世界能源領(lǐng)域前沿技術(shù)探析
能源情報研究中心 邱麗靜
一、引言
在全球氣候變化的大背景下，推進綠色低碳技術(shù)創(chuàng)新、發(fā)展以可再生能源為主的現(xiàn)代能源體系已經(jīng)成為國際社會的共識，能源清潔低碳轉(zhuǎn)型加速已經(jīng)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，同時也更需要能源技術(shù)創(chuàng)新的支撐，能源技術(shù)進步與能源轉(zhuǎn)型相互促進，正在深刻改變能源發(fā)展的前景和世界能源格局。
當前，新一輪能源技術(shù)革命正在孕育興起，新的能源科技成果不斷涌現(xiàn)，新興能源技術(shù)正以前所未有的速度加快迭代，可再生能源發(fā)電、先進儲能技術(shù)、氫能技術(shù)、能源互聯(lián)網(wǎng)等具有重大產(chǎn)業(yè)變革前景的顛覆性技術(shù)應(yīng)運而生。隨著云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等新興技術(shù)的發(fā)展，能源生產(chǎn)、運輸、存儲、消費等環(huán)節(jié)正發(fā)生變革。
世界主要國家和地區(qū)對能源技術(shù)的認識各有側(cè)重，基于各自能源資源稟賦特點，從能源戰(zhàn)略的高度制定各種能源技術(shù)規(guī)劃、采取行動加快能源科技創(chuàng)新，以增強國際競爭力，尤其重視具有潛在顛覆影響的戰(zhàn)略性能源技術(shù)開發(fā)，從而降低能源創(chuàng)新全價值鏈成本。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》、俄羅斯的《2035年前能源戰(zhàn)略草案》等。本文分析當前各國能源科技戰(zhàn)略布局方向和國際前沿能源技術(shù)發(fā)展成果，以期洞察能源技術(shù)創(chuàng)新方向和能源技術(shù)發(fā)展趨勢。
二、主要國家能源技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略布局
縱觀全球能源技術(shù)發(fā)展動態(tài)和各國推動能源科技創(chuàng)新的舉措，可見全球能源技術(shù)創(chuàng)新進入高度活躍期，綠色低碳是能源技術(shù)創(chuàng)新的主要方向，集中在化石能源清潔高效利用、新能源大規(guī)模開發(fā)利用、核能安全利用、大規(guī)模儲能、關(guān)鍵材料等重點領(lǐng)域。世界主要國家均把能源技術(shù)視為新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)革命的突破口，制定各種政策措施搶占發(fā)展制高點，并投入大量的資金予以支撐。國際能源署（IEA）發(fā)布的《IEA成員國能源技術(shù)研發(fā)示范公共經(jīng)費投入簡析2020》顯示，在過去40年里，IEA成員國能源技術(shù)研究、開發(fā)和示范（RD&D）公共投入領(lǐng)域變得日益多樣化。1974年，核能在能源技術(shù)投入總額中占比最高，達到75%，此后逐年下降，在2019年已降至21%，與能源效率（21%）、可再生能源技術(shù)（15%）和交叉技術(shù)（23%）的RD&D投入相當。另一方面，化石燃料投入占比在20世紀80年代到90年代達到頂峰，但在2013年之后逐步下滑至當前的9%。2019年，IEA成員國能源技術(shù)RD&D公共投入總額達到209億美元，較2018年上漲了4%。除化石燃料下降4%外，所有技術(shù)RD&D投入均有所增加，其中氫能和燃料電池技術(shù)領(lǐng)域增幅最大，緊隨其后的是可再生能源技術(shù)。
2019年，美國和日本是IEA所有成員國中對RD&D公共投入最多的兩個國家，兩國的RD&D公共投入合計占到成員國總投入的近一半（47%）。緊隨其后的是德國、法國、英國、加拿大、韓國、意大利和挪威。除了日本外（投入下滑2%），其他成員國RD&D公共投入均有顯著增加。得益于“地平線2020”研發(fā)創(chuàng)新框架計劃，2019年歐盟能源技術(shù)RD&D公共投入總額位列全球第三，僅次于美國和日本。
2019年IEA成員國和歐盟能源技術(shù)RD&D公共投入占比（單位：%）
（一）美國
積極開展先進核能系統(tǒng)研發(fā)
美國政府高度重視能源技術(shù)研發(fā)，投入大量研發(fā)資金，維持其在全球能源技術(shù)領(lǐng)域的地位。2017年，美國聯(lián)邦政府投入73億美元支持RD&D，較前一年增長9%。大部分RD&D資金用于清潔能源技術(shù)研究，包括核能（尤其是小型核反應(yīng)堆），碳捕集、利用和封存（CCUS），能效等。隨著可再生能源發(fā)電量的增長和電動汽車的發(fā)展，以及極端天氣和網(wǎng)絡(luò)攻擊的發(fā)生頻率增加，電網(wǎng)現(xiàn)代化也成為其技術(shù)研發(fā)的重要內(nèi)容。
為了鼓勵核能創(chuàng)新，美國先后于2018年和2019年簽署《2017年核能創(chuàng)新能力法（NEIC）》和《核能創(chuàng)新和現(xiàn)代化法（NEIMA）》兩份法案。為了執(zhí)行“核能加速創(chuàng)新門戶”計劃，美國能源部（DOE）2019年在愛達荷國家實驗室啟動了國家反應(yīng)堆創(chuàng)新中心（NRIC），將核技術(shù)相關(guān)的企業(yè)、聯(lián)邦政府機構(gòu)、國家實驗室和大學整合起來，聯(lián)合開展新概念先進反應(yīng)堆設(shè)計、研發(fā)、測試和示范工作，同時為新概念反應(yīng)堆技術(shù)的測試、演示和性能評估提供充足的條件支持，以加速新的先進概念核反應(yīng)堆技術(shù)的商業(yè)化部署。聯(lián)邦政府眾議院能源和水資源委員會已在2020財年預算中為NRIC撥款500萬美元，計劃在未來5年內(nèi)完成多種小型模塊化反應(yīng)堆和微型堆示范工作。美國核能行業(yè)正在快速開發(fā)小型模塊堆和其他先進型核動力堆設(shè)計，其中一部分可在2030年以前投入運行。這些先進型核動力堆不僅能夠提高清潔基荷電力比例，還可以通過與可再生能源聯(lián)調(diào)的靈活運行、偏遠地區(qū)應(yīng)用、提供工業(yè)用途的供熱和其他產(chǎn)品等方式，為美國帶來極大的效益。2020年5月，美國能源部啟動了“先進反應(yīng)堆示范計劃”，擬建造2個先進示范反應(yīng)堆，并在未來5～7年內(nèi)將之投入使用。DOE將提供1.6億美元的啟動資金，費用與工業(yè)界分攤。美國國會也在2020年預算中為啟動一個新的先進反應(yīng)堆示范項目撥款2.3億美元?！跋冗M反應(yīng)堆示范計劃”主要是建造先進反應(yīng)堆，并執(zhí)行美國政府2020年4月發(fā)布的繼續(xù)支持美國先進反應(yīng)堆技術(shù)示范的戰(zhàn)略。
美國在CCUS領(lǐng)域處于全球領(lǐng)先地位。截至2019年底，美國擁有10個大型CCUS項目，每年捕集超過2500萬噸二氧化碳。2020年4月，DOE明確將提供1.31億美元資助多個CCUS研發(fā)項目。其中的4600萬美元用于支持燃煤或燃氣電廠二氧化碳捕集技術(shù)的前端工藝設(shè)計。被資助的項目主要分為兩類，一是工業(yè)碳捕集技術(shù)前端工藝設(shè)計研究，二是工程規(guī)模的燃燒后碳捕集技術(shù)測試。剩余的8500萬美元用于支持CarbonSAFE項目三階段。主要目的是加速CCUS項目區(qū)域化部署。該部分資助主要有兩個目的，一是識別和評估經(jīng)濟可行且安全的商業(yè)化地質(zhì)封存場地，二是二氧化碳捕集純化技術(shù)的經(jīng)濟技術(shù)評價。
（二）歐盟
深化低碳能源轉(zhuǎn)型，聚焦前沿技術(shù)創(chuàng)新
進入新世紀后，歐盟可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略不斷深化，提出低碳能源轉(zhuǎn)型，成為低碳經(jīng)濟發(fā)展的全球引導者。圍繞低碳能源核心戰(zhàn)略，歐盟制定了具體的發(fā)展目標和技術(shù)路線圖，例如“3個20%”目標，即到2020年可再生能源電力占比提高20%、能效提高20%、碳排放量相比1990年水平減少20%。同時，歐盟通過制定詳細的法規(guī)政策，強制成員國減排，積極引導投資并推廣低碳能源技術(shù)應(yīng)用。歐盟科研創(chuàng)新資助計劃“地平線2020”2018～2020年度的支出方案中，“低碳和適應(yīng)氣候變化的未來”領(lǐng)域獲33億歐元預算，按年度工作計劃，可再生能源、能效建筑、電動運輸和儲存方案4個清潔能源領(lǐng)域的項目可獲22億歐元撥款。
歐盟在風能和氫能領(lǐng)域進行了前瞻性的謀劃布局。2019年11月，歐洲風能技術(shù)與創(chuàng)新平臺（ETIP-Wind）發(fā)布《風能路線圖》，明確歐盟在2020～2027年間將重點發(fā)展風電并網(wǎng)與集成、系統(tǒng)運行和維護、下一代風電技術(shù)、海上風電配套設(shè)施、浮動式海上風電等領(lǐng)域。歐洲燃料電池和氫能聯(lián)合組織（FCH-JU）于2019年2月發(fā)布《歐洲氫能路線圖：歐洲能源轉(zhuǎn)型的可持續(xù)發(fā)展路徑》，提出面向2030、2050年的氫能發(fā)展路線圖，為歐洲大規(guī)模部署氫能和燃料電池指明方向，并闡明發(fā)展氫能的社會經(jīng)濟效益。同時，為推動氫能源技術(shù)發(fā)展，歐盟計劃采取多項舉措，包括：經(jīng)由“創(chuàng)新基金”為氫能源生產(chǎn)提供50億歐元至300億歐元支持，推動年產(chǎn)量增至100萬噸；把下個長期預算中對氫能源項目的扶持資金提升至13億歐元；經(jīng)由歐洲投資銀行管理的一項特別基金加大對可再生能源和氫能源基礎(chǔ)設(shè)施投資，這項主營貸款的基金年均可支配100億歐元。
近十年來，德國一直推行以可再生能源為主導的“能源轉(zhuǎn)型”戰(zhàn)略，持續(xù)增加對能源技術(shù)研發(fā)的公共投入。2017年，德國投入10.1億美元用于RD&D，占其GDP的0.031%，相比前一年增長了14%。其中，可再生能源技術(shù)占能源RD&D總預算的29%，主要用于太陽能和風能研究；其次是能效（主要用于提高工業(yè)能效）和核能（包括核聚變），分別占22%和21%；其他電力和儲能技術(shù)占到13%，化石燃料僅占5%，其中一半以上用于碳捕集和利用的研究。
2019年，德國氣候內(nèi)閣達成“退煤”共識，通過了扶持退煤地區(qū)發(fā)展的《結(jié)構(gòu)強化法》草案，以推動歐盟到2050年實現(xiàn)碳中和的目標。同時，德國出臺《氣候保護計劃2030》，目標是2030年溫室氣體排放比1990年減少55%，包括為二氧化碳排放定價、鼓勵建筑節(jié)能改造、資助相關(guān)科研等諸多措施，涵蓋能源、交通、建筑、農(nóng)業(yè)等多個領(lǐng)域。為了實現(xiàn)應(yīng)對氣候變化的目標，德國從3個方面加強研發(fā)：一是加強氫能研究，推出氫能戰(zhàn)略。二是加強德國的電池生產(chǎn)。投入10億歐元在德國多地促進電池生產(chǎn)?！半姵匮邪l(fā)工廠”支持德國在整個電池價值鏈中擴展能力和技術(shù)。三是加強二氧化碳的儲存和使用研發(fā)。
2020年6月，德國政府通過了《國家氫能戰(zhàn)略》，設(shè)定到本世紀中葉實現(xiàn)碳中和的目標，并計劃成為氫技術(shù)的全球領(lǐng)導者。該戰(zhàn)略認為，從長遠來看，只有可再生能源生產(chǎn)的氫（綠氫）才是可持續(xù)的，這將是未來投資的重點領(lǐng)域。德國政府預計，到2030年，氫的需求量折合約90～110太瓦時。為了滿足部分需求，到2030年德國將建成總裝機容量達5吉瓦的海上（或陸上）可再生能源發(fā)電廠。作為邁向氫技術(shù)市場的第一步，強大而可持續(xù)的本國氫能市場至關(guān)重要。除了現(xiàn)有的支持計劃，德國還將提供70億歐元用于發(fā)展氫能技術(shù)，并將投資20億歐元在其合作國家建立大型的“德國制造”制氫廠。由于德國沒有足夠空間用以建造所需的大量可再生能源裝機，其計劃在未來進口大量綠氫。氫能和燃料電池方面，德國聯(lián)邦交通部已選定9個地區(qū)，擬通過幫助地區(qū)制定合適的氫能發(fā)展規(guī)劃，建立多方共同參與的發(fā)展網(wǎng)絡(luò)，將其打造成為德國的氫示范區(qū)。著眼于未來的工業(yè)標準，德國研究機構(gòu)開發(fā)燃料電池的標準化物理參數(shù)測量方法，以便集成應(yīng)用并進一步實現(xiàn)規(guī)?；褪袌龌瑸槿剂想姵丶夹g(shù)發(fā)展鋪平道路。
（三）英國
制定低碳戰(zhàn)略，加速部署低碳制氫技術(shù)
英國在2008年通過《氣候變化法案》，法案確立的遠期目標是到2050年將碳排放量在1990年的水平上降低至少80%。2019年5月，英國負責制定減排方案并監(jiān)督實施的氣候變化委員會建議，將此目標修改為“凈零排放”，即通過植樹造林、碳捕捉等方式抵消碳排放。如今，英國成為第一個以法律形式確立到2050年實現(xiàn)“凈零排放”的主要經(jīng)濟體，將清潔發(fā)展置于現(xiàn)代工業(yè)戰(zhàn)略的核心。英國2019年清潔能源發(fā)電量已經(jīng)超過化石燃料發(fā)電量，并計劃在2025年前逐步淘汰所有燃煤發(fā)電。2019年3月，英國發(fā)布《海上風電行業(yè)協(xié)定》，計劃到2030年將英國海上風電裝機容量增加到30吉瓦，滿足英國三分之一的電力需求。
2020年，英國商業(yè)、能源和產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略部（BEIS）宣布出資3300萬英鎊支持低碳制氫供應(yīng)鏈技術(shù)開發(fā)，旨在研發(fā)高性能低成本的低碳制氫技術(shù)并開展相關(guān)示范，以降低制氫成本，加速英國低碳制氫技術(shù)的部署和應(yīng)用。本次資助聚焦五大主題領(lǐng)域，具體內(nèi)容如下：（1）海上風電制氫。在深海區(qū)域建造一個風電制氫設(shè)施原型，該設(shè)施原型由大型浮動式風力渦輪機（10兆瓦）、水處理單元和產(chǎn)氫電解槽組成，能夠以海水為原料利用風電進行電解制氫，并通過管道輸運到陸地。（2）低碳產(chǎn)氫示范工廠。通過采用集成Johnson Matthey公司低碳制氫技術(shù)的碳捕集設(shè)施，ProgressiveEnergy、Essar、Johnson Matthey和SNC-Lavalin四家公司聯(lián)合建造一座低碳制氫示范工廠，每小時產(chǎn)氫量達到10萬標準立方米，以驗證技術(shù)規(guī)?；瘧?yīng)用潛力。（3）基于聚合物電解質(zhì)膜電解槽綠色產(chǎn)氫裝置?；贗TM Power公司吉瓦級別的聚合物電解質(zhì)膜電解槽，開發(fā)一個低成本、零排放的風電制氫示范裝置，為煉油廠提供清潔的氫氣資源。（4）開發(fā)和評估先進的天然氣重整制氫新系統(tǒng)。開發(fā)和評估先進的天然氣重整制氫新系統(tǒng)，為利用英國北海天然氣生產(chǎn)氫氣提供一種節(jié)能且具有成本效益的新方法，同時新系統(tǒng)能夠有效地捕集并封存制備過程產(chǎn)生的二氧化碳氣體以防止氣候變化。（5）開發(fā)吸附強化蒸汽重整（SESR）制氫裝置。依托天然氣技術(shù)研究所（GTI）發(fā)明的基于新技術(shù)的SESR工藝，設(shè)計開發(fā)中試規(guī)模低碳氫氣制備的示范裝置并進行示范生產(chǎn)，評估新工藝的技術(shù)經(jīng)濟性。
（四）日本
持續(xù)推進氫能與燃料電池技術(shù)
在經(jīng)歷福島核事故之后，日本在能源科技發(fā)展重點上有較大調(diào)整。日本將氫能作為應(yīng)對氣候變化和保障能源安全的一張王牌，為此制定了建設(shè)“氫能社會”的氫能基本戰(zhàn)略目標，提出要構(gòu)建制備、儲存、運輸和利用的國際產(chǎn)業(yè)鏈，積極推進氫燃料發(fā)電，擴大燃料電池及其汽車市場。2017年12月，日本政府制定《氫能基本戰(zhàn)略》，從戰(zhàn)略層面設(shè)定氫能的中長期發(fā)展目標。2018年7月，日本政府發(fā)布《第五次能源基本計劃》，定調(diào)未來發(fā)展方向是壓縮核電發(fā)展，降低化石能源依賴度，加快發(fā)展可再生能源，以氫能作為二次能源結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，同時充分融合數(shù)字技術(shù)，構(gòu)建多維、多元、柔性能源供需體系，實現(xiàn)2050年能源全面脫碳化目標。2019年3月，日本更新《氫能與燃料電池戰(zhàn)略路線圖》，提出到2030年的技術(shù)性能、成本目標。同年9月，日本政府出臺《氫能與燃料電池技術(shù)開發(fā)戰(zhàn)略》，確定燃料電池、氫能供應(yīng)鏈、電解水產(chǎn)氫3大技術(shù)領(lǐng)域10個重點研發(fā)項目的優(yōu)先研發(fā)事項。從最初的發(fā)展氫能的基本戰(zhàn)略，一直到最近的技術(shù)開發(fā)戰(zhàn)略，日本從戰(zhàn)略到戰(zhàn)術(shù)再到具體項目執(zhí)行層面，穩(wěn)步推進氫能和燃料電池的技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用。
日本的燃料電池產(chǎn)業(yè)堅持面向家庭，且在技術(shù)上持續(xù)推進。在國家層面，政府以向新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機構(gòu)（NEDO）投入專項科研經(jīng)費為主，設(shè)定核心技術(shù)應(yīng)達到的相應(yīng)指標，并將指標進行分解，對承擔課題研究的單位定期進行評估，以實現(xiàn)氫能發(fā)展目標。研究機構(gòu)在氫燃料電池領(lǐng)域建立了持續(xù)的研發(fā)體系，很多大學持續(xù)參與氫能研究已達50年，在關(guān)鍵技術(shù)包括極板、膜電極、電子材料等方面都有龐大的研發(fā)團隊。在企業(yè)層面，根據(jù)氫燃料電池技術(shù)狀況、氫來源的便利性以及成本、市場需求等，不斷完善氫燃料電池家庭應(yīng)用產(chǎn)品，松下、東芝、日立等機電一體化企業(yè)在十年前已開始了應(yīng)用端的實證研究，積極占領(lǐng)研發(fā)成果制高點。降低制氫成本方面，2019年，日本物質(zhì)材料研究機構(gòu)（NIMS）與東京大學和廣島大學合作，通過開發(fā)2030年前后完全可能研制出實用化的、放電較慢但成本低廉的蓄電池，日本有望實現(xiàn)每立方米為17～27日元（約1.04～1.64元人民幣）的制氫成本。
三、前沿技術(shù)最新動態(tài)與重要成果
（一）油氣勘探開發(fā)與利用技術(shù)
1.地下原位改質(zhì)技術(shù)
地下原位改質(zhì)是通過對地下儲層進行高溫加熱，將固體干酪根轉(zhuǎn)換為輕質(zhì)液態(tài)烴，再通過傳統(tǒng)工藝將液態(tài)烴從地下開采出來的方法。該技術(shù)具有不受地質(zhì)條件限制、地下轉(zhuǎn)化輕質(zhì)油、高采出程度、低污染等優(yōu)點，一旦規(guī)?；瘧?yīng)用，將對重質(zhì)油、頁巖油和油頁巖開采具有革命性意義。殼牌公司地下原位改質(zhì)技術(shù)采用小間距井下電加熱器，循序均勻地將地層加熱到轉(zhuǎn)化溫度。該技術(shù)通過緩慢加熱提升產(chǎn)出油氣的質(zhì)量，相對于其他工藝可以回收埋藏極深的巖層中的頁巖油，同時省去地下燃燒過程，減少地表污染，降低對環(huán)境的危害。為了避免地下水污染，殼牌公司開發(fā)了獨有的冷凍墻技術(shù)，可有效避免生產(chǎn)區(qū)域在頁巖加熱、油氣采出和后期清理過程中地下水的侵入。
2.廢棄油田再利用技術(shù)
俄羅斯秋明國立大學將物理化學開采方法與微乳液驅(qū)油技術(shù)相結(jié)合，開發(fā)出一種從廢棄的油田中開采石油的方法。微乳液驅(qū)油依靠的是重量和粘度，是當今最有效的驅(qū)油技術(shù)。微乳液比石油重，不與之混合，驅(qū)油時會把石油推到表面。但其對侵蝕性的現(xiàn)實條件（沉積物的溫度和硬度）非常敏感，會失去實驗中的理想特性。
3.高精準智能壓裂技術(shù)
近年來，水平井分段壓裂呈現(xiàn)壓裂段數(shù)越來越多、支撐劑和壓裂液用量越來越大的趨勢。從長遠看，實現(xiàn)壓裂段數(shù)少、精、準，才是水力壓裂技術(shù)的理想目標。目前業(yè)界正在探索大數(shù)據(jù)、人工智能指導下的高精準壓裂技術(shù)和布縫優(yōu)化技術(shù)，但是真正能夠“聞著氣味”走的壓裂技術(shù)還有待研究和突破。美國Quantico能源公司利用人工智能技術(shù)，將靜態(tài)模型與地球物理解釋緊密耦合，對不良數(shù)據(jù)進行質(zhì)量控制，形成高精度預測模型，用于壓裂設(shè)計，在二疊盆地和巴肯油田的100多口油井中使用后，與鄰井對比結(jié)果表明，優(yōu)化后的完井方案不僅可以使產(chǎn)量提高10%～40%，還能有效降低整體壓裂作業(yè)成本。隨著“甜點”識別、壓裂監(jiān)測技術(shù)和人工智能技術(shù)的發(fā)展，未來高精準智能壓裂技術(shù)有望實現(xiàn)每一級壓裂都壓在油氣“甜點”上，可有效提高儲層鉆遇率和油氣產(chǎn)量，降低開發(fā)成本，降本增效意義重大。
4.遠程單趟式深水完井
高昂的鉆機費用迫使開發(fā)商想方設(shè)法減少井筒起下鉆次數(shù)，特別是在深水作業(yè)中。油服企業(yè)威德福于2019年3月推出TR1P系統(tǒng)，這是全球首個也是唯一一個能夠遠程激活的單趟下鉆式深水完井系統(tǒng)，可為開發(fā)商帶來更高的效率、靈活性以及收益。該系統(tǒng)無需控制管線、沖管、電纜、連續(xù)油管以及修井設(shè)備，完全實現(xiàn)了100%的無干涉作業(yè)。開發(fā)商能夠在生產(chǎn)井與注入井中執(zhí)行儲層所需的作業(yè)，可在更短的時間內(nèi)完成更多的作業(yè)，從而降低作業(yè)風險、降低成本。與傳統(tǒng)的機械或液壓式完井設(shè)備相比，TR1P系統(tǒng)在整體作業(yè)與鉆機攤鋪成本方面節(jié)省了開支。
（二）太陽能技術(shù)加快應(yīng)用
1.新型六結(jié)疊層太陽能電池效率已接近50%
由于半導體固有的帶隙特點，單結(jié)半導體太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率存在理論極限，即肖克利—奎伊瑟效率極限。而將不同帶隙（光譜響應(yīng)范圍不同）的電池進行串聯(lián)構(gòu)建疊層太陽能電池被認為是電池效率突破S-Q效率極限值強有力的技術(shù)路徑。圍繞上述問題，美國國家可再生能源實驗室（NREL）研究團隊設(shè)計制備了基于III–V族異質(zhì)結(jié)半導體的六結(jié)疊層太陽能電池，通過對制備工藝和結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，有效克服了不同晶體晶格錯配問題，減少了內(nèi)阻，抑制了相分離，使得電池器件性能顯著提升，在聚光條件下器件獲得了高達47.1%的認證效率（之前效率紀錄是46.4%），創(chuàng)造了有史以來太陽能電池器件光電轉(zhuǎn)換效率最高值，即使在無聚光條件下整個器件依舊可以獲得近40%的轉(zhuǎn)換效率，也是目前無聚光太陽能電池器件的最高記錄。電池的六個結(jié)（光敏層）中的每個結(jié)點都經(jīng)過專門設(shè)計，可以捕獲來自太陽光譜特定部分的光。該設(shè)備總共包含約140種III-V材料層，以支持這些連接點的性能，但其寬度卻比人的頭發(fā)窄三倍。由于III-V太陽能電池的高效率特性和制造成本，因此最常用于為衛(wèi)星供電。
2.太陽能制氫技術(shù)取得積極進展
澳大利亞國立大學（ANU）的科學家利用串聯(lián)鈣鈦礦硅電池實現(xiàn)了17.6%的太陽能直接制氫效率。這種電池是將低成本的過氧化物材料層疊在傳統(tǒng)的硅太陽能電池上。目前的共識是，利用低成本的半導體來實現(xiàn)光電電化學（PEC）水分解過程，太陽能制氫的效率要達到20%，才能在成本上具有競爭力。ANU團隊表示，串聯(lián)鈣鈦礦硅電池，結(jié)合便宜的半導體，可以在合理的成本下帶來高效率。PEC過程允許僅使用陽光和光電化學材料從水中生產(chǎn)氫。這一操作跳過了電力生產(chǎn)和轉(zhuǎn)換步驟，不需要電解槽。這種直接產(chǎn)生綠色氫的過程與光合作用的過程類似。
美國科學家首次研發(fā)了一種能夠有效吸收陽光的單分子，而且該分子還可以作為一種催化劑，將太陽能轉(zhuǎn)化為氫氣。這種新型分子可以從太陽光的整個可見光光譜（包括低能量紅外光譜，也是太陽光光譜的一部分，以前很難收集該光譜的能量）中收集能量，并迅速有效地將其轉(zhuǎn)化成氫氣。與目前的太陽能電池相比，這種單分子可以多利用50%的太陽能，從而減少對化石燃料的依賴。
（三）新型核電技術(shù)取得重大進展
1.全球首座浮動核電站投入使用
2019年9月，由俄羅斯設(shè)計建造的全球首座浮動核電站“羅蒙諾索夫院士”號，從俄北極摩爾曼斯克港啟航，穿越北極海域行駛近4989千米之后抵達目的地佩韋克港?！傲_蒙諾索夫院士”號于2020年5月投入商業(yè)運營，其動力采用“泰米爾”號破冰船動力堆的升級版。俄羅斯已為“羅蒙諾索夫院士”號投入約4.8億美元，該船長144米，寬30米，高10米，排水量2.15萬噸，能配備70名左右船員，船上搭載兩座35兆瓦核反應(yīng)堆，主要功能是為俄極其偏遠地區(qū)的工廠、城市及海上天然氣、石油鉆井平臺提供電能。
在發(fā)電方面，該核電站采用了小型模塊化核反應(yīng)堆，擁有兩套改進的KLT-40反應(yīng)堆，每座發(fā)電量達35兆瓦，可提供高達70兆瓦的電力或300兆瓦的熱量，供20萬人使用。除了核電設(shè)施，這個巨型浮式核電站上的海水淡化設(shè)備還可每天提供24萬立方米的淡水?，F(xiàn)在，俄國家原子能公司正在研制第二代浮動式核電站，將之作為解決北極等特殊地域能源供應(yīng)的重要選擇。
2.受控核聚變實驗持續(xù)創(chuàng)造紀錄
受控的核聚變反應(yīng)所產(chǎn)生的凈能量在沒有危險輻射量的情況下產(chǎn)生，實現(xiàn)能量持續(xù)、平穩(wěn)輸出，其優(yōu)勢明顯大于核裂變發(fā)電。作為應(yīng)對氣候變化的一個潛在解決方案，核聚變能源將替代對化石燃料的需求，解決可再生能源固有的間歇性和可靠性問題。美國、中國和歐洲國家核聚變實驗裝置持續(xù)創(chuàng)造紀錄，穩(wěn)步推進受控核聚變的實現(xiàn)。
美國國家點火裝置（NIF）在幾年前就已經(jīng)實現(xiàn)了1億度目標，其采用慣性約束核聚變方式，以192條激光束集中在一個花生米大小的、裝有重氫燃料的目標反應(yīng)室上。每束激光發(fā)射出持續(xù)大約十億分之三秒、蘊涵180萬焦耳能量的脈沖紫外光，脈沖撞擊到目標反應(yīng)室上，將產(chǎn)生X光。利用X光將把燃料加熱到1億度，并施加足夠的壓力使重氫核生聚變反應(yīng)。
中國自行研制的超導托卡馬克受控核聚變裝置（EAST）與美國NIF實現(xiàn)聚變的方式不同。目前托卡馬克實現(xiàn)了磁束縛等離子體和中心溫度1億度，下一個目標是維持束縛，且達到1億度維持1000秒。
位于法國南部的跨國項目國際熱核聚變實驗堆（ITER）是目前全球規(guī)模最大、影響最深遠的國際科研合作項目之一。2019年7月，這一全球最大的核聚變反應(yīng)堆項目實現(xiàn)低溫恒溫器成功交付，進入安裝狀態(tài)。目前，35個國家正在通力合作ITER。ITER裝置主機最重要部分之一的PF6線圈，由中科院合肥研究院等離子體所承擔研制并于近日正式交付，為ITER計劃2025年第一次等離子體放電的重大工程節(jié)點奠定了重要基礎(chǔ)。
（四）高性能儲能電池獲得重大突破
1.電池儲能系統(tǒng)提供無功功率服務(wù)
隨著越來越多的間歇性可再生能源并入電網(wǎng)，對電壓精確平衡的需求促使英國電力系統(tǒng)運營商National Grid不斷探索各種無功功率解決方案。英國儲能開發(fā)商Zenobe Energy部署的電池儲能系統(tǒng)通過National Grid為英國配電網(wǎng)絡(luò)運營商（DNO）和英國電力網(wǎng)絡(luò)（UKPN）提供這些服務(wù)。Zenobe Energy公司在英格蘭蘇塞克斯郡King Barn部署了一個裝機容量為10兆瓦的電池儲能系統(tǒng)。該儲能項目由National Grid運營，主要為電網(wǎng)提供無功功率服務(wù)，以緩解容量挑戰(zhàn)。預計到2050年可以為消費者節(jié)省4億英鎊以上的電力費用，同時增加4吉瓦的裝機容量。
2.有機空氣電池提高可再生能源供應(yīng)穩(wěn)定性
金屬（如鉀、鈉、鋰等）空氣電池是一種極具發(fā)展?jié)摿Φ母弑热萘侩姵丶夹g(shù)，其理論能量密度上限可達11000瓦時/千克，遠遠高于傳統(tǒng)的鋰離子電池，因此得到了學術(shù)界和工業(yè)界廣泛關(guān)注。然而，由于存在金屬枝晶、空氣電極孔道堵塞等問題，導致該類電池安全性和循環(huán)壽命不佳，限制了該類電池的實際應(yīng)用。香港中文大學研究團隊設(shè)計制備了鉀聯(lián)苯（Potassium Biphenyl）復合有機物，并將其作為負極取代傳統(tǒng)的金屬負極，與空氣電極組成新型的有機空氣電池，有效地解決了金屬—空氣電池由來已久的金屬電極枝晶生長和循環(huán)壽命短的問題，從而獲得了高安全、高倍率和長壽命的空氣電池，在4毫安/平方厘米高放電電流密度下實現(xiàn)長達3000余次的穩(wěn)定循環(huán)，平均庫倫效率高達99.84%，為空氣電池開辟全新技術(shù)發(fā)展路徑。有機空氣電池最適合應(yīng)用于大型電廠能源儲存，如風電或太陽能，亦可用于火力發(fā)電廠調(diào)頻，家用太陽能電板也有機會使用到。
3.設(shè)計研發(fā)高性能負極材料全固態(tài)電池
以金屬鋰作負極的全固態(tài)鋰金屬電池在理論能量密度和安全性上都遠優(yōu)于傳統(tǒng)鋰離子電池。然而，鋰負極不受控的枝晶生長以及低庫倫效率嚴重制約了鋰負極全固態(tài)鋰金屬電池的實用化發(fā)展。因此，開發(fā)高性能負極材料成為了全固態(tài)電池研究領(lǐng)域熱點。三星技術(shù)研究院（SAIT）和日本三星研究院（SRJ）設(shè)計開發(fā)了一種獨特的銀—碳（Ag-C）復合負極，替代鋰（Li）金屬負極，結(jié)合硫銀鍺礦（Argyrodite）型固態(tài)電解質(zhì)制備了軟包的全固態(tài)電池，獲得了高達942瓦時/千克的能量密度和99.8%的平均庫倫效率。銀—碳電極有效調(diào)節(jié)金屬鋰的沉積—剝離過程，避免枝晶形成，顯著提升了電池壽命，且能夠保持穩(wěn)定循環(huán)超過1000余次，在電動汽車等高比能儲能應(yīng)用領(lǐng)域具備廣闊應(yīng)用前景。研究人員還測試各種不同高溫下電池穩(wěn)定性，結(jié)果顯示電池表現(xiàn)出良好耐高溫特性，且該電池體積僅為同樣容量傳統(tǒng)鋰離子電池一半。
4.層狀三元金屬氫化物電極提升柔性電容性能
隨著柔性可穿戴電子器件的快速發(fā)展，人們對柔性儲能器件的需求逐步增加。而柔性超級電容器（超容）作為一類便攜式能量儲存設(shè)備也受到了許多研究者的關(guān)注。然而，當前商用的柔性超容能量密度較低（小于10瓦時/千克）無法滿足高能量密度的實際需求，開發(fā)具有高容量、高充放電倍率性能的柔性電極材料極為重要。層狀金屬氫氧化物（LDH）具有雙電層電容和贗電容的儲能特性，是一類重要的超容電極材料，如鎳鈷層狀氫氧化物，但其在堿性環(huán)境中存在不穩(wěn)定性，亟需予以解決。新加坡國立大學課題組采用簡單的水熱法制備了一種鎳（Ni）、鈷（Co）、鋁（Al）三元金屬復合的層狀氫化物柔性超容電極材料，通過對Al元素含量的優(yōu)化調(diào)節(jié)，顯著提升了柔性非對稱超容的放電比容量和循環(huán)穩(wěn)定性。該項研究制備了一種新型的三元金屬雙層氫化物柔性電極材料，通過Al元素的引入有效地改善了電極比電容和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，從而獲得了具有高比電容、高倍率性能和長循環(huán)壽命的柔性超容器件，電容器件經(jīng)過15000次循環(huán)后，容量僅衰減不到9%。為改善柔性可穿戴電子器件儲能提供了新的技術(shù)方案。
（五）氫能技術(shù)穩(wěn)步推進
1.全球首次實現(xiàn)遠洋氫運輸
由多家日本企業(yè)組成的新一代氫能鏈技術(shù)研究合作組（AHEAD）實現(xiàn)了全球首次遠洋氫氣運輸，從文萊向日本運輸了第一批氫氣，通過在川崎市沿海的東亞石油株式會社京濱煉油廠開始供應(yīng)從甲基環(huán)己烷（MCH）中分離出來的氫氣，為水江發(fā)電廠的燃氣渦輪機提供燃料。不同于日本與澳大利亞開展的褐煤制氫—液氫輸運，AHEAD項目采用千代田公司的SPERA技術(shù)探索有機液態(tài)儲氫的商業(yè)化。相對于低溫液態(tài)儲氫的高能耗（25%左右）、易蒸發(fā)（0.5%～1%/日），有機液態(tài)儲氫具有性能穩(wěn)定、簡單安全以及可充分利用現(xiàn)有石化基礎(chǔ)設(shè)施等優(yōu)勢。但也存在著反應(yīng)溫度較高、脫氫效率較低、催化劑易毒化等問題。該技術(shù)的核心是找到高效的催化劑。千代田公司利用甲基環(huán)己烷（MCH）作為載體，開發(fā)的催化劑“有效壽命”超過1年，并成功進行了10000小時的示范運行。
2.10兆瓦級可再生能源電力制氫廠投運
位于日本福島縣浪江町的10兆瓦級可再生能源電解水制氫示范廠（FH2R），是目前世界上最大的可再生能源制氫裝置。該設(shè)施于2020年3月7日開始運行，進行清潔廉價制氫技術(shù)的生產(chǎn)試驗。該設(shè)施在18萬平方米場地內(nèi)鋪設(shè)了20兆瓦太陽能發(fā)電裝置，接入10兆瓦電解水制氫裝置，設(shè)計生產(chǎn)能力每小時1200標準立方米氫氣。開始運行期間能夠年產(chǎn)200噸氫氣，生產(chǎn)過程中二氧化碳凈排放為零。生產(chǎn)的氫氣預計主要以壓縮罐車和氣瓶組的形式供應(yīng)福島縣和東京都市場。氫產(chǎn)量和儲存量將根據(jù)對市場需求的判斷進行調(diào)整。氫產(chǎn)量還將適應(yīng)電力系統(tǒng)負荷調(diào)整的需要進行調(diào)節(jié)，以滿足用電供需平衡的要求，最終不使用蓄電池而通過利用電能—氫能之間的轉(zhuǎn)化實現(xiàn)電網(wǎng)負荷調(diào)整達到供需平衡。具體實施中，東芝能源系統(tǒng)負責項目協(xié)調(diào)及氫能系統(tǒng)，東北電力負責電力系統(tǒng)及相關(guān)控制系統(tǒng)，巖谷產(chǎn)業(yè)負責氫的需求預測系統(tǒng)和氫的儲存、供給。
四、發(fā)展趨勢
當下，全球能源轉(zhuǎn)型提速，能源系統(tǒng)逐步向低碳化、清潔化、分散化和智能化方向發(fā)展。未來，低成本可再生技術(shù)將成為能源科技發(fā)展的主流，能源數(shù)字技術(shù)將成為引領(lǐng)能源產(chǎn)業(yè)變革、實現(xiàn)創(chuàng)新發(fā)展的驅(qū)動力。儲能、氫能、先進核能等前瞻性、顛覆性技術(shù)將從根本上改變能源世界的圖景。
（一）可再生能源技術(shù)成本仍呈下降趨勢
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，隨著太陽能、風能等非傳統(tǒng)可再生能源技術(shù)水平提高、成本下降，世界多國和地區(qū)都加快了可再生能源發(fā)展的步伐。據(jù)彭博新能源財經(jīng)（BNEF）發(fā)布的2019年《新能源市場長期展望》，可再生能源目前是全球三分之二地區(qū)最便宜的新建電源。到2030年，其成本將在全球大部分地區(qū)低于已建火電，由于風電、太陽能和儲能技術(shù)成本的大幅下降，到2050年全球近一半的電力將由這兩種快速發(fā)展的可再生能源供給。太陽能和風能是未來可再生能源的主體，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。
（二）數(shù)字技術(shù)將加速能源轉(zhuǎn)型
隨著各種信息化技術(shù)在能源領(lǐng)域中的應(yīng)用，“數(shù)字化”技術(shù)逐步打破了不同能源品種間的壁壘，成為未來的一大發(fā)展趨勢。數(shù)字技術(shù)（如傳感器、超級計算、人工智能、大數(shù)據(jù)分析等）具有強大的變革推動力，能夠提升整個能源系統(tǒng)效率，使能源供應(yīng)和消費變得更安全、更可靠和更具成本效益。例如，在石油勘探領(lǐng)域智能機器人的應(yīng)用，將解禁全球之前大量無法開采或者高成本開采的油氣田，全球能源可開采量將發(fā)生巨大變化。智能化電網(wǎng)系統(tǒng)的應(yīng)用發(fā)展將實現(xiàn)對電力系統(tǒng)實時監(jiān)測、分析、分配和決策等，實現(xiàn)電力分配、使用的效率最大化。區(qū)塊鏈技術(shù)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。
IEA在《數(shù)字化和能源》預測，數(shù)字技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用將使油氣生產(chǎn)成本減少10%～20%，使全球油氣技術(shù)可采儲量提高5%，頁巖氣有望獲得最大收益。僅在歐盟，增加存儲和數(shù)字化需求響應(yīng)就可以在2040年將太陽能光伏發(fā)電和風力發(fā)電的削減率從7%降至1.6%，從而到2040年減少3000萬噸二氧化碳排放。與此同時，數(shù)字化還可以使碳捕獲和儲存等特定的清潔能源技術(shù)受益。
（三）新興技術(shù)將重塑能源未來
當前，以新興能源技術(shù)為代表的新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革正在興起，在油氣、儲能、氫能、先進核能等領(lǐng)域，新的顛覆性技術(shù)不斷涌現(xiàn)。其中，油服公司的技術(shù)創(chuàng)新尤為活躍，新技術(shù)、新工具、新裝備以及一體化的解決方案不斷推出。大規(guī)模儲能系統(tǒng)的應(yīng)用，使得能源轉(zhuǎn)換與利用更加高效，實現(xiàn)能源的時空平移，以解決能源在生產(chǎn)、傳輸以及使用環(huán)節(jié)的不同步性等問題。隨著氫能和燃料電池關(guān)鍵技術(shù)的逐步突破，各國爭相將發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè)提升到國家能源戰(zhàn)略高度，大力推進氫能產(chǎn)業(yè)鏈布局與技術(shù)創(chuàng)新。目前，包括物理儲能、電化學儲能、儲熱、儲氫等在內(nèi)的多種儲能技術(shù)類型，在新能源并網(wǎng)、電動汽車、智能電網(wǎng)、微電網(wǎng)、分布式能源系統(tǒng)、家庭儲能系統(tǒng)、無電地區(qū)供電工程等不同應(yīng)用場景下，展露出巨大的發(fā)展?jié)摿?，市場前景非常廣闊。在核能領(lǐng)域，確保可持續(xù)性、安全性、經(jīng)濟性和防核擴散能力的先進技術(shù)是研發(fā)的重點，主要研究方向包括開發(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)，以及核聚變示范堆的設(shè)計與實現(xiàn)。此外，各類新興技術(shù)將對現(xiàn)有的能源市場帶來深遠影響，例如先進材料的開發(fā)可以顯著提高電池性能等。
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原文首發(fā)于《能源情報研究》2020年6月
