文/金之鈞 白振瑞 楊雷，中國石化石油勘探開發(fā)研究院 頁巖油氣富集機理與有效開發(fā)國家重點實驗室 北京大學(xué)能源研究院，中國科學(xué)院院刊
現(xiàn)代社會，能源、糧食和水是人類賴以生存的三大必需品。能源關(guān)乎人類社會的全面發(fā)展，與國內(nèi)生產(chǎn)總值（GDP）息息相關(guān)（圖1）。
能源發(fā)展前景預(yù)測對國家政策制定和企業(yè)戰(zhàn)略謀劃都意義重大。能源科技的發(fā)展將深刻地影響未來能源格局，“科技決定能源的未來，科技創(chuàng)造未來的能源”。為此，各國十分重視能源科技的發(fā)展，并制定能源戰(zhàn)略計劃，如美國的《全面能源戰(zhàn)略》、歐盟的《2050能源技術(shù)路線圖》、日本的《面向2030年能源環(huán)境創(chuàng)新戰(zhàn)略》等。
我國《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動計劃（2016—2030年）》提出，到2030年，建成與國情相適應(yīng)的完善的能源技術(shù)創(chuàng)新體系，能源技術(shù)水平整體達到國際先進水平，以支撐我國能源產(chǎn)業(yè)與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展，以及進入世界能源技術(shù)強國行列的奮斗目標。
該計劃部署了15個重點領(lǐng)域，分別是：煤炭無害化開采技術(shù)，非常規(guī)油氣和深層、深海油氣開發(fā)技術(shù)，煤炭清潔高效利用技術(shù)，二氧化碳捕集、利用與封存技術(shù)，先進核能技術(shù)，乏燃料后處理與高放廢物安全處理處置技術(shù)，高效太陽能利用技術(shù)，大型風(fēng)電技術(shù)，氫能與燃料電池技術(shù)，生物質(zhì)、海洋、地?zé)崮芾眉夹g(shù)，高效燃氣輪機技術(shù)，先進儲能技術(shù)，現(xiàn)代電網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)、能源互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，以及節(jié)能與能效提升技術(shù)，從而對我國能源技術(shù)體系未來發(fā)展做了全面論述。
中國工程院于2015年啟動了“我國能源技術(shù)革命體系戰(zhàn)略研究”重大咨詢項目，從核能、風(fēng)能、太陽能、儲能、油氣、煤炭、水能、生物質(zhì)能、智能電網(wǎng)與能源網(wǎng)融合等九大能源技術(shù)領(lǐng)域開展研究，制定了前瞻性技術(shù)（2020年）、創(chuàng)新性技術(shù)（2030年）和顛覆性技術(shù)（2050年）三階段發(fā)展的能源技術(shù)路線。
近年來，隨著資源與環(huán)境的雙重約束，以及能源科技進步，新能源成本快速降低，能源清潔低碳加速轉(zhuǎn)型已成為全球發(fā)展趨勢。能源轉(zhuǎn)型不僅伴隨著產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，同時也是能源科技進步的重要驅(qū)動力，科技進步與能源轉(zhuǎn)型相互促進，正在深刻改變能源發(fā)展的前景。
本文是筆者在近2年參加科學(xué)技術(shù)部、國家能源局、國家自然科學(xué)基金委員會“十四五”規(guī)劃及面向2035年的戰(zhàn)略研究過程中，基于對當(dāng)前能源現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢的分析，對能源領(lǐng)域未來科技發(fā)展趨勢所做的3個方面思考與判斷，以期為我國積極應(yīng)對能源轉(zhuǎn)型，布局未來能源科技提供點滴參考。
1能源現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢
1.1現(xiàn)狀
2019年，全球能源消費總量達到了138.62億噸油當(dāng)量；其中，石油44.7億噸油當(dāng)量，煤炭38.3億噸油當(dāng)量，天然氣34.3億噸油當(dāng)量，化石能源總的占比為84.62%，比2010年降低了2個百分點。同時，天然氣長足發(fā)展，2019年消費量是1965年的6.35倍，占比從15%增長到24.7%。更加清潔的天然氣替代了大量石油和煤炭。
1.2發(fā)展趨勢
對于未來能源發(fā)展趨勢，我們重點分析了自2016年以來的“變”與“不變”，在“不變”中堅守，在“變”中調(diào)整。
近10年來，全球能源發(fā)展的主要趨勢沒有改變。
①對于未來能源需求增長，世界上很多知名研究機構(gòu)都進行過預(yù)測（圖2）：可再生能源和天然氣將成為滿足未來全球能源需求增長的主要來源，“低碳化”和“多元化”是未來能源發(fā)展的重要趨勢與特征。隨著太陽能、風(fēng)能、地?zé)崮?、海洋能及儲能等新能源快速發(fā)展，能源正從過去以煤炭、油氣、電力集中式資源供給，向集中式與“分散式”并重發(fā)展。
②隨著各種信息化技術(shù)在能源領(lǐng)域中的應(yīng)用，特別是“數(shù)字化”技術(shù)逐步打破了不同能源品種間的壁壘，也成為未來的一大發(fā)展趨勢。在能源界，“沒有哪個國家能夠在能源問題上獨善其身”“技術(shù)沒有國界”已經(jīng)成為大家的共識。
③全球能源互聯(lián)網(wǎng)概念的提出與全球能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展合作組織的成立是能源“國際化”的一個重要標志。美國著名學(xué)者杰里米·里夫金在其著作《第三次工業(yè)革命》中，首先提出了能源互聯(lián)網(wǎng)的愿景，引發(fā)了國內(nèi)外的廣泛關(guān)注。2015年9月26日，國家主席習(xí)近平在聯(lián)合國發(fā)展峰會上發(fā)表重要講話，倡議探討構(gòu)建全球能源互聯(lián)網(wǎng)，推動以清潔和綠色的方式滿足全球電力需求，這是對傳統(tǒng)能源發(fā)展觀的歷史超越和重大創(chuàng)新。
能源科技國際合作越來越廣泛，強度越來越大，投資100億美元的國際熱核聚變實驗堆合作項目（ITER），就是一個典型案例。低碳化、多元化、分散化、數(shù)字化和全球化將是未來能源發(fā)展的主要方向。
在充分認識這些“不變”特征的同時，識別變化的特征與發(fā)展趨勢，是問題的關(guān)鍵。
①自2018年以來，美國把中國確定為競爭對手，特朗普政府挑起了中美經(jīng)貿(mào)摩擦。繼后，美國國內(nèi)要求與中國科技脫鉤甚至是全面脫鉤的呼聲甚囂塵上，這是包括能源科技領(lǐng)域在內(nèi)的中國科技面臨的重大挑戰(zhàn)。我們要去掉幻想，早做準備，堅持以我為主和開放合作的方針，加大自主研發(fā)力度。
②新冠肺炎疫情和石油價格戰(zhàn)的影響疊加，極大地打壓了石油價格。2020年3—4月國際油價一路下跌，4月20日，美國西德克薩斯輕質(zhì)中間基原油（WTI）期貨價格更是跌至?37.3美元/桶，開歷史先河！今后一個時期，油價低于60美元/桶是大概率事件。
③人工智能、區(qū)塊鏈等技術(shù)突飛猛進，將深刻地影響未來能源的發(fā)展，在某種程度上將改變能源格局與業(yè)態(tài)。顛覆性技術(shù)始終伴隨著人類科技進步史，具有不可預(yù)見屬性。只有準確把握這些發(fā)展趨勢，才有可能對未來能源科技發(fā)展趨勢做出較為準確判斷。
2低成本技術(shù)將是企業(yè)的核心競爭力
1967年，美國石油地質(zhì)學(xué)家Hubbert建立了用于預(yù)測油田累計產(chǎn)量和最終可采儲量的“鐘形”模型。此后，石油峰值論一度盛行，石油資源稀缺性被過度強調(diào)。在這樣的背景下，獲取更多油氣儲量成為絕大多數(shù)石油公司尤其是國際大石油公司的重要戰(zhàn)略目標之一，那是一個“資源為王”的時代。
美國“頁巖革命”的成功，消除了人們對油氣資源稀缺性的擔(dān)心。據(jù)美國能源信息署（EIA）的評價結(jié)果，全球石油和天然氣技術(shù)可采資源總量分別多達33570億桶和648萬億立方米，油氣資源不再稀缺。
此外，由于太陽能、風(fēng)能的利用，能源變得可再生，取之不盡，用之不竭。誰擁有技術(shù)，誰就擁有能源資源，這是一個“技術(shù)為王”的時代。
在“技術(shù)為王”的時代，獲取能源資源的成本或效率是決定成敗之關(guān)鍵所在，因此發(fā)展低成本技術(shù)是未來重要趨勢。近年來，可再生能源的快速發(fā)展就得益于其成本的大幅降低。2018年公用事業(yè)規(guī)模光伏發(fā)電的加權(quán)平均平準化電力成本（LCOE）相較2010年降低了77%，陸上風(fēng)電的降幅也有35%。美國能源信息署預(yù)測，美國2022年后投產(chǎn)的風(fēng)電和太陽能發(fā)電項目的LCOE都將低于燃氣發(fā)電。在集中式可再生能源發(fā)電大幅降低成本和快速發(fā)展的同時，分散式發(fā)電的發(fā)展也在加速。據(jù)光伏協(xié)會公布的數(shù)據(jù)，2018年中國新增分布式光伏裝機2320萬千瓦，占比為52.7%，第一次超過了集中式光伏；2019年這種勢頭繼續(xù)維持，而且小規(guī)模的戶用分布式光伏占了將近一半。
低成本可再生能源技術(shù)是能源科技發(fā)展的重點領(lǐng)域。太陽能和風(fēng)能是未來可再生能源的主體，而降低成本、提高技術(shù)成熟度和構(gòu)建合適的商業(yè)模式是可再生能源未來的發(fā)展方向。在風(fēng)能領(lǐng)域，未來技術(shù)發(fā)展方向主要有大功率風(fēng)電機組整機設(shè)計、風(fēng)機運維與故障診斷、大功率無線輸電的高空風(fēng)力發(fā)電技術(shù)等。在太陽能領(lǐng)域，需要重點發(fā)展太陽能光熱發(fā)電、薄膜電池技術(shù)、太陽能制氫技術(shù)、可穿戴柔性輕便太陽電池技術(shù)等。
油氣領(lǐng)域的低成本技術(shù)也是能源科技發(fā)展關(guān)注的焦點。到2050年，油氣在一次能源消費結(jié)構(gòu)中占比仍將保持在50%左右，這已成為業(yè)界共識。在近期儲量增長最快的深水油氣領(lǐng)域，浮式天然氣生產(chǎn)、處理、液化、儲存和卸載一體化平臺（FLNG）及海底生產(chǎn)設(shè)備的應(yīng)用，再加上結(jié)構(gòu)的不斷優(yōu)化，生產(chǎn)成本可降至每桶50美元以下。頁巖油氣是今后增儲上產(chǎn)的另一重要領(lǐng)域，2012—2016年美國頁巖油開發(fā)的平衡油價總體上降低了50%，技術(shù)進步貢獻了1/3的降幅。
低成本油氣技術(shù)發(fā)展方向很多。①在地球物理勘探方面，主要包括智能高效采集技術(shù)、基于深度學(xué)習(xí)的地球物理資料自動處理和解釋技術(shù)，以及物探全過程智能管理技術(shù)等。②在鉆完井工程方面，主要包括精確導(dǎo)向的智能自動鉆完井技術(shù)、鉆完井工程地質(zhì)一體化及井筒完整性技術(shù)、智能化壓裂裝備與技術(shù)，以及智能化機器人壓裂施工技術(shù)等。③在油氣田生產(chǎn)經(jīng)營方面，主要包括基于大數(shù)據(jù)和深度學(xué)習(xí)的新一代人工智能油田技術(shù)、石油工業(yè)智能云網(wǎng)平臺技術(shù)，以及人工智能機器人技術(shù)等。
3信息技術(shù)將重塑能源未來
當(dāng)前，世界正在經(jīng)歷第四次工業(yè)革命，信息技術(shù)日新月異，大數(shù)據(jù)、人工智能、區(qū)塊鏈等技術(shù)快速發(fā)展。這些新興科學(xué)技術(shù)為能源行業(yè)的發(fā)展創(chuàng)造了機遇，它們與能源行業(yè)的深度融合是獲取低成本技術(shù)的重要途徑。低成本技術(shù)將改變世界能源的發(fā)展格局，進而重塑未來的能源行業(yè)。
能源行業(yè)是最早得益于數(shù)字化的行業(yè)。電廠、煤礦和油氣田很早就已開始應(yīng)用計算機等信息技術(shù)來提高自動化和管理的水平，現(xiàn)在更提出了數(shù)字電廠、數(shù)字礦山、數(shù)字油田、數(shù)字煉廠等概念，這些極大地提高了勞動生產(chǎn)率，降低了人工成本。當(dāng)前及今后一個時期，是從數(shù)字化到智能化的時代。智能電廠、礦山、油田和煉廠，將進一步優(yōu)化生產(chǎn)流程，精簡機構(gòu)和人員——工廠“無人化管理”是基本模式，這將極大地改變行業(yè)生態(tài)。
信息技術(shù)正在從更廣和更深的層次對能源體系進行重構(gòu)。從生產(chǎn)端到消費端，數(shù)字化將系統(tǒng)地改變能源的整個產(chǎn)業(yè)鏈和生態(tài)體系，使整個產(chǎn)業(yè)鏈的每個環(huán)節(jié)都有機地結(jié)合起來，從而極大地提高能源利用效率。華為、阿里巴巴、騰訊、谷歌、特斯拉等新興的技術(shù)公司都紛紛在能源領(lǐng)域開展業(yè)務(wù)——通過大數(shù)據(jù)、人工智能等手段，提高整個系統(tǒng)的靈活性，從而極大地提高能效，進而改變整個行業(yè)的產(chǎn)業(yè)鏈結(jié)構(gòu)和商業(yè)模式。
區(qū)塊鏈技術(shù)將為能源行業(yè)注入新動力。區(qū)塊鏈技術(shù)在能源領(lǐng)域已經(jīng)被愈加廣泛地應(yīng)用，在以原油為代表的能源交易平臺、可再生電力的點對點交易、電動汽車充電、電網(wǎng)資產(chǎn)管理、綠證追蹤管理甚至虛擬能源貨幣等領(lǐng)域都已嶄露頭角，這將會給能源領(lǐng)域帶來更深刻的變化。
數(shù)字化轉(zhuǎn)型將重塑油氣行業(yè)。新一代人工智能技術(shù)在石油工業(yè)上游的全面集成創(chuàng)新應(yīng)用，將產(chǎn)生新一代人工智能油田技術(shù)，實現(xiàn)對油氣行業(yè)傳統(tǒng)流程的升級優(yōu)化和組織再造，大幅度降低油氣行業(yè)成本，增強企業(yè)競爭力和油氣行業(yè)持續(xù)生存的能力。
4顛覆性技術(shù)是未來能源最大變數(shù)
能源科技是當(dāng)今科技創(chuàng)新最主要和最活躍的領(lǐng)域之一。在油氣、氫能、儲能、核聚變能等方面都有可能出現(xiàn)顛覆性新技術(shù)，不論哪一種顛覆性技術(shù)出現(xiàn)，都會極大地改變世界能源供需格局。
4.1油氣領(lǐng)域的顛覆性技術(shù)
水平井多段清水壓裂技術(shù)將使頁巖油氣實現(xiàn)經(jīng)濟有效的開采。這一顛覆性技術(shù)會極大地改變?nèi)蚰茉锤窬?。?yīng)用物理與化學(xué)相結(jié)合的方法，對低成熟度頁巖油、稠油進行原位改質(zhì)，這有可能是繼“頁巖革命”之后的另一次革命。一旦這一顛覆性技術(shù)取得成功，又一巨大油氣資源將得以經(jīng)濟、有效的開發(fā)和利用。納米技術(shù)和新材料也有可能催生出顛覆性的油氣提高采收率技術(shù)，如地下納米機器人驅(qū)油和地下油水分離技術(shù)等。多用途激光工具與鉆井技術(shù)結(jié)合，或許可以顛覆傳統(tǒng)的鉆井方式，即由激光熔融替代機械破巖，提高鉆井效率。
4.2氫能源技術(shù)
氫能源技術(shù)在能源領(lǐng)域產(chǎn)生顛覆性影響的關(guān)鍵在于低成本、高性能的氫燃料電池技術(shù)和低成本、高效率的工業(yè)化制氫技術(shù)。近年來，世界各國都已認識到氫能作為二次能源在能源轉(zhuǎn)型中的重要性，很多國家都高度重視氫能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，把氫能源產(chǎn)業(yè)提升到國家能源戰(zhàn)略的高度，制定氫能發(fā)展戰(zhàn)略，并出臺促進其發(fā)展的扶持政策。一旦借助石墨烯、納米超材料等新材料的電解制氫技術(shù)取得重大突破，氫燃料大規(guī)模甚至完全替代化石燃料將是有可能的。隨著新材料聚合物電解質(zhì)膜燃料電池技術(shù)的成熟和相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施的完善，以氫能為動力的汽車、火車和輪船等將替代燃油機動車成為主要的交通工具。歐洲已經(jīng)開展不少天然氣管道摻輸氫氣的試驗項目，以期為氫產(chǎn)業(yè)大規(guī)模發(fā)展做好準備。
4.3儲能技術(shù)
儲能技術(shù)被稱為“能源革命的支撐技術(shù)”，在很多方面都將發(fā)揮重大的作用。①對于電力系統(tǒng)而言，儲能可為電網(wǎng)提供調(diào)峰調(diào)頻、削峰填谷、黑啟動、需求響應(yīng)支撐等多種服務(wù)，提升傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的靈活性、經(jīng)濟性和安全性。②在可再生能源開發(fā)方面，儲能可顯著提高風(fēng)電和太陽能發(fā)電的消納水平，支撐分布式電力及微網(wǎng)。隨著分布式光伏、小型生物質(zhì)能源、天然氣冷-熱-電三聯(lián)供、燃料電池等分布式能源技術(shù)的日益成熟，以及相關(guān)的儲能、數(shù)字化等技術(shù)的進展，分布式能源未來還將獲得更加迅猛的發(fā)展。③在交通方面，儲能將在能源互聯(lián)互通、融合新能源汽車在內(nèi)的智慧交通網(wǎng)絡(luò)方面起到關(guān)鍵作用。有可能為能源行業(yè)帶來顛覆性影響的是基于新材料的新型電池儲能技術(shù)，如石墨烯超級電容器、碳納米材料自儲能器件、超導(dǎo)電磁儲能技術(shù)等。如果低成本高效率的儲能技術(shù)出現(xiàn)并投入大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用，將極大地促進可再生能源的發(fā)展，使新能源交通工具大規(guī)模甚至完全替代燃油交通工具。
4.4可控核聚變技術(shù)
核聚變能是人類理想中的終極能源，具有諸多優(yōu)勢?？煽睾司圩兊闹髁骷夹g(shù)方案主要有2種，即磁約束核聚變（MFC）和慣性約束核聚變（IFC）。
目前，世界上的核聚變相關(guān)研究計劃比較多，如國際熱核聚變實驗堆（ITER）計劃、美國國家點火裝置（NIF）、美國懸浮偶極子試驗裝置（LDX）、美國Z-IFE裝置、美國Lawrenceville Plasma Physics研究項目、美國FRX-L研究項目、加拿大通用聚變、歐洲高功率激光能源研究（HiPER）計劃和德國Wendelstein7-X等。中國于2007年正式加入ITER計劃，同時也在大力推動國內(nèi)的核聚變科學(xué)技術(shù)研究。
我國已圓滿完成了聚變工程實驗堆（CFETR）概念設(shè)計，目前正在開展工程設(shè)計。中國環(huán)流器二號A裝置（HL-2A）和全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實驗裝置（EAST）等大科學(xué)裝置也先后建成，多項物理實驗研究成果居于世界前列。HL-2A在國內(nèi)首次實現(xiàn)了偏濾器位形放電、高約束模式運行。2017年7月，EAST在世界上首次實現(xiàn)了5000萬度等離子體持續(xù)放電101.2秒的高約束運行，再次創(chuàng)造了磁約束核聚變研究新的世界紀錄。
5結(jié)論
隨著減排和環(huán)境保護形勢的日益嚴峻，在新能源和智能化等技術(shù)進步和成本快速下降的推動下，全球能源沿著多元化、低碳化、分散化、數(shù)字化和全球化的方向加速轉(zhuǎn)型，正在進入一個能源轉(zhuǎn)型發(fā)展的時代。同時，中美經(jīng)貿(mào)摩擦、沙俄油價戰(zhàn)、新冠肺炎疫情等使能源未來發(fā)展充滿不確定性。新的能源技術(shù)和新的商業(yè)模式將改變傳統(tǒng)的能源供應(yīng)模式，綜合能源服務(wù)會逐步成為主流。新能源和天然氣等清潔能源將滿足未來大部分新增的能源需求，能源體系也將發(fā)生結(jié)構(gòu)性的變化。
低成本技術(shù)將成為未來能源科技發(fā)展的主流，人工智能等信息技術(shù)將重塑能源未來。未來在油氣、氫能、儲能、核聚變能等領(lǐng)域都有可能出現(xiàn)顛覆性新技術(shù)，從而根本性地改變未來能源的圖景。準確把握能源技術(shù)發(fā)展趨勢，對于指導(dǎo)科技創(chuàng)新的方向，以及國家制定能源政策和企業(yè)戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型都具有重要意義。
