2 能源科技創(chuàng)新前沿突破不斷涌現(xiàn)

隨著能源技術(shù)和一系列新興技術(shù)（如納米、生物、新材料、人工智能等）的發(fā)展和深度融合，能源生產(chǎn)、轉(zhuǎn)化、運輸、存儲、消費全產(chǎn)業(yè)鏈正發(fā)生深刻變革。從傳統(tǒng)集中式到分布式能源，從智能電網(wǎng)到能源互聯(lián)網(wǎng)，從石化智能工廠到煤炭大數(shù)據(jù)平臺，從用戶側(cè)智慧用能到汽車充電設(shè)施互聯(lián)互通，一些重大或顛覆性技術(shù)創(chuàng)新在不斷創(chuàng)造新產(chǎn)業(yè)和新業(yè)態(tài)，改變著傳統(tǒng)能源格局。

能源生產(chǎn)端諸如可再生能源、先進安全核能、化石能源清潔高效利用等先進技術(shù)正在改變傳統(tǒng)能源開發(fā)利用方式，并穩(wěn)步推進主體能源的清潔低碳更替。能源消費端致力于研發(fā)低能耗、高效能的綠色工藝與裝備產(chǎn)品，工業(yè)生產(chǎn)向更綠色、更輕便、更高效方向發(fā)展，交通動力能源向智能化、電氣化方向轉(zhuǎn)變，建筑行業(yè)用能將實現(xiàn)潔凈化、綠色化、智能化。而分布式智慧供能系統(tǒng)、能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展應(yīng)用正在引發(fā)能源系統(tǒng)整體變革，智慧能源新業(yè)態(tài)初現(xiàn)雛形。

2.1 能源轉(zhuǎn)型邁向數(shù)字化智能創(chuàng)新時代

人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等數(shù)字技術(shù)為能源行業(yè)重大挑戰(zhàn)提供全新的數(shù)字化解決方案，數(shù)字化創(chuàng)新集中在數(shù)字技術(shù)和數(shù)據(jù)的智能使用上。

國際能源署2017年底發(fā)布首份《數(shù)字化與能源》 報告指出，能源數(shù)字化轉(zhuǎn)型的最大潛力是其能夠破除能源各部門之間的壁壘，推動全球能源系統(tǒng)向互聯(lián)、智能、高效、可靠和可持續(xù)方向發(fā)展。英國石油公司《技術(shù)展望報告2018》 指出，隨著數(shù)字技術(shù)（包括傳感器、超級計算、數(shù)據(jù)分析、自動化、人工智能等）依托云網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，到2050年一次能源需求和成本將降低20%—30%。大數(shù)據(jù)和機器學(xué)習(xí)算法的普及，也推動著科研工作開始采用以人工智能和數(shù)據(jù)挖掘為基礎(chǔ)的新興研究手段，從而提升研究效率。美國斯坦福大學(xué)基于人工智能技術(shù)，利用現(xiàn)有的鋰離子電池文獻中的所有實驗數(shù)據(jù)，構(gòu)建了具備深度學(xué)習(xí)能力的計算機預(yù)測模型，僅耗時數(shù)分鐘，即從材料數(shù)據(jù)庫的1萬多種候選材料中篩選出了20余種有潛力的固態(tài)電解質(zhì)材料，其篩選效率是傳統(tǒng)隨機測試的百萬倍。美國能源部還資助了機器學(xué)習(xí)在地?zé)犷I(lǐng)域應(yīng)用的研究項目，聚焦機器學(xué)習(xí)用于地?zé)豳Y源勘查和開發(fā)先進數(shù)據(jù)分析工具。日本新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機構(gòu)也部署了相關(guān)研究課題，利用物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等技術(shù)改善地?zé)岚l(fā)電站的管理運營效率。

2.2 油氣領(lǐng)域數(shù)字化智能化競爭激烈

化石能源行業(yè)正在從傳統(tǒng)重資產(chǎn)行業(yè)轉(zhuǎn)型為技術(shù)密集型、技術(shù)精細(xì)型產(chǎn)業(yè)，各競爭主體對數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用速度與水平將會決定未來的行業(yè)座次和競爭版圖，智能精細(xì)化勘采技術(shù)的進步將支撐開發(fā)深水深層和非常規(guī)油氣資源。

2017年世界經(jīng)濟論壇發(fā)布的《數(shù)字化轉(zhuǎn)型倡議——石油和天然氣行業(yè)》 報告指出，大數(shù)據(jù)和分析工具、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)和移動技術(shù)正成為油氣企業(yè)首要的數(shù)字化主題，而機器人和無人機、可穿戴技術(shù)、人工智能將成為未來3—5年增長最快的領(lǐng)域。全球多家油氣企業(yè)相繼推出數(shù)字化創(chuàng)新舉措：殼牌集團宣布在石油行業(yè)大規(guī)模推進人工智能應(yīng)用計劃，俄羅斯天然氣公司實施2030年數(shù)字化轉(zhuǎn)型戰(zhàn)略，巴西國家石油公司成立數(shù)字化轉(zhuǎn)型部門，中石油發(fā)布國內(nèi)油氣行業(yè)首個智能云平臺等。

此外，IT企業(yè)也在加強跨界和傳統(tǒng)油氣企業(yè)開展合作：華為公司的油藏模擬、油氣物聯(lián)網(wǎng)等解決方案已服務(wù)70%的全球TOP20油氣企業(yè)；IBM公司牽手阿布扎比國家石油公司，首次將區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用于油氣生產(chǎn)核算；通用電氣公司和來寶集團聯(lián)合推出世界第一艘數(shù)字鉆井船；谷歌公司和道達(dá)爾公司將聯(lián)合攻堅人工智能在油氣勘探領(lǐng)域的應(yīng)用。

2.3 化石能源清潔高效梯級利用

先進高效率低排放燃燒發(fā)電和深加工分級轉(zhuǎn)化是煤炭和天然氣清潔高效利用的未來發(fā)展方向，碳基能源高效催化轉(zhuǎn)化、新型富氧燃燒、先進聯(lián)合循環(huán)等高效低排放技術(shù)正處于研發(fā)階段。

美國碳利用研究理事會（CURC）和電力科學(xué)研究院（EPRI）在2018年7月更新的《先進化石能源技術(shù)路線圖》 中，規(guī)劃了增壓富氧燃燒、化學(xué)鏈燃燒、超臨界CO2動力循環(huán)發(fā)電、先進超超臨界（A-USC）、煤氣化聯(lián)合循環(huán)等高效低碳發(fā)電技術(shù)到2035年的研發(fā)與大規(guī)模示范路徑。美國、日本等發(fā)達(dá)國家已將超臨界CO2動力循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)作為革命性前沿技術(shù)進行積極研究，目前在實驗室已建成了小功率的試驗機組，正在向工業(yè)示范電站邁進。增材制造（3D打�。┘夹g(shù)在燃?xì)廨啓C制造中的應(yīng)用已從原型試制逐漸走向?qū)嶋H生產(chǎn)，如通用電氣公司、西門子公司等燃機制造巨頭穩(wěn)步推進制造工藝轉(zhuǎn)型升級。

經(jīng)過多年發(fā)展，中國的先進煤化工合成技術(shù)取得了重大突破，已掌握了世界領(lǐng)先的百萬噸級煤直接液化和煤間接液化技術(shù)。中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所成功實現(xiàn)了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的百萬噸級煤制烯烴和煤制乙醇技術(shù)商業(yè)化應(yīng)用，對保障我國能源安全等具有重要的戰(zhàn)略意義。該所還在煤氣化直接制烯烴研究上取得重大進展，顛覆了90多年來煤化工領(lǐng)域一直沿襲的費-托路線，從原理上開創(chuàng)了一條低耗水進行煤轉(zhuǎn)化的新途徑，這是煤轉(zhuǎn)化領(lǐng)域里程碑式的重大突破。

2.4 發(fā)展下一代安全高效先進核能系統(tǒng)

可持續(xù)性、安全性、經(jīng)濟性和防核擴散能力的先進核能技術(shù)是核能發(fā)展的重中之重，主要研究方向集中在開發(fā)固有安全特性的第四代反應(yīng)堆系統(tǒng)、燃料循環(huán)利用及廢料嬗變堆技術(shù)以及更長遠(yuǎn)的核聚變示范堆設(shè)計與實現(xiàn)。

第四代核能系統(tǒng)國際論壇（GIF）在2014年初更新了技術(shù)路線圖，規(guī)劃了未來10年第四代堆型的研發(fā)目標(biāo)和里程碑。美國能源部于2017年底宣布，未來5年將資助4億美元，重點開展新型反應(yīng)堆示范工程、核電技術(shù)監(jiān)管認(rèn)證、先進反應(yīng)堆設(shè)計開發(fā)等工作，以加速核能技術(shù)創(chuàng)新突破。中國科學(xué)院在未來先進核裂變能——加速器驅(qū)動次臨界系統(tǒng)（ADS）研究中取得重大成果，并基于此在國際上首次提出“加速器驅(qū)動先進核能系統(tǒng)（ADANES）”概念，將在廣東惠州建設(shè)國際首臺ADS嬗變研究裝置。

可控核聚變技術(shù)目前在等離子體理論研究、材料開發(fā)和運行試驗方面不斷涌現(xiàn)新的成果。中國科學(xué)院合肥等離子體物理研究所研制的全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實驗裝置，相繼取得等離子體中心電子溫度達(dá)到1億攝氏度、百秒量級穩(wěn)態(tài)運行等多項世界級重大突破。德國馬普學(xué)會等離子體物理研究所建造的世界最大仿星器聚變裝置W7-X成功產(chǎn)出首個氫等離子體，計劃到2020年實現(xiàn)持續(xù)30分鐘的等離子體。美國國家科學(xué)院2018年發(fā)布《美國燃燒等離子體研究戰(zhàn)略計劃最終報告》 ，建議美國繼續(xù)參與國際熱核聚變實驗堆（ITER）計劃，并啟動國家研究計劃邁向緊湊型聚變發(fā)電中試階段。歐盟于2014年在“地平線2020”框架下投入8.5億歐元，啟動了“聚變聯(lián)合研究計劃” 。

2.5 新能源與可再生能源加快應(yīng)用

（1）風(fēng)能、太陽能、生物燃料等可再生能源技術(shù)研發(fā)活躍，有望在未來20年成為主導(dǎo)電力來源或規(guī)模替代石油基燃料。①在風(fēng)能領(lǐng)域，美國和歐盟均提出了海上風(fēng)電發(fā)展戰(zhàn)略，加速推動海上風(fēng)能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。目前8 MW風(fēng)力渦輪機已投入商業(yè)應(yīng)用，10 MW及以上的超大規(guī)模風(fēng)力渦輪機正在研發(fā)中，浮動式海上風(fēng)電場的投入使用推動風(fēng)電向深海邁進。②在太陽能領(lǐng)域，美國、歐盟、日本等主要國家和地區(qū)深化布局光伏發(fā)電全產(chǎn)業(yè)鏈創(chuàng)新，作為推進新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要戰(zhàn)略舉措，通過全覆蓋布局先進材料、制造和系統(tǒng)應(yīng)用各環(huán)節(jié)研發(fā)實現(xiàn)平價上網(wǎng)目標(biāo)。鈣鈦礦太陽電池器件結(jié)構(gòu)日趨完善，效率已超多晶硅，逼近單晶硅，但實現(xiàn)商業(yè)化仍需攻克規(guī)�；�制造工藝、穩(wěn)定性等關(guān)鍵挑戰(zhàn)。中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所在2018年創(chuàng)造了單結(jié)鈣鈦礦太陽電池轉(zhuǎn)換效率世界紀(jì)錄（23.7%）。③在生物能源領(lǐng)域，纖維素乙醇、藻類生物燃料等技術(shù)領(lǐng)域取得了重要進展，特別是美國和歐洲首座商業(yè)規(guī)模纖維素酶解制乙醇工廠投產(chǎn)，為先進低成本生物液體燃料更大規(guī)模發(fā)展創(chuàng)造了條件。目前研究重點主要集中在高產(chǎn)率能源作物培育改造，微生物酶解催化劑，熱化學(xué)轉(zhuǎn)化工藝與多功能催化劑，工程微藻選育、培養(yǎng)、油脂提取與轉(zhuǎn)化等。

（2）氫能發(fā)展備受重視，形成新一輪的發(fā)展熱點。日本、歐盟和澳大利亞等國家和地區(qū)相繼公布了氫能發(fā)展戰(zhàn)略和技術(shù)路線圖，提出未來20— 30年的氫能與燃料電池技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展目標(biāo)。研究人員致力于解決低成本高效率規(guī)�；�制氫、經(jīng)濟高效氫儲存和輸配、燃料電池基礎(chǔ)關(guān)鍵部件制備和電堆集成、燃料電池發(fā)電及車用動力系統(tǒng)集成等重大科技問題。德國亥姆霍茲柏林能源材料中心設(shè)計開發(fā)了雙光陽極串聯(lián)光電催化系統(tǒng)，創(chuàng)造了太陽能到氫能19%的轉(zhuǎn)化效率紀(jì)錄。日本國立產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所開發(fā)了陶瓷電解質(zhì)低溫致密燒結(jié)工藝，制備出全球首個商用規(guī)格的質(zhì)子陶瓷燃料電池。

2.6 新型高能規(guī)�；瘍δ苋〉猛黄�

動力和電力規(guī)模儲能技術(shù)是未來能源系統(tǒng)必不可少的關(guān)鍵組成部分，也是各國競相布局的重點領(lǐng)域。歐盟組建“歐洲電池聯(lián)盟”實施戰(zhàn)略行動計劃，在歐洲打造具有全球競爭力的電池產(chǎn)業(yè)鏈。美國能源部將在未來5年為儲能聯(lián)合研究中心繼續(xù)投入1.2億美元，設(shè)計開發(fā)新型高能多價化學(xué)電池，并研究用于電網(wǎng)規(guī)模儲能的液流電池新概念。日本新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機構(gòu)在未來5年資助100億日元，攻克全固態(tài)電池商業(yè)化應(yīng)用的技術(shù)瓶頸，旨在2030年左右實現(xiàn)規(guī)�；�量產(chǎn)。

科學(xué)家在儲能反應(yīng)機理探索、電化學(xué)體系設(shè)計、新材料開發(fā)方面成果斐然，研究重點在于開發(fā)高安全性、長壽命、低成本的鋰離子電池及新型高能化學(xué)電源體系，并開展新型物理儲能系統(tǒng)規(guī)�；�示范。美國伊利諾伊大學(xué)芝加哥分校等機構(gòu)合作開發(fā)新型鋰-空氣電池，創(chuàng)造在自然空氣環(huán)境中穩(wěn)定運行超700次的循環(huán)壽命紀(jì)錄。美國哈佛大學(xué)研發(fā)出基于低成本醌類有機電解液的新型液流電池，創(chuàng)造工作壽命最長紀(jì)錄，而且較全釩液流電池成本大幅下降。中國科學(xué)院工程熱物理研究所建成了國際首套10 MW級先進壓縮空氣儲能示范系統(tǒng)，示范系統(tǒng)在額定工況下的效率超過60%。