，欧盟五分之三的能源需求依赖进口，尤其是原油和天然气，其中俄罗斯是欧盟最大的能源进口国。2020年，欧盟从俄罗斯进口天然气达1550亿立方米，占欧盟天然气进口总量的40%以上。自俄乌冲突爆发以来，随着俄罗斯天然气工业股份公司(Gazprom)减少对欧洲的天然气供应，也直接导致燃料费用飙升。
图1 来源：欧盟统计局（Eurostat）
而除了家庭耗能，更大的耗能大户是工业领域。天然气是欧洲工业企业最重要的能源来源。牛津能源研究所（Oxford Institute for Energy Studies）的相关统计显示，工业消耗了欧盟天然气总供应量的27%-28%。
图2 来源：Eurostat，英国《金融时报》
《世界能源关键数据统计》的调查分析显示，工业领域约占全球电力消耗的40%以上。因而，提升工业用能效率，有助于减少化石能源使用，也是从源头减少二氧化碳排放。
另外，储能能力差也是此次欧洲爆发能源危机的深层原因之一。在双碳目标的驱动下，欧洲近几年加快了能源转型的速度，在2020年，欧盟国家的可再生能源发电量占比首次超过化石能源。但这些可再生能源的“季节性”和“波动性”问题需要相应的储能技术做支撑，而欧盟的储能技术尚未实现突破，可再生能源发电供应尚处于青黄不接的阶段。
这一次欧洲的能源危机，也进一步凸显了在向绿色新能源的能源转型革命中需要重点优先解决的技术和应用层面的问题，包括提升工业及家庭能效，加强储能技术等各个层面。这无疑是一个庞大系统工程，绝非简单的替代。而欧洲的能源危机也是当前正在进行中的第三次全球能源革命的缩影。
第三次能源变革提速，带动哪些关键技术发展？
能源是一切文明的基础，也是决定文明形态的天花板。”经济学家卓克为了解释这句话曾经举过例子：在使用燃煤时，火车的最高运行速度是120公里/时，而当电力取代煤炭时，这个速度翻番，变成300公里/时。
能源效率的提升和成本的降低是能源革命永恒的主题。人类已经完成了从木柴到煤炭、从煤炭到油气的两次能源转换。目前正处于第三次能源转换的新阶段，即由油气向新能源的历史性转换。
图3 图源：西南石油大学《论能源革命与科技使命》,中国银河证券研究院
据EMBER 统计，全球已有超过 120 个国家和地区提出了碳中和目标：苏南里及不丹已分别于2014 和 2018 年实现碳中和；欧盟、英国、加拿大、日本、新西兰、南非等国计划在 2050 年实现碳中和。2021年4月美国拜登政府明确提出将在2050年实现碳中和。中国作为全球最大的煤电国家，在2021年政府工作报告和“十四五”规划中明确提出2030年碳达峰、2060年碳中和的目标。而实现碳中和的核心路径就是推动新能源的发展，实现能源结构的优化。
能源转换总是与科技变革互相推动。随着全球科技进入向智能化发展的变革期，能源、科技变革推动工业、汽车、消费终端等领域的电动化、智能化升级，将为电子信息产业打开新的成长空间，很多关键的创新电子技术和产品将迎来市场落地和推广的黄金期。
我们从欧盟近期针对能源变革提出的一系列中远期计划也可以一窥能源与技术变革将率先在哪些技术和应用领域产生深刻影响。
欧盟在2022年9月底紧急制定了一项“能源系统数字化”计划，要求在2030年前在基础设施方面投资5650亿欧元（约合39400亿人民币），结束对俄罗斯化石燃料的依赖。据彭博社报道，这一计划的主要重点投资项目包括：
在2027年之前，在欧盟地区所有商业和公共建筑屋顶上安装太阳能电池板；
在2029年之前，在欧盟地区所有新建住宅屋顶上安装太阳能电池板；
在2030年底之前，保证3000万辆零排放汽车上路；
未来5年内安装1000万台热泵。
欧盟还计划从2024年起，推动电力数据的共享机制，提高欧盟能源市场的灵活性，比如允许太阳能电池板、电动汽车将电力数据重新接入网络。
此外，在2022年更早些时候，4月6日，欧洲能源转型智能网络技术与创新平台（ETIP SNET）公布了《2022~2025年综合能源系统研发实施计划》，明确了到2025年的研发资助重点。该实施计划将投入10亿欧元围绕九大应用场景实施31项研发创新优先项目，涉及优化跨部门集成和电网级储能、可再生能源大规模并入输配电网、能源系统的数字技术解决方案、电力电子设备的安全运行、交通集成与储能等多个层面。
从中我们也可以看到，太阳能光伏发电、储能技术以及电动汽车技术和应用成为当前能源转型以及脱碳之路上的几个重要环节。
新一轮光伏装机潮来临 光伏逆变器打开千亿市场
要构建以可再生能源为主体的新型电力系统，必然要大幅提升可再生能源发电在全社会发电中的占比，尤其是风力发电和太阳能发电。而为了摆脱对俄罗斯的能源依赖，欧洲开始加速向可再生能源转型，安装屋顶光伏设备是其中一项重要举措。事实上，英国、德国等欧洲多国正掀起新一轮的光伏装机浪潮。
而中国作为全球第一大的光伏产品制造国和光伏应用大国，2022年光伏组件的出口量大幅上升，其中有大量来自欧洲的订单。统计数据显示，2022年1-8月，光伏组件出口量突破100GW，对应出口额达302.7亿美元（约合人民币1980亿元），两者均已超过2021年全年总值。欧洲从中国进口光伏组件金额合计达163.6亿美元，在中国组件出口总额中占比过半。
在光伏组件中，最核心的部分是光伏逆变器。而光伏逆变器中核心器件是IGBT芯片，用于电力设备的电能变换和电路控制，是实现直流电转交流电的桥梁。根据中国光伏行业协会（CPIA）预测，2025年全球光伏逆变器新增装机量有望达 330GW，相比 2020 年的复合增速将达到 20.5%。光伏逆变器市场的快速发展也意味着，市场对于IGBT（光伏逆变器核心器件）的需求也在快速增加。
从产业格局来看，目前全球光伏IGBT市场集中度较高，行业仍由英飞凌、安森美、三菱电机等海外巨头垄断市场。从市场竞争格局来 看，欧美日厂商资金实力雄厚、技术水平领先、产业经验丰富，凭借先发优势抢占了全球功率半导体绝大多数的市场份额，在市场份额和技术水平上一直保持较大的领先优势。
储能系统是新能源体系的重要基础设施
当前第三次能源革命正在全球进行，随着可再生能源发电技术持续进步和发电成本的下降，风、光电等可再生能源在电力结构中占据的比重将越来越高。但风、光等可再生能源依赖自然条件，无法人工调节，其发电普遍存在间歇性、波动性问题，需要储能配套来平滑和稳定电力系统运行。这也意味着，储能技术需要深度参与能源革命，解决电能储存难题。
图4 储能是新型电力系统的重要基础设施，图源：中金公司研究部
简单来说，在电力系统走向可持续能源的变革中，储能系统在其中将发挥重要的“库存”作用，在发电侧，用户侧和电网侧承担了多方面重要任务，是能源系统实现碳中和的必由之路。中金公司在近期的研报中指出，储能市场已达到由发展期到快速增长期的拐点，全球范围内储能装机规模有望迎来高速增长。
储能技术主要分为物理储能、电化学储能和电磁储能等三种方式。与传统物理储能相比，在电化学储能和电磁储能应用中，都需要用到功率器件、电容电感以及连接器等大量电子元器件。近年来随着技术的快速发展，电化学储能成本降低，可靠性提高，从新增装机容量来看，电化学储能正逐渐成为发展主力。
电化学储能系统又称为电池储能系统，完整的电化学储能系统主要由电池组、电池管理系统（BMS）、能量管理系统（EMS）、储能变流器（PCS）以及其他电气设备构成。其中，电池组是储能系统最主要的构成部分；电池管理系统主要负责电池的监测、评估、保护以及均衡等；能量管理系统负责数据采集、网络监控和能量调度等；储能变流器可以控制储能电池组的充电和放电过程，进行交直流的变换。元器件方面，电芯是电池组的核心器件，IGBT模块是变流器PCS中的核心器件之一，BMS中则通常需要AFE（模拟前端）、ADC（模数转换器）、MCU及数字隔离器等芯片。
根据CNESA预测，全球电化学储能装机规模预计2021-2025年复合增长率将达到57.3%，中国电化学储能装机规模2021-2025年复合增速超56%。
汽车电动化提速 “车辆到电网”概念加速落地
在严苛的碳排放要求下，欧洲主要国家新能源汽车渗透率正大幅提高，加上能源危机的催化，2022年，上半年欧洲新能源车的渗透率已达到20.2％。国际能源署（IEA）预测称，纯电动汽车（EV）等环保车辆的普及数以每年3成的速度扩大，到2030年在世界范围将达到1.45亿辆。
作为能源体系革命的重要一环，汽车的电动化趋势已经是全球各国的战略重点之一。不过，现阶段里程焦虑仍是制约电动汽车快速发展普及的主要瓶颈。尽管电动汽车发展迅速，但相应的配套充换电设施则未能全面跟进。出海欧洲的蔚来汽车就因为欧洲的能源危机，影响到其扩张步伐，因为不断飙升的能源成本是该公司在欧洲各地建设换电站的一大障碍。蔚来汽车2021年首次进军海外市场，在挪威销售电动汽车，不过目前其在挪威只有两个换电站投入运营，低于此前预测的五个。
为了解决这一痛点，电动汽车的充电网络与交通电力网络乃至整个能源系统的一体化开发成为一大方向。“车辆到电网（Vehicle-to-Grid）”的成为各国政府和产业界关注的重点。
我们注意到，在欧洲能源转型智能网络技术与创新平台（ETIP SNET）公布的《2022~2025年综合能源系统研发实施计划》中就涉及能源系统一体化开发的计划，其中通过电动汽车提高能源系统运行的有效性和弹性是一大方向，主要研发活动包括大规模集成电动汽车的配电系统规划；通过交通电力网络能量管理提供灵活性；通过电动汽车智能充电和“车辆到电网”技术提供灵活性。
ADI公司汽车业务副总裁Patrick Morgan此前在参与英国《金融时报》举办的一场关于电动汽车充电设施的专题探讨中就指出，“车辆到电网”的概念早已存在，即把汽车电池中闲置的电能反向送回给电网，将电池与电网储能系统互联，这将有助于平衡电网并实现削峰填谷，有可能解决电网容量问题。但他指出，要实现普及，需要先进的数据分析和前瞻性的预测方法，要能够精准预测动力电池的使用寿命，更好地了解电池组的每块电池，实现可扩展的再利用和回收策略，创造出电池的循环经济。
由此扩展，“光伏＋储能＋充电” 一体化能源体系的探索也是近年来的一大方向。其中，光储充一体化微电网在可再生能源利用、储能应用和新能源汽车充电站建设上是一次大胆的创新尝试。比如，比如特斯拉的光储充一体化超充站中，就包括了三个产品：特斯拉的Solar Panels太阳能面板、Powerwall家用电池组以及Supercharger充电站。充电站通过太阳能屋顶系统发电后，将电能储存在Powerwall电池中，最终用于电动车的日常充电。
另外一个层面，则是从提升电动汽车本身的电能转化效率角度着手。电动汽车规模上量 800V高压快充平台成为产业界应对续航问题的研究方向。不过，这对电机的绝缘性和耐高温性提出了较高要求，相比于已达到材料极限的硅基 IGBT，碳化硅(SiC)功率器件正在高压高功率领域表现出强劲的替代优势。相较于传统的硅基功率器件，碳化硅凭借其体积小、耐高温和耐高压的优势，更有利于提升空间利用率与功率效率，具有更高综合效益。
根据意法半导体（ST）的数据，800V系统下，相较于硅基 IGBT，碳化硅MOSFET 在 25%负载下最多可减少 80%能耗，在100%负载下最多可减少 60%能耗。750V 电压平台下，碳化硅MOSFET 存在 3.5-8%的效率提升。目前，800V高压碳化硅平台已成发展主流，保时捷Tayca Turbos、奥迪RS e-tron GT、小鹏G9等电动车均已支持 800V快充，比亚迪、极氪、理想汽车等多家车企也已发布 800V 平台架构或规划。
结语：
全球“双碳”战略的推进将为各行各业注入新动能，带来更多绿色能源发电、绿色汽车、充电桩、储能等需求，也催生了新能源、光伏、储能等新型产业的兴起。而绿色能源的发展进一步提升其他能量与电能转换的需求，带动逆变器等电能转换设备以及包括功率半导体、被动元器件、光学元器件等核心器件的需求快速增长，以及储能、光伏、电动汽车等应用领域的快速发展。作为基础支撑的产业的电子信息产业，在两股力量的相互推动下将迎来新的黄金发展机遇。
长期来看，在能源变革以及科技“智能化”变革的双轮驱动下，电子行业作为新一代信息技术中的核心组成部分，从上游的材料、元器件到下游的终端产品和应用也将迎来新一轮的产业技术的创新和重塑。
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