《ISO 2022趋势报告》分析能源领域国际标准发展方向

    今年8月，ISO发布了最新的《ISO标准化预见框架 2022趋势报告》，对经济、环境、政治等6个领域的国际标准发展方向进行了预测分析。在能源领域，主要围绕能源资源、储存和分配三方面进行报告，主要内容编译如下：
    随着全球电力需求的增加，能源使用量急剧增加，与能源相关的碳排放增加，2050年碳中和的目标难以实现。通过技术创新，实现能源节约、低碳/零碳能源、碳捕获和能效水平的提升是解决这一问题的唯一途径。
    未来30年潜在能源的数量增加，能源生产、储存等技术创新使可再生能源和新一代电池更便宜高效。电力市场的变化，例如发展中国家电力市场的增长和能源系统的区域化，为能源变革奠定了基础。
    能源的发展不仅包含关键性技术层面和社会层面的发展，还与2050年全球气候目标紧密相关。不论是温室气体（GHG）减排、能效水平提升，还是可再生能源在发电、供暖和燃料方面的推广使用，未来能源部门的技术创新和标准化工作应从可持续发展的角度出发。
    1.能源资源
    经济、人口的高速增长使得交通运输业、工业和建筑业的能源需求持续上升，如果我们不进一步节约能源，预计到2050年，全球能源需求将增长40%-60%。
    与此同时，温室气体减排和能源安全的意识、压力和需求不断增加，全球能源生产和消费模式面临深刻变革。能源资源的多样化凸显了这一领域的进展，风能、太阳能、水、核聚变、地热、生物质能和其他能源为低碳经济的发展奠定了基础。
    1.1 实现脱碳
    可再生能源的发展为脱碳工作带来了新的希望。作为全球发展最快的能源，中国、美国、德国、法国和西班牙等国对可再生能源进行了大量投资。可再生能源指取之不尽用之不竭的资源，其再生速度大于开采速度，包括太阳能、风能、水力和地热能等。电力作为重要的能源载体，在经济建设中发挥举足轻重的作用。到2050年，全球超过一半的电力将来自可再生能源与核能。
    此外，随着价格的下降，可再生能源正以比预期更快的速度代替化石燃料，这已开始彻底改变全球能源行业。特别是第三代光伏发电（光电转换效率高、成本低廉和利用效率高的材料）和聚光太阳能发电（利用汇聚的太阳光推动传统的蒸汽涡轮机产生热量和能量，CSP）的不断发展，太阳能生产的成本将持续下降。
    在脱碳过程中，另一种可以替代化石燃料的能源是原子核裂变产生的核能。由于核电站产生的核废料和核事故，核能在一些国家并不受欢迎，但随着中国、印度、韩国和芬兰等国家继续使用核能，核能的发展未来可期。此外，技术的创新使得聚变燃料（氘和氚）可以持续地从水和海水中提取，未来应该进一步普及核废料的管理策略。
    1.2 化石燃料的未来
    目前，可再生能源无法满足全球日益增长的能源需求。未来20年，全球能源将继续依赖煤炭和石油，尽管21世纪40年代碳氢化合物的需求有所降低，2050年碳氢化合物仍可满足总能源需求的70%左右。
    然而，随着欧洲国家对化石燃料依赖的降低，以及新兴经济体对能源需求的增加（尤其是汽车数量的增长），石油的贸易路线可能会发生变化，亚洲和中东之间的石油贸易将增加。据预测，亚洲将成为全球最大的石油出口市场，全球约75%的石油将在亚洲使用，中国的石油消费量约在2030年超过美国。
    随着各国不断增长的能源需求，化石燃料的供应将减少，继续依赖化石燃料将加剧化石燃料的争夺，进而导致冲突和国际争端。从长远来看，通过技术进步，开发新能源、提高可再生能源的开发效率和成本效益，有助于解决上述问题。
    预测显示，到2030年，风能、太阳能和水电等可再生能源将超过煤炭，成为主要的电力来源。2021年，中美在联合国气候变化会议（COP 26）期间，计划在21世纪20年代在温室气体减排的环境标准方面进行合作，也支持了上述预测。
    案例：页岩油气和液化天然气
    页岩油气（采用水力压裂法开采）和液化天然气（LNG）属于化石能源，虽然已经使用了多年，随着近年来的技术创新，页岩油气和液化天然气储量的商业价值不断提高。这打破了世界石油格局，美国从传统的石油进口国一跃成为世界上最大的石油生产国。西南亚和中东地区在未来几十年仍将是最大的碳氢化合物产地，但随着各国对化石燃料依赖的降低，西南亚和中东地区可能会成为能源进口国。在这种背景下，液化天然气将成为主要的出口商品。
    然而，水力压裂技术需要大量掺入化学物质的水灌入页岩层进行液压碎裂，存在地下水污染和温室气体排放量增加的问题，这项技术的推广不利于低碳经济的发展。随着福特、通用和其他四家汽车制造商以及30个国家政府在第26次COP会议上承诺，到2040年逐步停止生产汽油和柴油燃料汽车，相较于页岩油气和液化天然气，未来国际社会将增加对可再生能源的投资。
    1.3 结论
    可持续的能源战略极大地改变了能源行业的前景和应对气候变化的能力。然而，可再生能源的持续强劲增长难以持续满足全球的发电需求，需要技术的颠覆性创新使其更高效便宜，同时结合国际的排放标准和补贴，推动能源转型。因此，将绿色能源和替代能源视为一种竞争优势，而非代价高昂的能源转型，是未来的关键机遇，也代表未来经济发展趋势和就业前景。
    相关的ISO技术委员会和重要标准有：
    （1）ISO/TC 301，国际标准化组织能源管理与能源节约技术委员会　
    ISO/IEC 13273-1:2015，能源效率与可再生能源-国际通用术语-第1部分：能源效率
    ISO/IEC 13273-2:2015，能源效率和可再生能源-国际通用术语-第2部分：可再生能源
    （2）ISO/TC 85，国际标准化组织核能标准化技术委员会
    ISO/TR 4450:2020，质量管理体系ISO 19443:2018应用指南
    ISO/ASTM 51276:2019，使用聚甲基丙烯酸甲酯剂量测定系统的实践
    （3）ISO/ TC 197，国际标准化组织氢能技术委员会
    ISO/CD 19885-1，气态氢-氢燃料车辆加注协议-第1部分：加注协议的设计和开发流程
    （4）ISO/TC 207/SC 7，国际标准化组织环境管理技术委员会温室气体管理分技术委员会
    ISO/WD 14068，温室气体管理与相关活动-碳中和
    2.能源储存
    能源储存包括热储能（如太阳能热电厂）、化学储能（电池）和机械储能（如水力或压缩空气）等，通过在以上装置中储存能量，可在需要时释放和使用能量。净零经济的转型推动着储能的创新和直接能量转换的研究。能源行业的日益复杂提高了技术之间的相互依赖，需要更高效廉价的技术来解决能源需求。因此，电池、替代燃料、高效节能（智能）电器/建筑/城市、过程能量系统优化（工业）和热电转换技术（如燃料电池）等方面的创新，有望在不久的将来为越来越多的人提供电力。
    2.1 电池
    储能以灵活可靠的方式提供低成本的可再生能源，其主要目的是将间歇性可再生能源整合到电网中。将储能和电池组结合，可以解决可再生能源的间歇性问题。随着各机构在新电池技术上的大量投资，争夺储能市场领先地位的竞赛已经开始，进一步开拓了可再生能源市场。同时，全球各地都在建造巨大的电池超级工厂，人们对电池行业的兴趣也日益增加。
    目前的电池不能储存和释放大量电力，因此下一代电池需进一步提高电池寿命和能量密度，电池的生产过程也需更清洁高效。锂电池为笔记本电脑和电动汽车提供动力，是目前领先的电池技术，但制造锂电池需要的材料昂贵稀有，需要进一步研究改善。在过去的二十年里，电池技术有了显著的进步，这种进步还在持续。目前，研究者通过研究电池的化学性质和成分，以期用更低的成本获得更大的能量密度。通过研究新的阳极材料，如石墨烯和六方氮化硼，并用钠、铝或锌取代锂，以降低电池的生产成本。固态电池体积更小、续航更强、充电更快、热量传导更少，有望在未来替代锂电池。
    然而，电池储能的成本也是未来需要考虑的问题。储存和释放电力的成本（投资加上能源消耗和损失）要加到电力生产成本中。因此，使用直接能源的价格更低，投资直接能源的高效分配、共享/交易是一种可行的选择。
    2.2 Power to X-能源直接转换
    Power to X，也被称为能源直接转换，旨在通过电解或合成过程将能源（如太阳能、风能等可再生能源以及氢气、甲烷等气体）直接转化为热量、电力、化学等能量，进而被储存、用于制造产品或为不同系统提供动力。因此，Power to X技术为建筑、制造和运输等高CO2排放的能源密集型行业脱碳提供了可能的解决方案。
    国际能源署（IEA）充分肯定了绿氢在碳减排方面的贡献，其在能源转型方面的潜力也受到了广泛关注。与依赖化石燃料产生的灰氢和依赖天然气蒸汽重整产生的蓝氢不同，绿氢通过可再生资源的电解产生，有利于实现碳中和。受到生产和储存成本的限制，目前绿氢并未广泛使用，但技术的进步（如更好的电解设备和足够的可再生能源电力）使绿氢成为更有吸引力的选择。报告显示，在未来十年内，像灰氢或蓝氢的廉价生产一样，生产绿氢的高效电解器将被开发出来。此外，Gigastack等项目将电解槽直接集成到海上风力发电场，以生产绿氢，探索工业规模级的绿氢生产。
    然而，在氢的高效储存和转化、其他能源直接转化技术方面仍然存在挑战，需要进一步创新。另外，需要更新现有的基础设施，实现这些技术的有效整合。目前，将氢气整合到天然气网络（为“电转气流程”的发展做准备），提高混合燃料的能源效率，是实现低碳燃料过渡的策略。
    2.3 燃料替代
    据预测，到2040年，交通运输的电力使用比2010年增加45%。提高能源效率、采用替代燃料为交通运输提供电力，有利于温室气体减排和降低电力消耗。
    鉴于汽车在市场上的可获得性，从化石燃料转向清洁能源的目标推动了“清洁汽车”的研究，这是能源分配和储存方面的创新。清洁汽车是使用氢燃料电池、电动系统和混合动力的电动汽车。然而，混合动力电动汽车的发动机仍然部分依赖内燃机，因此对于其是否清洁是有争议的。清洁汽车面临的挑战主要包括：（1）要确保燃料对于消费者的经济性；（2）与传统汽车相比，在具有成本竞争力的基础上，要保证清洁汽车的性能和可靠性；（3）要确保电网有能力应对日益增长的清洁汽车需求。在未来智能电网中，清洁汽车的出现使得运输网络作为分布式能源存储系统成为可能。在这样的系统中，电动汽车可以充当电池，在低需求时吸收电网多余的电力，在高峰时向电网注入能量。
    由于新一代电池的存在，预计到2030年，在与内燃机竞争中，混合动力的发动机将脱颖而出，成为私家车的标准。同样，页岩气和生物燃料的增长表明，尽管在天然气储存（加压罐）方面存在困难，在天然气储量丰富（价格更便宜）的地区，天然气驱动汽车的份额也会增加。未来的技术创新和发展中国家消费者的选择决定了私家车市场的发展模式以及主导的能源体系。
    然而，商用交通工具在未来一段时间仍依赖化石燃料和柴油。混合动力发动机需要在电池成本、尺寸、重量和功率等方面进行改进，以增加续航里程、充电点数量、以及缩短汽车充电时间，才能真正与传统汽车竞争。值得关注的一项关键技术是氢动力燃料电池，它是船舶和重型车辆燃料潜在的替代技术。尽管推广氢燃料电池需要提高成本和效率，通常来讲，商业运输（公共汽车、商业车辆、运输车队和卡车）是最有希望推广氢燃料电池作为能源载体，进而减少温室气体排放的行业。
    交通运输领域的其他方面也在创新，包括船舶和飞机的混合动力系统。对船舶来讲，天然气、船用柴油-天然气或重油驱动的三燃料柴油电力推进系统，作为绿色解决方案正在进入市场。另一个解决方案为船舶岸电的发展，航运港口在船舶停泊时向船舶提供电力，而不是依靠船舶的发动机供电，但船舶岸电发展缓慢、推广困难、缺少投资。对飞机来说，无论是电池还是太阳能驱动，都可能在未来（2050年以后）全面过渡到电动飞机，飞行里程在800公里以下、由电池驱动的电动飞机最早将于2025年实现应用。
    3.能源分配
    3.1 能源行业的数字化转型
    数字化经济、“物联网”和大数据分析等方面的发展，从根本上改变了能源传输、分配的要求和需求。能源行业的数字化虽然增加了能源的使用，但也提高了能源利用效率。智能技术发展迅速，同时带来的隐私安全问题不可小觑。能源的数字化使得更多的参与者参与其中，电网也将变得更加复杂，发生系统性故障的可能性增加，进而给能源风险管理带来更大挑战。         3.2 智能技术
    在能源储存和分配方面，智能技术（如智能电网）通过让企业和家庭了解和管理自己的能源供应（甚至分享或出售剩余的能源），模糊了供应商和终端用户之间的界限。通过供应链上的运营和节能措施（如智能电表），以及大数据分析和机器学习，智能技术不仅可以预测系统故障，还可以根据不同条件优化能源的使用模式。例如，在有充足的电力供给时以最佳性能运行，反之，以省电模式运行。这不仅节省了能源，还提高了系统的效率。
    除了上述优势，智能技术也带来了新的安全隐私问题，比如如何收集和存储家庭能源数据，以预测电网状况。需要出台相应的指导方针和法规，以妥善处理敏感性数据，确保消费者的隐私安全。         3.3 超高压直流输电
    与交流电（AC）相比，超高压直流输电（UHVDC）实现了更高效、更大规模的长距离输电，有望成为主要的电力传输技术。目前，全球共安装了超过250吉瓦的互联设备和高压输送线路，预计到2030年，随着中国、印度、美国和欧盟等国家的大量投资，该技术的安装量将呈指数增长。
    超高压直流输电通过更高的电压，实现电力的远距离传输，将电力从源头直接输送至终端用户使用。与现有技术相比，这种技术高效廉价，提高了能源分配的经济性，更具有吸引力。超高压直流输电降低了通过航运大量运输煤炭和石油，据估计，到2050年，航运将减少50%的煤炭和25%的石油运输。
    超高压直流输电在温室气体减排，低碳经济转型方面起重要作用。传感器和控制器的创新，实时改变输电的方向和流量。通过互联系统，运营商将电力从过剩或产能高的地区转移到其他地区，平衡电力供应和需求的关系。通过解决可再生能源可变性和不确定性问题，增加可再生能源的吸引力。此外，这项技术降低了能源运输需求，进而促进了运输业的温室气体减排。
    超高压直流输电将为更多人提供电力。国际能源署的报告显示，全球超过7.5亿人没有电力供应。超高压直流输电将加速电力供应的普及，实现发展中国家在能源领域的跨越式发展。在未来30年里，许多非洲国家有望跳过现有经济体经历的发展阶段，直接进入数字和可持续的基础设施建设中。对于没有电力供应的地区，这项技术将极大地改变能源行业。同时，对于自然资源丰富的非洲国家，这项技术也是实现韧性电网与低碳发展齐头并进的机会。         输送的展望：从以国家为中心的系统到区域和本地解决方案
    （1）区域解决方案：次国家级能源互联网
    在上述背景下，各国目前面临选择：是通过国家议程实现电气化和输送，还是通过区域和本地能源独立的路径实现？
    考虑到投资新输电线路和其他技术的商业成本，以及一个国家资源的有限性，国家之间的合作和能源贸易可以实现互惠互利。通过基础设施和资源共享，发挥参与国不同的可再生能源优势，有效调整供需关系，可将能源生产成本降至最低，增加区域收益。撒哈拉以南的非洲地区是世界上能源供应成本最高的地区之一，通过区域贸易，可以降低该地区平均40%的成本。以拉丁美洲为例，由于各国在区域能源系统上的投资，降低了拉丁美洲的能源成本，提高了能源输送的可靠性以及能源供应的多样化。
    然而，这种区域的解决方案也面临一些挑战。一方面，对于多个司法管辖区和国家的合作，其基础设施和立法不同；另一方面，与化石燃料的基础设施不同，发展中国家和发达国家都需要更新现有电网设施，以适应可再生能源的要求。
    （2）本地的解决方案：电网之外
    大型电网的替代方案是开发不需要电网连接（微电网）的局部和小规模分布式能源系统。有了这些创新，家庭、城市和本地装置都可以参与电力生产、储存和分配，从而降低了当地社区对以中央和州为中心的电网的依赖。在提高当地收入的同时，提高了社区的韧性，为没有电力供应的边远社区或发生自然灾害的社区提供能源保障。但随着参与方的增加，能源系统的复杂性增加，发生故障的风险也随之增加。
    相关的ISO技术委员会和重要标准有：
    （1）ISO/TC 301，国际标准化组织能源管理与能源节约技术委员会
     ISO 50001:2018，能源管理体系 要求和应用指南
    （2）ISO/TC 197，国际标准化组织氢能技术委员会
     ISO 17268:2020，气态氢陆地车辆加注连接装置
     ISO 22734:2019，使用水电解的氢气发生器-工业、商业和住宅应用
    （3）ISO/TC 205，国际标准化组织建筑环境设计技术委员会
     ISO 13153:2012，节能型独栋住宅和小型商用建筑设计规程框架
     ISO/TR 16822:2016，建筑环境设计-与能源效率有关的暖通空调和生活热水设备的试验程序清单