来源：金融界
人类历史经历过两次重要的能源革命，回溯复盘历次能源革命，能源增效和降本是永恒的主题。当下以低碳，可再生能源为标志的第三次能源革命正在开展，本报告将从煤炭、动力电池，储能、光伏，风电、氢能和核电七大核心题材梳理相关能源领域的技术迭代和降本提效驱动力。
核心观点
·煤炭中期占主导地位，实现绿色开采与应用。煤炭是我国的主导能源，中期看占绝对份额，通过科技进步实现煤炭安全、高效、智能、绿色开采和清洁高效利用是我国煤炭工业高质量发展的方向，在生产端，智能矿山技术提高了煤炭开采效率，减少了煤炭开采过程中的损耗；在应用端，煤制氢技术的进步降低了二氧化碳的排放，为煤炭清洁高效利用提供了有效的技术支撑。
·动力电池装机量远超预期，行业景气度维持高位。正极材料升级是提升动力电池能量密度的突破口，高镍化，低钴化，单晶化的三元正极同时兼备高能量密度和安全性，是三元正极的升级方向；磷酸锰铁锂正极独特的双电压平台以及高能量密度是磷酸铁锂正极新的发展方向；负极石墨化工艺的连续法和箱式法有效降低了能耗和原材料用量；4680圆柱电池是平衡降本和续航的最优解，具有结构简单，能量密度高的优点，刀片电池则具有能量密度高，安全性高的优势；换电模式和快充模式有效缓解了电动车里程焦虑。
·储能是能源革命的重要参与者，电化学储能更具优势。储能技术实现了电力供需的时间转移，电化学储能是未来的主要储能形式，传统的磷酸铁锂储能电池循环寿命有望翻倍，单次循环成本大幅降低，新的钠电池技术有望推动储能成本进一步下降。
·光伏发电成本稳步下降，光电转换效率不断提升。硅料环节，硅烷流化床法生产的颗粒硅具有效率高，能耗低，二氧化碳排放少等优势；硅片环节的单晶代替多晶，硅片大尺寸化和薄片化将会有效降低成本，提升效率；电池片环节的趋势是N型电池替代P型电池，以N型PERT、TOPCon、HJT和IBC为代表的的N型电池可以有效提高光电转换效率；组件环节的半片和双面组件技术可以有效降低企业成本和提升组件功率。
·风电成本大幅下降，风电进入平价时代。风机大型化可以有效降低风电成本，是未来风机的发展方向，碳纤维叶片则可以解决风机大型化的尺寸和重量难题，提升风电整体经济性，除此之外规模效应也可以有效降低风电成本。
· “双碳”目标下，氢能迎来新的机遇。制氢环节，电解水制氢是未来的发展方向；储运氢环节，大规模液氢储运有望实现民用化；加氢环节，政策补贴带来的规模化是加氢站成本下降的关键性驱动因素；氢燃料电池整车环节，氢燃料电池系统和储氢系统价格下降以及政策补贴发力是整车降本的主要驱动因素。
·第四代核电站技术增强核能安全性，提升发电功率。核电的应用和发展主要面临“选址条件苛刻”、“核废料处理困难”和“核泄漏风险难以规避”三大问题。第四代核电技术让反应堆实现自我控制核泄漏，并选用氟化盐等物质替代水，解决对水的依赖问题；在核废料的处理上，第四代核电技术有希望实现废料的循环利用，从而大大减少废料的总量。
·风险提示：技术进步不及预期、政策推广不及预期、上游原材料价格变化、新冠疫情扩散
目录
01
第三次能源革命正式开启
能源领域的第一次革命是人类有意识地使用和掌握人工火。从自然火的利用到收集、保存和利用人工火标志着人类生产和生活的第一次实践。人类彻底摆脱了茹毛饮血的原始生活，迈向了文明社会。木材、秸秆等柴薪能源由于易获取、易燃烧、易运输等特点成为人类社会生产和生活的主要能源，人类从此迈进了植物能源时代。
能源领域的第二次革命是化石能源替代植物能源成为新的主导能源。第二次能源革命受工业革命驱动，化石能源替代植物能源成为新的主导能源，人类社会正式步入化石能源时代。化石能源时代可以分为煤炭能源时代和油气能源时代两个阶段：煤炭能源时代以18世纪中期瓦特对蒸汽机的改良引发第一次工业革命为标志，蒸汽机的广泛使用一方面提高了煤炭开采的规模和效率，另一方面，煤炭的规模化开采和利用反过来为蒸汽机提供了源源不断的动力推动了工业化的发展；工业革命和能源革命交织在一起推动成就了英国的“日不落帝国”地位。内燃机的发明和电的发现将第二次能源革命推向高潮，开启油气资源时代。石油更高的热值和效能使得内燃机较蒸汽机更轻便，更高效，推动了汽车、飞机、轮船等交通运输工具的飞速发展，推动了石油产业和石油化工产业的发展。电器的广泛应用是第二次工业革命的最显著的特征，人类从一次能源利用转向二次能源的利用，电力成为新的能源，推动人类社会进入油气能源时代。率先进行的第二次工业革命和能源革命的美国经济得以快速发展，美国超过英国成为世界经济强国，随后又成为世界霸主。
能源效率的提升和成本的降低是能源革命永恒的主题。回溯复盘人类历史所经历的历次能源革命，获取高效率和低成本的能源是能源升级的永恒主题。第三次能源革命的特点是以可再生能源代替不可再生能源，以低碳能源代替高碳能源，当下应对气候变化与能源低碳转型已成全球共识，中国能源利用已经进入高质量发展的新时代，建设多元清洁的能源供应体系，“四个革命、一个合作”能源安全新战略，为新时代中国能源发展指明了方向，开辟了中国特色能源发展新道路。2020年9月，习近平主席在第七十五届联合国大会一般性辩论上首次提出我国计划力争于2030年实现碳达峰，2060年实现碳中和。煤电作为我国主导发电方式，碳排量极高，据电力部门统计，我国2020年煤电碳排量为40.3亿吨，占全国碳排的40％多，因此为实现双碳规划，能源升级转型是我国战略发展必经之路。2021年3月，我国“十四五”规划明确提出“推进能源革命，建设清洁低碳、安全高效的能源体系”，并强调“非化石能源占能源消费总量比重提高到20％左右，推进以电代煤”的发展方向。本报告将从煤炭，动力电池，储能，光伏，风电，氢能，核电七个核心题材回顾总结能源发展的历史，详细解析能源降本增效的路径，梳理相关产业链技术迭代升级的路线。
02
煤炭
1. 煤炭中期占主导地位，实现绿色开采与应用
煤炭是我国的主导能源，中期看占绝对份额。煤炭是我国一次能源中最经济、可靠的能源，长期以来，煤炭产量与消费量分别占我国一次能源生产和消费总量的70％和60％以上，我国能源结构的基本特征是“富煤、贫油、少气”，根据国家统计局， 2020 年我国煤炭消费量占能源消费总量的 56.8％，天然气、水电、核电、风电等清洁能源消费量占比仅 24.3％，虽然当前新能源快速发展，但中期看煤炭在我国能源结构中仍占据绝对份额。
科技进步实现煤炭资源的清洁高效利用。通过科技进步实现煤炭安全、高效、智能、绿色开采和清洁高效利用是我国煤炭工业高质量发展的方向，在生产端，智能矿山技术提高了煤炭开采效率，减少了煤炭开采过程中的损耗；在应用端，煤制氢技术的进步降低了二氧化碳的排放，为煤炭清洁高效利用提供了有效的技术支撑。
2.降本提效驱动因素：智能煤矿和煤制氢
2.1.智能煤矿
智能煤矿是大数据和工业互联网技术在煤炭生产端的应用。智能煤矿是基于最新的云计算、人工智能等技术实现矿山生产流程智能化管理的一整套解决方案。智能煤矿通过全面感知和分析矿山生产流程涉及的对象，包括各种机电设备及其状态、井下重大危险源（如水、火、瓦斯、顶板等）相关信息及工程技术与管理人员等，实现人与人、人与物和物与物之间无障碍互联互通，实现安全生产全流程的智能分析和远程管控，确保煤矿的安全生产和高产高效。
国家高度重视煤矿智能化建设，政策顶层设计不断完善。我国采煤技术经历了人工炮采、普通机械化开采、综合机械化开采和目前的智能化开采4个主要阶段，煤矿智能化是新发展阶段煤炭行业高质量发展的必由之路。我国煤矿智能化发展可分为四个阶段：（1） 20 世纪 90 年代，单机自动化阶段；（2）21 世纪初，综合自动化阶段；（3） 2010 年至今，局部智能化阶段；（4） 未来，透明矿井 4.0 时代。2020年2月，国家发展改革委、国家能源局等八部委联合发布了《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》，吹响了煤炭工业向智能化进军的冲锋号，标志着煤炭工业迈进了实现智能化的新阶段。国家首批示范建设煤矿70％以上将于年底前建成，预计2023年底前全部完成建设，以点带面带动全国近400座煤矿开展智能化升级改造，目前已建成智能化采掘工作面813个，减人增安提效的效果日益显现，并在去冬今春煤炭安全增产增供中发挥了重要作用。
智能煤矿是煤炭工业高质量发展的重要支撑。智能煤矿对实现煤矿减人增安提效、促进能源低碳转型具有重要意义。智能煤矿将人工智能、工业物联网、云计算、大数据、机器人、智能装备等与现代煤炭开发利用深度融合，形成全面感知、实时互联、分析决策、自主学习、动态预测、协同控制的智能系统，实现煤矿开拓、采掘（剥）、运输、通风、洗选、安全保障、经营管理等过程的智能化运行，对于提升煤矿安全生产水平、保障煤炭稳定供应具有重要意义。信息化、数字化是煤矿智能化的基础和基本特征，是从不同视角对其主要技术特性的表征。煤矿智能化建设基础是要依靠海量传感器对井下环境、设备以及人员进行实时感知。传统无线通讯、传输技术无法同时满足海量传感器的实时接入，一直制约着井下传感网络的建设。随着5G技术的快速发展，以其大带宽、低延时和广连接三大技术优势，深度契合了煤矿智能化全面感知网络的技术需求。5G技术与大数据和云计算结合，将非实时的数据上传到云端，对数据价值进行深度挖掘，将实时性强的数据下沉到设备端，降低数据传输与解算时延，为煤矿智能化运行提供了强有力的支撑。
煤矿智能化要重点建设十大智能应用系统，分别为综合管控系统及大数据平台、地质保障及4D-GIS动态信息系统、5G高速通信网络及精准位置服务系统、巷道智能快速掘进系统、工作面智能协同控制系统、主煤流及辅助运输智能系统、井下环境感知及安全管控系统、固定场所无人值守智能管理系统、煤矿智能选煤系统、智慧园区与经营管理系统，其中前3个系统属于煤矿总体基础平台，第4、第5、第6个系统属于井下采掘运系统，第7、第8个系统属于井下安全系统，第9、第10个系统属于煤矿辅助保障系统。
智能煤矿市场空间有望达到1200亿元。中国煤炭工业协会数据显示，截至2020 年底，我国共有煤矿数量约 4700 处，其中年产 120 万吨以上的大型煤矿 1200 处左右（产量占全国的 80％ 左右）。根据规划，“十四五”期间将淘汰一批落后煤矿（预计以小型煤矿为主），到“十四五”末全国煤矿数量将控制在 4000 处左右。根据产业链调研，假设煤矿智能化建设平均单矿投入 1 亿元以上（其中基础设施 5000万元，智能化设备 3000万元，智能化系统 2000万元 ），以全国 4000 处煤矿计算，对应煤矿智能化总市场空间约 4000 亿元。根据 《 关于加快煤矿智能化发展的指导意见 》，到 2025 年，大型煤矿和灾害严重煤矿基本实现智能化，按照全国年产 120 万吨以上的煤矿 1200 处计算，“十四五”期间煤矿智能化市场空间约 1200 亿元 。
2.2. 煤制氢
煤制氢的主要技术路线是煤的气化，是指煤在高温常压或加压下，与气化剂反应转化成气体产物，气化剂为水蒸气或氧气（空气），气体产物中含有氢气等成分，其含量随不同气化方法而异，利用变压吸附（PSA） 技术可将其提纯到燃料电池用氢要求。传统的煤制氢过程会排放大量的二氧化碳，不符合低碳化要求，并且制取的氢气中还有硫磷等吸附性杂质，检测难度较高。
煤制氢适合大规模集中制氢。煤制氢需要使用大型气化设备，前期设备投资成本较高，单位投资成本在1~1.7万元/（Nm3/h），因此只有通过大规模集中制氢才能降低生产成本；此外，煤制氢成本还受煤炭价格影响，在煤炭价格为200~1000元/吨时，煤制氢成本约为6.77~12.14元/kg；因此煤制氢只适合中央工厂集中制氢，不适合分布式制氢。
超临界水煤气化技术有望成为未来煤制氢技术路线。传统的煤制氢采用固定床、流化床、气流床等工艺，合成气体中一氧化碳，二氧化碳等体积分数高达45~70％。新型的煤制氢技术以超临界水煤气化技术为代表，利用超临界水（温度≥374℃，压力≥22.1MPa）作为均相反应媒介，具有氢气组分高，气化效率高，污染少等优点，但是目前尚未实现产业化。
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