2023年中国新一代清洁低碳技术展望.pdf

2023.10中国新一代清洁低碳技术展望rmi.org/4中国新一代清洁低碳技术展望导言 中国低碳清洁技术图景展望.5第一章 迈向碳中和的“源动力”中国动力电池技术现状及应用前景 8 一、始于节能，盛于零碳动力电池的前世今生.10 二、从技术到成本动力电池的核心特性及发展趋势.11 三、新能源汽车动力电池的关键应用场景.14 四、面向未来动力电池的进阶之路.16第二章 搭建建筑节能的“基石”中国热泵技术应用现状及发展方向 17 一、热泵：最具前景的低碳建筑供热技术.18 二、从现状到未来：掌握打开热泵市场的成功之钥.22 三、节能又节约：热泵的综合优势.30 四、挖掘潜力：洞察不同地域供热市场需求.23第三章 铸造零碳钢铁的“核心”中国直接电解铁矿石技术 的发展与展望 .26 一、直接电解铁矿石最具减碳潜力的颠覆性技术之一.28 二、聚焦直接电解技术的两种路线.28 三、中国直接电解铁矿石技术发展展望.30第四章 积蓄零碳能量的“反应堆”中国液流电池储能技术 的现状与前景.32 一、储能市场蓬勃发展，新型储能增长强劲.34 二、液流电池安全耐用，比较优势异军突起.36 三、液流技术百花齐放，全钒路线木秀于林.37 四、降本提效势在必行，市场引导亦不可少.38目录导言中国低碳清洁技术图景展望rmi.org/6中国新一代清洁低碳技术展望2022年11月20日，联合国气候大会第二十七次缔约方会议（COP27）正式落幕，作为本次会议最具代表性的成果，“损失与损害”基金协议的达成不仅为发达国家和发展中国家在应对气候风险方面的进一步合作创造了新的平台，也再次将技术和投资对于应对气候变化和实现零碳转型的重要性推上了新的高度。随着越来越多国家和地区陆续提出碳中和目标，针对转型路径和具体行动措施的分析和选择逐渐成为了各行业关注的焦点。由于碳中和目标实现的难度更高，对能源系统的挑战更大，在传统意义上政策和市场解决方案得到充分应用的基础上，全球应当也必须通过更多低碳清洁技术的创新和加速发展来充分挖掘零碳转型的潜力，在高效实现碳中和目标的同时，为市场创造新的增长空间。国际能源署（IEA）近期发布的 世界能源投资报告 显示，在政府财政和可持续投资领域的支持下，自2020年以来，清洁能源投资的增长速度已经增加到了12%，远远超过2015-2020年的水平。不过由于受到疫情的影响，当前的投资增长很大程度上反映在了供应链成本的上涨以及劳动力、水泥、钢铁和关键矿物等材料的持续价格增长上。为了实现零碳转型，未来清洁能源领域的投资仍然需要持续加速才能满足减排的需求。在碳达峰、碳中和宏伟目标的指导以及行业和市场的大力推进下，中国在清洁能源技术方面始终发挥着主导作用，其中2021年清洁能源投资总额达到了3800亿元，位居全球之首。特别是在可再生能源、电网和新能源汽车等领域，政策的支持和快速的技术研发迭代使得中国在这些领域不仅实现了自给自足，还通过大规模出口带动了全球能源转型。而另一方面，在零碳转型的情景下，当前清洁能源技术的发展规模和水平仍然远远不够。根据多家研究机构估算，中国碳中和目标的实现至少需要约100万亿元人民币的投资，其中大部分用于清洁能源和突创性减排技术等领域。尽管中国在过去的5-10年已经在可再生能源发电装机和新能源汽车等领域取得了突破性成就，但既有转型工作的持续发展以及储能、氢能、碳捕获和封存、柔性直流、车网互联等突创性技术的商业化和规模化仍然需要长期的投资和孵化。为了帮助政策制定者、行业企业和投资者等利益相关方更加清晰地识别碳中和转型路径中各项清洁能源和低碳技术所发挥的作用，厘清不同技术的应用场景、核心成分、龙头企业、成本经济性和商业化应用时间，并定位各类技术加速发展的模式和所需的政策、投资支持，落基山研究所开展了 中国低碳清洁技术图景展望 的系列研究，希望在对中国未来零碳转型过程中需要的清洁能源和低碳技术进行系统性梳理的基础上，为不同利益相关方提供对技术发展方向和优化方案的建议。在前期的基础性研究中，项目团队根据不同文献资料和信息的综合分析，已经梳理出了国际上相对常见的约300项清洁能源和低碳技术，同时结合中国市场的实际需求，优选了电力、交通、工业、建筑等行业的数十项在中国更具发展前景的技术，并对各类技术的成熟度和碳减排潜力进行了综合评估（见下图）。rmiorg/7中国新一代清洁低碳技术展望在此基础上，本研究将持续对上述各项技术进行深入探索，并通过系列文章的形式逐一解析每项技术的特点、应用场景、成本经济性变化趋势、商业化应用的时间节点、主要利益相关方和加速推广的政策及投资建议等，力图通过系统性针对性的分析为行业阐明技术发展趋势，为企业提供技术应用场景和时间的参考，为政策制定者描绘加速技术突破的支持政策方向，为投资和金融机构呈现投资领域和规模的判断。本报告包含 中国低碳清洁技术展望 系列文章前四篇的内容，分别为：迈向碳中和的“源动力”中国动力电池技术现状及应用前景 搭建建筑节能的“基石”中国热泵技术应用现状及发展方向 铸造零碳钢铁的“核心”中国直接电解铁矿石技术的发展与展望 积蓄零碳能量的“反应堆”中国液流电池储能技术的现状与前景 希望从动力电池、热泵、电解铁矿石和液流电池储能这4项不同行业的清洁低碳技术出发，为加速行业低碳清洁技术的发展和应用提供参考和借鉴。研究团队将在后续持续发布其他技术种类专题的系列文章。图 中国清洁能源和低碳技术成熟度及减碳潜力对比第一章迈向碳中和的“源动力”中国动力电池技术现状及应用前景rmi.org/9中国新一代清洁低碳技术展望迈向碳中和的“源动力”中国动力电池技术现状及应用前景在碳中和的新纪元下，新能源汽车即将成为未来交通出行市场的主流，动力电池也因此顺理成章地成为了未来之路上的“动力之源”。正因如此，在当前动力电池技术蓬勃发展的初期阶段，关于其未来市场增长空间、技术性能、成本，特别是如何影响新能源汽车推广应用进程的讨论和关切也愈发热烈。作为中国低碳清洁技术浅析汇编的开篇之作，我们希望通过本文的分析和描述尽可能解答读者的上述疑问，并对动力电池技术未来的发展方向和所需要的支持进行简要梳理。关于动力电池技术的现状和应用前景，我们的基本观点如下：（1）中国是全球最重要的动力电池市场，在碳中和目标的引领下，中国动力电池产销量将持续占据全球领先地位。（2）过去10年，以锂离子电池为代表的动力电池在能量密度和成本两项特性上都已经取得了较为明显的突破，但仍然存在很大的增长空间。（3）在当前技术发展趋势的基础上，动力电池技术能够支撑中国道路交通行业在2050年之前完成90%以上的车辆电动化转型工作，以乘用车为主；剩余10%左右以长途乘用车和中重型卡车为主的车辆，需要依靠电池技术的进一步突破或采用氢能等其他新能源技术、市场模式等才能完成转型。（4）按照目前电池技术、基础设施和市场的发展速度，传统液态锂离子电池在2025年左右就能够满足城市内通勤私家车、公交车、网约车和出租车等车辆类型的全面电动化转型需求，届时这些车辆的总拥有成本将低于同等规格燃油车。（5）钠离子电池、固态电池等新型电池技术将在加速车辆电动化转型中发挥重要作用，2030年后动力电池市场会呈现液态锂离子电池、固态电池和钠离子电池共存的局面。（6）长期来看，动力电池产业具有广阔的增长潜力和前景，超前投资会加速新型技术的市场化进程，并可能引领整体电池和新能源汽车行业的发展。（7）动力电池产业链是一个庞大的系统，其长远发展不仅需要多维度全领域的政策支持，也需要尽快有效地进行其产业链上下游的联通以及循环经济和全生命周期体系的建立，尽快在自身生产和末端处理环节实现彻底的零排放。关于上述观点背后的逻辑和分析，请您继续阅读正文部分的内容，也欢迎您对感兴趣的内容和话题与我们进行讨论。rmi.org/10中国新一代清洁低碳技术展望图表 1 全球动力电池装机量（GWh）一、始于节能，盛于零碳动力电池的前世今生动力电池指被应用于交通领域、为交通工具提供动力的电池，是近年来新兴的电池种类。电动汽车和动力电池的发展历史可以追溯到19世纪，但由于受到电池性能、基础设施以及燃油汽车的快速发展等因素的影响，动力电池和电动汽车不得不逐渐退到了幕后。直到20世纪80年代，能源危机的出现大幅推进了电动汽车和动力电池研发的进程，而21世纪特斯拉、松下和宁德时代等行业先驱更是进一步推动了动力电池行业爆发式的增长。在新时代中国碳达峰、碳中和等低碳转型目标的大背景下，动力电池的应用前景已经不再局限于电动汽车和交通电气化，以动力电池技术为基础的化学储能也将成为新型电力系统的重要组成，为清洁能源的稳定、安全并网打好基础。因此可以说，以锂电池为代表的动力电池技术已经成为了中国能源转型和实现双碳目标的核心技术之一。中国目前是全球最大的新能源汽车市场，2021年新能源汽车年销量已经超过了全球总量的60%，较为完善的基础设施布局、充分的政策支持以及成熟的动力电池产业链功不可没。自2015年起，我国公交车、出租车、轻型物流车、私家车等车型先后掀起了电动化的浪潮，2021年，在我国碳中和目标以及市场用户需求的双重推动下，11月电动汽车市场渗透率首次超过了20%。在电动汽车爆发式增长的背后，中国动力电池产业稳固而扎实的行业领军地位发挥了重要作用，2021年中国共生产锂电池219.7GWh（包括中国本土电池厂以及外国企业在中国建厂），占比超过全球总装机量的80%，而国内新增动力电池和储能电池装机分别达到了154GW和1.87GW，成为了世界动力电池生产和消费的主力军。在2021年全球动力电池装机量排名中，中国企业占据了装机量前10中的6个席位，其他名次上的外国企业也大多在中国设立了生产工厂。未来几年中，整个电动车市场仍将呈现加速扩张的态势，同时储能电池也将迎来大规模的应用，因此BNEF预计到2030年时全球动力和储能电池需求将达到2.8TWh，是2021年的10倍。即便是在全球新能源汽车和动力电池产业全面蓬勃发展的趋势下，中国动力电池到2030年的市场份额仍然能保持在50%以上，约合1.5TWh左右。rmi.org/11中国新一代清洁低碳技术展望图表 2 全球动力电池装机量逐年增长(GW)20142016201820202015201720192021制造厂商特斯拉/松下等等比亚迪化学材料高镍三元正极+硅基负极磷酸铁锂正极+石墨负极特殊工艺无极耳叠片电池管理及组装电池车壳设计(Cell to Chassis)无模组刀片设计性能特点高能量密度高安全性电池名称4680电池刀片电池常见正极材料图表 3 不同动力电池产品及特性实例二、从技术到成本动力电池的核心特性及发展趋势动力电池出现已经上百年，而现代锂离子电池的基本原理则是在上世纪90年代形成的理论框架。以锂离子电池为例，其基本工作原理就是使锂离子在正极和负极分别进行镶嵌和脱出，以此形成电流来实现充放电。但即便原理相同，锂离子电池实际产品的具体设计思路仍然多种多样，制造厂商都极力在电池的化学材料、生产工艺、电池管理系统及其组装模式等方面加以尝试和创新，以此进一步提高电池的综合性能。在所有零部件和生产工艺中，对电池性能影响最大的因素是电池化学材料的选择。正极材料方面，经过多年的淘汰选择后，目前主流的动力电池种类通常使用两大类正极材料：磷酸铁锂正极，和三元（三元指镍锰钴NMC或镍钴铝NCA这三种金属的氧化物以不同比例混合而成的正极材料）正极。磷酸铁锂的优势在于成本低、寿命长、安全性好。三元的优势在于能量密度高、低温性能好。两者互为补充，占领了几乎全部的电动汽车市场。负极方面，大多数电池厂商都选择基于石墨的负极材料，同时也有头部厂商已经开始向比容量更高、技术难度也更大的硅基负极迈进。图表 4 市场常见的电池电极化学材料磷酸铁锂镍锰钴镍钴铝石墨掺硅石墨硅基负极常见负极材料925396098115137251rmi.org/12中国新一代清洁低碳技术展望但为了实现交通行业全面电动化和零碳转型的目标，动力电池的能量密度必须进一步增大，以满足不同车型多样化的使用需求。从2017年开始，国家在新能源汽车购置补贴的申领标准中已经开始容纳动力电池能量密度相关的限值要求。2021年底，工信部修订文件锂离子电池行业规范条件，进一步提高了电池新建产能的最低能量密度要求，其中三元锂电池提高到单体电池能量密度210Wh/kg，电池组能量密150Wh/kg，其他锂电池提高到单体电池能量密度160Wh/kg，电池组能量密度115Wh/kg。类似的，由工信部支持的报告 节能与新能源汽车技术路线图2.0 中预测，到2030年时，普通型电池将实现单电芯250Wh/kg，高端型将超过400Wh/kg，相比2020年提升超过40%，将进一步增加新能源汽车在高端乘用车和轻、中型物流车中的竞争力。160Wh/kg电池的性能有多种影响因素，如安全性能、充电速度、寿命等，其中能量密度和成本着影响动力电池的应用前景。1前者决定了新能源汽车的续航能力，是定位新能源汽车对燃油车使用场景替代能力的核心，后者关系到新能源汽车价格，影响着新能源汽车的市场吸引力和推广应用进程。两者的结合直接反映了新能源汽车的性价比，是交通行业电动化转型进程的重要影响因素。能量密度通常来讲，动力电池的正负极材料、生产工业以及内部系统各元件间的相互作用模式决定了其能量密度的大小。过去十几年中动力电池能量密度的发展大致可以分为两个阶段。2010到2018年，动力电池市场中盛行着“唯续航论”的信念，部分厂商把能量密度作为衡量电池性能的最重要标准。在这一阶段，磷酸铁锂和三元锂电池以优越的整体性能，从锰酸锂、钛酸锂甚至镍氢电池等一众化学材料里脱颖而出，成为最主流的动力电池类型，电池平均单体能量密度也从100Wh/kg上下提升到170Wh/kg（磷酸铁锂）和250Wh/kg（三元）左右。22018年之后，由于电池材料和制造工艺趋于稳定，金属材料价格不断提高，能量密度的突破性提升的技术难度逐渐加大，以及由电池导致的车辆事故频发等原因，动力电池的发展重心逐步向安全、廉价、长寿等方面转移。这一阶段电池能量密度的增长明显放缓，2021年时单体电池市场平均密度约为180Wh/kg，电池组约为144Wh/kg。头部厂商在努力完善和挖掘现有动力电池技术的同时，也开始逐步着眼于下一代电池技术的研发，来进一步突破能量密度上的瓶颈。1 能量密度，即单位重量下的电能量，是最常用来衡量电池性能的指标。电池能量密度越大，车辆可携带的电池就越多，续航里程就越远，对充电网络的依赖就越低。2 车用动力电池产业发展促进政策研究报告 中国汽车技术研究中心 2013图表 5 2021年12月我国新产电动汽车电池组能量密度分布来源：北极星储能网 rmi.org/13中国新一代清洁低碳技术展望电池单体价格电池组价格电池单体能量密度电池组能量密度目前平均水平0.65 元/Wh0.87 元/Wh180 Wh/kg144 Wh/kg2030年预测 0.54 元/Wh 250 Wh/kg 210 Wh/kg20134.452015电芯2.5520171.4720191.0420143.942016电池组1.9720181.2120200.9120210.861.403052.681.711.441.030.870.730.680.660.850.530.440.340.310.230.201.26图表 6 锂离子电池性能与成本预测在目前的电池技术框架下，电池厂商可以从改进正负极材料、电芯设计等方面入手改善电池的能量密度，但由于受到电池材料化学特性的限制，传统液态电解质锂离子电池的单体能量密度很难超过350Wh/kg，因此为了实现新能源汽车续航性能上的突破，动力电池厂商已经开始将研发力量逐步投入到突创性新型电池技术当中。目前行业内普遍认为前景较为乐观的是固态电池技术，固态电池使用固态电解质取代液态有机电解液和隔膜，在机械强度、安全性、能量密度等方面都更为出色，其理论能量密度的最高值能够达到700Wh/kg，是目前锂离子电池的2倍。成本动力电池及其系统的成本通常是新能源汽车成本的最主要组成部分（40%左右），而在动力电池中，材料成本和研发投入则构成了其主要成本要素。随着新能源汽车产业规模的不断扩大，动力电池的研发成本得到充分的稀释，总成本也因此快速下降。根据北极星储能网数据显示，2010年，锂离子电池的单体平均价格和电池组价格分别在5元/Wh和7元/Wh左右，到了2020年，锂电池单体价格和电池组的平均价格分别为约0.65元/Wh和0.87元/Wh，相比10年前下降了近90%。然而，目前的动力电池价格水平与实现新能源汽车与燃油汽车总拥有成本平价（购买和使用电动汽车的总成本与燃油车刚好相等）仍然有一定的差距。一般而言，动力电池电池组的价格需要至少达到0.65元/Wh才能满足电动汽车与同等规格的燃油汽车成本平价的目标。考虑到新能源汽车在续航能力、充电便利性等方面存在一定的劣势，且物流车特别是长途运输重型卡车等商用车对成本的敏感性更高，动力电池需要进一步拓展成本下降的空间，才能更好地满足电动化转型的需求。图表 7 储能、新能源汽车应用场景下按容量加权平均计算的电池价格（元/Wh）来源：BloombergNEFrmi.org/14中国新一代清洁低碳技术展望可以预见的是，未来几年内锂离子电池价格下降趋势将有所放缓。一方面，在过去十年间规模效应是成本下降的主要驱动力，但随着规模效应带来的效益逐渐减少，未来锂离子电池成本削减将主要依赖正极材料、生产工艺、电芯设计等方面上的技术创新。另一方面，受到供需关系、地缘政治以及资源分布等多方面因素的影响，电池原材料的价格从2021年开始持续上涨，钴、镍、锂等金属价格都翻了数倍，受此影响2022年电池价格也有所回升。尽管长期来看金属价格不会持续上涨，但仍然很有可能保持高于2020年价格的高位状态，电池厂商也将因此承担更大的成本压力。除了探索锂离子电池的成本缩减空间外，部分厂商也在着手研发下一代低成本电池，例如呼声很高的钠离子电池。钠离子电池将锂离子电池中的锂替换为钠，原理与锂离子电池基本一致，尽管能量密度略低，但由于钠金属资源丰富，钠离子电池的成本将更有优势，且更不易受到市场、政治的影响。产业成熟之后，钠离子电池的材料成本可以比锂离子电池低30%左右。三、新能源汽车动力电池的关键应用场景作为动力电池最主要的功能载体，新能源汽车推广应用的进程决定着动力电池发展的方向和前景，而动力电池技术水平的高低则直接影响着新能源汽车的性能和市场接受度。由于应用场景不同，各种类型的新能源汽车汽车对动力电池的性能和成本要求存在一定的差异。例如，城市内日常通勤的车辆对新能源汽车的续航里程要求相对较低，但对成本相对敏感，实现电动化转型难度较低；而重型长途卡车由于对配送里程和经济性较为敏感，需要动力电池在能量密度和成本两方面都发展到更加成熟的阶段才能实现新能源替代。在这样的情况下，动力电池技术的发展方向和前景不仅会受到原材料和科技水平的影响，也与其市场定位和发挥作用的场景密切相关。因此在分析不同动力电池技术路线的性能和成本变化趋势的同时，系统性识别以新能源汽车为核心的动力电池应用场景、不同车型的电动化转型需求以及技术路线，对明确动力电池的技术方向和发展趋势至关重要。为了更加清晰地展示动力电池未来的应用场景潜力，以及动力电池在发展到怎样的阶段和时期才能满足各车型电动化的基本性能要求，我们计算了各车型新能源车和燃油车的总拥有成本（即一定使用年限内购置成本、燃料成本和维护等成本的总和），并观察了在动力电池不同的能量密度和成本状态下新能源车和燃油车总拥有成本对比的变化。同时，结合对动力电池能量密度和成本变化趋势的预测，能够帮读者呈现出动力电池在满足车辆全面电动化转型目标过程中需要达到的技术性能水平，以及未来的核心应用场景。3在进行模拟计算的过程中，我们假设各车型全面电动化转型的条件为新能源车总拥有成本低于燃油车总拥有成本，且能量密度和成本两个影响因素之间不具备显著的替代关系，需要尽可能同时满足转型条件。由此得出的分析结果显示如下图所示（图表8）。在所有车型中，城市内的通勤乘用车（主要包含通勤私家车、出租车、网约车）由于日常行驶里程较短，实现电动化转型对电池的能量密度和成本综合要求最低，因此这一领域将是未来锂离子电池最普遍的应用场景。同时由于钠离子电池具备较大的成本下降空间，在中远期同样具备占据一定市场份额的潜力。考虑到性价比仍然是这一场景下车辆车型推广应用效果的最主要影响因素，进一步通过技术研发和规模化拓展能量密度，降低成本，并兼顾安全性是该场景下动力电池突破的核心。3 电池技术进步仅仅是促成车辆电动化的因素之一，换电等其他充电模式的应用能够大幅缩减电动汽车的充电时间和对单次充电续航的，同样可以加速新能源汽车的推广应用。本文重点分析动力电池技术对电动化进程的影响，因此对充换电等其他技术领域的分析相对有限。rmi.org/15中国新一代清洁低碳技术展望城市公交车与城市内通勤车辆类似，但使用场景更加固定。电动公交车在过去几年中发展速度最快，但这主要是政府推动和大力补贴的结果，在过去几年中电动公交车的成本仍然高于燃油车。公交车的优势在于行驶路线、时间和频次都有较为清晰的计划，不确定性非常低，同时充电的时间和位置也相对容易安排，这就降低了车辆对电池容量的要求。考虑到公交车对电池电量的要求相对较高，下一代磷酸铁锂电池将在该场景中发挥重要的电动化转型支撑作用。城市物流、轻型货车和短途重卡的应用场景类似，由于载货汽车耗电量更大，因此两者对于动力电池也提出了更高的要求。短途重型货车主要负责港口、园区物流、短倒等场景下的货运，尽管车辆载重大、耗电高，但行驶距离较短，对电池能量密度的要求并不高但对电池成本和体积的要求比较苛刻，因此一定程度上实现技术突破的锂离子电池更适合该场景的电动化转型应用。电动化难度最大的是有长距离出行需求的私家车和中长途重型卡车，两者在锂离子电池的时代均无法实现新能源车辆的成本经济性，可能需要其他动力电池或新能源技术帮助实现零碳转型的目标。随着研发的不断深入，固态电池在2030年左右可以接近达到满足长途出行私家车电动化需求的能量密度和成本水平，但依然无法完全解决长途重型卡车的问题，因此可能需要氢燃料电池的补充和支持。总体来说，动力电池未来的应用场景将集中在城市内使用的乘用车以及用于短距离运输的商用车（公交车、轻型物流车、港口矿山泥头渣土重卡、短倒货运重卡等）长途私家车由于电动化难度较高，很难压缩成本，未来可能成为高端电动车的代名词。长途重卡电动化难度最高，很难单纯依靠电池技术进步实现电动化。从电池技术分类的角度来看，固态电池将主要应用于高端乘用车和中长期短途重卡及一部分轻型物流车领域；钠离子电池虽然在能量密度方面与锂离子电池存在一定的差距，但其成本下降速度更快，在未来通勤私家车领域大有可为；而液态电解质锂离子电池将覆盖其他乘用和商用车辆。密度越高越好价格越低越好成本 元/Wh密度 Wh/kg01.60.81.20.41.40.610.2010020015025025030020252023通勤私家车20212023202520272030极限值202520272030极限值20272030极限值350400450短途重型货车重型货车公交车出租车长途私家车长途重型货车完全电动化所需电池性能传统锂离子电池钠离子电池固态电池图表 8 动力电池性能变化趋势及不同车型对动力电池性能需求分析rmi.org/16中国新一代清洁低碳技术展望四、面向未来动力电池的进阶之路动力电池未来发展的方向十分明确，即在进一步开发和突破现有电池的能量密度并降低成本的同时，积极探索钠离子电池、固态电池等新型电池技术的发展空间。由于市场基础大、性能相对稳定，短期内液态锂离子电池仍然将是新能源汽车加速推广的主要根基，因此2030年之前持续开发锂电池的技术潜力是确保城市内车辆逐步向全面电动化过渡的重点。与此同时，其他新型电池技术如果能逐渐加速其商业化进程，也将成为解决长距离中重型车辆电动化转型难题的重要手段。除此之外，动力电池本身的全生命周期优化管理的重要性也将逐步凸显。一方面，由于动力电池的生产对金属原材料开采和进口的依赖性较强，国际地缘政治局势和金属材料市场的发展变化增加了动力电池产业的不确定性。短期来看，对采矿业的依赖限制了动力电池的产能扩张，也加剧了金属市场的供给压力和价格波动；长期来看，虽然金属矿产储量足够支撑新能源汽车未来数十年内的发展，但逐渐枯竭的资源仍然会导致开采成本逐渐升高，对动力电池和新能源汽车市场产生不利影响。另一方面，废旧电池的回收和处理创造了缓解上游原材料不足等问题的机遇，但同时也增加了环境污染的风险。由于目前动力电池的回收处置的产业规范尚不明确，没有得到妥善处理的废旧电池在报废过程中会消耗大量能量，并有可能造成环境污染。如何充分利用报废动力电池中的金属材料，通过循环经济清洁回收和再利用控制对环境的影响，同时将回收资源用于新电池的生产，缓解金属材料供给的压力，实现自身全生命周期零排放，将成为动力电池行业长远发展的关键。综上，动力电池产业具备广阔发展前景，对于中国实现碳中和目标有重要价值和意义。未来的10-20年内，动力电池在技术性能方面仍将快速进步，成为引领中国新能源汽车大规模推广应用的基础。但动力电池发展仍受到原材料、资金、技术等多方面因素的影响，要充分发挥其作用，就必须建立良好的政策和市场环境，同时完善其全生命周期产业链。这其中既包括持续推进新能源汽车市场的发展，不断提高对电池能量密度的要求，也包括明确不同动力电池技术在新能源汽车各车型和使用场景中的需求和发展阶段，完善充电基础设施的配置，还包括建立电池全生命周期管理体系，明确电池回收责任，加强回收再利用，打通电池生产装配企业、用户、回收企业之间的信息屏障，保证退役电池可追查、可收集、可回收。第二章搭建建筑节能的“基石”中国热泵技术应用现状及发展方向 rmi.org/18中国新一代清洁低碳技术展望作为人类“衣食住行”需求的重要载体，建筑满足了人民日常生产生活的大部分用能需求。2021年，中国建筑部门运行阶段二氧化碳排放量高达21.3亿吨，约占全国碳排放总量的20%，推动建筑行业的清洁能源替代和能效提升也因此成为了实现碳中和目标的关键。目前中国建筑日常运行过程中，约60%的能源消费来自采暖、热水和制冷。热泵技术作为建筑减碳最具前景的技术之一，能够有效通过电气化和效率提升等方式大大降低传统供热和制冷方式产生的能耗和排放，也是未来建筑行业向零排放转型过渡的最重要解决方案之一。由于热泵技术本身已经相对成熟，我们将从成本经济性和具体适用场景的角度在本文中对各类热泵产品竞争力和技术方向和在中国各地区发展潜力进行简要梳理，希望帮助读者进一步了解热泵技术在中国的现状，定位下一阶段应用和推广的方向。我们的基本观点如下：(1)热泵是建筑领域节能减碳的最佳方案之一。预计到2050年，在零碳情景下中国热泵占建筑采暖和热水供热的比例可达60%。热泵技术有效利用环境中的低温可再生热源，替代了传统的化石能源燃烧供热。此外，随着电网进一步脱碳及热泵性能提升，热泵技术的减碳潜力将进一步增强。(2)在各类热泵中，空气源热泵占据90%以上市场份额为绝对主流，水地源热泵需在合理规划和规范管理的前提下因地制宜发展。此外，吸收式热泵技术的应用潜力主要在工业和电力余热利用供暖方面。(3)在经济性分析中，部分热泵产品的综合成本已具备与传统供热产品相替代的竞争力，但由于初始成本较高、认知度不足等问题，仍需更强的政策激励来推广热泵。(4)考虑到中国幅员辽阔且各地区气候条件差异较大，各地区应当因地制宜选择适合的热泵技术。例如，使用吸收式热泵替代原有集中供暖的化石燃料热源较为适合北方集中供暖地区；而商用或自用分布式热泵产品则更适用于北方分布供暖区和南方夏热冬冷地区。关于上述观点背后的逻辑和分析，请您继续阅读正文部分的内容，也欢迎您对感兴趣的内容和话题与我们进行讨论。搭建建筑节能的“基石”中国热泵技术应用现状及发展方向 rmi.org/19中国新一代清洁低碳技术展望一、热泵：最具前景的低碳建筑供热技术热泵技术在建筑低碳发展领域备受关注，其在采暖和热水两大建筑运行运用场景中对于传统化石燃料燃烧或电力直接供热的替代具有巨大的节能减碳潜力。在传统的供热方式中，热量遵循自然流动方向，即从高温侧（热源）流向低温侧（需求侧），通常需要通过燃烧化石能源的方式先释放热量制造高温热源，再向需求侧传递热量。这一过程中，热量通常来自于非可再生能源，造成了大量的碳排放；此外，化石能源的燃烧温度较高，通常在500摄氏度以上，远高于供热实际所需的温度（例如地暖热水温度通常不高于60摄氏度），造成了不必要的浪费。与之相比，利用制冷剂的相变特性，热泵设备可以从低温热源（如空气、浅层地热等）吸收热量并释放到温度相对较高的需求侧4。相比传统的燃烧供热方式，热泵的节能减碳潜力体现为两方面：一方面，热泵通常由电力驱动，而在电网逐步脱碳的过程中可再生能源发电占比预计将逐步提高，供热热源将极大减少对化石燃料的依赖；另一方面，热泵所提供的热量大部分来自外界自然环境，大幅提升供热效率的同时还使得环境中的可再生热能5得到了有效利用。也因此，热泵技术在中国多省已被列入可再生清洁能源范畴。除了可以满足建筑的供热需求之外，热泵还可以由制热工况切换成制冷工况，在夏天为建筑制冷。热泵的节能减碳潜力分析：从节能的角度说，热泵相较于燃气燃煤以及普通电直热的供暖设备都有明显的优势。以室内供暖为例，见图表 9，若向室内供应 10kWh 热量6维持室温 20，燃煤供暖需要消耗约 14kWh 化学能（燃煤效率约 70%），电阻加热器直接加热室内空气，需要供给电能约 10kWh，而电能驱动热泵只需要约 3kWh 电能，其余约 7kWh 的热能则由空气中的低温热能转化而来（热泵性能效率 COP7约 3.5）。4 热泵工作的简单原理：通过低沸点“冷媒”物质在蒸发器中汽化吸热吸收环境中的热量，然后通过压缩机加压升温，流动至冷凝器中去液化放热，从而实现为用户侧室内空气或水箱加热，最后通过节流阀减压流入蒸发器重复这一过程。5 由于环境中的热能也主要来源于太阳、地热等可再生热源，因此也被纳入可再生能源的范畴。6 这里及下文中用kW作为单位的热量指制热量，制热量是指空气调节系统在制热工况下或热水制备系统在单位时间内所提供的热量值的总和，通常以W、kW为单位。7 COP：性能系数（coefficient of performance），用于衡量热泵效率，等于热泵系统所能实现的制热/冷量和输入功率的比值。煤环境环境环境（a）燃煤供暖（b）电供暖（c）热泵供暖14.286kW2.87kW7.143kW10kW10kW10kW10kWCOP=3.510kW10kW10kW20C20C20C电（高位能）电（高位能）图表 9 不同供暖方案示意图来源：中国节能协会热泵专业委员会，热泵助力碳中和白皮书2021rmi.org/20中国新一代清洁低碳技术展望较高的电网排放因子设备提升效率碳排放：热泵 燃气壁挂炉碳排放：热泵 燃气壁挂炉电网脱碳全国电网排放因子10.90.80.70.60.50.40.30.20.1011.21.41.61.822.22.42.62.82.833.23.43.63.844.24.4电网排放因子（kg-CO2/kWh）热泵制热性能系数（HSPF）图表 10 不同供暖方案示意图来源：案头研究热泵的分类：最常见的分类方式是以环境低温热源的来源分类，可以分为空气源热泵、地源热泵和水源热泵，分别以室外空气、地下常温土壤和地表或地下水为热源。此外，以实现热量流动的方式分类，可分为主要以电力消耗为主的蒸汽压缩式热泵和直接以热能代替电能作为主要驱动的吸收式热泵。在中国热泵市场中，空气源热泵产品占据绝对主导地位。据产业在线数据统计，2021年中国空气源热泵（含天氟地水）行业销售额约238亿元，占总体热泵市场的约96%。与水地源热泵相比，空气源热泵受地理条件限制较小、初始投资也较少，从具体产品来看用于建筑供暖和热水的空气源热泵主要包括以下几类（见图表11）。图表 11 空气源热泵产品对比功能品类低温空气源热泵不限北方为主GB/T 25127GB/T 18430JB/T 13573GB/T 23137南方地区北方尤其高寒地区不限南方更佳常温空气源热泵低温热泵热风机空气能热水器地区标准号特点描述热水（辅以冷水）机组，主要替代传统燃煤/气锅炉冷水（辅以热水）机组，可同时替代制冷空调和电/燃气暖气/地暖加热迅速，抗冻性强，造价较低，舒适度较差价格较高，水箱体积大，可替代传统电/燃气热水器代表厂家供暖热水来源：案头研究从减少碳排放的角度，由于热泵通常为电能驱动，热泵的碳减排潜力主要取决于热泵自身的性能效率以及电网的二氧化碳排放因子。我们以燃气壁挂炉供暖的二氧化碳排放作为对比进行分析研究8，得出了如图表10所示的结论：由热泵的热性能系数和地区的电网排放因子交汇找到的点，如果在黑色斜线下方（绿色阴影区域），则表示热泵较于燃气壁挂炉有减碳潜力，反之，热泵则会造成更多的碳排放。假如热泵的制热性能系数（HSPF）为3.5，按照生态环境部2022年公布的全国电网排放因子0.5810kg-CO2/kWh计算，则热泵已经具备了相较燃气壁挂炉的减碳潜力。热泵制热性能系数的进一步提升，以及电网排放因子的进一步降低则能够帮助继续强化热泵的减碳能力。因此综合考虑热泵的性能效率和电网清洁程度，短期来看，在可再生电力丰富的地区和长江以南的夏热冬冷地区使用热泵能够获得更加明显的减碳效果；长期来看，随着全国范围的可再生电力迅速增长，电网排放因子将进一步降低，热泵的减碳潜力将逐渐被充分挖掘，且将愈发明显。8 研究部分数据参考了同济大学龙惟定于2022年发表在暖通空调杂志的文章 碳中和城市建筑额能源系统rmi.org/21中国新一代清洁低碳技术展望而水地源热泵在实际运行的过程中相比空气源热泵显著表现出效率高、耗电低、噪音小等优势。虽一度由于不规范安装施工导致土壤或水体污染，但近年来在城市大型示范项目的因地制宜规范开发运行中，水地源热泵的发展也不容忽视。水地源热泵品牌集中度相对较低，主要原因是早期发展准入门槛低。但随着市场规范化和各主流品牌的产品延伸，市场品牌整合度近年有所提升，主要的内外资品牌包括美国特灵、美国约克、清华同方、山东科灵等。吸收式热泵可以有效回收利用低温热源，广泛用于工业、电力等行业的余热回收应用。因此，在利用区域内或者跨区域余热资源实现为建筑提供供热方面具备巨大潜力。吸收式热泵的采购方一般为企业和机构，提供这类产品的热泵品牌与压缩式热泵类似，如美国约克、清华同方等。二、从现状到未来：掌握打开热泵市场的成功之钥热泵技术在运行耗能方面的表现相较于传统供热方式优势明显，但由于消费者对产品了解不足以及早期介入市场时成本偏高，目前热泵在建筑供热方式中渗透率仍然不高。但在产品成本竞争力增强和建筑行业降碳趋势的推动下，作为可再生能源技术的热泵被广泛认为是最具增长前景的清洁供热方案之一。据IEA测算，2020年全球热泵供暖设备存量约为1.8亿台，占总供热需求的7%，在本世纪中叶实现零碳情境下，2030年将达到约6亿台。按此推测，2050年前全球热泵存量将达到约18亿台，热泵占总供热的需求约为50%，其中中国设备保有量约占全球的30%。落基山研究所预计到2050年，在零碳情景下中国热泵占建筑采暖和热水供热的比例可达60%。从热泵的应用场景上看，中国各地区当前的供热条件和供热需求不尽相同。目前热泵供暖产品的主要需求包括新建或翻修住房供暖设备自采、“煤改电”和地产开发商精装集采等。据中国节能协会热泵专委会介绍，以空气源热泵水机为例，其中消费者自行采购的需求约占70%，主要来自南方夏热冬冷地区和少部分北方地区，一般通过热泵经销商零售渠道；“煤改电”需求约占20-30%，为政府统一采购；而地产开发商集采目前仅占5%-10%，但呈显著上升趋势。随着“煤改电”的政策窗口期接近尾声，零售和开发商将是热泵企业最应重点进攻的渠道。影响热泵购买决策最重要的因素是成本经济性和产品适用性。从消费者角度，对比热泵与替代