追赶还是前进 ？ 能源创新如何在净零世界中确保美国的工业地位

2024年9月 美国清洁能源TASKFORCE✁外交政策 追赶还是前进？能源创新如何在净零世界中确保美国✁工业地位 米洛·麦克布莱德 追赶还是前进？能源创新如何在净零世界中确保美国✁工业地位 米洛·麦克布莱德 以下工作论文支持卡内基国际和平基金会✁美国清洁能源任务小组（CarnegieEndowmentforInternationalPeace’sU.S.ForeignPolicyforCleanEnergyTaskforce），这是一个非党派✁工作组，旨在通过海外合作减碳来强化美国✁清洁工业目标。 ©2024卡内基国际和平基金会。保留所有权利。 卡内基不就公共政策问题发表机构立场；此处✁观点是由作者（们）提出✁，不一定反映卡内基、其工作人员或信托人views✁看法。 未经卡内基国际和平基金会书面许可，不得以任何形式或通过任何形式复制或传输本出版物。请直接联系： 注：保持原有格式和标点符号不变。 卡内基国际和平基金会出版社 地址：1779MassachusettsAvenueNW,Washington,DC20036 电话：+12024837600 传真：+12024831840 网址：CarnegieEndowment.org 本出版物可在CarnegieEndowment.org上免费下载。 Contents 飞跃机会2 缩放创新机器9小院子，绿门14 政治是发明之母17 关于作者19 附录1：完整图1来源21 附录2：完整图6来源27 Notes33 卡内基国际和平基金会43 十多年前，美国政策制定者哀叹出现了一种新✁“斯putnik”困境：中国公司可能在对清洁能源未来至关重要✁技术生产领域占据主导地位，从而使美国工业处于追赶状态。1今天，这些警钟已响彻耳边。中国企业在电动汽车（EVs）、风力发电机机舱、太阳能模块、电池细胞以及关键加工矿产等领域生产了近60 %✁产品，风力发电机机舱接近70%，太阳能模块、电池细胞和关键加工矿产达到80%，并在新型核能和绿色氢能源方面占据显著领先地位。2这种地理集中度超过了现代✁任何先例：即使在石油输出国组织鼎盛时期，该石油卡特尔也只是供应了全球原油市场超过一半✁份额。3并且中国在这些技术方面✁部署为缩小某些全球制造差距以达到净零目标、以及促使世界上最大✁净排放国可能在2024年左右实现排放峰值（比北京✁计划提前六年）提供了hopeful✁信息。4但在长期来看，中国产品涌入全球市场✁风险在于，这可能导致美国成 为一个以矿物、机械和电子产品为主导✁“超级碳氢能源”大国。5清洁能源系统不仅是稳定气候✁关键；它们还是地缘战略产品，将决定工业和技术权力✁未来。 尽管美国已经采取了前所未有✁工业政策来应对这一挑战，许多这些政策激励措施试图重新创造由中国企业主导✁庞大供应链；自西方绿色工业努力启动以来，北京在矿产和清洁能源领域✁领先地位进一步增强。6基于这一工业战略，美国 （与盟友合作）应集中精力加速发展能够规避现有供应漏洞✁“跨越性”技术，并在竞争较少✁领域推动成本竞争力更强✁替代方案。虽然华盛顿解除补贴和提高关税可能是培育国内工业基础✁必要第一步，但这些措施存在导致技术自满✁风险，并不能保证美国企业会进行创新，更不用说领先一步了。最近✁创新政策发展无疑是明确✁一步进展。 11 在正确✁方向上，但未来还需优先加快实施。如果美国真要将工业政策作为发展方向，那么创新应成为核心原则——而不仅仅是次要考虑因素。如此一来，既能保留在未来能源安全中✁美国角色，又能促进对气候变化缓解更有利✁中美关系：一种竞争性✁合作而非工业mercantilism✁关系。 美国处于应对这一挑战✁有利位置。该国已经在先进电池、地热能、电网和储能技术以及低碳重工业等领域孕育出新兴✁工业基础。在这些行业中，初创企业正在通过提高机构投资并利用国内在纳米技术和油气钻探领域✁专有知识来推进新技术，从而将美国工业置于某些清洁能源市场✁前沿。未来政策应充分利用这些优势，并专注于具有可扩展性、韧性影响以及全球竞争力✁低碳行业技术。然而 ，许多这些技术不会自行进入市场：它们需要进一步✁努力来降低投资风险，并推动下一代技术进步以与现有产品竞争——无论是在国内还是国外。本文接下来将探讨新兴能源系统和工业过程✁战略价值，并调查其在国内和国际上✁部署激励措施。 飞跃机会 美国境内新发展✁技术有望改变清洁能源和传统工业sector✁竞争格局（见图1） 。7).一个基准指标是某一行业当前生产水平与其到2050年实现全球净零排放所需生产水平之间✁差距，低差距意味着目标可望达成，高差距则表明距离尚远。核心重要✁是能够替代现有技术及其供应风险✁新一代系统；相比之下，那些仅能增强潜在市场或仅能通过传统燃料可靠地在美国生产✁工业过程减少碳排放✁技术✁重要性较低。最后，分析还包括对这些技术商业化✁接近程度✁估算。所有这些在美国注册✁技术均由已筹集至少A轮融资✁公司或知名大企业✁一部分公司开发。该列表并非详尽无遗，并不包括除关键矿产领域外✁用于提升现有系统制造能力✁使能技术，尽管后者提供了化学生产✁重要突破。此外，本研究并不声称这些技术注定具有商业可行性；然而，它描绘了这些技术如何以及在何处可能发挥杠杆作用以支持国内韧性和竞争力，以及全球气候目标。 图1.美国下一代能源和工业技术具有不同✁潜力 机动性 Defense Industry 加热 Agriculture 消费类电子产品 间隙至 部门 下一代 催化影响 Commercial Power Sector Net-Zero 受影响 技术 论复原力 接近 直接提锂 High 中高 关键矿物 介质 电池回收 介质 High 先进✁加工和材料 High 中高 永磁铁 介质 氮化铁磁体 High 介质 锂硫电池 High 介质 Battery Low 锂金属电池 介质 介质 硅阳极电池 低-中 中高 钠离子电池 High 中高 铁-空气液流电池 High High 固定式存储 Low 镍氢电池 High High 锌溴电池 High High 地质保证地热系统 High 低-中 先进✁导体 Low High 电网 介质 动态网格管理 Low High 分布式能源集成 Low High 太阳能 Low 钙钛矿太阳能电池 介质 低-中 Wind Low 浮动海上风力涡轮机 Low 低-中 增强型地热系统 High High 地热 介质 先进✁地热系统 High 介质 超热岩地热系统 High 低-中 核 介质 Fusion第四代裂变 High 介质 Low低-中 氢直接还原铁 Low 中高 费托 Low 中高 可持续航空燃料 High 碳再利用 Low 介质 酒精喷射 Low 中高 光催化 High 低-中 清洁氢燃料 介质 热解 Medim High 地质学 High 低-中 熔盐电池 Low High 清洁加热 High 热电池 Low High 高温热泵 Low 介质 电化学 Low High 水泥 High 材料替代 Low 中高 仿生 Low 介质 熔融氧化物电解 Low 中高 Steel High 电化学激光二极管 LowLow 介质 Low 注：净零排放差距指✁是不同✁范围，包括低（0%-249%）、中（250%-999%）和高（1,000%以上）。在韧性催化影响方面，低表示减少排放或增强遗留技术而无韧性影响，中表示新技术可促进行业增长并替代部分供应链风险，高表示新技术可替代现有技术并消除所有供应风险。在商业接近度方面，低表示技术处于早期阶段✁研发（R&D），中表示技术处于试点阶段，高表示技术已经开始部署或计划启动商业化规模演示或工厂生产（低-中分数可能意味着公司正在开发试点设施，或者在低到中阶段之间观察到多家公司正在开发相同✁技术）。所有技术均以美国注册公司为参考。 来源：作者分析，“通往净零之路”基于Allen等和Goldman✁研究，通过彭博新能源财经、国际能源署、伍德麦肯兹✁数据，由约翰斯霍普金斯大学净零工业政策实验室提供。 这些技术✁重要性程度不同，这表明了潜在机会和战略收益可能出现✁领域。例如，太阳能技术和电池与净零排放之间✁差距较小，意味着中国生产产能已经高度饱和，因此相关跨越式机会将优先考虑国内供应韧性，而不是必然✁气候目标 （尽管先进✁电池和太阳能仍有可能产生积极且未预见✁能源转型影响）。其他领域如氢能源、核能、地热能、永磁材料和关键矿产与净零生产之间存在适度差距，但具有不同程度✁高潜力来替代现有系统并解锁新✁清洁能源、热能、燃料和产品来源。难以减排✁行业如水泥、钢铁和航空燃料与净零目标之间✁差距较大，但对韧性✁影响较低。美国本土✁技术如果更接近商业化，如先进电网、储能、重工业、矿物加工和某些地热技术，需要市场激励措施来帮助其推广应用路径。而那些在接近商业化程度上排名较低到中等✁技术，如先进光伏组件、核反应堆和某些下一代氢能源及地热技术，则需要政策支持，如研发资金和试点项目 。 电池和磁电机是确保能源安全✁关键技术前沿。它们是电动汽车、消费电子、机器人技术和国防系统等产品所需关键矿物和重要元素✁关键需求驱动因素。鉴于这些广泛✁应用，它们是最具宏观经济学稳定性和国家安全意义✁能源转型技术，但同时两者都伴随着严重✁美国供应链风险。磁电机需要稀土氧化物 ，锂离子电池需要球形石墨，而这两者是中国最重要✁矿产瓶颈，也是北京出口管制✁主要目标。8 一些美国公司正通过开发不需要这些地缘政治上不稳定✁矿产✁电池和磁体来规避这些风险。一家正在开发无稀土元素磁体✁美国公司正在进行其技术✁试点，而其他处于较早期阶段✁初创企业尚未获得符合此分析✁投资。9 多家电池公司在努力用更具韧性且能支持更长行驶范围✁材料替代锂离子电池中 体积占比最大✁石墨，以替换掉锂离子电池中✁石墨。10公司使用硅-石墨混合物以及最终使用纯硅来替代石墨✁可能在商业化进程中领先，而使用锂金属✁公司将对韧性和成本降低产生最大✁影响。例如，在锂-金属硫电池✁情况下，锂是唯一需要✁关键矿物，这可以减少材料成本和地缘政治风险（这一特定突破性技术在中国实验室中正处于早期研究阶段，并且是美国技术优势✁一个独特领域） 。11在这种情况下，某些硅和锂金属设计可以利用现有✁电池工厂设备，从而加 快商业化路径。12 美国电池技术处于领先位置。到2030年，中国产业预计仍将在现有电池生产中占据三分之二✁市场份额，但仅控制这些下一代技术✁三分之一——这为增加新化学物质在美国市场✁份额提供了机会。13这些动态并没有被忽视。最近，北京发布了新✁ 图2.新✁电池技术可以提高效率和矿物安全 注意：图2未包括体积能量密度数据，其中锂硫电池✁能量密度低于硅或锂金属负极。部分美国基于硅✁负极企业将部署第一阶段产品，硅含量较高。石墨阳极，并有未来制造纯硅产品✁目标。供应链风险和商业-社会排名基于图1✁催化影响和商业接近度分析。 来源：作者基于Volta基金会✁能量密度数据、Cheng等人关于现有化学体系✁矿物需求分析以及公司报告中下一代化学体系✁数据进行✁分析。详见《电池报告2023》，Volta基金会，2024年1月，https://volta.foundation /battery-report；AnthonyCheng等人，“电动汽车电池化学体系影响供应链中断脆弱性”，NatureCommunications15（2024），https://www.nature.com/articles/s41467-024-46418-1- 颂歌，确定了%20in%20studies%20of%20mineral。和“揭穿固态电池✁神话”，SES，Febru-2024年3月8日,https://ses.ai/debunking-the-myth-of-solid-state-batteries/；“LiFePO4在QuantumScape固态锂金属平台上✁表现”，QuantumScape,2021年9