碳中和——未來40年最大的機遇（附公司）

阿國寶 2021-09-01

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一、碳中和背景

2020年12月21日，國家能源局局長章建華在出席發(fā)布會時稱，中國已經(jīng)成為全球最大的能源生產(chǎn)國，同時也是全球最大的能源消費國。未來，中國將加大煤炭的清潔化開發(fā)利用，大力提升油氣勘探開發(fā)力度；加快風能、太陽能、生物質(zhì)能等非化石能源開發(fā)利用，推動低碳能源來替代高碳能源；以新一代信息基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)為契機，推動能源數(shù)字化和智能化發(fā)展。

在2020年，全球能源碳排放320億噸，中國碳排放99億噸，占全球碳排放的31%，如果從1750年開始統(tǒng)計，中國能源累計碳排放2100億噸，占全球碳排放的13%。

圖片來自舒總的報告

目前我國的雙碳目標為在2030年前碳達峰，在2060年前實現(xiàn)碳中和，這個目標相對于目前世界上的幾大主要經(jīng)濟體而言，是要求最高，時間最緊迫的。

由于經(jīng)濟發(fā)展的水平不同，歐盟在上世紀80年代即實現(xiàn)了碳達峰，日本在2008年，美國在2007年也分別實現(xiàn)了碳達峰，而這幾大經(jīng)濟體的碳中和目標定在2050年，相較于我國，他們的時間更長，經(jīng)濟發(fā)展水平也更高。

目前，我國的能源結(jié)構(gòu)中，非化石能源占比僅僅為15.9%，清潔能源（包括水電）發(fā)電量占比36%，煤炭占比52%，遠高于世界平均水平，這和我國煤炭資源儲量豐富有一定關(guān)系，相較于一些發(fā)達經(jīng)濟體而言，我國能源結(jié)構(gòu)改革，任重道遠。

以歐盟為例，2004年至2019年期間，歐盟可再生能源所占份額增加了一倍以上。

其中瑞典可再生能源占其終端能源消費總量的一半以上，達56.4％，在2019年歐盟成員國中所占份額最高。其次是芬蘭（43.1％）、拉脫維亞（41.0％）、丹麥（37.2％）和奧地利（33.6％）。

如果單單以電力供應(yīng)角度分析，部分歐洲國家的可再生能源電力供應(yīng)占比只能用恐怖來形容：

2019年來自可再生能源的電力消耗占比超過70％的有個個國家，分別是奧地利（75％）和瑞典（71％）。占比超過50%的國家有：丹麥（65％）、葡萄牙（54％）和拉脫維亞（53％）。

如此高的可再生能源占比，在中國簡直不可想象，要知道區(qū)域電網(wǎng)中，可再生能源占比較高的省份，也沒有超過30%，這主要和目前我國儲能應(yīng)用經(jīng)濟性較差，電價較低有關(guān)。

由此，其實可以引出為實現(xiàn)碳中和最先需要解決的地方，就是能源的供給端，改變我國的能源供給結(jié)構(gòu)，加大可再生能源在電力供應(yīng)和終端消費中的占比，是切實實現(xiàn)雙碳目標最根本的途徑。

二、電源側(cè)

需要改變能源結(jié)構(gòu)，引入清潔電力必不可少，目前主流的清潔能源主要有：風能、太陽能、氫能和水勢能。

雖然近年來，光伏深受資本市場追捧，但目前從各大發(fā)達經(jīng)濟體的能源結(jié)構(gòu)上看，占比最高的清潔能源仍然是風能和水勢能，其中水勢能受制于環(huán)境保護和地理位置的限制，無法大規(guī)模推廣，風能是目前當之無愧的減碳主力軍。

2.1 風能

1、風力發(fā)電原理

空氣流過風機葉片時，同時會產(chǎn)生推力和升力，目前的主流水平軸風機利用的是升力，在理論計算中，其能量轉(zhuǎn)化率具有一個上限——貝茨極限（約0.593）。

貝茨極限的推導(dǎo)如下：

v1 - 流入風機葉片的風速
v2 - 流出風機葉片的風速
ρ - 空氣密度
s - 葉片掃風面積
P -轉(zhuǎn)換的動能
P0 - 風的初始動能
則葉片處單位時間內(nèi)通過的風的質(zhì)量 M = ρ*s*(v1+v2 )/2 式1
根據(jù)能量守恒，葉片吸收的動能等于風殘余動能與風初始動能之差，于是得到：
P = (1/2)*M*(v1^2 - v2^2) 式2
將式1帶入式2得到：
P = (ρ/4)*(v1^2 - v2^2)*(v1+v2)*s
而風的初始動能：P0 = (ρ/2)* v1^3*s
則有：P/P0 = (1/2)*(1-(v2/v1)^2)*(1+(v2/v1))
由上式可見
P/P0 為 v2/v1 的三次函數(shù)，求導(dǎo)可得兩個駐點，對應(yīng)兩個極值，分別為1/3和-1。
由于v2/v1為正（流入和流出風速方向不會相反）
即當 v2/v1 = 1/3 時，P/P0 取得最大值 16/27≈0.593

以上，是從理論的角度來闡述利用風力發(fā)電的可行性，目前主流的風機廠商所用的三葉片水平軸風機在工程上的應(yīng)用，能量轉(zhuǎn)化率已經(jīng)接近50%，由于葉片尖端的能量損失不可避免，基本在翼型設(shè)計上，已經(jīng)達到了空氣動力學(xué)的頂峰。

目前風機的技術(shù)進步主要是向著單機大型化的方向發(fā)展，不論是陸上的風電機組還是海上的風電機組，追求單機大型化，都可以減少土地（海洋）資源的浪費，提高區(qū)域風資源利用，減少各臺風電機組之間的風資源擾動，提高發(fā)電量，降低度電成本。

前幾日，由明陽推出的16MW海上風電機組，是目前全球單機容量最高的風電機組。

2021年8月20日，明陽智能推出MySE16.0-242海上風電機組，該風電機組單機容量達16MW，超過維斯塔斯V236-15.0MW、西門子歌美颯14MW-222DD、GE Haliade X 14MW-220三款機型，一舉“躍居”成為單機容量中國最大、全球最大的海上風電機組。

解釋下：型號中的242指的是風機的葉輪直徑，也就是說這個16MW的龐然大物，單單是葉片直徑就達到了242米，如果塔筒高度在有個150m左右，單機最高可以達到接近300m。

2、各大風機廠商

上圖是全球前15大風機廠商的市占率排名，第2、4、6、7、9、10、11、12、13、15都是我們國家的廠商，其中金風科技（第二）還曾一度連續(xù)多年高居榜首，前文提到的明陽智能排在世界第六。

由于歐洲地區(qū)的風資源條件過于優(yōu)質(zhì)，這幾年讓維斯塔斯排到了世界第一，這主要和資源條件有關(guān)，歐洲多平原，風資源變化平緩，早幾年前就開始走單機大容量機組路線，容易上大規(guī)模風電場，一些小體量的國家，60%以上的電能都由風力發(fā)電提供（丹麥）。

而我國地形復(fù)雜多樣，風資源條件多變，因此在前幾年的發(fā)展中，廠家的產(chǎn)品更適合復(fù)雜地形（例如山地）風電場，單機容量遜色于其他前排選手，但在控制策略上更優(yōu)。

隨著單機大容量機組發(fā)展路線的確立，我國的風機廠商正在奮力追趕，目前的主要限制因素不在廠家端，而在于風機產(chǎn)業(yè)鏈的上游——高強度葉片材料的制造。

目前A股上市的主流風機整機制造廠商有：

金風科技

國內(nèi)無可爭議的第一，發(fā)家于新疆，最早從事風力發(fā)電技術(shù)開發(fā)的企業(yè)，國內(nèi)連續(xù)9年市占率第一，走的技術(shù)路線為不需要齒輪箱加速的直驅(qū)型風電機組，在未來大容量機組研發(fā)中，具有可靠性強的優(yōu)勢，但劣勢同樣存在，就是造價會偏高。

明陽智能

國內(nèi)排在第三，發(fā)家于廣東，其生產(chǎn)的機型具有豐富的抗臺經(jīng)驗，利用沿海優(yōu)勢，在海上風電開發(fā)領(lǐng)域積累有較深的經(jīng)驗。走的技術(shù)路線為：半直驅(qū)路線，造價低于直驅(qū)但高于雙饋機組。

運達股份

國企，技術(shù)積累雄厚，業(yè)內(nèi)人士（本人）盛贊其風電機組性價比較高，目前在創(chuàng)業(yè)板上市，市值較低，但已進入主升浪，借著上市融資，在20年風電搶裝潮中大幅度擴大市占率。其技術(shù)路線為雙饋型機組，同時也是唯一擁有國家重點實驗室的風機廠商。