【海洋观点】2017年能源科技发展与启示

提要：当前，全球能源格局正在经历深刻调整，云计算、大数据、物联网等新兴技术的发展和应用，为能源生产、运输、存储、消费等环节带来全面变革。从传统集中式到分布式能源，从智能电网到能源互联网，从石化智能工厂到煤炭大数据平台，从用户侧智慧用能到汽车充电设施互联互通，一些重大或颠覆性技术创新在不断创造新产业新业态，改变着传统能源格局。

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一、重要研究进展

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1．能源转型迈向数字化时代

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随着新能源技术和数字技术的发展和深度融合，人工智能、大数据、物联网等为能源行业重大挑战提供全新的数字化解决方案。国际能源署预计到2025年，全球能源领域数字化市场规模将增长到640亿美元，新的能源创新将集中在数字技术和数据的战略使用上。大数据和机器学习算法的普及推动科研工作开始采用以人工智能和数据挖掘为基础的新兴研究手段，来提升研究效率。随着以智慧优化和调控为特征的能源生产消费新模式的涌现，智能电网、分布式智慧供能系统等发展迅速，交通运输向智能化、电气化方向转变，建筑向洁净化、绿色化、智能化方向发展，能源互联网发展应用正在引发用能模式和业态变革，未来智慧能源新业态将蓬勃发展。

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2．3D打印技术助力燃气轮机系统研发

欧美巨头积极布局3D打印技术，促进燃气轮机设计创新，增效降耗减排，缩减生产周期和成本。德国西门子公司利用3D打印技术生产的燃气轮机叶片首次在满负荷条件下完成性能测试，获得突破性成果，其燃气轮机转速高达13 000转/分钟，工作温度超过1250摄氏度。美国通用电气公司将3D打印技术应用于多个燃气轮机关键部件的制造，其H级重型燃气轮机联合循环发电效率突破64%，且输出功率高达826兆瓦，刷新世界纪录。

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3．核聚变研究取得重大突破

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美欧中核聚变实验装置持续创造纪录，稳步推进受控核聚变的实现。中国科学院等离子体物理研究所全超导托卡马克EAST实现了稳定的101.2秒稳态长脉冲高约束等离子体运行，创造了新的世界纪录。美国普林斯顿等离子体物理实验室在国家球形托卡马克实验装置（NSTX-U）上发现了一种简单快捷的方式，能够抑制可能停止聚变反应并损坏反应堆壁的不稳定性问题，为避免核聚变反应的骤停提供了科学理论。德国马普学会等离子体物理研究所成功升级了世界最大的仿星器聚变装置W7-X，能够让等离子体放电持续10秒以上，并能够首次观测等离子体湍流现象，开展第二轮科学实验。

4．规模储能加快实用化步伐

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储能技术在反应机理探索、电化学体系设计、新材料开发方面成果斐然。瑞士保罗谢尔研究所利用X射线技术首次实现对锂硫电池放电中间产物直接观测，深化对锂硫电池反应机理的认识。美国斯坦福大学研发了新型的三氯化铝/尿素类离子液体电解质，与石墨正极和铝金属负极组装成铝离子电池，实验展现出优秀的循环稳定性和倍率性能。俄勒冈州立大学联合加利福尼亚大学河滨分校开发了全球首个水合氢离子电池，有望为电网规模储能带来新的解决方案。

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5．钙钛矿太阳电池研究取得全面进展

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钙钛矿电池技术在机理研究、材料研发、制备工艺等方面取得全面进展，解决器件大面积制备、长期稳定性等技术瓶颈。日本冲绳科技大学系统揭示了碘基钙钛矿薄膜降解作用机理，为改善钙钛矿电池稳定性提供了重要的理论参考。韩国化学研究所制备了新型钙钛矿材料，显著减少了钙钛矿薄膜缺陷态浓度，光电转换效率22.7%刷新世界纪录。上海交通大学与瑞士洛桑联邦理工学院联合采用新工艺制备出36.1平方厘米超大面积钙钛矿电池，突破大面积工艺瓶颈，为钙钛矿电池的大规模生产奠定了技术基础。

二、重大战略行动

全球新一轮能源技术革命呈现出“低碳能源规模化，传统能源清洁化，能源供应多元化，终端用能高效化，能源系统智慧化”的整体趋势。世界主要国家均把能源技术视为新一轮科技革命和产业变革的突破口，积极实施中长期能源科技战略作为顶层指导，出台重大科技计划牵引调动社会资源持续投入，并不断优化改革能源科技创新体系以增强国家竞争力和保持领先地位。

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特朗普政府推出“美国优先能源计划”，将“美国利益优先”作为核心原则，强调发展国内传统能源产业，振兴核电，并将能源作为一种重要战略资源，扩大能源出口，在实现能源独立的过程谋求世界能源霸主的发展之路。欧盟组建能源联盟，升级战略能源技术规划，将研究与创新置于低碳能源系统转型的中心地位。德国政府提出“哥白尼计划”支持能源转型战略，在未来10年投资约4亿欧元，聚焦四大重点研究领域。日本政府大幅调整了能源科技发展重点，压缩核电加快发展可再生能源，相继公布《能源革新战略2030》和《能源环境技术创新战略2050》划定中长期发展路线。

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1．电力行业是数字化转型的核心

美国能源部资助2.2亿美元实施电网现代化研究，成立国家实验室联盟，协调整合全部门的电网现代化研究工作，重点关注六大核心主题：设备集成与系统测试、安全性和灵活性、电网设计与规划工具、系统运行以及电力流动和控制、改善传感与量测能力、为州和地方政府提供技术援助。

2．新能源汽车推动绿色交通发展

欧盟实施低碳交通战略框架和一揽子计划，规划欧盟未来交通运输部门发展方向，推进交通绿色低碳转型。日本发布《氢能基本战略》和《新版电动汽车发展路线图》，规划新能源汽车和氢能发展目标，推进交通电气化。美日积极布局新型锂电池技术研发项目，提出未来高能动力电池技术性能和成本目标。

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3．航空用能清洁化和电气化转型渐受重视

美国公布低碳推进动力和替代喷气燃料研发战略，以助力航空业走向低碳化、用能多元化，采用跨学科、多因素方法，开发和验证综合系统模型，支持替代喷气燃料部署。欧洲强化航空动力技术研发，开发数百千瓦级到数十兆瓦级的多种推进系统原型，加速推进航空领域电气化进程。

4．下一代先进核能强调安全高效

美国能源部发布《先进反应堆开发部署战略愿景》，提出了中长期发展目标，制定了加强核基础设施建设、开发先进燃料循环路径、强化公私合作等六项战略行动计划。同时通过“核能大学计划”“核能使能技术计划”等推进先进核技术研发。日本原子能委员会首次制定《核能利用基本原则》，将在反省福岛核事故的基础上为核能政策指明长期方向。

5．可再生能源加速替代步伐

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欧盟《海洋能源战略路线图》聚焦波浪能、潮汐能、海洋温差能、海流能和盐差能五大技术领域，指明未来发展方向，促进海洋能源产业发展。美国能源部启动太阳能攻关2030计划，聚焦未来十年太阳能发电成本在2020年水平上再降50%。国际能源署《可持续生物能源技术路线图》提出生物交通燃料、生物质电力、生物质建筑供暖等六大主题领域至2060年的愿景目标和行动建议。

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三、启示

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1．推进能源绿色发展建设美丽中国

十九大报告中将推进能源生产与消费革命列入“加快生态文明体制改革，建设美丽中国”章节，对能源发展改革工作提出了新的使命要求，即推进能源发展向更高水平、更加绿色的方向迈进。一方面，要坚定不移推进能源供给侧结构性改革，把提高供给质量作为主攻方向，大力推进化石能源清洁高效利用、非化石能源规模化发展；另一方面，要坚持节约集约循环利用的资源观，深入推进能源技术革命，大幅减少终端用能部门能耗和污染排放，加强废弃物能源化、资源化综合利用，构建多种能源协调发展的清洁、高效、智能、多元的能源技术体系，为我国能源生产、消费和系统集成转型提供全面支撑。

2．开发关键耦合技术促进多能互补现代能源体系构建

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多能互补成为能源可持续发展的新潮流，引领能源行业迈向多种能源深度融合、集成互补的全新能源体系，是能源变革的发展趋势。因此需要发展多能互补的关键耦合技术，如加大风光水火多能互补关键技术、大容量低成本储能技术、智慧能源系统调控技术和关键设备研发力度，破除化石能源、可再生能源、核能等各能源体系之间技术上的相对割裂态势，提高能源系统的互补性、安全性、经济性和柔韧性，促进不同能源体系相互联系和相互支持，推进关联产业融合发展，构建多能互补、协调发展的能源体系。

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3．加快技术创新提升能源装备水平和利用效率

我国能源装备和利用效率总体尚没有达到世界领先水平，因而必须通过能源技术创新，提高用能设备设施的效率，增强储能调峰的灵活性和经济性，推进能源技术与信息技术的深度融合，加强整个能源系统的优化集成，实现各种能源资源的最优配置，构建一体化、智能化的能源技术体系。绿色低碳能源技术创新及能源系统集成创新是引领新一代科技革命和产业变革的关键因素，也是我国有望走在世界前列的潜在领域，培养能源技术自主创新生态环境，集中攻关一批核心技术、关键材料及关键装备。

4．积极拥抱数字技术推进能源数字化转型

在大数据时代，能源行业的数字化转型已然大势所趋。未来的几十年内，数字技术将使全球能源系统变得更加紧密互联、智能、高效、可靠和可持续。因此需要坚定不移地推进能源和数字技术深度融合，以引导能量有序流动，构筑更高效、更清洁、更经济、更安全的现代能源体系。需要制定灵活政策以适应新技术发展需求，探讨跨部门广泛应用，并对从业人员进行数字技术专业技能培训。此外，需要从系统观出发来考量能源数字化转型的成本和收益，密切追踪数字化转型对全球能源消费需求变化的影响，充分考虑和评估能源数字化转型过程中面临的潜在风险，提供公平的竞争环境，以更好地服务各利益相关方，并加强国际合作分享能源数字化转型的成功案例和经验。

文章来源：战略与政策论坛

作者：陈伟、郭楷模、吴勘、赵晏强 中国科学院武汉文献情报中心