以下工作论文支持卡内基国际和平基金会的美国清洁能源外交政策工作组,这是一个无党派工作组,旨在通过与国外合作脱碳来支持美国的清洁工业目标。十多年前,美国政策制定者哀叹一种新的斯普特尼克困境:中国公司可能主导清洁能源未来必不可少的技术生产,而美国工业则只能迎头赶上。1 如今,这样的警报响彻云霄。中国企业生产了近 60% 的电动汽车 (EV)、70% 的风力涡轮机机舱以及 80% 的太阳能电池组件、电池单元和主要加工矿物,并且在新型核电和绿色氢能方面也处于领先地位。2 这种地理集中度超过了现代类似物:即使在石油输出国组织 (OPEC) 鼎盛时期,这个石油卡特尔也只供应了全球原油市场的一半多一点。3 然而,中国对这些技术的部署对于通过缩小一些全球制造业差距来控制碳排放以实现净零目标,并促使世界上最大的净排放国在 2024 年(比北京的既定计划提前六年)达到排放稳定水平的目标来说,是一个好消息。4 但从长远来看,在一个向矿产、机械和电子迈进的时代,中国产品涌入全球市场,可能会使美国成为碳氢化合物超级大国。5 清洁能源系统不仅是稳定气候的关键;它们是地缘战略产品,将决定工业和技术实力的未来。
虽然美国以前所未有的产业政策应对了这一挑战,
但其中许多政策激励措施都试图重建中国企业继续占据主导地位的庞大供应链;自西方启动绿色工业努力以来,北京在矿产和清洁技术领域的领先地位只增不减。6 在此产业战略的基础上,美国及其盟友应集中精力加速能够规避当前供应脆弱性的跨越式技术,并在饱和度较低的行业推动具有成本竞争力的替代品。虽然华盛顿推出补贴和提高关税可能是培育国内工业基础的必要第一步,但它们可能会引发技术自满,并不能保证美国企业会创新,更不用说跨越式发展了。最近的创新政策发展显然是朝着正确方向迈出的一步,但展望未来,应优先考虑并加快这些政策的发展。如果美国要真正接受产业政策作为其前进的方向,那么创新应该是核心原则,而不是边缘考虑。这样做将维护美国在未来能源安全中的作用,同时促进更有利于减缓气候变化的中美关系:以竞争合作取代工业重商主义。
美国完全有能力应对挑战
该国已在先进电池、地热能、电网和存储技术以及低碳重工业等领域拥有新兴工业基础。在这些行业中,初创企业正在筹集机构投资,并利用纳米技术和石油和天然气钻探等领域的国内技术来推进新工艺,这些新工艺可能使美国工业处于某些清洁能源市场的前沿。未来的政策应利用这些优势,重点关注能够利用现有劳动力进行扩展的技术、具有弹性的材料减少以及具有发展全球竞争力的低碳产业的比较优势机会。但其中许多技术不会自行进入市场:它们需要进一步努力降低投资风险并推动下一代进步,以与国内外的现有产品竞争。本文的其余部分将探讨新兴能源系统和工业流程的战略价值,并探讨其部署的国内和国际激励措施。
跨越式发展机遇
在美国注册的新技术有可能改变清洁能源和传统工业部门的动态(见图 17)。一个基准指标是某个部门目前的生产水平与到 2050 年实现全球净零排放所需的水平之间的差距,其中差距较小意味着目标触手可及,差距较大则表示距离目标还有很长的路要走。能够取代现有技术及其供应风险的下一代系统至关重要;那些能够增强潜在市场或仅仅减少工业过程碳排放的技术则不那么重要,这些工业过程可以在美国使用传统燃料可靠地生产。最后,分析包括对该技术距离商业化还有多远的估计。所有这些在美国注册的技术都是由至少筹集了 A 轮股权或隶属于知名公司的公司开发的。这份名单并不详尽,不包括能够增强现有系统制造的使能技术,除了关键矿产领域的一些为化学生产提供重大突破的技术。此外,这项研究并不声称这些技术注定具有商业可行性;但是,它描绘了如何以及在何处可以利用它们来支持国内的复原力和竞争力以及全球气候目标。
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这些技术具有不同程度的重要性,
表明机会和战略收益可能出现在哪里。例如,与净零排放的差距很小,就像太阳能技术和电池一样,意味着中国的生产能力已经高度饱和,这意味着相关的跨越式机会将优先考虑国内供应复原力,而不一定是气候目标(尽管先进电池和太阳能都可能产生积极和不可预见的能源转型影响)。氢能、核能、地热能、永磁体和关键矿物等其他行业与净零生产存在中 Mint数据库图书馆 等差距,但也具有不同程度的高潜力,可以取代传统系统并释放新的清洁能源、热能、燃料和产品来源。水泥、钢铁和航空燃料等难以减排的行业与净零目标存在很大差距,但对复原力的影响较小。距离商业化较近的美国本土技术(如先进的电网、储能、重工业、矿物加工和一些地热技术)需要市场激励措施来帮助其实现应用。那些距离商业化程度较低或中等的技术(包括先进的太阳能电池、核反应堆和一些下一代氢能和地热技术)将需要研发和试点资金等政策。
电池和磁力发动机是能源安全的决定性技术前沿
它们是关键矿物需求的主要驱动因素,也是电动汽车、消费电子产品、机器人和国防系统等产品的基本要素。鉴于这些广泛的应用,它们是宏观经济稳定和国家安全最重要的能源转型技术,但两者都伴随着严重的美国供应链风险。磁力发动机需要稀土氧化物,锂离子电池需要球形石墨,这是中国最重要的矿物瓶颈,也是北京出口管制的目标。8
一些美国公司正在努力通过开发不需要这些地缘政治不稳定矿物的电池和磁铁来规避这些风险。一家开发不含稀土元素磁铁的美国公司正在试验其技术,而其他处于早期阶段的初创企业尚未筹集到符合本分析条件的投资。9 多家电池公司正在努力用更具弹性的材料替代锂离子电池中的石墨(电池中体积最大的成分),以支持更大的行驶里程。10 使用硅石墨混合物以及最终使用纯硅替代石墨的公司可能在商业化方面处于领先地位,但使用锂金属的公司可能对弹性产生最大影响并最大程度地降低成本。在锂金属硫电池等情况下,锂是唯一所需的关键矿物,可降低材 列表提供者 料费用和地缘政治风险(这种特定的突破性技术正处于中国实验室的早期研究阶段,是美国潜在技术优势的独特领域)。11 无论哪种情况,一些硅和锂金属设计都可以利用现有的电池工厂机器,从而加快商业化进程。
美国电池技术已做好准备,
可以实现跨越式发展。到 2030 年,中国工业预计将保留现有电池产量的三分之二,但仅控制这些下一代技术的三分之一——为增加美国新化学市场份额提供了机会。13 这些动态并没有被忽视。最近,北京为下一代电池提供了新的资金,而中国工业界已建立了工业、政府和研究人员之间的合作,以推进这些技术。14 这样的机遇和中国随后的政策回应强化了为什么美国应该专注于其工业有机会竞争的下一代产品,尤其是那些可以减轻中国矿物铅污染的电池(见图 2)。
新型电池技术可以提高效率和矿物安全
美国新兴的锂生产能力可能会进一步推动锂金属电池的转变,这是关键矿产领域新一代技术的一个例子,也是能源转型的支柱。美国在直接锂提取方面处于领先地位,这种技术可以有效地从油田盐水、地热电厂和盐滩中分离锂。随着美国直接锂提取的兴起,一些设施得到了政府资金的支持,而另一些则是石油和天然气、地热、下游化学品和传统锂生产商之间的工业协同作用的结果。15 在下游,多家初创企业正在开拓矿物加工和材料生产技术的先河,这些技术可以更有效地加工和生产材料,而无需承担与精炼相关的毒理学和水文成本。虽然这些系统为中国矿物加工技术的飞跃提供了途径,但它们才刚刚开始从试点阶段推进,其中一些系统在严峻的财务状况和缺乏将其可持续附加值内化的市场结构的情况下难以扩大规模。16 中国正效仿中国,发展电池回收中心,但这些系统只能是对世界不断增长的矿产需求的补充,直到 2040 年代才会影响主要供应。17 对于铜、锌、银和镍等许多能源过渡金属而言,没有供应侧的跨越式解决方案来取代采矿。
尽管美国在新输电线路和变压器等电网设备生产方面落后,但美国工业在先进电网和储能技术方面处于有利地位,这些技术将推动长期电力脱碳和稳定。18 一系列公司将很快开始大规模生产用于电网存储的电池,这些电池不含上述金属,存储时间明显更长;传统的锂离子电池可以经济地存储四到六个小时的电力,而这些新系统可以提供十二个小时甚至几天的存储容量。19 其中一些存储系统可以在特定市场上与现有的锂离子技术竞争。20 大量公司可以通过升级输电线、实施先进的监控系统和为最终用户连接智能电网软件来提高电网本身的容量和效率。虽然这些技术在取代现有电网系统方面催化弹性较低,但它们在气候压力增加、负荷变化和电力需求不断增长的情况下,通过电网稳定性促进了国内能源安全。 21 尽管中国企业也在开发长时储能和先进的电网系统,但美国行业的竞争力可能被低估——尤其是在那些对中国在国内关键基础设施中占有一席之地有同样安全担忧的国家。22
大量美国公司正在开发太阳能、
风能和核能领域的下一代技术。尽管这些技术对弹性和国内能源转型目标的重要性程度各不相同,但许多技术才刚刚开始试点阶段,可能很难赶上中国行业在全球市场上的步伐,更不用说与之竞争了。太阳能光伏是全球和美国增长最快的能源,具有巨大的长期潜力。23 多家初创企业和美国太阳能制造商正在开发钙钛矿太阳能电池——一种高效的下一代技术,有望降低成本并扩大部署。24 但它们的市场应用不太可能取代传统太阳能电池,因为该技术需要与传统电池板集成,从而限制了其跨越式潜力。25 此外,美国工业才刚刚开始试验这项技术,在与中国工业在钙钛矿专利方面的主导地位、在开发钙钛矿工厂方面的领先地位以及在传统太阳能制造业的无与伦比的地位的竞争中,可能面临重大挑战。26
目前还没有观察到现有陆上风力涡轮机的跨越式技术,但美国大约三分之二的海上风电潜力可能来自深海涡轮机,即浮动海上风力涡轮机。27 虽然有多家美国初创企业开始试行创新技术来部署浮动海上风电,但与欧洲和中国相比,美国海上风电行业仍处于起步阶段,一直在努力起步。28 虽然这些系统可以帮助美国某些地区脱碳,但它们几乎没有机会提高复原力或竞争力;浮动海上技术需要新的基础设施,而且美国工业无法在全球竞争。世界领先的中国风电企业已经在国内开发商业浮动项目,并计划在海上风电开发的历史领先者欧洲扩张。29 近期中国涡轮机的价格趋势比西方竞争对手低,进一步加剧了这些挑战。30
核能领域也出现了类似、甚至更为严峻的动态。即使得到华盛顿无党派的财政和监管支持,包括小型模块化反应堆在内的下一代核反应堆设计仍处于起步阶段,尽管美国公司在新型反应堆设计方面处于世界领先地位,但在美国,直到 2030 年代才可能投入使用。31 相比之下,中国于 2023 年开始运行一座小型下一代反应堆,预计 2026 年第二座小型模块化反应堆将开始商业发电。32 目前,中国工业正在建造世界上最大的新反应堆份额,以满足国内能源需求,并将继续向国外出口其技术。33 中国工业及其供应链的实力将使美国核工业难以竞争,除非在具有一致安全利益的国外市场(尽管是长期的)。34 此外,尚不清楚下一代反应堆是否是该行业的技术未来;许多新型反应堆设计将需要更高水平的浓缩铀燃料和更严格的标准化,以实现规模经济。35 聚变技术距离商业化尚有一段距离,但也许是美国和中国研发实力相当的领域,不过从长远来看,这项技术仍难以评估。36
相反,地热能源是美国在新能源竞争中能够取得领先地位的决定性领域。地热能源(从地壳中提取热量)曾经受到高温地下流体资源有限的限制,但如今这些障碍正在被打破。美国石油和天然气工程师率先采用了两种新技术,可提供全天候清洁能源,并将全国地热发电潜力扩大 140 倍——大约是目前美国全部装机容量的五倍(见图 3)。37 从长远来看,这些系统将支持电网剩余部分的脱碳,因为它们可以灵活地根据需要调整输出,同时还可以使用可变的可再生能源。38 但在短期内,它们将被部署用于为数据中心以及未来的直接空中捕获设施和美国军事基地项目供电。39 最重要的是,美国拥有世界领先的劳动力和钻井服务行业,能够迅速推广这项技术,其中一些行业已经以比风能和太阳能行业更快的速度削减成本——这已经实现了变革性的成本削减。40 尽管中国国有石油公司在地热领域取得了一些进展,但美国在钻探方面的工业优势使下一代地热能源成为美国可以证明全球竞争力的领域。41
美国地热潜力超过净零电力需求
美国技术在重工业脱碳方面具有战略优势,这是实现净零排放和领导气候的一大优势。重工业(包括钢铁、水泥和化学品生产)约占全球排放量的三分之一,在交通运输和电力行业脱碳趋势向好的情况下,这些排放量面临增加的风险。42 尽管前景令人担忧,但一些美国初创企业正在开发新的颠覆性工艺来生产低碳钢铁、水泥和化学品。其他美国技术通过热电池或高容量热泵等方式对工业热能进行脱碳。美国将继续在碳捕获技术方面保持全球领先地位,该技术在工业领域的应用日益广泛,但除了现有的溶剂和吸附剂工艺(这些工艺已被定期使用,但未能带来降低成本的效果)之外,没有观察到新的跨越式技术。43 工业脱碳技术提供了利用碳关税垄断出口市场的机会,并将这些系统推广到制造成本相对较低但工业排放增长风险较高的发展中国家。虽然清洁工业流程的成本较高,需要支持才能进入市场,但与中国相比,美国行业参与者处于有利地位。中国最近才提出工业脱碳目标,并启动了以氢为基础的低碳钢项目,但不太可能拥有类似的下一代工艺。44
为了满足低碳钢、肥料、化学品和可持续航空燃料的生产需求,美国可以开发新的氢燃料来源。未来的氢经济将需要清洁廉价的分子,但今天的氢工艺距离这一目标还很远。可再生能源制氢需要使用大量电力来生产高成本产品,而天然气制氢则难以充分减少排放。45 一种已经投入使用的解决方案是使用受控热量从甲烷气体中清洁地提取氢气,生产出电动汽车轮胎作为额外的副产品(同样,一家初创公司正在寻求生产用于电动汽车电池的石墨作为副产品)。46 其他公司则采取冒险的方式,在地球上钻探氢矿,如果可行,可以生产出丰富且低成本的产品。47 尽管美国和欧洲在全球维持着一定的电解器生产——现有的用于从可再生能源中生产绿色氢气的机器——但中国的低成本电解器已经让欧洲工业对未来可能出现的大量廉价产品感到恐慌。48 为了超越电解器,一些行业参与者正在研究利用直射阳光将水分解成氢气的技术,而无需可再生能源或相关机器,但目前尚不清楚这一过程是否会带来商业成果。49
扩大创新机器的规模
这些只是美国正在进行的众多进步中的一部分,但它们的共同点在于都处于商业化前阶段的困境。在积极的政策信号下,经过几轮股权融资后,其中一些公司可能正进入危险的死亡之谷,尤其是那些处于开发后期、寻求融资进行示范或首创项目的公司。50 目前,许多用于示范下一代技术的政府补助已被支出,而一些投资者在结构性利率上升的情况下变得谨慎(见图 4)。尽管全球清洁能源投资流量逐年增加,预计今年将达到 2 万亿美元,是化石燃料投资流量的两倍,但北美气候技术的风险投资自 2021 年达到峰值以来一直在减少(尽管清洁能源专用流量可能已被证明具有略强的弹性,将在 2022 年达到峰值)。51 尽管气候技术交易数量占风险投资的比例仍然很高,但投资流已经枯竭,尤其是对于希望开始商业化其技术的后期初创企业而言。52 美国政策现在需要通过推动其最具影响力的跨越式技术推向市场来应对这些市场动态——同时继续孵化新的颠覆性系统。