能源轉型的方向是以化石能源為主的能源結構轉為以可再生能源為主。這是實現(xiàn)碳中和的基石，亦是全球經濟綠色轉型的引擎。
然而，支撐能源轉型的新能源技術仍未完全準備好。目前的主力新能源產品有待進一步降本增效;具有更大發(fā)展?jié)摿Α⑸形瓷虡I(yè)化開發(fā)的新能源產品則更需要突破技術和成本的壁壘。
目前大規(guī)模商業(yè)化開發(fā)的可再生能源以太陽能、風能為主，前者的主力產品是PERC(發(fā)射極及背面鈍化電池)單晶硅電池，后者則是陸上風機。這兩大主力產品能效已接近瓶頸，更高效的光伏電池和更高功率的海上風機，正逐漸上升為更新一代可商業(yè)化開發(fā)的能源產品。
太陽能和風能的缺點是間歇性、波動性大，因此，在其本身降本增效的同時，還要開發(fā)可為其調峰的儲能設施。另一方面，由風電、太陽能發(fā)電制造的氫氣既零碳排放又穩(wěn)定，且可作為調峰介質，被認為是碳中和時代僅次于風光的主力能源。
除此之外，人類還在探索更高效、更清潔的新能源，比如潮汐能、核聚變發(fā)電等等。雖然目前還看不到這些更超前的新能源商業(yè)化開發(fā)的曙光，但新的能源技術如星辰，照亮了地球更美好的方向。
現(xiàn)有新能源的潛力
可再生能源里發(fā)展最快的當屬太陽能發(fā)電，其分為光熱和光伏兩種技術路徑，目前主流是光伏發(fā)電。光伏發(fā)電的核心是利用電池將太陽能轉化為電，因此，光伏電池是光伏發(fā)電提高效率的關鍵。
中國光伏企業(yè)競爭力排在世界前列，中國光伏市場代表當今光伏產業(yè)最先進的水平。當前主流的光伏電池是單晶硅電池，其按照硅片型號可分為N型電池和P型電池。后者的極致是PERC電池，其光電轉換效率已超過23%，接近該電池的理論最高值。效率更高的N型單晶硅電池目前僅占很微小的市場份額。
商業(yè)潛力較大的兩種N型電池分別是TOPCon(隧穿氧化層鈍化接觸)電池和HJT(異質結)電池，業(yè)界認為這兩種電池的光電轉換極限理論效率均約28.7%。各大光伏龍頭企業(yè)如今皆已布局。
中國光伏行業(yè)協(xié)會發(fā)布的《中國光伏產業(yè)發(fā)展路線圖(2020版)》稱，2020年，中國新建量產光伏電池產線以PERC電池為主，市場占比86.4%，N型電池占比約為3.5%。隨著N型電池的效率和成本優(yōu)勢不斷改善，N型電池市場占比將逐步提升。
非晶硅光伏電池在可預見的未來也可實現(xiàn)商業(yè)化量產。當前最被看好的非晶硅光伏電池是鈣鈦礦電池，其轉換效率理論極限值為33%，鈣鈦礦電池和晶體硅組成的疊層電池理論轉換率極限可達43%。
風能的規(guī)模化開發(fā)比光伏更早，但業(yè)界一般認為風能的開發(fā)潛力略小于光伏。各主要國家目前陸上風電技術基本成熟，正處于裝機規(guī)模高速增長的階段。海上風電則仍處于技術完善期，更大功率、更加經濟的海上風機是業(yè)界追求的方向。
海上風機比陸上風機的技術難度更大，面臨著空氣動力學、造船學和流體力學等多個方面的技術挑戰(zhàn)。據全球風能理事會(GWEC)統(tǒng)計，去年全球海上風電的資本支出首次超過了海上石油和天然氣的投資。
一旦技術難點攻克，海上風電便有與火電、核電相當的潛力。GWEC預計，全球海上風電的年裝機容量將在五年內翻兩番;其在全球新增風電裝機中的份額，將從目前的6.5%增至2025年的21%。
目前，海上風電正在向中遠海海域進發(fā)。業(yè)界認為，漂浮式風力發(fā)電機將比目前的固定式海上風機更適合中遠海海域。美國、歐洲、中國政府都在積極推動漂浮式風機的技術進步，均已研制了相關實驗機組。
根據國家可再生能源實驗室(NREL)的預測，海上漂浮式風機可使美國海上風力資源的潛力擴大到每年7000太瓦時(TWh)以上，幾乎是美國每年總能源消耗量的兩倍。
對太陽能和風能來說，其發(fā)展的潛力不僅取決于本身的技術進步，還要依賴儲能技術的發(fā)展。
隨著光伏、風電在供電結構中的比例不斷升高，電網側的儲能規(guī)模正在迅速擴大。2019年底中國電化學儲能累積裝機功率規(guī)模較2015年增長了近十倍。
抽水蓄能是最成熟、成本最低的儲能技術，但其發(fā)展空間有限。包括鉛蓄電池、鋰離子電池、液流電池、鈉硫電池等在內的化學儲能是當前技術攻關的重點。業(yè)界希望能找到更長壽命、更安全、更低成本的新型電池。
與抽水蓄能同屬物理儲能的飛輪儲能技術近期發(fā)展較快，現(xiàn)已在多個風電場建立示范項目，有的項目還采用了飛輪和電池混合的儲能模式。
飛輪儲能是指通過高速旋轉體的旋轉進行動能存儲，同時進行動能和電能之間的轉換。它具有使用壽命長、功率密度更大、充放電迅速等優(yōu)點。目前該技術正在走向成熟，處于商業(yè)化發(fā)展的前期。
未來新能源的雛形
氫氣是一種古老的氣體，利用化石能源制氫也是一項成熟技術。直到風電、光伏大規(guī)模開發(fā)之后，氫氣才被人們改稱為氫能。因為只有通過可再生能源生產的氫氣(業(yè)界稱之為綠氫)才是零碳排放的可再生能源。它被認為是碳中和時代，在無法電氣化的領域使用的終極能源。
可再生能源制氫一般是指電解水制氫，即在電解質水溶液中通入電流后產生氫氣，其技術路線主要分三種：堿性水電解槽制氫、質子交換膜水電解槽制氫和固體氧化物水電解槽制氫。
綠氫商業(yè)化開發(fā)需要具備兩個因素：可再生能源發(fā)電成本下降，電解水制氫設備技術進步。
目前，可再生能源發(fā)電降低成本的趨勢十分清晰，電解水制氫設備的技術發(fā)展仍面臨挑戰(zhàn)。歐洲國家掌握了全球最先進的電解水制氫設備技術，歐洲也是推廣綠氫最積極的地區(qū)。歐盟計劃在未來十年快速擴大電解槽的市場規(guī)模，以降低成本。
不過，十年內，藍氫應該是比綠氫更加可行的過渡能源。藍氫是指以化石能源制氫，并加上CCUS(二氧化碳的捕集、利用與封存)。因為化石能源制氫技術成熟成本低，同時CCUS也在快速發(fā)展。
英國政府此前宣布出資2.2億英鎊促進碳密集型行業(yè)清潔低碳轉型，其中就包括CCUS技術。同時，英國還計劃在未來十年內通過差價合約等新機制，增加藍氫供應。其計劃到2030年后再大力發(fā)展成本下降的綠氫。
國際能源署(IEA)發(fā)布的《2021年世界能源展望》稱，到2050年，成功實現(xiàn)凈零排放將為風力發(fā)電機組、太陽能電池板、鋰離子電池、綠氫等行業(yè)創(chuàng)造每年超過1萬億美元的市場，其規(guī)模可與當前的石油市場相媲美。
除了上述這些已經或者即將商業(yè)化開發(fā)的可再生能源，人類仍然在探索諸多更清潔、更高效的新能源產品。
地球上資源最豐富的是海洋，海洋中的能源是待開發(fā)的巨大寶藏。根據國際可再生能源署(IRENA)的數據，所有海洋能源技術的發(fā)電潛力總和為每年45000-130000TWh，是目前全球電力年需求的兩倍以上。人們對其降低成本的前景持樂觀態(tài)度，預期十年以后，海洋能源將與成熟的可再生能源一樣進入大規(guī)模開發(fā)階段。
目前海洋能還在發(fā)展的初期，不過，潮汐能和波浪能已成為電力成本高的偏遠島嶼上可行的替代能源。全球在建的潮汐流和波浪項目有55%在歐洲。歐盟發(fā)布的海上能源戰(zhàn)略中，除了大力開發(fā)海上風電，還納入了潮汐能、波浪能等其他形式的海洋能源。歐盟認為，相較于風能和太陽能，波浪能和潮汐能發(fā)電更加穩(wěn)，可在歐盟脫碳和穩(wěn)定電網中起至關重要的作用。
普照萬物的太陽也給了人們開發(fā)能源的靈感。創(chuàng)造類似太陽的內部條件，產生核聚變反應，再利用其發(fā)熱發(fā)電，那么人類將擁有幾近無窮無盡的清潔能源。
核聚變是輕核(主要是氫的同位素氘和氚)聚合成較重的原子核，同時釋放出巨大能量的過程，太陽發(fā)光發(fā)熱和氫彈爆炸就是這樣的原理。聚變反應釋放的能量巨大，1升海水中的氘通過聚變反應可釋放出相當于300升汽油燃燒的能量，且聚變的反應產物是比較穩(wěn)定的氦。
受控熱核聚變一直是科學家們的夢想，目前雖仍未實現(xiàn)，但美國、中國等國的多個官方機構和民營企業(yè)都在積極探索這一終極能源。
