今天咱们来刷一门硬核课程，《马一峰·能源前沿报告》。
能源转型是过去这一年我们一提再提的热门话题。对于能源行业来说，碳中和目标拆解下来很明确，就是到2060年，让能源结构中非化石能源的比重，从现在的17%提高到80%，这是一个确定的终点。为此，国家不但出台了“十四五”现代能源体系规划，还有各个细分能源的指导政策。有权威机构测算过，我国实现碳中和总共需要约140万亿的投资，这是个万亿级的超级赛道。
听到这儿，你可能会想，能源转型，是不是全靠政策推动，然后拼命投钱就行了？没那么简单。政策当然很重要，它是能源转型的总体指导，但不是能源转型的唯一驱动力。过去一年，能源行业发生了很多突破性的重大进展，这背后除了政策支持，还有两大驱动力：一是应用场景的拓展，二是技术瓶颈的突破。下面我们展开说说。
首先是应用场景的拓展，它让小众的清洁能源有了更大的用武之地。
比如氢能。氢能一直被称为人类终极清洁能源，奇怪的是，它的存在感很低，电动车都已经用上光伏发的电了，氢能车却没看见几辆。为啥呢？这和氢能的先天限制有关。过去，氢是按照危险化学品来管理的。氢气的爆炸极限是4%—75.6%，空气中只要混进4%的氢气，遇火就很容易爆炸，这导致它难储存、难运输。如果通过建加氢站来加氢呢，成本非常高，新建一座的成本是1500万元。现在全国只有255座加氢站，想达到加油站那么高的密度，还需要很长时间。所以，氢能应用迟迟无法落地。
可喜的是，从2022年开始，氢能要进入实质性应用阶段了，因为氢能找到了一个特别合适的应用场景：工业副产氢就近用于固定线路的商用车。举个具体的例子，雄安新区投产了一条名叫“容易线”的氢能重卡运输线路。重卡，就是商用重型卡车；路线起点在雄安新区容城县，终点到易县，全长59公里，这是雄安新区主要的建材运输通道；氢气的供应商，是附近一家做焦炭化工的企业，它们每年要生产大量的工业副产氢，长管拖车跑上100公里就送到“容易线”的加氢站了。
为什么这个场景特别适合用氢能呢？
首先，商用车迫切需要清洁转型。商用车是出了名的高排放，2021年，商用车的保有量占全国车辆的12%，但它消耗的汽柴油占了51%，排放的二氧化碳占了56%，污染物排放占比更是高达80%。
其次，固定线路，可以解决氢能储运的“先天不足”。商用车行驶的路线是固定的，加氢站密度的问题很好解决；商用车也基本停放在露天环境，泄漏的氢气马上会被稀释，爆炸风险大大降低。
最后，“工业副产氢”能很好地解决能源的供应问题。这里用的氢是工业副产品，成本低，每公斤16元的价格，是电解水制氢的三分之一。产业分布也广，能产生副产品氢的焦化工业在全国很多省市都有分布，并且能和重卡运输的需求区域重叠，氢能供应很方便。
总结一下这个模式：一边是大量工业副产氢，一边是商用重卡的减排需求，两者相结合，就有了一个特别适合的应用场景，就给了氢能应用从0到1突破的机会。
再举一个应用场景拓展的例子，核能。单看供电，核能好像不太起眼，目前在我国电力供给中只占5%。不过现在，核能在应用上有一个重大突破，就是核能供暖。山东烟台的海阳市完成了全国首个“核能供暖”任务，核电站发电的同时，利用余热加热暖气水，热电联供，为500万平方米的海阳城区连续供热143天。
为什么核能供暖这个应用特别了不起呢？它解决了一个困扰我们多年的难题——城市供暖的清洁化问题。我国一共有17个省份需要冬季采暖，覆盖了60%的国土面积，一半以上的人口。2020年，全国集中供热用掉了2.8亿吨煤炭，产生了6亿吨二氧化碳和其他污染物，相当于全国交通领域半年的排放量。
之所以有这么大的排放，是因为我们的供暖一直都是以燃煤锅炉为主，这也是我国实现双碳目标的一大障碍。如果用清洁能源替代行不行？用天然气代替燃煤，成本要高3倍，再加上我国天然气近一半靠进口，供应上根本不够。用电成本就更高了，和燃煤不在一个量级，电网也承受不了这么大功率的负荷。
这样一来，核能供暖就是一个非常值得关注的应用了。就拿海阳市来说，一个供热季，如果燃煤，要用掉18万吨煤炭，4500辆大卡车才装得下。核能供暖用了多少燃料呢？1.2吨，一辆小面包车就拉走了，而且零碳排，能量密度和清洁程度碾压其他能源。
你可能会担心，核能是不是会有安全问题，毕竟历史上的核事故让人心有余悸。我们已经掌握了国际上领先的第三代核电技术，核电站能抵抗任何假设的可能事故，安全性很高。你也不用担心家里暖气片会有核辐射，核能供暖送来的水，是经过5层隔离和监测之后的安全热水，对人体没有任何伤害。
示范项目成功后，今年的供暖季，预计核能供暖能覆盖3000万平方米、100万人口的取暖需求。当然，这只是沿海地区的核能供暖项目。现在，我们还在推进第四代核电技术。第四代核电站，可以做到像集装箱那么大，并且大部分不需要用水冷却，可以在内陆使用。现在甘肃和山东已经有了测试项目，第四代核电站建成后，核能供暖也会推广到内陆地区。
前面说的氢能和核能，是应用场景驱动的两个进展。接着咱们来看看，技术突破如何驱动能源行业的重大进展。
比如，和光伏并称“新能源双雄”的风电，目前正在遭遇发展瓶颈，因为风电的开发越来越难了。过去十年，风力资源丰富、位置好的地区，已经被开发得差不多了，剩下的适宜地区越来越少。
这就要求，风电要逐步转向两个领域，一个是低风速风能的开发，比如中东部省份的低海拔地区，还有一个是海上风能。但是，这两个地方的风能开发都不容易，风机的装机成本更高。想要控制发电成本，必须提高每台风机的发电效率。
怎么解决呢？目前最主要的方法就是使用更大型的风机，叶片越大，发电效率越高。理论上，风机吸收的能量和叶片长度的平方成正比，也就是说，假如一个叶片从20米变成40米长，可利用的能量就会增加4倍。
这个道理很好理解，问题是，要造出来并不容易。现在常见的50米风机叶片，一个叶片重量已经是10吨，风机的三个叶片旋转起来，相当于三只大象在天上跳舞。同时，增加叶片长度，重量不是线性增加，而是成倍增加的。把叶片长度从50米增加到100米，叶片重量会从10吨增加到80吨，三只大象，立马变成了三只恐龙。重力和风力双双提高，叶片材料就更容易劳损、变形，甚至断裂。
现在常见的风机材料，是玻璃纤维，用纯玻璃纤维造出的叶片，长度可以达到90米。从研究的预测来看，只要材料允许，叶片的长度理论上可以超过200米，这个长度就不是玻璃纤维能承受的了。想要造出200米的叶片，得用碳纤维。碳纤维的强度，要比玻璃纤维高出40%。另一个指标，“模量”，更是高出3—8倍。模量越高，材料越不容易变形。同时，碳纤维密度还更小，能比玻璃纤维轻30%。
适合做风机叶片的碳纤维，是48K大丝束碳纤维，也就是每一束碳纤维中的纤维根数有4.8万根。过去，大丝束碳纤维的核心技术被美国和日本把持，技术壁垒很高。今年，上海石化解决了这个卡脖子的问题，自主研发出了48K大丝束碳纤维。上海石化今年年初开始安装设备，8月份通过了中期试产，具备投产能力，年产能预计有1.2万吨。上海石化也已经开始涉足风机叶片制造了，200米长的风机叶片，正在向我们招手。
你看，大丝束碳纤维的国产化，是材料基础科学上的突破。乍一听和新能源关系不大，它却解决了风电发展的瓶颈问题。
技术突破还推动了能源行业的哪些进展呢？咱们把视线拉回到化石能源上。不要觉得有了“双碳”目标，化石能源就不重要了。到2060年，我国的能源结构中依然有20%的化石能源，需求量大概是3万亿吨。所以，传统能源的突破也很重要。
比如，有一种能源叫“页岩油”，我国的储量排名世界第三，但它一直被当作是“无效资源”。你知道，美国已经能够规模化地开采页岩油了，但中国的页岩油开采难度，要比美国高上好几个等级，很多国际能源公司都来中国尝试过，最后都放弃了。
也是在今年，我国对页岩油的开采技术有了很大突破。比如，原来的开采方法，是在页岩中压出很多裂缝，让石油渗出来。但裂缝很容易闭合，出油量很低。现在，我们把岩石压裂后不马上开采，而是用高压继续憋着，让裂缝吸水膨胀，不断形成新的裂缝，这就让页岩油产量大大提升了。
和页岩油一样“看得见，采不着”的，还有南海海域的油气资源，那里光石油就有200亿吨，够中国用30年。这些资源70%都位于水深超过1500米的超深水区域，过去一直很难开采。去年，我国自主研发的“深海一号”平台，打破了这个局面，它集合了很多先进制造技术，能够开采出超深水区域的油气资源。现在，深海一号为粤港澳大湾区供应着四分之一的用气。
好，以上是我们从《马一峰·能源前沿报告》这门课里，挑选的几个片段和你分享。
过去一年中，像这样的重大进展还有很多。在场景和技术的双轮驱动下，我们正在朝着能源转型的终点稳步前进。最后再提醒你一下，从现在到年底，《马一峰·能源前沿报告》还会为你每月更新一期月报，跟你及时同步最前沿的能源话题，推荐你加入学习。
