亚马逊将在全球开发多个可再生能源新项目,哪些能源属于再生能源?
随着人类对地球资源的无节制的获取和利用,地球的有限资源将在未来的几百年枯竭,地球的生态系统也会受到巨大的影响。人类只有减少非再生能源的使用,逐渐向可再生能源转型,这样才可以维持人类的可持续发展。可再生能源主要包括风能,太阳能、水能、生物质能、地热能、海洋能和核能等。
可再生能源的意义。地球上的不可再生资源主要包括煤炭、石油和天然气。这些资源探明的储备量已经远远无法满足人类的使用了。石油只够使用50年,天然气只够使用60年,而煤炭只够使用200年,其他金属矿产只够使用不到200年,不过虽然人类技术的提高,金属的回收利用的效率也会提升。人们面临的最大问题就是能源危机。除了能源危机以外,不可再生资源的燃烧和利用会产生大量的有害气体和温室气体,多生态环境的影响是巨大的。所以大力发展可再生能源就是人类的未来,而且这些能源最大的优点是清洁无污染。
可再生能源的种类。可再生能源中最常见的就是太阳能,该能源主要来自于太阳辐射,目前人类的卫星和航天器都用太阳能提供持续的动力,未来可以提高给汽车和飞机使用,也可以普及居民用电,光伏产业目前已经成为全世界关注的焦点。风能是地球表面空气的运动而产生的,风力发电是目前最常见的使用领域。水能和潮汐能都是利用水的运动而产生的能源,目前主要用于发电,这类能源是取之不尽用之不竭的能源。生物能主要包括沼气、生物制氢、生物燃料乙醇等,但是该能源如果不合理的开发会对生态系统造成影响。核能是人类文明最重要的发现,虽然技术含量较高,但是能源的持续性较好,而且宇宙中的原材料是取之不尽的。
尽管欧盟2021 2027年财务预算谈判正陷入僵局,但是欧盟委员会(下称“欧委会”)仍表示将全力投资新能源领域。
欧委会日前公布一份“近海可再生能源战略”,旨在大幅度提升可再生能源使用率,预计到2050年欧盟整体海上风电产能将增加至300千兆瓦。欧盟将向该领域投资7890亿欧元,约三分之二用于电网基础设施建设,另三分之一用于发电设施建设。
欧委会副主席蒂默曼斯(Frans Timmermans)称,欧盟海上可再生能源投资项目已是全球性成功案例。目前欧盟正面临更大的机会,发展清洁能源产业、推动可持续发展。
欧盟缘何推广海上风电投资?
欧盟在全球海上风力发电领域占据重要地位,目前全球42%的海上发电能力分布在欧洲沿海,北海是世界海上风电的最佳位置。
自本届欧委会上台以来,绿色经济成为了其产业政策重要抓手。欧委会相继出台加强传统行业绿色转型、扶持新能源 汽车 等细分产业政策,并通过调整能源税、推动碳排放交易机制改革等方式提供资金支持。
此次欧委会再推海上风力发电政策,首要原因在于,海上风电是欧盟实现中长期减排目标的主导因素。
国际能源署执行主任罗尔(Fatih Birol)认为,如果顺利实施海上风力发电的大规模部署,欧盟有望在2050年实现净零排放的目标。2025年后,核电、光伏等发电方式将保持相对稳定发展态势,欧盟希望到2050年全面消除煤炭市场,剩余的能源转型重担将由海上风电完成。
陈晓径也认为,欧盟于3月首次将“绿色协议”写入气候法案,要求重工业部门实现“零排放”,能源系统实现“去碳”与“绿色电力”的要求迫在眉睫,海上风电将在新能源转型中扮演重要角色。
其次,欧盟具有海上风电领域的先发优势。1991年,丹麦设立全球首个海上风力发电场。过去十年,欧盟海上风能技术日益成熟、实现规模化生产,成本大幅下降。
陈晓径表示,欧盟在海上浮动风力发电、波浪能与潮汐能利用、漂浮式光伏系统等方面优势明显,也享有北海、波罗的海、地中海、大西洋、黑海等丰富的海洋资源。欧盟推出该计划,预计仅需占用3%的海上空间即可达到大幅生产可再生能源的效果。
再次,欧盟正在海上风电领域受到其他国家的挑战。拜登曾宣布,将带领美国重回《巴黎协定》,并加大在新能源领域的投资。英国上月提出“全民风电”目标,计划2030年利用海上风电为全英所有家庭供电。2018年,全球近一半的海上风电投资都发生在印度等亚洲国家。
欧洲能源专员西姆森(Kadri Simson)称,欧盟要保持海上可再生能源的领导者地位,必须激发在海上风能领域的所有潜力,并通过发展波浪、潮汐和浮动太阳能等不断提高技术水平。
欧委会:希望私有部门加大投资
欧委会称,该计划不仅可以推动欧盟在新能源领域更进一步,还可以推动经济复苏,预计该计划可以为欧盟创造6.2万个就业机会。但是,正如欧盟在其他领域的投资一样,如何筹措资金成为目前投资的首要难题。
国际能源机构(IEA)称,海上风电行业的效益正以每年2.2%的速度增长,未来两年至少需要吸引8400亿美元的投资。未来达到2050年气候目标,各方必须加速投资。过去十年,欧盟每年对电网基础设施的投资约为300亿欧元。
欧洲风能协会(Wind Europe)称,欧盟首先要加强在海上风电基础设施的投资,同时还要兼顾陆上电网方面。未来十年,欧盟的港口也需要65亿欧元的投资。
欧委会称,将从“恢复基金”中拿出1500亿欧元投资该领域,并将重点放在碳密集中度和化石燃料使用率最高的地区。此外,各成员国政府也将为此提供支持。
但是,目前因匈牙利和波兰两国反对,“恢复基金”迟迟未获批。即使未来最终获批,该计划也将面临6500亿欧元的资金缺口。
欧委会寄希望于欧盟的私有部门,希望公共事业和能源领域的巨头能向其提供支持。
欧委会称,预计私有部门将提供投资中的大部分资金,公有部门将发挥战略催化剂的作用。那么,私有部门是否愿意响应欧盟机构的号召,该方案是否具有可行性?
对此,陈晓径认为,私人资本占大多数符合欧盟惯例与“绿色协议”要求,公私合作解决资金需求是当前形势下的可行做法。
她进一步解释称,一方面,公共资金相对充足,但受疫情影响并不宽裕。预计2020年欧盟国内生产总值(GDP)将下降7.4%,欧盟的理念是公共资金要发挥引导、杠杆、“战略催化剂”作用,而非融资为主。其功能是帮助成熟技术尽快进入市场、实现规模化并降低成本,帮助起步技术创造市场并引导私人融资、降低不确定性等。
另一方面,对于私人资本而言,欧盟已建立《可持续金融分类方案》为代表的成熟框架,对如何引领私人融资有着详细规定,这可以协助其达成长期减排与发展目标。
欧洲各国的能源危机前所未有
由于欧洲地区的地理原因,导致能源储备十分稀缺,天然气和石油等能源都高度依赖从俄罗斯等主要能源输出国家进口;而随着欧盟各国在乌克兰问题上和俄罗斯关系逐渐紧张,最终俄罗斯也开始对欧盟各国进行能源输送限制,并且因为天然气运输装置出现故障为理由,彻底停止了对欧洲各国的天然气供应;而这也导致欧洲各国出现了前所未有的能源危机,受到影响的不只有欧洲各国的企业,同时连居民的正常用气都已经无法满足了,爆发了很多的矛盾。
欧洲各国的冬季将会十分难熬
由于欧洲各国失去了俄罗斯的天然气供应,并且这种限制还会一直持续很长的时间,所以欧盟各国不得不为即将到来的冬季做准备;于是欧盟各国开始从全球范围内大量进购天然气和各种取暖设施,同时还从波兰等国家大量购买煤炭等资源;但是近期欧洲最大的煤炭出口国家波兰也出现了煤炭不足的情况,甚至还出现了用石头涂上黑色颜料冒充煤炭的情况,可见欧洲各国即使大量购买能源也无法满足需求,欧洲各国的冬季将会十分难熬。
欧洲各国可以选择跟俄罗斯和解
虽然欧盟各国和俄罗斯的关系一直不算友好,但是欧盟各国也并没有从制裁俄罗斯中获得任何的利益,反而很多国家都出现了严重的经济下滑和通货膨胀问题;所以面对前所未有的能源危机,欧洲国家也可以适当选择和俄罗斯和解,在乌克兰问题上并没有威胁到欧盟各国的直接利益,可以减少对乌克兰的一些援助来换取俄罗斯一部分的天然气供应;希望欧盟能够做出一些有利欧洲国家的决策。
1、天然气市场自由化并不是由供应安全驱动的
与推动公平、低价供应相比,能源供应安全完全是次要目标。
牛津能源研究所高级研究员 Adi Imsirovic指出,自由化本身并不是由供应安全驱动的,而是由效率和更低的价格推动的。
欧洲能源研究联盟研究员Ganna Gladkykh表示,与20世纪90年代各国独立的市场、垄断和保护主义能源政策相比,现在欧洲有一个一体化的市场和监管机构、灵活的定价,从这方面而言,欧洲成功了。然而,Gladkykh承认,所谓被认为是成功的事情现在也是导致欧洲目前所面临的能源供应问题因素之一。
2、监管失灵
欧洲国家面临的不是市场失灵,而是监管失灵。
Bros曾参与法国市场的自由化及其与欧洲内部能源市场的整合,他指出,市场需要先自由化,然后再需要将控制权交给完全独立的监管实体。目前,各国只能依靠自己的设备,能够对自己的能源做出各种不同的决定,只要其大致符合欧盟的指导方针。但如果缺少监管,可能就会止步于此。
一些国家更喜欢便宜的天然气而不是多样化的天然气。欧盟能源指令规定,每个国家都应该至少有三种不同的天然气供应来源,其理念是各国尽可能平均地分配天然气供应,但包括德国在内的一些国家由于其廉价而依赖俄罗斯作为主要供应商。Bros认为,做出这一决定时,德国知道,如果出现问题,欧洲其他国家将弥补这一不足。“这不是自由化,这简直是随心所欲,肆意妄为。”
3、统一战线往往并不那么和谐
还有一个问题是,统一战线往往并不那么和谐。北溪2号是对原北溪管道的扩建,该管道将天然气从俄罗斯输送至欧洲大陆,目的地是德国,这得到了德国和奥地利的支持,但遭到了其他欧洲国家的反对,包括波兰、乌克兰和波罗的海国家。最终,这一计划被搁置。
4、未考虑不可预测的外部因素
当然,其中一个问题似乎不可避免:没有考虑到欧洲以外的任何干扰。“它涵盖了内部的一切,”Gladkykh说,它并没有涵盖所有不可预测的外部因素,包括俄乌冲突和由此引发的经济制裁。
5、可再生能源投资不足
欧洲内部能源市场在确保供应安全方面存在的部分问题是,可再生能源转变的实际情况比其预测更快,长期存在投资不足的问题。
最后,Gladkykh指出,他不确定是否有任何市场结构能够让欧洲免受类似的外部冲击,尚不清楚这种方式是否能使欧洲各国在即将到来的寒冬中幸存下来。
Gladkykh补充说,德国并不是唯一一个陷入困境的国家,所有欧洲国家都感到寒意,当形势变得艰难时,各国往往不那么团结。Gladkykh称,
这场危机最终将阻碍欧洲天然气市场自由化和一体化进程,可能导致欧洲统一天然气市场理论的终结
核能和煤炭对于实现碳中和至关重要
欧盟决定允许部分天然气和核能项目贴“绿色标签”,但此举却遭受到部分欧洲国家的抨击。同时,根据欧盟发布的“减碳55%(Fit for 55)”一揽子气候计划,一些相关常识问题也变得十分重要。
目前,能源占欧洲消费支出的近10%,如果我们不经深思熟虑就提出能源转型方法,那么碳中和承担的 社会 成本将进一步提高。欧盟似乎一直在尝试构建无碳经济,却没有考虑技术和工艺方面是否可行,以及欧盟公司和消费者所需承担的成本。
01
欧洲能源系统不稳定导致碳中和进程延缓
2021年,欧盟地区在电力和原材料供应链结构方面存在很多问题。由于可再生能源效率短暂下滑,能源需求高出预期,很多国家出现电力中断。风能和光伏能源产量下降导致天然气和煤炭等其他能源需求上涨。如此情形再加上俄罗斯对欧洲的供应限制,造成去年整个欧洲的天然气价格创下新高。在这种情况下,有关核能的负面信息仍然层出不穷,实在令人费解,如果我们要实现碳中和,核能就必须是可再生能源组合的一部分。
德国花费了数千亿欧元,实行了20多年的“能源改革”政策,到2021年德国最大的电力来源仍是煤炭(烟煤和褐煤)。波兰实现能源转型将很有可能学习这种方式,煤炭向其他能源转型进程也需要进一步延长。
欧洲公司目前确实需要低价能源。因为欧盟公司必须获得足够的电力,才能保持自身在欧洲的竞争力,所以供应多样化必须成为能源转型的核心。2021年能源领域发生许多大事件,人们对此众说纷纭,不知道欧洲是否能意识到,如果没有差异化战略,那么会有更多能源密集型公司和工厂倒闭。因为无法承担长期亏损,这些公司将失去国际竞争力,扩大裁员规模,对 社会 造成非常深远的影响。
02
提高天然气的市场购买力
在此情况下,欧盟要想提高在天然气市场购买力,就要采取相关措施,最终控制天然气贸易中的投资发展。
目前,天然气发电占欧盟总需电量的五分之一,是核能之后,最理想的过渡性燃料。可再生能源不同,生产天然气不依赖天气,能够加强能源组合的稳定性。除此之外,和煤电厂相比,天然气系统启动时间更短,所以更能够适应能源需求波动。
可近年来,欧盟变得更加依赖从俄罗斯进口天然气,很多工业设备和发电厂都在使用这种天然气。
欧盟需要商讨欧洲是否有可能联合起来批发购买天然气,这有利于进一步稳定和俄罗斯的关系,保持较小成员国的内部安定。
更重要的是,如果必要的基础设施得不到发展,那么天然气作为过渡燃料的潜力就无法充分发掘。投资新的液化天然气(LNG)和压缩天然气(CNG)终端能够帮助欧盟实现天然气供应多样化,开放能源市场,加强国际合作,摆脱对俄罗斯天然气的依赖,在联合购买天然气谈判过程中处于优势地位。此外,增加天然气储存设施数量,提高储存容量,这些举措能够应对天然气用量快速增长所带来的影响。
同时,我们还应该将现代化煤电机组作为后备资源,使其在特殊情况下派上用场。如果像目前一样,天然气系统成为投资项目,启动天然气系统将有利于天然气价格保持稳定。
03
未来的能源组合
众所周知,绿色转型无法逆转。但是,在无排放绿色能源(可再生能源、氢能和核能)能够保证低价且稳定持续供应之前,我们应该构建一种不会产生经济动荡的能源组合。
核能非常稳定且绿色无污染。我们必须修建并定期维护核电站,确保我们经济发展,提高可再生能源数量。目前,法国的能源结构中核能占比70%,是欧洲碳排放最少的经济体之一。
在欧洲能源转型的过程中,各个国家将根据自身能力实行相关措施,能源市场一体化将发挥非常巨大的作用,这有利于欧洲市场能源价格保持在一个稳定且合理的水平。因此,我们必须鼓励欧洲的决策者利用更好的方法制定目标,这样才能在未来保持一定的可行性。
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来源:董秀成闲说能源
能源转型,并非易事,但难以逆转。能源转型,一场深刻革命,需要高度重视。能源转型,事关气候变化,是全球性博弈。能源转型,需要借助市场力和技术力。
一、全球能源结构现状决定能源转型将十分艰难
众所周知,能源问题事关人类文明,对人类社会发展具有重大意义。
能源可以划分化石能源和非化石能源,能源转型本质上就是化石能源与非化石能源之间的接替或博弈,也就是哪类能源在能源结构中占据主导地位。
另外,能源又可以划分为可再生能源和不可再生能源,而能源转型也是上述两类能源之间的转化或替代,核心是可再生能源逐渐取代不可再生能源,进而成为主导能源。
可再生能源,也就是那些可以再生的能源,范围十分广泛,主要包括太阳能、风能、水能、海洋能、地热能和生物质能等。
而不可再生能源,是指那些不可再生的能源,消耗一点就减少一点,如果无限消耗下去,最终将消耗殆尽,主要包括煤炭、石油、和核燃料等。
目前,从全球能源结构来看,占比最大的是石油,其次是天然气,再次是煤炭,其余依次为水电、可再生能源和核能等。
但是,总体来看,化石能源在能源结构中仍然占据主导地位。
从全球能源结构来看,2020年化石能源的耗用量占比约为83%,而非化石能源占比比约为13%,从占比上看,化石能源仍然为能源主体。
1.煤炭消费情况
从全球范围来看,煤炭整体消费增速从2003年开始下降,2014年达到高峰,随后便逐步回落,2020年全球煤炭总消费量为151.42艾焦耳。
从煤炭消费区域来看,亚太地区是全球煤炭的主要消费地区,2020年煤炭消费占比接近全球煤炭消费的80%。
而在亚太地区中,中国煤炭消费量最大,2020年在能源消费结构中占比为68%。
目前,中国也是世界最大的煤炭消费国,2020年中国煤炭消费占比为全球煤炭消费总量的54%,因此二氧化碳等温室气体减少排放的难度非常大。
2.石油消费情况
从全球范围来看,石油消费在2000-2019年期间保持稳定增长,年均增长率在1.15%。
从石油消费区域来看,亚太地区目前是全球石油消费的主要地区。
以2020年为例,亚太地区石油消费量占全球石油消费总量的40%,北美地区石油消费占全球石油消费总量的24%,欧洲地区石油消费占全球石油消费总量的16%。
从国家层面看,2020年石油消费最大的国家是美国,其次是中国,再次是欧盟。
3.天然气消费情况
最近十几年,全球天然气产业快速发展,2020年全球天然气消费量较2000年增加了60%,其中增长幅度最大的地区是中东地区。
目前,全球天然气消费量最大的地区为北美地区,其次为亚太带去,其他为欧洲地区、中东地区和前苏联地区等。
2020年,全球天然气消费量最大的国家为美国,其次为俄罗斯,然后是中国,其占亚太地区消费总量三分之一。
在进一步推进降低量的政策大环境下,预计全球天然气消费量保持上升趋势。
4.核能消费情况
进入21世纪以来,全球核能消费逐年下降。
2020年,核能为全球消费量最小的一次能源。
核能对于技术要求较高,主要分布在北美地区、欧洲地区以及亚太地区,在以发展中国家为主的中南美洲及非洲等地区消耗量极少。
由于核能安全事故曾经多次发生,而且导致后果十分严重,因此欧洲部分国家纷纷制定了政策,逐步关停了核电站,并向其他替代能源转移。
2020年,核能消费量最大的两个国家是美国与法国,美国核能消费量达到7.38艾焦耳,占全球比例为30%,而法国核能消费量为3.14艾焦耳,占全球比例为14%。
5.水能消费情况
2020年,全球水电消费量占一次能源的7%。
亚太地区水电消费量增加最为明显,主要增加在中国,其余地区大体保持平稳。
2020年,中国水电消费量最大,共消费11.74艾焦耳,占全球比例为30.77%。
北美地区、南美地区和欧洲地区水电消费量最高的国家分别为加拿大、巴西和挪威,加拿大和巴西水电消费量占其一次能源消费比例超过25%,挪威水电占比接近65%。
6.其他可再生能源情况
最近几十年来,全球可再生能源发展迅速。
2020年,全球可再生能源的消费量为2000年的12倍。
目前,可再生能源消费量最大的地区是亚太地区,最大消费国是中国,其次为美国。
从历史上看,人类任何一次颠覆性的革命都将带来经济和社会的变革,有时候可能带来强烈的不适应性,当然也需要付出时间和成本的巨大代价。
能源转型意味着改变能源格局,而格局改变必然冲击传统能源的既得利益者。
对于既得利益者来说,往往存在惯性思维,惰性而不求变或许早已固化,这其实很正常,也容易让人理解,有谁愿意揭竿而起而革自己的命呢?
对于能源转型,既得利益者当然是传统化石能源产业,劳动力就业将面临前所未有的巨大压力,已经形成的庞大能源利益集团(尤其是油气利益集团)将受到巨大冲击,进而对能源和金融资本产生强烈冲击。
历史经验告诉我们,能源转型很难在短时间内完成,绝对不可能一蹴而就。
煤炭取代木柴是人类的第一次重大能源转型,时间跨越了两个世纪。
1709年1月,一位名叫亚伯拉罕·达尔比的金属工匠发现了如何利用煤炭“提高炼铁效率”的技术,这可以说是第一次能源转型的开始,然而经过漫长的200年之后,煤炭才取代木柴和废弃物成为世界第一大燃料。
1859年,美国宾夕法尼亚西部开始大规模商业开采石油,预示着第二次能源转型的开始,然而直到20世纪60年代,石油才取代煤炭成为世界头号能源来源。
能源转型过程,需要重构供应链,需要技术创新,而目前第三次能源转型需要的供应链和相关产业确实还没有真正建立起来,这当然需要给人类一定的时间。
当然,人类必须清醒意识到,人类任何新生事物都将面临矛盾和困难,同样能源转型的困难也是显而易见的,人类也切不可以盲目乐观。
客观现实是,全球85%的一次能源仍然来源于化石能源,这些能源构成了一个规模庞大且极其复杂的能源体系,支撑着体量庞大的全球经济。
如果人类改变这个客观现实,那么就肯定遇到诸多问题。
首先,能源转型需要大量的资金,而资金便是一个巨大问题。
目前,各国政府为了应对一次次危机而已经负债累累,是否还有足够的资金来支撑前所未有的能源转型,这本身就是一个大大的问号?
根据权威数据,由于新冠疫情蔓延和肆虐,2020年世界GDP大幅度缩水,主要经济体中除了中国以外,全面出现负增长。
2022年世界经济难以恢复到2019年的水平,而如果新冠疫情控制无力,叠加地缘政治因素,那么世界经济复苏可能会更加缓慢。
新冠疫情带来的全球经济创伤非常惨痛,其对人类的影响及其深远,尤其是大规模的失业潮和大批小微企业的经营困境,构成了一幅伤痕累累的痛苦画卷。
谈到目前全球经济,我有感而发,草写一首词,取名《沁园春-大势》。
股市添霜,
房产失光,
百业萎荒。
见投资渐慢,
消费乏暖;
外需落下,
暮色苍苍。
趋缓能源,
煤油气电,
价飚飘飘盛往芳。
期来岁,
望龙飞凤舞,
四海逍遥。
东西南北红妆,
有华夏精英尽弛张。
睹金砖各国,
尽失牵力;
西欧日美,
经历沧桑。
回望华邦,
朗朗担当,
牵动东西力气刚。
看如今,
有东西逐鹿,
还靠中方。
其次,能源转型需要建立低碳所需的全球供应链。
为了实现2050年“净零排放”的目标,人类需要以前所未有甚至难以想象的速度和规模部署新兴产业或新兴技术,这对于全球供应链构建来说就是巨大的挑战,因为目前支撑能源转型所需供应链的规模严重不足,有些甚至尚未建立起来。
能源转型之难,难于上青天。
人类要实现2050年的目标,全球需要共计1.4万吉瓦的风力和太阳能发电能力,这是现有各类发电站装机容量总和的两倍之多,其困难程度便可想而知。
在实现能源转型过程中,必然带来全球能源产业链的重构。
从原材料的获取和运输,再到使用寿命到期后的弃置处理或回收利用,这些新型供应链的构建必然需要接受政府和投资者的科学评估,分析其可持续发展能力和对社会和环境可能带来的深远影响。
二、能源转型是人类历史上又一次深刻革命
最近几年,我经常参与各种会议,也经常到国外考察和交流。
我无论走到哪里,见到什么样的人,大家讨论的重点似乎已经不再是国际油价,也不是伊朗核问题或朝鲜半岛无核化问题,更不是地缘政治的复杂性和多变性,以往过热的中东地缘政治演变似乎也是持续弱化的话题。
相反,人们关注的话题过多的其实是全球性的能源转型,无论在美国和西欧等西方国家还是在日益崛起的中国,我们看到的惊人一幕都是电动汽车在街道上迅速增加,人们可能难以相信,怎么到处都是。
1.全球能源转型意味着权力转移
权力争夺和权力转移,与能源转型密切关联。
回顾过往,有谁预料到俄乌冲突、亚洲金融危机、全球金融危机、美国页岩革命、电动汽车的迅速发展、太阳能和风能成本的急剧下降、新冠病毒的全球蔓延、美国特朗普总统的任性妄为,如此等等,都十分惊奇地改变了我们所处的这个小小地球。
无容置疑,能源转型确实将给全球政治经济格局带来了巨大的影响,甚至还会影响到世界各国的军事、外交和文化等领域,或许还有可能会加剧国际冲突和地缘政治博弈,进而影响到世界主要经济体的冲突和实力演变。
尤其是中美关系的未来也必然体现到能源转型这个具有全球性、普遍性、博弈性的方面,结果必然会归结到制度冲突,将能源转型逐渐演变到体制、机制、文化、技术、智能网络、金融和商务等诸多方面。
能源转型意味着能源权力的转移,导致全球能源博弈的重点发生重大改变,能源资源国和消费国之间的战略博弈格局将发生根本性的改变。
全球权力转移过程从来都不可能是完全渐进的,演变轨迹更不是线性的,有时也具有不可预见性,因为一件颠覆性事件发生就很有可能影响时代走向,因此才有百年未有之大变局之说,这或许目前的最难以预料的趋势。
2.能源转型当然需要创新,包括技术创新和管理创新
突如其来的事件,影响可能更加深远。
一场突如其来的新冠疫情大爆发,没有人事先预料其发生,但是发生了,而且对人类产生了一场巨大灾难,对全球经济的打击更是难以估量。
人类的正常生活秩序被打烂,众多的人间悲剧造成了,大量的人被迫失业,政府救助的财政压力庞大,众多中小企业生死存亡,有些人因疫而贫,有些国家因疫而陷入困境,多少人希望破灭,多少国家债台高筑,如此灾难,有谁预知呢?
疫情直接导致人们的出行方式,发生了难以想象的很大改变,避免人群聚集,影响出行和社交活动,对教育方式和公司经营模式产生重大冲击。
数字经济在疫情期间得到前所未有的发展机遇,工作方式发生了巨大变化,虚拟世界取代了现实世界,集中办公可以转换为远程办公,面对面教育被网络教学替代,学术论坛、商务会议改在线上举办,交通市场和旅行市场被急剧压缩。
我们有理由预计,在新冠疫情结束之后,上述这种影响还将长期存在,人工智能、机器学习和自动化技术领域的发展将持续改变人类的工作和生活方式,进而改变能源在人类社会中的地位和角色,加快能源转型的步伐。
可以这样说,什么可以让人直接感受到能源转型在路上,电动车开始快速在街道上增加,而且迅速进入大众视野便是最明显的例证。
资本是趋利怪物,资本家往往只看未来,而淡漠当今。
市场任何经济现象均会反应到资本市场上,资本家的眼镜力充满金钱,而资本以获利为本性,可以说,资本市场的反应代表着未来。
目前,全球汽车产业正在经受大调整、大洗礼和大阵痛,其中电动汽车的异军突起就是一个鲜活的现实,虽然电动汽车从目前汽车保有量上显然还没有占据优势,但是市场的渗透率却正在以惊人的速度提高。
在资本市场上,股市一直就是经济、市场或产业发展的晴雨表,股票价格或许可以说明一切问题,可以预示着资本家对未来的预判。
以 2019年为例,销量为36.8万辆,与丰田、通用、福特、等共计4200万辆的销量相比,还似乎没有形成大的气候,然而特斯拉的市值却比这几家传统汽车企业市值的总和还要大,那么问题来了,或许让人充满疑惑。
难道资本家都疯了吗?
资本市场的上述变现,到底说明了什么?
是否意味着能源转型已经成为现实?
化石能源是不是走到头了呢?
大型能源公司路在何方,传统化石能源企业是不是应该静候如何发展?
世界许多国家陆续出台了“燃油车”退市时间表,中国海南省也出台了在2030年禁售燃油车的政策,意味着未来世界各地将禁止燃油车进入销售市场,能源是不是确实在发生根本性的革命,市场是不是在革化石能源的命?
……。
如此等等,伴随着能源转型,问题多如牛毛,疑惑无穷无尽!
我们若不服从自然,我们就不能支配自然。
当然,时代往往会造就奇迹,能源转型过程也不可能是历史的简单重演,尤其在推进过程中不可能复制以往的历史。
从人类进步的视野来看,当今时代的政府政策、金融能力、社会意识和技术创新能力等等要素与几个世纪前相比,早已今非昔比,人类的智慧和能力与以往相比已经无法比拟,能源转型不可能遥遥无期。
尽管能源转型困难重重,但是大趋势已经无法逆转,气候变化和政治压力肯定会推动世界由高碳经济转向低碳经济,这是不以人的意志为转移的必然趋向。
三、能源转型已经超出气候变化范畴
目前,“能源转型”成为全球气候变化的核心议题。
在全球范围内,围绕能源转型和碳排放等议题,国际社会、国内党争、行业之争、企业之争,已经是客观现实,尤其对于国际社会,可谓矛盾多多,明争暗斗,此起彼伏,一场针对能源转型议题的国际博弈正在全面开打。
客观上讲,直到目前,国际气候变化的谈判依然面临困难,任重道远,预计还会面对挑战,因为在全球范围内尚未完全取得一致意见。
联合国气候大会年年召开,但年年吵闹,收获其实还很有限。
在全球气候大会之外,往往是暗流涌动,在科技、资金和贸易等领域竞争激烈,博弈趋势日益加剧,大有“山雨欲来风满楼”的气氛。
在全球气候谈判中,发展中国家也难免卷入到全球碳排放的博弈之中,不得不在国家产出函数中强行增加碳排放的约束条件,而且还需要应对发达国家通过一系列国际规则和国际公权力所强加的额外约束条件。
面临日益严峻的全球气候博弈,发展中国家如何坚守底线,维系自身的经济和社会发展,这就是他们目前面临的严峻考验。
围绕能源转型和碳排放,世界各国将持续博弈,应对全球气候变化任重道远。
在气候博弈中,很显然,目前欧洲走在前沿,日本也比较积极主动。
在能源转型和碳排放博弈中,欧洲作为气候变化的全球引领者,表现显得更加突出,比如燃煤电站在碳排放交易机制下,市场竞争性已经逐步丧失,不得不相继实施关停措施,个别国家还宣布要弃核,今后要逐渐关闭核电厂,不再建设新的核电厂。
但是,对于欧洲大陆来说,围绕着气候变化、温室气体排放和能源转型等诸多问题上,欧洲各国客观上也存在较大的争议或分歧。
以德国、法国和英国为首的西欧国家(老欧洲),似乎站在人类道德伦理的制高点上,试图主导“全球气候治理”格局,而以波兰为代表的的大部分东欧国家(新欧洲)却对气候变化问题采取比较淡漠的态度。
如果仅仅依靠欧洲,无论采取何种激进措施,都无法真正起到关键作用,而不见硝烟的碳排放国际“大战”有可能愈演愈烈。
有些国家,似乎认同气候主义理念,与欧洲有共识,但是左顾右盼,态度不清晰,口号多而务实少,采取比较消极被动的应对措施。
还有某些国家,可能并不太认同气候主义,而是志在本国经济发展,不甘于受二氧化碳减排的制约而牺牲自身的经济发展,而对能源转型和温室气体排放采取措施。
比如,作为二氧化碳排放前四个大国,中国、美国、印度和俄罗斯目前尚未确定一致目标,彼此之间存在冲突或矛盾,博弈将继续持续加剧。
在上述四大国中,目前有明确碳中和的目标的国家只有中国和美国。
作为世界第二大经济体,同时也是世界最大的能源消费大国和二氧化碳排放大国,中国在全球应对气候变化中的角色至关重大,不过中国政府已经制定了应对气候变化的全方位政策体系,坚定了温室气体减排的信心。
中国为世界大国,需要大国担当和全球使命,也提出了2030年实现“碳达峰”,2060年实现“碳中和”,因此火电机组年发电小时数逐年下降,而且在碳交易政策、控制煤炭和价格等制约下,火电企业面临巨大的挑战,未来发展空间正在逐步缩小。
作为世界上二氧化碳第二大排放国,美国在这个问题上表现却出现了反复和矛盾,针对能源转型和碳排放这个议题,共和和民主两党之争加剧。
由于在美国政坛,共和党和民主党竞选剧烈,而且往往轮流坐庄,因此美国政府反复加入或退出相关国际气候协定,确实备受全球关注。
观察美国政治,能源转型和碳排放已经成为美国两党政治博弈的核心议题,你进我退,你来我往,一方积极推动,而另一方却是不屑一顾。
美国是一个世界强国,无论在政治、军事还是经济、文化上都对全球格局演变具有无与伦比的影响力,因此美国政策决定着人类应对气候变化的前途。
在应对气候变化乃至引发的能源转型和碳排放等议题上,预计美国党派之争还将持续下去,目前拜登政府采取积极主动的应对气候变化政策,而一旦共和党再度执政,那么很有可能再度出现政策反复。
对于印度和俄罗斯来说,目前这两个大国尚未提出应对气候变化和碳排放的具体目标,俄罗斯可能是事不关己,高高挂起,而印度似乎是犹豫不决,瞻前顾后,这为全球应对气候变化带来了很大的变数。
四、政治因素不是推动能源转型的决定性力量
从历史发展实践看,能源转型的最主要推动力是市场因素和技术因素。
从能源发展历史经验看,一种能源之所以能够替代另一种能源,其根本力量是市场经济因素和技术进步共同作用的结果,绝对不是由政治因素所决定。
人类社会之所以用煤炭来替代柴薪、用石油来替代煤炭,其关键因素是替代能源与被替代能源相比,在技术和经济上具有可行性和优势。
1.政治力量成为能源转型的推动力
能源转型,政治或许不可能缺位。
从目前来看,人类社会正在处于或者提倡“新能源革命”,试图用新能源来替代传统化石能源,但这种“能源转型热”在很大程度上主要为政治因素所驱动。
政治力,有时候更具有驱动力。
现实上,对于能源转型来说,世界的政治力超越了市场力和技术力,而从“幕后”直接走向“前台”,政府政策扶持成为新能源和可再生能源发展的主要推动力。
能源问题看似是经济问题,但其实也是政治问题。
政治力量往往渲染能源安全和气候变化议题,这本身其实并没有问题,从人类社会“道德、伦理”角度来看,确实值得肯定。
那么,对于全球能源转型,政治力是否应该介入呢?
我个人认为,政治力量肯定要介入到能源转型,但是政治力的介入只不过是为人类社会的能源转型提供了一种压力和紧迫性而已。
或者说,政治力的介入有利于强化人类社会和国际社会应该加快发展新能源的良好意愿和共识,进而形成一种强大的舆论氛围。
政治一旦介入,便存在政治正确问题。
在当今世界,在某些西方国家,政府尤其是某些政府领导人已经陷入到能源革命或能源转型的“神话”或“宗教”陷阱之中。
在欧洲,作为一个政治人物,呢是否提出能源转型或者是否主张发展低碳经济已经成为一个政治问题,能源问题已经演变成为敏感的政治议题或是否“政治正确”的问题。
从个人观点上,我非常反对将政治力与能源问题过度结合在一起。
世界各国的政治力量之所以如此热衷于发展新能源,我们当然可以找出诸多的理由,如确保国家能源安全需要、化石能源排放太多而导致地球气候变化、国家可持续发展需要新能源、化石能源已经逐渐枯竭、石油峰值即将来临等等。
但是,上述这些考虑或观点在很大程度上还缺乏理性的思维,往往都带有较为强烈的“主观”色彩,甚至还是一种非理性的“臆断”而已。
在我看来,美国政府提出“能源独立”战略,日本政府提出“摆脱石油”目标,欧洲提出“放弃化石能源”政策,这些政策宣示在很大程度上可以理解为是“政治口号”而不是经济和社会发展目标。
能源转型和低碳经济能否如期实现,归根结底不是政治问题,而还是技术问题和经济问题,尤其是市场和技术力量能否真正推动这些目标的实现。
人类社会确实需要摆脱对化石能源的依赖,以应对全球气候变化给人类带来的各种挑战,这是我们必须高度重视的大方向。
从政治、安全和道德层面来看,上述逻辑思维绝对值得称颂和肯定,为了应对全球气候变化,人类需要摆脱化石能源,需要实现温室气体“净零”排放的美好目标。
但是,理想和美好的目标,未必就是现实可行的目标,尤其不能依靠政治力量来实现目标,政治家的“纸上谈兵”其实没有实际意义。
2.市场力和技术力是能源转型的真正驱动力
政治力固然不容忽视,但是市场力和技术力才是真正驱动力。
政治力量只有在一种能源快要替代另一种能源之时,提供一种帮助和支持作用,本质上还是要依靠市场和技术创新力量的“借势推力”而已。
我们可以大胆想象,未来能源转型的推动力依然是市场力量和技术力量,而绝对不应该是政治力量,政治主张难以成为真正意义上的推动力。
在本人看来,新能源体系是否能够建立,绝对不会由政府或学者如何鼓吹化石能源枯竭、全球能源安全、气候变化或人类可持续发展等等所决定。
新能源体系的建立,取决于是否出现一种或几种在资源潜力、技术创新、供应能力、使用效能和价格水平等综合指标上能够超越传统化石能源的新能源,取决于新能源体系是否具有市场价值和技术经济的可行性。
本人认为,化石能源是否真正到了发展的“晚期”,目前仍然还是一个未知数。
俄罗斯与乌克兰之间的冲突导致整个欧洲爆发了能源危机,迫使部分欧洲国家重新启用煤炭或核电等措施,足以让我们清醒,化石能源不可能很快寿终尽寝。
目前,在欧洲和美国,化石能源价格暴涨,有人由开始重新审视化石能源,认为化石能源或将持续保持主导能源地位,能源转型将被迫推迟或延缓,甚至可能失败。
当然,上述论调不可能成为主流,我也不赞同这种论调。
暂时发生的现象,并不代表长期的趋势。
我们应该充分认识到,化石能源价格持续上涨或持续下降,并非意味着化石能源的寿命多长或多短,而且价格涨跌其实均具有十分明显的“双重”作用。
一方面,化石能源价格涨或跌,可以促进或抑制新能源开发和能源节约。
另一方面,化石能源价格涨或跌,也可以促进或削弱化石能源自身的勘探与开发的投资动力,而投资有利于延长或缩短化石能源的生命周期。
一、主要应用领域的发展概况
目前,第3代半导体材料正在引起清洁能源和新一代电子信息技术的革命,无论是照明、家用电器、消费电子设备、新能源汽车、智能电网、还是军工用品,都对这种高性能的半导体材料有着极大的需求。根据第3代半导体的发展情况,其主要应用为半导体照明、电力电子器件、激光器和探测器、以及其他4个领域,每个领域产业成熟度各不相同(见图1)。
图1. 第3代半导体各应用领域示意图
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半导体照明
在4个应用领域中,半导体照明行业发展最为迅速,已形成百亿美元的产业规模。半导体照明所使用的材料体系主要分为3种:蓝宝石基GaN、SiC基GaN、Si基GaN,每种材料体系的产品都对应不同的应用。其中,蓝宝石基GaN是最常用的,也是最为成熟的材料体系,大部分LED照明都是通过这种材料体系制造的。SiC基GaN制造成本较高,但由于散热较好,非常适合制造低能耗、大功率照明器件。Si基GaN是3种材料体系中制造成本最低的,适用于低成本显示。
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电力电子器件
在电力电子领域,宽禁带半导体的应用刚刚起步,市场规模仅为几亿美元。其应用主要集中在军事尖端装备领域,正逐步向民用领域拓展。微波器件方面,GaN高频大功率微波器件已开始用于军用雷达、智能武器和通信系统等方面。在未来,GaN微波器件有望用于4G~5G移动通讯基站等民用领域。功率器件方面,GaN和SiC两种材料体系的应用领域有所区别。Si基GaN器件主要的应用领域为中低压(200~1 200V), 如笔记本、高性能服务器、基站的开关电源;而SiC基GaN则集中在高压领域(>1 200V),如太阳能发电、新能源汽车、高铁运输、智能电网的逆变器等器件。
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激光器和探测器
在激光器和探测器应用领域,GaN基激光器可以覆盖到很宽的频谱范围,实现蓝、绿、紫外激光器和紫外探测的制造。紫色激光器可用于制造大容量光盘,其数据存储盘空间比蓝光光盘高出20倍。除此之外,紫色激光器还可用于医疗消毒、荧光激励光源等应用,总计市场容量为12亿美元。蓝色激光器可以和现有的红色激光器、倍频全固化绿色激光器一起,实现全真彩显示,使激光电视实现广泛应用。目前,蓝色激光器和绿光激光器产值约为2亿美元,如果技术瓶颈得到突破,潜在产值将达到500亿美元。GaN基紫外探测器可用于导弹预警、卫星秘密通信、各种环境监测、化学生物探测等领域,但尚未实现产业化。
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其他应用
在前沿研究领域,宽禁带半导体可用于太阳能电池、生物传感器、水制氢媒介、及其他一些新兴应用,目前这些热点领域还处于实验室研发阶段。
在以上4个应用领域中,半导体照明和电力电子器件2个领域成为了2014年初关注焦点。前者是因为美国"白炽灯"禁令于2014年1月1日开始实施,停止销售市场最畅销的40W和60W白炽灯,此举旨在推广紧凑型荧光灯、LED灯和其他高能效比节能灯泡。随着世界各国相继出台全面淘汰白炽灯的政策法规,预计2014年将成为半导体照明近期发展最快的一年。后者是受到美国政府"国家制造业创新网络"计划的影响。2014年1月15日,奥巴马总统宣布成立"新一代电力电子器件国家制造创新中心",在未来5年内,该中心通过美国能源部投资7 000万美元,带动企业和研究机构投入7 000万美元以上匹配资金,致力于研发和制造高性能并具有价格竞争优势的半导体电力电子器件。中心将由美国北卡罗来纳州立大学领导,会同阿西布朗勃法瑞公司(ABB)、科锐公司(Cree, Inc)、射频微器件公司(RF Mico Devices, Inc.)、台达公司(Delta Products Inc.)、阿肯色电力电子国际公司(Arkansas Power Electronics International, Inc.)、东芝国际公司(Toshiba International Corporation)、美国海军研究实验室(U.S. Naval Research Laboratory)等超过25家公司、大学及政府机构,此举将极大地加速宽禁带半导体电力电子器件在民用领域的应用,并引发全球的关注。基于这些原因,本文将重点对上述2个领域近期的发展情况进行进一步的介绍。
二、半导体照明
随着照明科技的不断进步,半导体发光二极管(LED)作为一种固体照明光源,以其高光效、长寿命、节能环保、应用广泛等诸多优势,正在逐步替代传统的白炽灯,成为继白炽灯、荧光灯之后的又一次光源革命。LED灯比传统的白炽灯发光效率高80%左右,寿命长2倍,且不含汞、铅等有害物质,可以安全触摸,属于典型的绿色照明光源。根据美国能源部研究报告,一个价值15美元的LED灯,在其生命周期内,将比白炽灯节省超过140美元的电费。
近年来,随着LED发光效率的大幅度提升,单位流明的价格逐步下降,各类创新产品不断涌现,照明质量不断提高。其应用已从最初的指示灯,逐步拓展到室内照明、舞台照明、景观照明等各个照明领域。目前,照明耗能约占整个电力消耗的20%左右,降低照明用电已成为节省能源的重要途径。为此,发达国家纷纷宣布白炽灯淘汰计划,积极推广LED照明,应对逐年的全球温室效应。美国、欧盟、日本、加拿大、澳大利亚、韩国等国相继宣布停止销售白炽灯。我国也将于2012-2016年,逐步淘汰白炽灯。
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国外LED产业发展概况
美国是半导体照明技术的领跑者,一直处于技术和产业的领先地位。为了减少照明电力的能源消耗,缓解能源枯竭,美国能源局自2000年就开始推动固态照明技术研究,逐步实现固态照明对传统照明的替代。随后,奥巴马的"美国能源新政"把发展新能源和可再生能源、提高能源使用效能、推动能源结构的调整作为促进美国经济复苏和创造就业最重要的举措。半导体照明技术被认为是能源应用领域中重要的技术创新之一,在美国能源结构的转型中发挥重要作用。
美国能源部的固态照明发展战略规划共获得美国国会2.98 亿美元的拨款,资助了超过200个研究项目。此计划取得了显著的经济和社会效益,根据相关研究报道,2012年LED灯为美国节省了71万亿BTU(英国热量单位),相当于节省了6.75亿美元的能源开支。预计2030 年美国 LED照明的普及能够将能源消耗节省近半,2010-2030年期间所节省的累计电量将达2 700TWh,相当于剩下2 500亿美元的开销,也等同于18亿t二氧化碳排放量(见图2)。
除美国以外,其他发达国家也积极推动LED产业的发展。日本早在1998年就推出了"21世纪光计划",投入60亿日元用于开发白光LED照明光源,计划在2020年实现100%的照明产品为新一代高效率照明。欧洲则于2000年开始的"彩虹计划",通过欧盟补贴来推广LED的应用。在随后推出的"地平线2020"计划中,固体照明和OLED都被囊括其中,光电子领域的投入将达到7亿欧元。韩国在2002年提出"GaN半导体开发计划",国家投入1亿美元推动LED照明发展。在随后的"15/30计划"中,又投入50亿韩元经费,进行LED照明的标准规范拟定作业,并规划在2015年前将境内30%的照明淘汰换成LED照明。
图2 美国能源部LED照明预测图
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中国LED产业概况
我国LED产业起步于20世纪70年代,发展迅速。在政府的大力扶持下,经过30多年的发展,已经初步形成了外延片、芯片、封装及产品应用完成产业链,成为全球照明产业变革中转型升级发展最快的区域之一。通过科技部推出的"十城万盏"半导体照明应用示范工程,截至2011年底,已经有420万盏以上LED灯具得到示范应用,实现年节电4.2亿kWh。根据国家半导体照明工程研发及产业联盟(CSA)的最新数据显示,2013年,我国功率型白光LED产业化光效达140 lm/W,拥有自主知识产权的功率型硅基LED 芯片产业化光效达到130 lm/W,芯片的国产化率达到75% 。
2013 年,我国半导体照明产业整体规模达到2 576 亿元,较2012 年的1 920 亿元增长34%。其中上游外延芯片生产产值规模达到105亿元,增长率为31.5%;中游封装产业规模达到403 亿元,增长率为26%;下游应用领域整体规模达到2 068 亿元,增长率达到36%。根据联盟预计,2014 年,国内半导体照明产业将继续保持高速增长,预计增长率达到40%左右。外延芯片产值增长率预计达到35%左右,封装产业预计增速在20%左右,应用环节产值增长率超过50%。
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未来技术及产业发展方向
现阶段LED灯的整体发光效率可达130~160 lm/W,已经具有取代传统照明市场实力,预计发光效率还将快速提升,2015年将达到160~190 lm/W,2020年将达到235 lm/W左右(见表2)。目前,制约LED大规模应用的关键仍然是价格因素。虽然在过去的5年中,LED照明产品的售价有了大幅度的下降,但和普通的节能灯相比仍不具备价格优势(见图3)。近几年来,随着生产成本下降和资本大量流入的影响,这种局面开始产生变化,LED照明与传统照明产品之间的价格差距正在逐渐缩小。2013年末到2014年初,在许多国家和区域,无论是取代40W或是60W的LED灯最低售价都已经跌破10美元,全球这两种LED灯平均价格也分别下降到15美元和21美元的低位。许多人认为10美元的价格区间将是家庭住宅大规模选择使用LED灯具的一个关键转折点,因此2014年很有可能将成为LED照明需求快速增长的一年,成为LED照明产品的拐点年。预计2014年LED照明渗透率也将由8%~10%提升至32.7%,LED照明市场产值达到为353亿美元,较2013年成长 47.8%。到2020年,全球LED照明市场份额有望增长到840亿美元。
图3 取代60W的LED球泡灯价格预期
三、电力电子器件
在20世纪,硅基半导体电力电子器件被广泛应用于计算机、通信和能源等行业,为人们带来了各种强大的电子设备,深刻地改变着每一个人的生活,在过去的几十年中一直推动着科学的进步和发展。随着硅基电力电子器件逐渐接近其理论极限值,利用宽禁带半导体材料制造的电力电子器件显示出比Si和GaAs更优异的特性,给电力电子产业的发展带来了新的生机。相对于Si材料,使用宽禁带半导体材料制造新一代的电力电子元件,可以变得更小、更快、更可靠和更高效。这将减少电力电子元件的质量、体积以及生命周期成本,允许设备在更高的温度、电压和频率下工作,使得电子电子器件使用更少的能量却可以实现更高的性能。基于这些优势,宽禁带半导体在家用电器、电力电子设备、新能源汽车、工业生产设备、高压直流输电设备、移动电话基站等系统中都具有广泛的应用前景。
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军事方面的应用
最初,针对禁带半导体的研究与开发主要是为了满足军事国防方面的需求。早在1987年,美国政府和相关研究机构就促成了科锐公司(Cree)的成立,专门从事SiC半导体的研究。随后,美国国防部和能源部先后启动了"宽禁带半导体技术计划"和"氮化物电子下一代技术计划",积极推动SiC和GaN宽禁带半导体技术的发展。美国政府一系列的部署引发了全球范围内的激烈竞争,欧洲和日本也相继开展了相关研究。欧洲开展了面向国防和商业应用的"KORRIGAN"计划和面向高可靠航天应用的"GREAT2"计划。日本则通过"移动通讯和传感器领域半导体器件应用开发"、"氮化镓半导体低功耗高频器件开发"等计划推动第3代半导体在未来通信系统中的应用。经过多年的发展,发达国家在宽禁带半导体材料、器件及系统的研究上取得了丰硕的成果,实现了在军事国防领域的广泛应用。
由于SiC和GaN两种材料的特性不同,它们的应用领域也有所区别:GaN主要是用作微波器件,而SiC主要是作为大功率高频功率器件。GaN材料的功率密度是现有GaAs器件的10倍,是制造微波器件的理想材料,被应用于雷达、电子对抗、智能化系统及火控装备,用来提高雷达性能和减小体积。根据报道,美国海军新一代干扰机吊舱、空中和导弹防御雷达AMDR正在采用GaN来替代GaAs 器件,以取代洛马公司的SPY-1相控阵雷达(宙斯盾系统核心雷达)。SiC则应用于高压、高温、强辐照等恶劣条件下工作的舰艇、飞机及智能武器电磁炮等众多军用电子系统,起到抵抗极端环境和降低能耗的作用。美国新型航空母舰CVN-21级福特号配备的4个电磁弹射系统均靠电力驱动,能在300英尺的距离内把飞机速度提高到160海里/h。其区域配电系统采用全SiC器件为基础的固态功率变电站,这使得每个变压器的质量从6t减少为1.7t,体积从10m3减少为2.7m3。
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民用领域应用
随着在军事领域的应用逐步成熟,宽禁带半导体的应用开始逐步拓展到民用应用领域,其节能效应也将惠及到国民经济的方方面面。近年来,信息技术在原有基础上又得到快速发展,大量的以新技术为基础的新产品、新应用正在迅速普及,所带来的电力电子设备的能源消耗量也快速增长。根据预测,美国电力电子设备用电量占总量的比例将从2005年的30%增长到2030年的80%。半导体在节能领域中应用最多就是功率器件,绝大多数电子产品都会使用到一颗或多颗功率器件产品。宽禁带半导体的带隙明显大于硅半导体,从而可有效减小电子跨越的鸿沟,减少能源损耗。其相关器件的推广应用将给工业电机