世界能源結構包含“能源體系結構”和“能源系列結構”兩個層次，分別對應能源結構的代際和代內轉型。人類發(fā)展已臨近文明奇點，這輪能源結構轉型布局需要同時兼顧從石油主導的傳統能源系列向天然氣主導的低碳能源系列轉型，以及從化石能源體系向核能能源體系轉型，涉及千年之大變局。作為工業(yè)文明紀元的最后一種世界主導性能源，天然氣承載著能源文明，并在世界能源體系結構轉型中充當著重要的橋梁作用。
經合組織主要國家的能源結構轉型具有“中高基值、雙增長和單替代”特征；如果為雙替代，則分段錯峰。其中，不參與結構調整的能源轉型基系主要包括清潔化石能源、水電和安全核能，三者在國家一次能源結構中的占比為50%～60%；雙增長主要指天然氣和可再生能源；單替代主要指煤炭等不符合低碳發(fā)展的化石能源。這些國家的碳排放達峰主要為產業(yè)結構、能源結構、人口結構、節(jié)能減排技術四大因素的綜合效應，其中首要因素是產業(yè)結構調整和節(jié)能減排技術進步。需要圍繞保障能源供給安全、傳承能源文明和創(chuàng)建核能時代新優(yōu)勢開展能源結構轉型。
中國一次能源消費將長期保持溫和增長，預計2050年將達到38億～43億噸油當量；同期將實現從“煤炭為主體、石油為主導”的中高碳能源系列向“清潔化石能源為主體、多能并舉”的低碳能源系列轉型；清潔化石能源和零碳能源在一次能源結構中占比約為60%。建議充分發(fā)揮天然氣、可再生能源、小型核反應堆在能源結構轉型中的橋梁作用，采用“1+4+10”的立體戰(zhàn)略結構，沿5條戰(zhàn)略發(fā)展路線，分3個階段，并行推進、有機協同。
能源是人類文明的基石，伴隨文明發(fā)展而演替，這種演替主要通過能源結構轉型得以實現。新一輪世界能源結構轉型大體始于1998年，內因是傳統能源系列老化、頁巖氣革命、可再生能源技術進步及核聚變技術發(fā)展，外因是人類對能源需求的持續(xù)增長及環(huán)境可持續(xù)發(fā)展對低碳經濟的需求，總體表現為從中高碳能源系列向低碳清潔能源系列進化。2019年，煤炭在中國一次能源結構中的占比高達57.64%，中國的煤炭消費和碳排放分別占世界總量的51.7%和28.8%，均居世界首位。2020年9月，中國政府對國際社會莊嚴承諾，碳排放力爭在2030年前達峰，努力爭取2060年實現碳中和。國家能源結構轉型迫在眉睫。然而，在重塑能源結構之前，還有若干基礎性和關鍵性問題亟待厘清。筆者基于近年來的全球大數據研究與能源實踐，就能源結構轉型的若干問題進行了思考。
1 從人類文明發(fā)展的視角看世界能源結構轉型
從人類文明發(fā)展的視角看，能源結構包含“能源體系結構”和“能源系列結構”兩個層級。“能源體系結構”指能量密度相近、能源生產和能源利用技術復雜程度相當的一組能源共生關系，與人類文明發(fā)展的特定歷史階段相適應。例如，遠古可再生能源體系、傳統可再生能源體系、化石能源體系、核能能源體系分別對應新石器時代、農業(yè)文明紀元、工業(yè)文明紀元和未來的智慧文明紀元（見圖1）。而“能源系列結構”則是指在特定能源體系中，各類一次能源類型之間的結構占比和相互關系，通常以主導性能源類型作為特定能源系列的標識和定代依據，例如煤炭時代、石油時代等（見圖2）；各能源世代的時間區(qū)間以世界主導性能源更替點為劃代依據（圖2中的紅點）。兩個層級的能源結構逐級包含。
與之相應，“能源結構轉型”也具有兩個級次。其中，“能源體系結構轉型”與人類文明紀元更替相應，屬于跨紀元轉型（或代際轉型），是人類歷史上最重要、影響最深遠、顛覆性最強的能源結構轉型。典型如18世紀工業(yè)革命興起時，化石能源體系登上歷史舞臺，開啟替代傳統可再生能源體系之旅（1769－1883年）。英國主導了這次能源體系結構變革，由此拉開了世界工業(yè)文明紀元的序幕，影響人類社會近300年的發(fā)展?！澳茉聪盗薪Y構轉型”則是指同能源體系中的主導性能源更替，例如石油替代煤炭、天然氣替代石油等，屬于紀元內轉型（或代內轉型），影響人類社會50～80年發(fā)展。從化石能源體系向核能能源體系的轉型不僅屬于代際轉型，而且由于處于人類文明“奇點（singular point）”，因而將伴隨影響千年的人類歷史劇變。
自寒武紀大爆發(fā)以來的5.4億年中，地球生命及人類文明轉折點的時間間隔呈指數規(guī)律遞減，因而在圖1的對數坐標系中滿足直線關系。按照該規(guī)律預測，下一個文明轉折點的時間大體出現在2090年前后。該時間與圖2中利用能源大數據預測的核能替代天然氣成為世界主導性能源的時間基本一致。核聚變能和人工智能作為下一個文明紀元的兩大類標志性技術，其技術進展支持該預測。
在核能領域，目前世界主要大國都在沿小型核反應堆、可控核聚變和低能核聚變（low energy nuclear reactions, LENR）三個方向的幾十條技術路線進行攻關。其中，小型核反應堆為核裂變與核聚變之間的過渡性技術形態(tài)，適用于獨立工業(yè)供能，多種小型核反應堆將在未來10年內投入商業(yè)運行?？煽睾司圩儗⒅饕娲笮腿济喊l(fā)電等集中供能系統；低能核聚變因具有高能量密度、分布式、微型化、低成本等特征，主要替代分布式、移動式、節(jié)點式民居能源（汽柴油、可再生能源、民居燃料等），尤其具有顛覆性。根據磁約束聚變研究進展與技術發(fā)展規(guī)劃，低能核聚變在2018年前后的重大突破，結合歷史上新一代主導性能源技術發(fā)展規(guī)律，預計包括中國在內的世界主要大國的核聚變在2040年前后投入商用是可能的。但各類核聚變從宣布技術革命到成為世界主導性能源還需要漫長的時間。歷史上，蒸汽機/內燃機/燃氣輪機（發(fā)電）和LNG技術，從技術發(fā)明到商業(yè)化應用大體用了20～30年；從商業(yè)化到成為世界主導性能源，分別經過了116、107和85年（預計），且時間間隔在對數坐標系中也呈直線變化。
庫茲韋爾基于信息技術大數據和人工智能技術進展，預測2040－2046年為人類文明奇點[5]。近年來，機器實時學習、類腦計算、腦機接口與意念轉化[8]等人工智能關鍵技術的重大進展支持其判斷。但從人工智能技術突破到新文明形塑還需要特定的歷史過程；結合圖1、2分析，大約要到2090年前后機器智能才能普遍超過傳統人類智慧，智慧文明初現。故本文傾向于認為文明奇點將出現在2040－2090年這一歷史區(qū)間。
從更細的歷史分析粒度看，人類能源發(fā)展史其實就是一部世界主導性能源更替史，而且世界主導性能源具有能量密度不斷增高、碳排放逐漸減小、更替周期漸次縮短、技術復雜性和先進性不斷增強的趨勢。在這個歷史舞臺上，領銜主演不斷更替，但配角從不離場，因此能源多元化程度不斷增加。由于人類文明持續(xù)進化，故該趨勢不可逆。
預測結果顯示：天然氣將在2032年前后取代石油成為世界主導性能源；核能將在2040年前后登上歷史舞臺，大約在2087年前后取代天然氣成為世界主導性能源，人類由此走向能源自由。當前世界正在經歷從石油為主導的傳統能源系列向以天然氣為主導的低碳能源系列轉型，并為即將來臨的核能時代做好準備。作為工業(yè)文明的最后一種能源形態(tài)，天然氣主導的低碳能源系列充當著世界能源體系轉型的橋梁，并將伴隨文明奇點50年過渡期的史詩級社會劇變。只有成功實現這一輪向低碳能源系列的轉型，并掌握核聚變技術發(fā)展主動權的國家，才能最終在即將來臨的智慧文明紀元躋身世界前列。
2 能源文明與天然氣在能源轉型中的橋梁作用
能源文明就是與特定能源形態(tài)相應的，人類在政治、經濟、金融、軍事、外交、科技、文化和生活方式等各方面所發(fā)生的改變，以及由此創(chuàng)造出的物質財富和精神財富的總和；包括能源科技共同體、能源領域的生產力與生產關系、能源消費形態(tài)與消費文化等。對于世界主要國家而言，成功的能源結構轉型就是通過新舊動能轉換，在保障國家能源可持續(xù)、科技可持續(xù)、經濟可持續(xù)、環(huán)境可持續(xù)、文明可持續(xù)基礎上，借助新的能源優(yōu)勢創(chuàng)建更先進的能源文明，并能通達終極能源安全（核聚變能）。因此，國家對未來能源結構的選擇不僅僅是量的滿足，還需要保持能源的先進性和可持續(xù)發(fā)展性。
石油文明是由其能量、物質、金融三重屬性和特殊賦存環(huán)境決定的。石油因物質組分比天然氣豐富，碳排放系數為天然氣的1.32倍，熱值為LNG的81.96%，因而將先于天然氣向化工領域轉移。石油金融屬性的遷移會涉及國際金融體系重構。但因核能具有無窮大能量總體，不具備作為國際貨幣載體的稀缺性，故在石油被替代前，其金融屬性必須先轉移，但國際社會顯然沒有為此做好準備。因此，需要以天然氣為橋梁，以兩者的地質共生性和產業(yè)協同性確保國際金融載體平穩(wěn)換軌。由于石油賦存于地殼深部，涉及深海、極地、沙漠等特殊地理環(huán)境，世界油氣鉆探前沿必須持續(xù)挑戰(zhàn)科技“無人區(qū)”，因此油氣行業(yè)自一戰(zhàn)以來一直是世界科技前沿向產業(yè)轉移的最重要的工業(yè)領域，并持續(xù)引導人類深入探索地學規(guī)律。
但石油工業(yè)過去150年僅找到了“前半桶石油”，只解決了與常規(guī)油氣相關的部分地學規(guī)律，以線性、顯性規(guī)律為主。進入核能時代之后，人類將進入智慧文明紀元并開始全面深空探索。因此，從世界科技可持續(xù)發(fā)展角度，在進入核能時代前，需要經歷天然氣能源時代，通過智能化鉆采機器實時學習和揭示那些發(fā)生在井筒環(huán)空、油藏滲流空間、壓裂過程等地質與工程環(huán)境的大量非線性隱蔽性規(guī)律。
事實上，油氣行業(yè)恢弘龐大的工業(yè)系統涵蓋了世界大部分科技領域（見圖3）。當前世界油氣智能鉆采技術前沿已實現單技術鏈閉環(huán)智能化，機器智能已從數字孿生進入機器實時學習階段。其中，智能鉆頭、油藏納米機器人、海底工廠等標志性技術所必須的井下MEMS/NEMS、超硬材料（金剛石）3D打印、井下材料分子制造和原位自組裝、井下激光與脈沖中子等核心技術，代表一個國家工業(yè)制造和信息技術的頂級水平。未來的量子金剛石芯片等井下量子科技、仿生鉆采系統、地下智慧工廠等技術形態(tài)則展現出對下一輪世界科技革命廣泛而強烈的需求驅動。因此，需要以天然氣承前啟后，將油氣科技作為人類文明進化的前驅體融入新的文明紀元，以確保能源結構轉型時不會出現文明斷層或文明倒退。事實上，石油科技能雄踞世界工業(yè)技術體系的塔尖，主要受益于在“無人區(qū)”持續(xù)挑戰(zhàn)世界級難題。這種挑戰(zhàn)性是可再生能源所不具備的。
因此，從能源文明發(fā)展的角度，唯有天然氣能夠作為跨越化石能源體系和核能能源體系的橋梁，通達終極能源安全，并實現能源文明可持續(xù)發(fā)展。
