迈向碳中和,碳化硅成为挖开新能源产业的大铲子?

迈向碳中和,碳化硅成为挖开新能源产业的大铲子?

2021-11-08 12:56:19 0

碳达峰是指我国承诺2030年前,二氧化碳的排放不再增长,达到峰值之后逐步降低。


碳中和是指企业、团体或个人测算在一定时间内直接或间接产生的温室气体排放总量,然后通过植物造树造林、节能减排等形式,抵消自身产生的二氧化碳排放量,实现二氧化碳“零排放”。


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全球二氧化碳排放量逐年增加,2019年全球排放量达341.7亿吨,年均复合增速2.1%。我国碳排放总量占全球碳排放总量的1/3,分别是美国和欧盟的2倍和3倍。我国人均碳排放为8吨,与欧盟相当。可以说,实现"碳达峰、碳中和"势在必行。


“双碳”、碳化硅、新能源有何神秘关系?


节能减排是碳达峰、碳中和的核心工作。这其中涉及到能源结构的升级改革,可以通过提高能源的利用率以及提升绿色能源的比例来逐步实现,例如,国内要实现“碳中和”,需要发力的方向有:供给端扩大光伏发电、风电发电;需求端提升新能源车比例;输送端发力特高压,全面发展新能源!


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碳化硅作为第三代宽禁带半导体材料,具有更宽的禁带宽度、更高的击穿电场、更高的热导率、更大的电子饱和漂移速度以及更高的抗辐射能力,是制造高温、高频、大功率半导体器件的理想材料,碳化硅正是上面这些领域的上游核心材料,实现“碳中和”的多条路线,都绕不开它!


要挖矿,先买铲!可以说碳化硅正是发展新能源产业的铲子!


调整能源结构,发展太阳能等清洁能源


按说发展新能源汽车是当今节能减排的最大热点,但一般认为它并不是关键。为什么这么说呢,其实,不管是新能源汽车还是燃油汽车,我们要看它所需动力的最初来源是什么,在这个过程中碳排放怎么样。


燃油车的动力来源是石油燃烧,这个过程会有碳排放的发生,这是毫无疑问的。


电动汽车呢,真的如宣传的那样绿色无污染吗?它所使用的电是从哪来的呢?绝大部分是火力发电吧,也就是它的动力来源是煤炭燃烧,这个过程碳排放也够吓人的吧。


在这里小编突然想到前段时间网上很火的一件真人真事,有一伙不法分子将10万块钱的硬币熔化试图造出更多的假币,于是通过各种手段终于完成,最后一数,傻眼了,最终只造出7万元硬币。举这个例子,小编想说的是,只有电的来源是绿色、无碳排放的,我们才能接下来谈新能源汽车,如果在发电用电过程中会有更多的碳排放,那简直就是赔本买卖。


所以,今年七月份,澳大利亚国家工程院外籍院士、南方科技大学创新创业学院院长刘科在关于“碳中和” 的演讲中明确指出:如果能源结构不改变,如果电网67%的还是煤电,那电动车是在增加碳排放,而不是减少碳排放。只有能源结构和电网里大部分是可再生能源构成的时候,电动车才能算得上清洁源”。


所以我们要强调调整能源结构,而在新型绿色能源中,碳化硅能够发挥重要作用


太阳能和风能发电系统是利用光伏电池板光生伏打效应或风力带动发电机,直接将太阳能或风能转换成电能的发电系统,它的主要部件是光伏电池组件、风轮、储能电池、控制器,逆变器,电机驱动器等构成,其特点是可靠性高、使用寿命长、不污染环境、能独立发电或并网运行,受到各国政府和企业的重视,具有广阔的发展前景。


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碳化硅功率器件针对太阳能逆变器、不间断电源设备以及风能电机驱动器等大功率模组件的应用进行设计,以更小尺寸、更低物料成本以及更高的效率。采用碳化硅基逆变器的平均效率能提高到 97.5%,相当于减少 25% 的逆变器损耗,碳化硅基逆变器在风力发电领域可提高转换效率 20%。


在核能领域,碳化硅作为第四代核反应堆 —高温气冷堆的燃料棒包壳或基体材料的新型燃料元件的概念设计和制备成了核燃料元件领域一个新的热点材料。


碳化硅作为重要包壳和基体材料的各种结构新颖、功能完备的燃料元件模型不断被设计出来,目前高温气冷堆碳化硅包壳燃料元件已经开始走向商业化,其它含碳化硅材料燃料元件的研发也将加快步伐,除了燃料元件外,碳化硅材料在反应堆结构材料,堆内管道内衬等方面也有着广阔的应用前景。可以预见,随着核安全性要求的不断提高,碳化硅材料在核能领域将获得更加广泛的应用,发挥更加重要的作用。


新能源汽车


接下来我们说一下新能源汽车。


碳化硅作为未来电动汽车充电模块和电动模块相关重要核心的先进电子材料,能实现绿色出行的能源供应、低碳、智能、可持续发展,最终抢占未来产业发展制高点。碳化硅器件对充电模块性能提升主要体现在三方面:


(1)提高频率,简化供电网络;

(2)降低损耗,减少温升;

(3)缩小体积,提升效率。基于我们对碳化硅器件在有线充电中的优势(高效率、低温升、高密度、低损耗)分析表明,其总体成本将较低。


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碳化硅器件能提高纯电动汽车或混合动力汽车功率转化性能。电动汽车的电动模块中电动机是有源负载,其转速范围很宽,且在行驶过程中需要频繁地加速和减速,工作条件比一般的调速系统复杂,采用碳化硅功率器件可有效提高其驱动系统,获得更高的击穿电压、更低的开启电阻、更大的热导率以及能在更高温度下稳定工作,原来几公斤的散热片可大幅减少甚至直接删去,将引起电动汽车设计方面革命性的变化,能降低电动汽车或混合动力汽车功率转化能耗损失 20%,对大幅提高电动汽车续航里程具有重要意义。


充电桩


新能源汽车有各种电能变换的需求,采用碳化硅器件能够大幅度缩小装备的体积,并显著降低损耗。因此,不管是应用在新能源汽车充电桩、电控模块还是车载充电模块上,碳化硅技术都能带来较大的优势。


对于电动汽车充电桩,在众多的充电桩解决方案中,现在消费者最感兴趣的是直流快充模式。但是直流快充模式的充电桩需要非常大的充电功率以及非常高的充电效率,这些都需要通过高电压来实现。在电动汽车充电桩的应用里,碳化硅无论是在Boost,还是输出的二极管,目前有很多使用主开关的碳化硅MOSFET电动汽车充电桩方案,其应用前景非常广阔。


新型输电系统




基于硅的电力电子变压器在小功率电网领域实现了部分应用,但由于损耗大、体积大,在高压大功率的输电领域尚无法应用。目前商用硅基绝缘栅双极晶体管(IGBT)的最大击穿电压为6.5 k V,所有的硅基器件都无法在 200℃以上正常工作,很大程度上降低了功率器件的工作效率。而第三代基于宽禁带半导体材料的功率器件能很好地解决这些问题,碳化硅功率器件关断电压最高达 200 k V 和高达 600℃的工作温度。


基于碳化硅电力电子技术将会有更高的输电电压、输送容量,满足全球能源互联网的超高电压、超长距离输电重大需求。


LED照明


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LED 光电器件的核心材料碳化硅和氮化镓等第三代半导体材料技术及应用正在成为全球半导体产业新的战略高地。碳化硅 LED 照明设备能将原 LED 灯使用数量下降 1/3,成本下降40 ~ 50%,而亮度却提高两倍,导热能力提高10 倍以上。根据美国能源部分析,美国广泛采用LED 照明技术后,可以少建 133 个燃煤电厂,同时减少 2.58 亿 t 温室气体的排放,其节约的电能可供给 1 200 万个美国家庭使用一年。中国和美国能源消耗位居世界前两位,我国若普及碳化硅基 LED 照明技术,对减少我国煤炭的消耗、减少CO2排放具有重要意义。


总结


鉴于碳化硅材料各方面的优良特性,其有望成为最重要的第三代半导体材料,未来会全面取代目前广泛应用的硅半导体材料,其应用领域更广,潜在市场更大,关系到国家经济的长远发展和战略安全。随着我国新能源汽车的推广和电网的升级改造,碳化硅材料将在绿色能源、电动汽车充电桩、提高电动汽车能源效率、智能电网建设等诸多方面得到大规模应用,会直接影响到我国“碳达峰、碳中和”工作的推进。


参考来源:

[1]刘科院士.碳中和误区及其现实路径

[2]赵敏等.碳化硅在能源领域的应用及展望

[3]盛况.应加大碳化硅材料在充电桩上的应用

[4]丁晓伟,李志君.碳化硅器件在直流充电桩中的应用研究


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