郭楷模 陳 偉**， 吳 勘 何 濤 汪 其 李富嶺

（1.中國科學(xué)院武漢文獻(xiàn)情報(bào)中心，武漢430071；2.中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所，大連116000）

1 引言

能源是人類賴以生存和發(fā)展的基礎(chǔ)，其價(jià)值在當(dāng)今經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的全球化時(shí)代更加明顯：經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展、國家能源安全和國際社會(huì)的穩(wěn)定都與能源休戚相關(guān)。當(dāng)前，全球能源領(lǐng)域正在經(jīng)歷戰(zhàn)略和結(jié)構(gòu)變革期，呈現(xiàn)出能源體系綠色低碳演變、能源供需格局深刻調(diào)整、能源價(jià)格持續(xù)低位震蕩、能源地緣政治環(huán)境趨于復(fù)雜、氣候履約剛性約束增強(qiáng)、新一輪能源技術(shù)革命興起等趨勢。變革傳統(tǒng)能源開發(fā)利用方式、推動(dòng)新能源技術(shù)應(yīng)用、構(gòu)建新型綠色能源體系成為世界能源發(fā)展的方向。

科技決定能源的未來，科技創(chuàng)造未來的能源。能源技術(shù)創(chuàng)新在能源革命中起決定性作用，是推動(dòng)能源革命的根本手段。隨著云計(jì)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(yùn)輸、存儲(chǔ)、消費(fèi)等環(huán)節(jié)正逐步發(fā)生變革。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(tái)，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)，改變著能源的傳統(tǒng)格局。

能源科技戰(zhàn)略的制訂涉及政治、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、外交等領(lǐng)域。能源科技戰(zhàn)略的實(shí)施，尤其是對(duì)國際能源市場具有重大影響的大國和地區(qū)能源科技戰(zhàn)略的實(shí)施，更是關(guān)乎世界能源格局的變化、全球能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，甚至國際政治經(jīng)濟(jì)局勢的調(diào)整。我國能源發(fā)展已進(jìn)入消費(fèi)增長減速換擋、結(jié)構(gòu)優(yōu)化步伐加快、發(fā)展動(dòng)能轉(zhuǎn)換升級(jí)的戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型關(guān)鍵期，能源生產(chǎn)與消費(fèi)革命正在不斷深化，亟需研究適合我國國情的重大能源技術(shù)變革方向。因此，本文對(duì)世界主要國家近年來的能源科技政策發(fā)展新動(dòng)向、能源科技前沿的重要進(jìn)展和新趨勢進(jìn)行系統(tǒng)梳理，以期為我國準(zhǔn)確把握世界能源技術(shù)變革和演進(jìn)方向，并在能源科技領(lǐng)域的優(yōu)先謀劃和布局提供參考依據(jù)。

2 世界主要國家能源發(fā)展戰(zhàn)略新動(dòng)向

世界主要國家均把清潔能源技術(shù)視為新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的突破口，近年來基于國際國內(nèi)形勢變化、自身能源結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，積極實(shí)施并適時(shí)調(diào)整了作為頂層指導(dǎo)的中長期能源科技戰(zhàn)略，以重大計(jì)劃項(xiàng)目為牽引調(diào)動(dòng)社會(huì)資源持續(xù)投入，并不斷優(yōu)化、改革能源科技創(chuàng)新體系以增強(qiáng)國家競爭力和保持領(lǐng)先地位，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(jià)值鏈成本。以下就主要國家近年的能源科技政策發(fā)展動(dòng)向進(jìn)行簡要回顧。

2.1 美國

自20世紀(jì)70年代兩次石油危機(jī)以來，“能源獨(dú)立”作為一種能源政策理念，備受美國政府推崇。盡管歷屆政府謀求能源獨(dú)立的思路和具體手段有所不同，但本質(zhì)目標(biāo)是一致的，即減少以至完全擺脫對(duì)國外進(jìn)口油氣資源的依賴，完全實(shí)現(xiàn)能源的自主供應(yīng)。

為了復(fù)蘇美國經(jīng)濟(jì)、應(yīng)對(duì)能源安全和氣候變化，實(shí)現(xiàn)能源戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型，推進(jìn)美國能源獨(dú)立進(jìn)程，奧巴馬政府自2009年上臺(tái)后，便高舉“能源獨(dú)立”旗幟，出臺(tái)一系列新能源政策和戰(zhàn)略計(jì)劃，掀起了一場自美國成立以來最大規(guī)模的能源革命。在推動(dòng)美國能源革命進(jìn)程當(dāng)中，奧巴馬政府從戰(zhàn)略到戰(zhàn)術(shù)層面有四大重點(diǎn)舉措：首先，發(fā)布《未來能源安全藍(lán)圖》［1］，明確美國未來20年的能源發(fā)展目標(biāo)，強(qiáng)調(diào)通過安全有序地?cái)U(kuò)大國內(nèi)油氣資源生產(chǎn)、充分發(fā)揮清潔能源潛力和大力推動(dòng)科技創(chuàng)新等工作來保障美國能源安全；其次，推行《全面能源戰(zhàn)略》［2］，變革美國能源體系，中心目標(biāo)是開發(fā)和部署低碳技術(shù)，為清潔能源未來發(fā)展奠定基礎(chǔ)，并在經(jīng)濟(jì)和國家安全方面帶來顯著效益；第三，出臺(tái)清潔電力計(jì)劃［3］，全面推動(dòng)燃煤電廠減排，擴(kuò)大可再生能源發(fā)展，進(jìn)一步促進(jìn)美國電力乃至能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)整；第四，推動(dòng)能源科技體制機(jī)制改革，降低能源創(chuàng)新全價(jià)值鏈成本。此次革命提出基礎(chǔ)科學(xué)與應(yīng)用能源研發(fā)融合的戰(zhàn)略指導(dǎo)思想，設(shè)立了三個(gè)能源研發(fā)平臺(tái)和機(jī)構(gòu)（先進(jìn)能源研究計(jì)劃署、能源前沿研究中心和能源創(chuàng)新中心），有效整合產(chǎn)學(xué)研各方資源，支持變革性能源技術(shù)開發(fā)，確保美國搶占新能源技術(shù)戰(zhàn)略制高點(diǎn)。得益于奧巴馬時(shí)期推出的各項(xiàng)能源戰(zhàn)略，美國能源結(jié)構(gòu)發(fā)生了顯著變化，已成功由傳統(tǒng)的能源進(jìn)口大國轉(zhuǎn)變?yōu)槟茉闯隹趪?/p>

2017年3月，以總統(tǒng)特朗普為首的新一屆美國政府推出了《美國優(yōu)先能源計(jì)劃》［4］。該計(jì)劃延續(xù)了美國追求能源獨(dú)立的基本思想，致力于降低能源成本，最大化利用國內(nèi)能源資源，尤其是傳統(tǒng)的化石燃料。隨后，特朗普又簽署了一份名為“推動(dòng)能源獨(dú)立和經(jīng)濟(jì)增長”的總統(tǒng)行政令［5］，以廢除奧巴馬時(shí)期的多項(xiàng)能源和氣候變化政策法規(guī)，解除對(duì)美國能源開發(fā)與生產(chǎn)的各種非必要監(jiān)管，復(fù)興美國能源產(chǎn)業(yè)（尤其是煤炭產(chǎn)業(yè)），創(chuàng)造就業(yè)崗位，促進(jìn)美國能源獨(dú)立，振興美國經(jīng)濟(jì)。2017年6月下旬，美國“能源周”期間，特朗普提出“能源主導(dǎo)”戰(zhàn)略新思路，即將能源作為一種重要戰(zhàn)略資源，擴(kuò)大能源出口，在實(shí)現(xiàn)能源獨(dú)立的同時(shí)謀求世界能源霸主的發(fā)展之路。

2.2 歐盟

歐盟視應(yīng)對(duì)能源與氣候變化安全問題為其減小能源對(duì)外依存度、加強(qiáng)歐盟能源自強(qiáng)獨(dú)立、增加就業(yè)、促進(jìn)歐洲經(jīng)濟(jì)繁榮的重大機(jī)遇，因此將可持續(xù)性、前瞻性的能源環(huán)保政策納入到重要的政治議程當(dāng)中，出臺(tái)數(shù)個(gè)能源氣候政策以促進(jìn)能源技術(shù)的開發(fā)，推動(dòng)歐盟支柱產(chǎn)業(yè)的綠色轉(zhuǎn)型，力圖成為全球低碳經(jīng)濟(jì)的領(lǐng)導(dǎo)者。

自2010年以來，為了應(yīng)對(duì)氣候變化和實(shí)現(xiàn)碳減排目標(biāo)，促進(jìn)能源安全和結(jié)構(gòu)多元化，歐盟相繼提出 2020［6］、2030［7］和 2050［8］年的能源氣候政策框架，設(shè)定歐盟能源系統(tǒng)中長期發(fā)展目標(biāo)，確立了構(gòu)建“有競爭力、可持續(xù)和安全”能源系統(tǒng)的總目標(biāo)，明確低碳轉(zhuǎn)型方向，提出了優(yōu)先進(jìn)行的四大事項(xiàng)，包括：建立一個(gè)高能效、一體化歐盟能源市場；實(shí)現(xiàn)最高級(jí)別的能源安全保障；加強(qiáng)和拓展歐盟在先進(jìn)節(jié)能和可再生能源技術(shù)創(chuàng)新方面的世界領(lǐng)導(dǎo)作用；強(qiáng)化歐盟外部能源市場。2014年新一屆歐盟委員會(huì)上臺(tái)后全面實(shí)施能源聯(lián)盟戰(zhàn)略，旨在全面提升歐洲能源體系抵御能源、氣候及經(jīng)濟(jì)安全風(fēng)險(xiǎn)的能力。作為落實(shí)能源聯(lián)盟戰(zhàn)略的關(guān)鍵舉措之一，歐盟委員會(huì)于2015年9月公布升級(jí)版戰(zhàn)略能源技術(shù)計(jì)劃（SET-Plan）［9］，將研究與創(chuàng)新置于低碳能源系統(tǒng)轉(zhuǎn)型的中心地位。升級(jí)版SETPlan改變以往單純從技術(shù)維度來規(guī)劃發(fā)展的方式，而是將能源系統(tǒng)視為一個(gè)整體來聚焦轉(zhuǎn)型面臨的若干關(guān)鍵挑戰(zhàn)與目標(biāo)，以應(yīng)用為導(dǎo)向打造能源科技創(chuàng)新全價(jià)值鏈，圍繞可再生能源、智能能源系統(tǒng)、能效和可持續(xù)交通四個(gè)核心優(yōu)先領(lǐng)域以及碳捕集與封存和核能兩個(gè)適用于部分成員國的特定領(lǐng)域，開展十大研究與創(chuàng)新優(yōu)先行動(dòng)，包括：開發(fā)高性能可再生能源技術(shù)及系統(tǒng)集成，降低可再生能源關(guān)鍵技術(shù)成本，開發(fā)智能房屋技術(shù)與服務(wù)，提高能源系統(tǒng)靈活性、安全性和智能化，開發(fā)和應(yīng)用低能耗建筑新材料與技術(shù)，降低工業(yè)能耗強(qiáng)度，推動(dòng)交通電氣化，促進(jìn)替代燃料的應(yīng)用，加強(qiáng)碳捕集、利用與封存技術(shù)應(yīng)用，提高核能系統(tǒng)的安全性和利用效率。

2.3 德國

面對(duì)嚴(yán)峻的能源形勢，自20世紀(jì)兩次能源危機(jī)以來，德國政府就一直致力為本國的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展探尋和構(gòu)建安全可持續(xù)、經(jīng)濟(jì)清潔的能源供給系統(tǒng)。為此，德國在世界上率先實(shí)施以可再生能源為主導(dǎo)的能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型戰(zhàn)略。早在2010年，德國政府就發(fā)布了以發(fā)展可再生能源為核心的《能源戰(zhàn)略 2050》［10］報(bào)告，描繪了德國中長期能源發(fā)展路線圖，提出了到2050年實(shí)現(xiàn)能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的發(fā)展目標(biāo)。而2011年日本福島核事故加速和堅(jiān)定了德國政府能源轉(zhuǎn)型步伐，促使德國政府率先提出了全面棄核的能源轉(zhuǎn)型戰(zhàn)略［11］，確立了可再生能源和能效兩大戰(zhàn)略支柱，描繪了新能源發(fā)展和減排的中長期目標(biāo)，即到2050年可再生能源電力占比達(dá)到80%。在科技層面為支持能源轉(zhuǎn)型戰(zhàn)略，2011年實(shí)施的第六次能源研究計(jì)劃［12］將可再生能源、能效、儲(chǔ)能、電網(wǎng)技術(shù)作為戰(zhàn)略優(yōu)先推進(jìn)領(lǐng)域。而為了從系統(tǒng)層面推動(dòng)轉(zhuǎn)型解決方案，2015年9月，德國聯(lián)邦教研部投資4億歐元啟動(dòng)了“哥白尼計(jì)劃”［13］，這是截至目前德國為促進(jìn)能源轉(zhuǎn)型開展的最大科研資助行動(dòng)，著重關(guān)注四大重點(diǎn)方向［14］：新型電網(wǎng)的開發(fā)、可再生能源過剩電力儲(chǔ)存、適應(yīng)波動(dòng)性電力供應(yīng)的工業(yè)生產(chǎn)流程和加強(qiáng)能源系統(tǒng)的系統(tǒng)集成。

德國政府不僅重視可再生能源技術(shù)研發(fā)創(chuàng)新工作，還非常重視給予可再生能源發(fā)展堅(jiān)實(shí)的法律制度保障，為此于2000年通過了著名的《可再生能源法》（EEG-2000）。隨著德國可再生能源發(fā)展的情況變化，其對(duì)《可再生能源法》不斷進(jìn)行修訂和完善。最新出臺(tái)的《可再生能源法》2017版（EEG-2017）［15］對(duì)先前法案內(nèi)容進(jìn)行了全面修訂，主要包括：控制可再生能源年度裝機(jī)容量增長目標(biāo)，補(bǔ)貼重點(diǎn)側(cè)重于更加經(jīng)濟(jì)有效的可再生能源類型（如陸上風(fēng)電和光伏），實(shí)施上網(wǎng)電價(jià)遞減率與年度新增裝機(jī)容量掛鉤的靈活限額機(jī)制，調(diào)整上網(wǎng)電價(jià)遞減周期等等，采用招投標(biāo)模式來確定可再生電力的補(bǔ)貼額度。這表明德國可再生能源的發(fā)展從過去的全面促進(jìn)和吸引投資階段轉(zhuǎn)變到重點(diǎn)扶持、引導(dǎo)投資和成本控制新階段。

2.4 日本

作為島國，日本國內(nèi)能源資源較為匱乏，其能源消費(fèi)高度依賴進(jìn)口。能源短缺問題成為制約日本經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要因素，二戰(zhàn)后日本政府就一直將降低對(duì)能源進(jìn)口依賴、改善能源自給率作為其能源戰(zhàn)略的重點(diǎn)。為此，日本政府實(shí)施了以“3E+S”（能源安全（Energy Security、經(jīng)濟(jì)增長（Economic Growth）、環(huán)境保護(hù)（Environment）和安全性（Safety））為目標(biāo)的能源結(jié)構(gòu)多元化戰(zhàn)略，強(qiáng)調(diào)節(jié)能減排、降低對(duì)進(jìn)口能源的依賴和發(fā)展新能源。2010年6月，日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省發(fā)布以“保護(hù)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)增長”為主題的《能源戰(zhàn)略計(jì)劃》，強(qiáng)調(diào)大力發(fā)展核能，構(gòu)建以核電為主的低碳電源。隨著世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展和能源格局的變動(dòng)，日本對(duì)本國的能源戰(zhàn)略不斷作出調(diào)整。在經(jīng)過福島核事故之后，日本在能源科技發(fā)展重點(diǎn)上有較大調(diào)整，于2014年修訂了《能源戰(zhàn)略計(jì)劃》［16］，指出未來發(fā)展方向是壓縮核電發(fā)展，舉政府之力加快發(fā)展可再生能源，以期創(chuàng)造新的產(chǎn)業(yè)。2016年4月，日本相繼公布了能源中期和長期戰(zhàn)略方案：一份是經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省發(fā)布、面向2030年產(chǎn)業(yè)改革的《能源革新戰(zhàn)略》［17］，從政策改革和技術(shù)開發(fā)兩方面推行新舉措，確定了節(jié)能挖潛、擴(kuò)大可再生能源和構(gòu)建新型能源供給系統(tǒng)這三大改革主題，以實(shí)現(xiàn)能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化升級(jí)，構(gòu)建可再生能源與節(jié)能融合型新能源產(chǎn)業(yè)；另一份是日本政府綜合科技創(chuàng)新會(huì)議發(fā)布、面向2050年技術(shù)前沿的《能源環(huán)境技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略》［18］，主旨是強(qiáng)化政府引導(dǎo)下的研發(fā)體制，通過創(chuàng)新引領(lǐng)世界，保證日本開發(fā)的顛覆性能源技術(shù)廣泛普及，實(shí)現(xiàn)到2050年全球溫室氣體排放減半和構(gòu)建新型能源系統(tǒng)的目標(biāo)。技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略確定了日本將要重點(diǎn)推進(jìn)的五大技術(shù)創(chuàng)新領(lǐng)域，包括：利用大數(shù)據(jù)分析、人工智能、先進(jìn)傳感和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建智能能源集成管理系統(tǒng)，通過創(chuàng)新制造工藝和先進(jìn)材料開發(fā)實(shí)現(xiàn)深度節(jié)能，新一代蓄電池和氫能制備、儲(chǔ)存與應(yīng)用，新一代光伏發(fā)電和地?zé)岚l(fā)電技術(shù)，以及二氧化碳固定與有效利用。2017年 12月，日本發(fā)布《氫能基本戰(zhàn)略》［19］，規(guī)劃新能源汽車和氫能發(fā)展目標(biāo)，加速推進(jìn)氫能社會(huì)構(gòu)建，實(shí)現(xiàn)能源供給多元化以提高能源自給率。

2.5 其他經(jīng)濟(jì)體

在能源危機(jī)和全球氣候變化成為國際主流議題的大背景下，推進(jìn)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(huì)的共識(shí)。除了上述主要國家/地區(qū)，世界其他國家也紛紛基于自身能源資源稟賦特點(diǎn)制定了相應(yīng)的低碳能源科技戰(zhàn)略。

英國是最早提出“低碳經(jīng)濟(jì)”的國家，也是第一個(gè)實(shí)施“碳預(yù)算”的國家。早在2011年，英國政府就公布了《英國可再生能源路線圖》［20］，闡述了加快英國可再生能源部署和利用的全面行動(dòng)計(jì)劃，確定了到2020年可再生能源滿足英國15%能源需求的發(fā)展目標(biāo)。2017年10月，英國商業(yè)、能源和工業(yè)戰(zhàn)略部（BEIS）發(fā)布《低碳發(fā)展戰(zhàn)略》報(bào)告［21］，闡述了英國如何在削減碳排放以應(yīng)對(duì)氣候變化的同時(shí)推動(dòng)經(jīng)濟(jì)持續(xù)增長，為英國低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展描繪藍(lán)圖。加拿大是北美主要海洋國家，擁有世界上最長的海岸線，蘊(yùn)含豐富的海洋資源。2011年，加拿大發(fā)布了《加拿大海洋可再生能源技術(shù)路線圖》［22］，提出海洋能源發(fā)展的中長期階段目標(biāo)，以及實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的具體技術(shù)途徑和促進(jìn)條件，以保持加拿大在海洋能源領(lǐng)域的領(lǐng)先地位，為加拿大創(chuàng)造全新的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)。2015年，法國議會(huì)正式通過綠色增長能源轉(zhuǎn)型法案［23］，提出到2030年溫室氣體排放將比1990年降低40%，到2050年降低75%（同時(shí)能源消費(fèi)減半），降低化石燃料占比，控制核電裝機(jī)上限為63.2GW，可再生能源在能源結(jié)構(gòu)中占比達(dá)到32%。這一法案被視為謀劃法國能源戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型的重大舉措，旨在讓該國更有效地應(yīng)對(duì)氣候變化，加強(qiáng)能源獨(dú)立性，更好地平衡不同的能源供應(yīng)來源。

2.6 對(duì)比分析

綜合分析上述各個(gè)國家的能源戰(zhàn)略可知，盡管各國的發(fā)展理念、資源稟賦和制度背景不同，但各國/地區(qū)均不約而同地將能源技術(shù)創(chuàng)新放在了能源戰(zhàn)略的核心位置。就具體技術(shù)而言，各國都非常重視高能效技術(shù)、能源系統(tǒng)集成技術(shù)的開發(fā)，現(xiàn)代化電網(wǎng)的構(gòu)建以及新型智能化能源系統(tǒng)構(gòu)筑，以達(dá)到降能耗、減排放，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益協(xié)調(diào)統(tǒng)一。

3 能源科技前沿重要研究進(jìn)展

3.1 能源發(fā)展邁入數(shù)字化時(shí)代

隨著大數(shù)據(jù)和機(jī)器學(xué)習(xí)算法的普及，能源科技創(chuàng)新研究工作也逐漸廣泛引入以人工智能和數(shù)據(jù)挖掘?yàn)榛A(chǔ)的新興研究手段，以提升研究效率。2016年12月，斯坦福大學(xué)Evan J.Reed教授課題組［24］基于人工智能技術(shù)，利用鋰離子電池文獻(xiàn)報(bào)道的所有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)構(gòu)建了具備深度學(xué)習(xí)能力的計(jì)算機(jī)預(yù)測模型，并建立了鋰離子導(dǎo)電性、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、成本和材料來源幾個(gè)篩選標(biāo)準(zhǔn)，從材料數(shù)據(jù)庫中的12831種含鋰固態(tài)化合物中篩選出20余種有潛力的固態(tài)電解質(zhì)材料，全程僅耗時(shí)數(shù)分鐘，篩選效率是傳統(tǒng)隨機(jī)測試的百萬倍，大幅提高了研究效率。麻省理工學(xué)院的Yang shao-horn教授課題組［25］利用配位化學(xué)晶體場理論以及固體能帶理論，對(duì)鈣鈦礦型氧化物催化劑電子結(jié)構(gòu)與催化活性的關(guān)系進(jìn)行深刻闡述，并結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)、晶體截?cái)鄺U等技術(shù)展望了未來的催化劑發(fā)展趨勢。人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等新興數(shù)字技術(shù)能夠?yàn)槟茉葱袠I(yè)重大挑戰(zhàn)提供全新的數(shù)字化解決方案，推動(dòng)全球能源系統(tǒng)的緊密互聯(lián)、智能、高效、可靠和可持續(xù)［26］。預(yù)計(jì)到2025年，全球能源領(lǐng)域數(shù)字化市場規(guī)模將增長到640億美元，新的能源創(chuàng)新將集中在數(shù)字技術(shù)和數(shù)據(jù)的戰(zhàn)略使用上［27］。

3.2 3D打印技術(shù)助力先進(jìn)燃燒系統(tǒng)研發(fā)

3D打印（亦稱為增材制造）技術(shù)具有制造周期短、材料利用率高等特點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)一體化成型，是復(fù)雜構(gòu)件制造的新興技術(shù)。歐美巨頭積極布局3D打印技術(shù)，促進(jìn)燃?xì)廨啓C(jī)設(shè)計(jì)創(chuàng)新，提高效率，降低燃耗和排放，縮減生產(chǎn)周期和成本。2017年2月，西門子公司利用3D打印技術(shù)生產(chǎn)的燃?xì)廨啓C(jī)葉片首次在滿負(fù)荷的條件下完成性能測試，獲得了突破性成果，轉(zhuǎn)速可高達(dá)13000轉(zhuǎn)/分鐘，工作溫度超過1250℃（葉片被安裝在發(fā)電功率為13MW的西門子SGT-400工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)上獲得的實(shí)測結(jié)果）。3D打印技術(shù)使得改進(jìn)葉片內(nèi)部冷卻幾何形狀的新設(shè)計(jì)成為可能，可燃?xì)廨啓C(jī)的整體效率［28］。同年12月，美國通用電氣（GE）公司宣布旗下的HA級(jí)重型燃?xì)廨啓C(jī)9HA.02聯(lián)合循環(huán)發(fā)電效率突破64%，且輸出功率高達(dá)826MW，刷新了9HA.01重型燃?xì)廨啓C(jī)2016年創(chuàng)造的世界紀(jì)錄（63%，605 MW），這歸功于3D打印技術(shù)應(yīng)用于多個(gè)燃?xì)廨啓C(jī)關(guān)鍵部件的制造［29］。

3.3 核聚變研究取得重大突破

核聚變能源產(chǎn)生過程不污染環(huán)境、不產(chǎn)生放射性核廢料、安全性高、清潔且資源無限，被視為人類可持續(xù)發(fā)展的最理想的新能源。而想要將核聚變的能量真正利用起來，就必須對(duì)核聚變的速度和規(guī)模進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)能量持續(xù)、輸出平穩(wěn)。為此，科學(xué)家正努力研究如何實(shí)現(xiàn)可控核聚變。美歐中核聚變實(shí)驗(yàn)裝置持續(xù)創(chuàng)造紀(jì)錄，穩(wěn)步推進(jìn)受控核聚變的實(shí)現(xiàn)。2016年3月，德國馬普學(xué)會(huì)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(gè)氫等離子體，正式啟動(dòng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)；10月，麻省理工學(xué)院Alcator C-Mod核聚變反應(yīng)堆裝置在最后一次實(shí)驗(yàn)中，等離子體壓強(qiáng)首次突破2個(gè)大氣壓達(dá)到2.05個(gè)大氣壓，對(duì)應(yīng)的溫度達(dá)到3500萬攝氏度［30］；2017年7月，中國科學(xué)院等離子體物理研究所全超導(dǎo)托卡馬克EAST實(shí)現(xiàn)了101.2秒穩(wěn)態(tài)長脈沖高約束等離子體運(yùn)行，創(chuàng)造了新的世界紀(jì)錄，EAST成為了世界上第一個(gè)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)高約束模式運(yùn)行持續(xù)時(shí)間達(dá)到百秒量級(jí)的托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置［31］。

3.4 儲(chǔ)能技術(shù)在反應(yīng)機(jī)理探索、電化學(xué)體系新設(shè)計(jì)、新材料開發(fā)方面成果斐然

深刻理解電化學(xué)電池充放電循環(huán)過程的反應(yīng)機(jī)理和動(dòng)力學(xué)過程是制備高性能電池的關(guān)鍵理論基礎(chǔ)。2016年5月，斯坦福大學(xué)William C.Chueh教授課題組［32］牽頭的聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種全新的“同步液態(tài)掃描透射X射線顯微成像（STXM）”技術(shù)，借助該技術(shù)研究人員首次在介觀尺度實(shí)現(xiàn)對(duì)鋰離子電池充放電過程中單個(gè)納米顆?；顒?dòng)行為的原位實(shí)時(shí)觀測和成像；2017年2月，勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室利用集成X射線譜的全場透射顯微成像技術(shù)（FF-TXM-XANES）首次在納米尺度上實(shí)現(xiàn)了對(duì)鋰離子電池充放電循環(huán)過程中鋰錳鎳氧（LiMn1.5Ni0.5O4，LMNO）正極材料相變過程的詳細(xì)觀測研究，揭露了脫鋰過程中LMNO電極相轉(zhuǎn)變機(jī)制［33］；5月，瑞士保羅謝爾研究所研究團(tuán)隊(duì)利用X射線技術(shù)首次實(shí)現(xiàn)對(duì)鋰硫電池放電中間產(chǎn)物的直接觀測，對(duì)鋰硫電池反應(yīng)機(jī)理有了進(jìn)一步的深入認(rèn)識(shí)，為設(shè)計(jì)和開發(fā)高性能鋰硫電池提供了重要的科學(xué)理論參考［34］。

鋰離子電池較小的能量密度以及電解質(zhì)易燃易爆問題限制了其應(yīng)用范圍，因此研發(fā)低成本、高能量密度、長壽命、安全可靠的新型非鋰離子二次電池技術(shù)成為了前沿研究熱點(diǎn)。加州大學(xué)河濱分校開發(fā)全球首個(gè)水合氫離子電池（以H3O+為正電荷載流子，傳統(tǒng)的電池技術(shù)主要采用堿金屬離子或者鋁離子作為正電荷載流子），具備較高的電荷儲(chǔ)存容量和良好的可逆性，有望開辟全新的電池技術(shù)，為電網(wǎng)規(guī)模儲(chǔ)能帶來新的解決方案［35］；麻省理工學(xué)院報(bào)道了一種全新的無泵“沙漏式”液流電池（也稱為重力驅(qū)動(dòng)型液流電池，GIFcell），其能量轉(zhuǎn)化效率超過91%，能量密度高達(dá)約1000毫安時(shí)/克，放電電壓約為2.05伏。相比傳統(tǒng)液流電池，該電池?zé)o需外加泵來驅(qū)動(dòng)電解液流動(dòng)，機(jī)械能量耗散極低，且結(jié)構(gòu)更簡單、成本更低，有望開辟全新的液流電池技術(shù)［36］。

3.5 鈣鈦礦太陽電池研究取得全面進(jìn)展

鈣鈦礦電池技術(shù)在機(jī)理研究、材料研發(fā)、制備工藝等方面取得全面進(jìn)展，解決了器件大面積制備、長期穩(wěn)定性等技術(shù)瓶頸。日本沖繩科技大學(xué)研究系統(tǒng)揭露了碘基鈣鈦礦薄膜降解作用機(jī)理，認(rèn)為碘鹵素鈣鈦礦太陽電池發(fā)生降解引起性能衰退的原因不只是受到水汽、紫外線、熱應(yīng)力和電應(yīng)力等因素影響，其本身也存在自我降解的特性，即碘蒸汽也會(huì)誘發(fā)碘鹵素鈣鈦礦薄膜發(fā)生降解，這為改善鈣鈦礦電池穩(wěn)定性問題提供了重要的理論參考［37］；韓國化學(xué)研究所制備的新型鈣鈦礦材料顯著減少了鈣鈦礦薄膜缺陷態(tài)濃度，光電轉(zhuǎn)換效率22.7%，創(chuàng)造了新的世界紀(jì)錄［38］；上海交通大學(xué)與瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院聯(lián)合采用新工藝制備出36.1 cm2超大面積鈣鈦礦電池，效率13.9%，突破大面積工藝瓶頸，為鈣鈦礦電池的大規(guī)模生產(chǎn)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)［39］。穩(wěn)定性問題是鈣鈦礦太陽電池能否成功走向商業(yè)化應(yīng)用一大關(guān)鍵因素，韓國蔚山科技大學(xué)制備出全新的鑭元素?fù)诫s的錫酸鋇鈣鈦礦材料，替代TiO2作為電子傳輸層應(yīng)用于鈣鈦礦太陽電池，顯著提升電池的穩(wěn)定性，在連續(xù)光照1000小時(shí)情況下，仍然能夠保持初始效率的93%，創(chuàng)造了鈣鈦礦電池穩(wěn)定性世界記錄［40］。

4 能源科技中長期發(fā)展規(guī)律與趨勢

當(dāng)今世界正處于新一輪能源革命的起步期，可再生能源、智能電網(wǎng)等技術(shù)開始規(guī)?；瘧?yīng)用，分布式能源、第四代核電等技術(shù)進(jìn)入市場導(dǎo)入期，大容量儲(chǔ)能、新能源材料、氫燃料電池等技術(shù)有望取得重大突破。這些重大技術(shù)變革引發(fā)的能源革命將主導(dǎo)第三次工業(yè)革命的發(fā)展?？v觀歷次能源革命中技術(shù)變革的發(fā)展歷程，均遵循了能源科技創(chuàng)新固有的特點(diǎn)和規(guī)律，即：能源科技是面向應(yīng)用的階段性發(fā)展過程，體現(xiàn)出高度綜合、多學(xué)科交叉特點(diǎn)，具有經(jīng)濟(jì)、戰(zhàn)略和環(huán)境等多重屬性，國家需求導(dǎo)向和戰(zhàn)略引領(lǐng)在能源科技發(fā)展中起到關(guān)鍵作用。能源技術(shù)進(jìn)步既是遵循上述特點(diǎn)和規(guī)律、解決發(fā)展中面臨的問題和障礙使然，也是重視能源科技創(chuàng)新體系的建立和完善、提高能源科技創(chuàng)新能力和裝備制造水平的結(jié)果。

隨著新能源技術(shù)和一系列新興信息通信技術(shù)（云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等）的發(fā)展和深度融合，全球新一輪能源技術(shù)革命呈現(xiàn)出“低碳能源規(guī)?；?、傳統(tǒng)能源清潔化、能源供應(yīng)多元化、終端用能高效化、能源系統(tǒng)智慧化、技術(shù)變革全面深化”的整體趨勢。

低碳能源規(guī)?；耗茉唇Y(jié)構(gòu)由高碳化石能源向低碳清潔能源轉(zhuǎn)變，天然氣和可再生能源成為世界能源發(fā)展的主要方向。除了繼續(xù)發(fā)展集中式發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)，可再生能源利用也朝著與化石能源多能互補(bǔ)、分布式利用的方向發(fā)展。尤其是可再生能源發(fā)電與現(xiàn)代電網(wǎng)的融合，是提高可再生能源利用比例必須跨越的技術(shù)瓶頸。

傳統(tǒng)能源清潔化：化石能源的清潔高效開發(fā)和利用一直是能源科技的主要任務(wù)，煤炭分級(jí)分質(zhì)轉(zhuǎn)化清潔利用技術(shù)、碳捕集與封存技術(shù)等快速發(fā)展，表現(xiàn)出煤炭超低排放利用與深度低碳化兼容發(fā)展的態(tài)勢。

能源供應(yīng)多元化：全球天然氣利用的比例不斷增大，太陽能、風(fēng)能、生物質(zhì)能等可再生能源的利用規(guī)?；?，先進(jìn)安全核能等一批新能源技術(shù)的發(fā)展都在改變傳統(tǒng)能源結(jié)構(gòu)。這些改變體現(xiàn)在針對(duì)不同能源的資源稟賦特點(diǎn)而形成的開發(fā)、轉(zhuǎn)化、利用、污染物控制等各個(gè)環(huán)節(jié)。

終端用能高效化：綠色能源消費(fèi)模式是終端能源消費(fèi)的主要方向，而終端能源未來將更多地轉(zhuǎn)向電力消費(fèi)。能源消費(fèi)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。

能源系統(tǒng)智慧化：隨著以智慧優(yōu)化和調(diào)控為特征的能源生產(chǎn)消費(fèi)新模式的涌現(xiàn)，智能電網(wǎng)、分布式智慧供能系統(tǒng)等發(fā)展迅速，交通運(yùn)輸向智能化、電氣化方向轉(zhuǎn)變，建筑向潔凈化、綠色化、智能化方向發(fā)展，能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展應(yīng)用正在引發(fā)用能模式和業(yè)態(tài)變革，智慧能源新業(yè)態(tài)未來將蓬勃發(fā)展。

5 啟示與建議

我國是世界上最大的能源生產(chǎn)國和消費(fèi)國，面臨能源需求壓力巨大、能源供給制約較多、能源技術(shù)水平總體落后等挑戰(zhàn)，推進(jìn)能源革命勢在必行?！笆濉睍r(shí)期是全面建成小康社會(huì)、實(shí)現(xiàn)第一個(gè)百年奮斗目標(biāo)的決勝階段，也是建設(shè)生態(tài)文明、推動(dòng)能源革命的攻堅(jiān)階段，是積極應(yīng)對(duì)氣候變化、落實(shí)《巴黎協(xié)定》的一個(gè)轉(zhuǎn)折期。為此必須要進(jìn)一步轉(zhuǎn)變思想，堅(jiān)定信心，加快能源技術(shù)創(chuàng)新，推動(dòng)能源革命。

近年來，我國能源科技創(chuàng)新能力和技術(shù)裝備自主化水平顯著提升，建設(shè)了一批具有國際先進(jìn)水平的重大能源技術(shù)示范工程，標(biāo)志著我國能源科技水平得到了跨越式發(fā)展。雖然我國能源科技水平有了長足進(jìn)步和顯著提高，但與世界能源科技強(qiáng)國和引領(lǐng)能源革命的要求相比，還有較大的差距。因此，為了更好地推進(jìn)能源科技創(chuàng)新突破，助力能源革命，縮小與國際先進(jìn)水平的差距，早日躋身世界能源科技強(qiáng)國之列，在結(jié)合我國國情情況下，針對(duì)我國在能源領(lǐng)域的科技活動(dòng)提出如下建議。

5.1 頂層設(shè)計(jì)實(shí)施科學(xué)合理的前瞻性能源轉(zhuǎn)型戰(zhàn)略

把握世界能源科技綠色低碳、智能、高效、多元的發(fā)展方向，結(jié)合國家戰(zhàn)略需求，有重點(diǎn)、有步驟調(diào)整面向2030和2050年的中長期能源轉(zhuǎn)型戰(zhàn)略，把戰(zhàn)略接續(xù)油氣資源開發(fā)、化石能源清潔高效利用、先進(jìn)安全核能、規(guī)模化可再生能源、分布式能源和智慧能源網(wǎng)絡(luò)作為戰(zhàn)略優(yōu)先方向，適時(shí)更新中長期發(fā)展戰(zhàn)略/行動(dòng)計(jì)劃，并利用技術(shù)和產(chǎn)業(yè)路線圖指導(dǎo)技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新。

5.2 加快技術(shù)創(chuàng)新提升能源裝備水平和利用效率

我國能源裝備和利用效率總體尚處于較低水平，因而必須通過能源技術(shù)創(chuàng)新，提高用能設(shè)備設(shè)施的效率，增強(qiáng)儲(chǔ)能調(diào)峰的靈活性和經(jīng)濟(jì)性，推進(jìn)能源技術(shù)與信息技術(shù)的深度融合，加強(qiáng)整個(gè)能源系統(tǒng)的優(yōu)化集成，實(shí)現(xiàn)各種能源資源的最優(yōu)配置，構(gòu)建一體化、智能化的能源技術(shù)體系。綠色低碳能源技術(shù)創(chuàng)新及能源系統(tǒng)集成創(chuàng)新很可能會(huì)成為引領(lǐng)新一代工業(yè)革命的關(guān)鍵因素，因此需培養(yǎng)能源技術(shù)自主創(chuàng)新生態(tài)環(huán)境，集中攻關(guān)一批核心技術(shù)、關(guān)鍵材料及關(guān)鍵裝備。

5.3 關(guān)鍵耦合技術(shù)開發(fā)促進(jìn)多能互補(bǔ)現(xiàn)代能源體系構(gòu)建

“多能互補(bǔ)”成為能源可持續(xù)發(fā)展的新潮流，引領(lǐng)著能源行業(yè)邁向多種能源深度融合、集成互補(bǔ)的全新能源體系，是能源變革的發(fā)展趨勢。因此發(fā)展多能互補(bǔ)的關(guān)鍵耦合技術(shù)，如加大風(fēng)光水火儲(chǔ)多能互補(bǔ)關(guān)鍵技術(shù)和專用技術(shù)以及多能互補(bǔ)控制器等關(guān)鍵設(shè)備研發(fā)力度，破除化石能源、可再生能源、核能等各能源體系之間技術(shù)上的相對(duì)割裂態(tài)勢，促進(jìn)不同能源體系相互聯(lián)系和相互支持的共性技術(shù)及核心關(guān)鍵技術(shù)的突破，推進(jìn)關(guān)聯(lián)產(chǎn)業(yè)融合發(fā)展，構(gòu)建多能互補(bǔ)、協(xié)調(diào)發(fā)展的能源體系。

5.4 建設(shè)美麗中國推進(jìn)能源綠色發(fā)展

十九大報(bào)告將推進(jìn)能源生產(chǎn)與消費(fèi)革命列入“加快生態(tài)文明體制改革，建設(shè)美麗中國”章節(jié)，對(duì)能源發(fā)展改革工作提出了新的使命要求，即推進(jìn)能源發(fā)展向更高水平、更加綠色的方向邁進(jìn)。一方面，要堅(jiān)定不移推進(jìn)能源供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革，把提高供給質(zhì)量作為主攻方向，大力推進(jìn)化石能源清潔化發(fā)展、非化石能源規(guī)?；l(fā)展，加強(qiáng)煤炭清潔高效利用，降低傳統(tǒng)化石能源生產(chǎn)和消費(fèi)比重，不斷壯大清潔能源產(chǎn)業(yè)，著重提高可再生能源可持續(xù)發(fā)展能力，構(gòu)建清潔低碳、安全高效的能源體系。另一方面，要堅(jiān)持節(jié)約集約循環(huán)利用的資源觀，深入推進(jìn)能源技術(shù)革命，優(yōu)化能源生產(chǎn)管理模式，不斷提高能源轉(zhuǎn)換效率，降低產(chǎn)煤、煉油、發(fā)電等綜合能耗、水耗，著力提高能源資源利用綜合效益。

5.5 著力解決可再生能源消納問題

為促進(jìn)可再生能源消納，首先需要進(jìn)一步通過相關(guān)支持政策和激勵(lì)機(jī)制加大推進(jìn)力度，出臺(tái)可再生能源配額制，明確地方政府的主體責(zé)任，逐步放開發(fā)用電計(jì)劃，將發(fā)電權(quán)交易、直接交易等交易機(jī)制納入電力市場體系等；其次，優(yōu)化可再生能源規(guī)劃建設(shè)及區(qū)域布局，把握好新增項(xiàng)目建設(shè)節(jié)奏，嚴(yán)格控制棄風(fēng)棄光嚴(yán)重地區(qū)的風(fēng)電和光伏發(fā)電新增建設(shè)規(guī)模；再則，要打破區(qū)域壁壘，在可再生能源供給側(cè)和消費(fèi)側(cè)做好平衡，立足各地資源稟賦，建立宏觀調(diào)度機(jī)制，構(gòu)建全國電力市場，提升跨區(qū)調(diào)度和協(xié)同互濟(jì)保供能力，促進(jìn)可再生能源全國范圍內(nèi)消納。另外，抓住“一帶一路”戰(zhàn)略機(jī)遇，加強(qiáng)與“一帶一路”沿線國家的能源合作，為我國可再生能源消納提供新路徑。

5.6 積極擁抱數(shù)字技術(shù)發(fā)展數(shù)字能源

在大數(shù)據(jù)時(shí)代，能源行業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型已然大勢所趨。未來的幾十年內(nèi)，數(shù)字技術(shù)將使全球能源系統(tǒng)變得更加緊密互聯(lián)、智能、高效、可靠和可持續(xù)。因此需要堅(jiān)定不移地推進(jìn)能源和數(shù)字技術(shù)深度融合，以引導(dǎo)能量有序流動(dòng)，構(gòu)筑更高效、更清潔、更經(jīng)濟(jì)、更安全的現(xiàn)代能源體系。為了順利推進(jìn)能源數(shù)字化轉(zhuǎn)型，需要對(duì)能源行業(yè)從業(yè)人員進(jìn)行專業(yè)的數(shù)字技術(shù)技能培訓(xùn)，確保以適當(dāng)?shù)姆绞将@取及時(shí)、可靠、可驗(yàn)證的數(shù)據(jù)，賦予政策一定的靈活性以適應(yīng)新技術(shù)發(fā)展需求，廣泛地開展跨能源部門的討論以更好地制定政策、推進(jìn)能源數(shù)字化轉(zhuǎn)型。此外，應(yīng)該從系統(tǒng)觀出發(fā)來考量能源數(shù)字化轉(zhuǎn)型的成本和收益，密切追蹤觀測數(shù)字化轉(zhuǎn)型對(duì)全球能源消費(fèi)需求變化的影響，充分考慮和評(píng)估能源數(shù)字化轉(zhuǎn)型過程中面臨的潛在風(fēng)險(xiǎn)，提供一個(gè)公平的競爭環(huán)境，以更好地服務(wù)各類能源公司和消費(fèi)者，并加強(qiáng)國際合作，分享能源數(shù)字化轉(zhuǎn)型的成功案例和經(jīng)驗(yàn)。