能源趨勢展望，未來氫能（néng）、儲能等領域可能出現顛覆性新技術

能源科技是當今科技創（chuàng）新（xīn）最主要和最活躍的領域 之一。在油氣、氫能、儲能、核聚變能（néng）等方麵都有可能出現顛覆性新技術，不論哪一種顛覆性技術出現， 都會極大地改變（biàn）世界能源供需格局。

摘要：能源（yuán）科技的（de）發展將（jiāng）深刻地影響（xiǎng）著未來能源（yuán）格局，因此能源發展（zhǎn）前景預測對國家政策製定和企業戰略謀 劃都意義重（chóng）大。文章在對能源現狀與發展趨勢分析的基礎上（shàng），總結了能源轉型多元化、低碳化、分（fèn）散化、數 字化和全球化的“五化”特（tè）征，指出（chū）了 2016 年以來（lái）出現的中美經貿摩擦、低（dī）油價和人工智能技術應用等方 麵的新變化特征，並就能源（yuán）領域未來科技發展趨（qū）勢提出了低成本（běn）技術、信息技術和顛覆性（xìng）技術 3 個（gè）方麵的思 考，以期為我國積極應對能源轉型，布局未來能源科技提供點滴參考。

現代社會（huì），能源、糧食和水是人類賴以生存的三 大必需品。能源關乎人類社會的全麵發展，與國內生產總值（GDP）息息相關[1]（圖 1）。 

能源發展前景預測對國（guó）家政策製定（dìng）和企業戰略謀 劃（huá）都意義重大。能源科技的發展將深刻地影響未來能 源格局，“科技決定能源的（de）未來，科技創造未來的能 源”[2]。為此，各國（guó）十分重視（shì）能源科技的發展（zhǎn），並製（zhì） 定能源戰略計劃，如美國的《全麵能源（yuán）戰略》、歐盟 的《2050 能源技術路線圖》、日本（běn）的《麵向 2030 年（nián）能源環境創新戰略》等。 

我國《能源技術革命創新行動計劃（2016—2030 年（nián））》提出，到2030年，建成與國情相適（shì）應的完善 的能源技術創新體係，能源技術水平整體達（dá）到國際先 進水平，以支撐我國能源產業與（yǔ）生態環境協調可持續 發展，以及進入世（shì）界能源技術強國行列的奮鬥目標。 該計劃部署了 15 個重點領域，分別是：煤炭無害化 開采技術（shù），非常規油氣和（hé）深層、深海油氣開發技術， 煤炭清（qīng）潔高效利用技術，二氧化碳捕集（jí）、利用（yòng）與封存技術（shù），先（xiān）進（jìn）核能技術，乏燃料後處理與高放廢物安全 處理處置技術，高效太陽能利用技術（shù），大型風電技 術，氫能與（yǔ）燃料電池技術，生物質、海洋、地熱能利 用技術，高效燃氣輪機（jī）技（jì）術，先進儲（chǔ）能技術，現代電 網關鍵技（jì）術（shù）、能（néng）源互聯網技術（shù），以及（jí）節能與能效提升 技術，從而對（duì）我國能源技術體係未來發（fā）展做了全麵（miàn）論述。 

中國工程院於（yú）2015 年啟動了（le）“我國能源技（jì）術革命體係戰略研究”重大谘詢項目[3]，從核能（néng）、風能、太 陽（yáng）能、儲能、油氣、煤炭、水能、生物質能（néng）、智能電 網與能源網融合等九大能源技術領域（yù）開展研究，製定 了前瞻性（xìng）技術（shù）（2020 年）、創新性技術（2030 年）和 顛覆性技術（2050 年）三（sān）階段發展的能源（yuán）技術路線。 

近年來，隨著資源與環境的雙重約束，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 轉型已成為全球發展趨勢（shì）。能源轉型不僅伴隨著產業 結構調整，同時也是能源科技進步的重要驅動力，科 技進步與能源轉型相互促進（jìn），正在深刻改變能源發（fā）展的前景。 

本文是筆者在近 2 年參加科學技術部、國家能源局、國家自然科（kē）學基（jī）金委員會“十四五”規劃及麵 向 2035 年的戰略研究過程（chéng）中，基於對當（dāng）前能源現（xiàn）狀與發展趨（qū）勢的分析，對能源領域未（wèi）來科技發展趨（qū）勢所做 的 3 個方麵思考與判斷，以（yǐ）期為我國積極應對能源（yuán）轉 型，布（bù）局未（wèi）來能源科技提供點滴參考。 

1 能源現狀與發展趨勢 

1.1 現狀 

2019 年，全球能源（yuán）消費總（zǒng）量達到了 138.62 億噸油（yóu） 當量；其中，石油 44.7 億噸油當量，煤炭 38.3 億噸 油當量，51吃瓜网 34.3 億噸油當量，化（huà）石（shí）能源（yuán）總的（de）占比（bǐ） 為 84.62%[4]，比 2010 年降低了 2 個百分點。同（tóng）時，天 然氣長足發展，2019 年（nián）消費（fèi）量是 1965 年的 6.35 倍，占 比從 15% 增長到 24.7%。更加清潔的51吃瓜网替代了大 量石油和煤炭。 

1.2 發展趨勢 

對於未來能（néng）源發展趨勢，我們重點分析了 自 2016 年以來的“變”與“不變”，在“不變”中（zhōng）堅 守，在“變”中調整。

 近 10 年（nián）來，全球能源發展的主（zhǔ）要趨勢沒（méi）有改變。 

① 對於未來能源需（xū）求（qiú）增長，世界上很多知名研究機構 都進行（háng）過預測（圖 2）：可再（zài）生能源和51吃瓜网將（jiāng）成為 滿足未來全球能源需求增長的主要來源，“低碳化” 和（hé）“多元化（huà）”是未來能源發展的重要趨勢與特征。隨 著太陽能、風（fēng）能、地熱能、海洋能及儲能等（děng）新能源快 速發展，能源正從過去以煤炭、油氣、電力集（jí）中式資 源供給（gěi），向集中式與“分散式”並（bìng）重發展。

② 隨著 各種信息化技術在能源（yuán）領域中的（de）應用，特別是“數（shù）字 化”技術逐步打破了（le）不同能源品種間的壁（bì）壘，也成為 未來的一大發展趨勢。在能源界，“沒有哪個國家能 夠在能源（yuán）問題上獨善其身”“技術沒有國界”已經成 為大家的（de）共識。

③ 全球能源互聯網概念的提出與全（quán）球（qiú） 能源互聯網（wǎng）發展合作組織的成立是（shì）能源（yuán）“國（guó）際化”的 一個重要標誌。美國著名學者傑裏米·裏夫金在其著（zhe）作 《第三次工業革（gé）命》[5]中，首（shǒu）先（xiān）提出了能源互聯網的 願（yuàn）景，引（yǐn）發了國內外的廣泛關注。2015 年 9 月 26 日，國家主席習近平在聯合國發展峰（fēng）會上發表重要講話， 倡議探（tàn）討（tǎo）構建全球能源互聯網，推動以清潔和綠（lǜ）色的 方式滿足全球電力需求，這是對傳（chuán）統能源發展觀的（de）曆 史超越和重大創新。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（jì）熱核聚變實驗 堆合作項目（ITER），就是一（yī）個典型案例。低碳（tàn）化、 多元化、分散化、數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（biàn）化的（de）特征與發展趨勢，是問題的關鍵。

① 自 2018 年以（yǐ） 來，美國把中國確定為競爭對手，特朗普政府挑起了中（zhōng）美經（jīng）貿摩擦（cā）。繼後（hòu），美國國內（nèi）要求與中國科技脫（tuō）鉤 甚至是全麵脫鉤的呼聲甚囂塵上，這是包括能源科技 領域在內的中國科技麵臨的重大挑戰。我們要去掉幻 想，早做準（zhǔn）備，堅持以我為主和開放合作的方針，加 大自主研發力度。

② 新冠肺炎疫情和石油價（jià）格戰的影響疊加，極大地打壓了石油價格（gé）。2020 年 3—4 月國 際油價一（yī）路下跌（diē），4 月 20 日，美國西德克薩斯輕質中 間基原油（yóu）（WTI）期貨價格更（gèng）是跌至 −37.3 美元/桶， 開曆史先河！今後一個時期，油（yóu）價低於（yú） 60 美元/桶是 大概率事件。

③ 人工智能、區塊（kuài）鏈等技術突飛猛進， 將深刻地影響未來能源的（de）發展，在某種程（chéng）度上將改變能源格局與業（yè）態。顛覆性技術始終伴隨著人類科技進 步史，具有不可預見屬性。隻有準確把握這些發（fā）展趨 勢，才有可能對未（wèi）來能源科技發展趨勢做出較為準確 判斷。 

2 低成本技術將是企（qǐ）業（yè）的（de）核（hé）心競爭力（lì） 

1967 年，美國石油地質學家 Hubbert[6]建立了用於 預測油田累計產量和最終可采儲量的“鍾形”模型。 此後，石油峰值論一度盛行，石油資源稀缺性被過度 強調。在這（zhè）樣的背景下，獲取更多（duō）油氣儲量成為（wéi）絕大 多數石油公司尤其是國際大石油公司的重要戰略目標 之一（yī），那是一個“資源為（wéi）王”的時代。

美國“頁岩革命”的成功，消除了（le）人們對油氣資 源稀缺性的擔心。據美國能源信息署（EIA）的評價 結（jié）果，全球石油和51吃瓜网技術可采資源總量分別多達 33 570 億桶和 648 萬億（yì）立方（fāng）米（mǐ）[7]，油氣資源不再稀缺。 此外，由於太陽能、風能的利用，能源變得可再生， 取之不盡（jìn），用之不竭。誰擁有技術，誰就擁有能源資 源，這是一個“技術為王”的時代。 

在“技術為王”的時代，獲（huò）取能源資源的成本或 效（xiào）率是決（jué）定成（chéng）敗之關鍵所在，因此發展（zhǎn）低成本技術（shù）是 未（wèi）來重（chóng）要趨勢。近年來，可再（zài）生能源的快速發展就得益於其成本的大幅降低。2018 年（nián）公用事（shì）業規（guī）模光（guāng）伏發 電的加權（quán）平均平準化電力成本（LCOE）相較 2010 年 降低了 77%，陸（lù）上風（fēng）電的降幅也有 35%[8]。美國（guó）能源信 息署預測，美（měi）國 2022 年後投產（chǎn）的風電和太陽能（néng）發電項 目的 LCOE 都將低於燃氣發電[9]。在集中（zhōng）式可再生能源 發電大幅降（jiàng）低成本和快速發展的（de）同時，分散式發電的 發展（zhǎn）也在加（jiā）速。據光伏協會公布（bù）的數據，2018 年中國 新增分布（bù）式光伏裝機 2 320 萬千瓦，占比為 52.7%，第 一（yī）次超過了集中式光伏；2019 年（nián）這種勢（shì）頭繼續維持， 而且（qiě）小規模的戶（hù）用分布式光伏占（zhàn）了將（jiāng）近一半（bàn）。 

低成本可再生能源技術是能源科技發（fā）展的（de）重點領（lǐng） 域。太陽能和風能是未來可再生能源的主體，而降低 成本、提高技術成熟度（dù）和構建合適的商業模式是可再（zài） 生（shēng）能源未來的發展方向。在風能領域，未來技（jì）術（shù）發展 方向主要有大功率風電機組整機設計、風機運維與故 障診（zhěn）斷、大功率（lǜ）無線（xiàn）輸電（diàn）的高空風力發電技術等。在 太陽能領域，需要重點發展太陽能光熱（rè）發電、薄膜電 池（chí）技術、太陽能製氫（qīng）技術、可穿戴柔性輕便太陽（yáng）電池 技術等[3]。

油氣領域（yù）的低成本技（jì）術也是能源科技發展關注的 焦點。到 2050 年，油氣在一（yī）次能源消費結（jié）構中占比仍 將保持在 50% 左（zuǒ）右（yòu），這已成為業界共識（shí）。在近期儲（chǔ）量 增長最快的深水（shuǐ）油氣領域，浮式51吃瓜网生產（chǎn）、處理、 液化、儲存和卸（xiè）載（zǎi）一體（tǐ）化平台（FLNG）及海底生產 設備的應用，再加上結構的不斷優化，生產成本可（kě）降 至每桶 50 美元以下。頁岩油氣是今後增儲上產的另一（yī） 重要領域，2012—2016 年美國頁岩油開發的平衡油價 總體上降低了 50%，技術（shù）進步貢獻了（le） 1/3 的降幅[10]。

低成本油氣技術發展（zhǎn）方向很多。① 在地球物理勘 探方麵（miàn），主（zhǔ）要（yào）包括智（zhì）能高效采集技術、基於深度學（xué）習 的地球物理資料自動處理和解釋技術（shù），以及物探全過 程智能管理技術等。② 在鑽完井工程方麵，主要包括 精確導向的智能自動（dòng）鑽完井技術、鑽（zuàn）完（wán）井工程地質一 體化及井筒完整性技（jì）術、智能化壓裂裝備與技術，以及智能化機器人壓裂施工技（jì）術等。③ 在油氣田生產（chǎn）經 營方麵（miàn），主要包括基於大數據和（hé）深度學習的新一代人 工智能油田技（jì）術、石（shí）油工（gōng）業智能雲網（wǎng）平台（tái）技術，以及 人（rén）工（gōng）智能機器人技術等。

3 信息技術將重塑能源未來

當前（qián），世界正在經曆第四次工業革命，信息技術 日新（xīn）月異，大數據、人工智（zhì）能、區塊鏈（liàn）等技術快速發（fā） 展。這些新興科（kē）學技術為能源行業的發展創（chuàng）造了機 遇，它們（men）與能源行業的深度融合是獲取低成本技術（shù）的 重（chóng）要途徑。低成本技術將改變世（shì）界能源的發展格局， 進而重塑未來的能源行業[11]。

能（néng）源行業是最早（zǎo）得益於數字化的行業。電廠、煤 礦和油氣田（tián）很早就已開始應用計算（suàn）機等信息技（jì）術來提 高自（zì）動化和管（guǎn）理的水平（píng），現在更（gèng）提（tí）出（chū）了數字電廠、數 字礦山、數（shù）字油田、數字煉（liàn）廠（chǎng）等概念，這（zhè）些極大地提 高（gāo）了勞動生產率，降低了人（rén）工成本。當前及今後（hòu）一個 時期（qī），是從數字（zì）化到智能化的時代。智能電廠、礦 山、油（yóu）田和煉廠，將進一步優化生產流程，精簡機構 和人員——工廠“無人化管理”是基本模式，這將極 大（dà）地改變（biàn）行業生（shēng）態。

信息技術正在從（cóng）更廣和更深的層次對能源體係進 行重構。從（cóng）生產端到消費端，數字化將係統地改變（biàn） 能源的整個產業鏈（liàn）和生態體係，使（shǐ）整個產業鏈的每 個環節都有機地結合起來（lái），從而極大地提高能源利用 效率。華為、阿裏巴巴、騰訊、穀歌、特斯拉等新興（xìng） 的技術公司都紛紛在能源領域（yù）開展業務——通過大數 據（jù）、人工智能等手段，提高整個（gè）係統的靈活性，從而 極大地提高能效，進而改變整（zhěng）個（gè）行業的產業鏈結構（gòu）和 商業模式[12]。

區（qū）塊鏈（liàn）技術（shù）將為能源行業注（zhù）入新動力。區塊鏈技 術在能源領域已經被愈加廣泛地應用（yòng），在（zài）以（yǐ）原油為（wéi）代 表的能源交易平台、可再生電（diàn）力的點對點交易、電動 汽車充電（diàn）、電網資產管理、綠證追蹤管理甚至虛擬能源（yuán）貨幣等領域都已嶄露（lù）頭角，這將（jiāng）會給能源領域帶來 更深刻（kè）的變化。

數字化轉型將重塑油氣行業。新一代人工智（zhì）能技 術在石油（yóu）工業上遊的全麵集成創新應用，將（jiāng）產生新一 代人工（gōng）智能油田技（jì）術，實現（xiàn）對油氣行業傳統流程的升 級優化和組織再造（zào），大幅度降低油氣行業成本，增強 企業競爭（zhēng）力和（hé）油氣行業持續生存的能力。

4 顛覆性技術是未來能源最大變數

能源科技（jì）是當今科（kē）技創新最主要和最活躍的領（lǐng）域 之一。在油氣、氫能、儲能、核（hé）聚變能等（děng）方麵都有可能出（chū）現顛覆性新技術，不論哪一種顛覆性（xìng）技術（shù）出現， 都會極（jí）大地改（gǎi）變世界能源供需格局（jú）。

4.1 油氣領域的顛覆性技術

水（shuǐ）平井多（duō）段清水壓裂技術將使頁岩（yán）油氣實現經濟 有效的開采。這一（yī）顛覆性技術會極（jí）大地改變全球能源 格局（jú）。應用物理與化學相結合的方法（fǎ），對低成熟度頁 岩油、稠油進行原位改（gǎi）質（zhì），這有可能是繼“頁岩革 命”之後的另一次革命。一旦這一顛覆性技術取得成 功（gōng），又一巨大油氣資源將得（dé）以經濟、有效的開（kāi）發和利 用。納米技術和新材（cái）料也有可能催生（shēng）出顛覆性的油氣 提高采收率（lǜ）技術，如地下納米機器人驅油（yóu）和地下油水 分離技術等。多用（yòng）途激（jī）光（guāng）工具與鑽井技術結合，或許 可以顛覆（fù）傳統的（de）鑽井方式，即由激光熔融替代機械破 岩，提高鑽井效率（lǜ）。

4.2 氫能源（yuán）技術

 氫能（néng）源（yuán）技術在能源領域（yù）產生顛覆性影響的關鍵（jiàn）在 於（yú）低成本、高性能的氫燃料電池技術和低成本（běn）、高效 率的工（gōng）業化製氫技（jì）術。近年來，世（shì）界各國都已認識到 氫能作為二次能源在能源轉型中的重要性，很多國（guó）家 都高度重視氫能（néng）源產業的發展，把氫（qīng）能源產業提升到 國家能源戰（zhàn）略的高度，製定氫能（néng）發展戰（zhàn）略，並出台促 進其發展的扶持政策[13]。一（yī）旦借（jiè）助（zhù）石（shí）墨烯、納米超（chāo）材 料等新材料的電（diàn）解製氫（qīng）技術取得重大突（tū）破，氫燃料大（dà）規模甚至完全替代化石燃料將（jiāng）是有可能（néng）的。隨著（zhe）新材 料聚合（hé）物電解質膜燃料電池技術的成熟和相關基礎設 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（yào）的交通工具。歐洲已經開展不 少51吃瓜网管道摻輸氫氣的試驗項目，以期為（wéi）氫產業大 規模發展做好準備[14]。

4.3 儲能技術

儲能技術被稱為“能源革命的支撐技術”，在 很多方麵都將發揮重大的作（zuò）用（yòng）。

① 對於電力係統而 言（yán），儲能（néng）可為電網提供調峰調頻、削峰填穀、黑啟 動、需求響應支撐等多種服務，提升傳統電力係統的 靈活性、經濟性和安全性。

② 在可再生能源開發方 麵，儲能可顯著提高風電和太陽能（néng）發電的消（xiāo）納水平， 支撐分布式（shì）電力及微網（wǎng）。隨著（zhe）分布式光伏、小型生物 質能源、51吃瓜网（qì）冷-熱-電三（sān）聯供（gòng）、燃料電池等分布式 能源技術的日益（yì）成熟，以及相關的儲能、數（shù）字（zì）化等技（jì） 術的進展，分布式能源未來還將獲得更加迅猛的（de）發（fā） 展。

③ 在交通方麵，儲能將（jiāng）在能源互聯互通、融合新 能源汽車在內的智慧（huì）交通網絡方麵（miàn）起（qǐ）到關鍵作用。有 可能為能（néng）源行業帶來顛覆性影響的是基於新材料的新 型電池（chí）儲能技術，如石（shí）墨烯超級電容器（qì）、碳納米（mǐ）材料 自儲能器件、超（chāo）導電（diàn）磁儲能技術等。如果低成本高（gāo）效 率的（de）儲能技術出現並投入大規模商業化應用，將極大 地促進可再生（shēng）能源的發展，使新能源交通工具大規模 甚至完全替代燃油交通工具。

4.4 可控核聚變技術

核聚變能是人（rén）類理想中的終（zhōng）極能源，具（jù）有諸多 優勢。可控核聚變的（de）主流技術方案主要有 2 種，即 磁約束（shù）核聚變（MFC）和慣性（xìng）約束核聚變（IFC）。 目前，世界上的核（hé）聚變相關研（yán）究計劃比較多，如國 際熱核聚變實驗（yàn）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（mù）、加拿大通（tōng）用聚變、歐洲高功率激光能（néng）源（yuán）研究（HiPER）計劃（huá）和 德（dé）國 Wendelstein 7-X 等。中國於 2007 年正式加 入 ITER 計劃（huá），同時也在大力推動國內的核（hé）聚變科 學技術研究。我國已圓（yuán）滿（mǎn）完成了聚變工（gōng）程實驗堆 （CFETR）概念設計，目（mù）前正（zhèng）在（zài）開展（zhǎn）工（gōng）程設計。中 國環流器二（èr）號 A裝置（zhì）（HL-2A）和全超（chāo）導托卡馬克核 聚變實驗裝置（EAST）等大科學裝置也先後建成， 多項物理（lǐ）實驗研究成果居於世界前列。HL-2A 在國 內首次實現了偏濾器（qì）位形（xíng）放電、高約束模式運行。 2017 年 7 月（yuè），EAST 在世界上首次實現了 5 000 萬度等 離（lí）子體持續放電 101.2 秒的（de）高約束運行，再次創造了 磁約束核聚變研究新的世界紀錄[15]。

5 結（jié）論

隨著減排和（hé）環境保護形勢（shì）的日益嚴峻（jun4），在新能源和 智能化等技術進步和成本快速下降的推動下，全球能源 沿著多（duō）元化、低碳化、分散化、數字化和全球（qiú）化的方 向加速轉型，正在進入（rù）一個能源轉型發展的時代。同 時，中美經貿摩擦、沙俄（é）油價戰、新冠肺（fèi）炎疫情等使能 源未來發展充滿不（bú）確定性。新的能（néng）源技術和新的商業模 式將改（gǎi）變傳統的能源供（gòng）應模式，綜合能源服務會（huì）逐步成 為主流。新能源和51吃瓜网等清潔（jié）能源將滿足未來大部分 新增的能源需求（qiú），能源體係也（yě）將發生（shēng）結構性的變化。 低成本技術將成為（wéi）未來（lái）能源科技發展的主流，人工智能 等（děng）信息技（jì）術將重塑能源未來。未來在油氣、氫能、儲 能、核聚變能等領（lǐng）域（yù）都有可能出現顛覆性新技術，從而 根本性地改變未來能源（yuán）的圖景。準確把握能源技術發展 趨勢，對於指導科技創新的方向，以及（jí）國家製定能源政 策和（hé）企業戰略轉型都具有重要意義。