當(dāng)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(jìn)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(yùn)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(yùn)輸、存儲、消費(fèi)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(rèn)識各有側(cè)重，基于各自能源資源稟賦特點(diǎn)，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(qiáng)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(dāng)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(jìn)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(diǎn)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(diǎn)，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(fèi)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(dá)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(dāng)。另一方面，化石燃料投入占比在20世紀(jì)80年代到90年代達(dá)到頂峰，但在2013年之后逐步下滑至當(dāng)前的9%。2019年，IEA成員國能源技術(shù)RD&D公共投入總額達(dá)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(jìn)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(dá)荷國家實(shí)驗(yàn)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(jī)構(gòu)、國家實(shí)驗(yàn)室和大學(xué)整合起來，聯(lián)合開展新概念先進(jìn)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(jìn)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(yù)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(jìn)型核動力堆設(shè)計，其中一部分可在2030年以前投入運(yùn)行。這些先進(jìn)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(yùn)行、偏遠(yuǎn)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(jìn)反應(yīng)堆示范計劃”，擬建造2個先進(jìn)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(fèi)用與工業(yè)界分?jǐn)?。美國國會也?020年預(yù)算中為啟動一個新的先進(jìn)反應(yīng)堆示范項(xiàng)目撥款2.3億美元。“先進(jìn)反應(yīng)堆示范計劃”主要是建造先進(jìn)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(jìn)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(xiàng)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(xiàng)目。其中的4600萬美元用于支持燃煤或燃?xì)怆姀S二氧化碳捕集技術(shù)的前端工藝設(shè)計。被資助的項(xiàng)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(xiàng)目三階段。主要目的是加速CCUS項(xiàng)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(jì)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(jì)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(jìn)入新世紀(jì)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(jì)發(fā)展的全球引導(dǎo)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(biāo)和技術(shù)路線圖，例如“3個20%”目標(biāo)，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(xì)的法規(guī)政策，強(qiáng)制成員國減排，積極引導(dǎo)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(yù)算，按年度工作計劃，可再生能源、能效建筑、電動運(yùn)輸和儲存方案4個清潔能源領(lǐng)域的項(xiàng)目可獲22億歐元撥款。
歐盟在風(fēng)能和氫能領(lǐng)域進(jìn)行了前瞻性的謀劃布局。2019年11月，歐洲風(fēng)能技術(shù)與創(chuàng)新平臺（ETIP-Wind）發(fā)布《風(fēng)能路線圖》，明確歐盟在2020～2027年間將重點(diǎn)發(fā)展風(fēng)電并網(wǎng)與集成、系統(tǒng)運(yùn)行和維護(hù)、下一代風(fēng)電技術(shù)、海上風(fēng)電配套設(shè)施、浮動式海上風(fēng)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(jì)效益。同時，為推動氫能源技術(shù)發(fā)展，歐盟計劃采取多項(xiàng)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(yù)算中對氫能源項(xiàng)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(xiàng)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(xiàng)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(dǎo)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(yù)算的29%，主要用于太陽能和風(fēng)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(dá)成“退煤”共識，通過了扶持退煤地區(qū)發(fā)展的《結(jié)構(gòu)強(qiáng)化法》草案，以推動歐盟到2050年實(shí)現(xiàn)碳中和的目標(biāo)。同時，德國出臺《氣候保護(hù)計劃2030》，目標(biāo)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(shí)現(xiàn)應(yīng)對氣候變化的目標(biāo)，德國從3個方面加強(qiáng)研發(fā)：一是加強(qiáng)氫能研究，推出氫能戰(zhàn)略。二是加強(qiáng)德國的電池生產(chǎn)。投入10億歐元在德國多地促進(jìn)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(kuò)展能力和技術(shù)。三是加強(qiáng)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(jì)中葉實(shí)現(xiàn)碳中和的目標(biāo)，并計劃成為氫技術(shù)的全球領(lǐng)導(dǎo)者。該戰(zhàn)略認(rèn)為，從長遠(yuǎn)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(diǎn)領(lǐng)域。德國政府預(yù)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(jī)容量達(dá)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(qiáng)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(jī)，其計劃在未來進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)，德國研究機(jī)構(gòu)開發(fā)燃料電池的標(biāo)準(zhǔn)化物理參數(shù)測量方法，以便集成應(yīng)用并進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)規(guī)?；褪袌龌?，為燃料電池技術(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(yuǎn)期目標(biāo)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(fù)責(zé)制定減排方案并監(jiān)督實(shí)施的氣候變化委員會建議，將此目標(biāo)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(shí)現(xiàn)“凈零排放”的主要經(jīng)濟(jì)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(fēng)電行業(yè)協(xié)定》，計劃到2030年將英國海上風(fēng)電裝機(jī)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(fēng)電制氫。在深海區(qū)域建造一個風(fēng)電制氫設(shè)施原型，該設(shè)施原型由大型浮動式風(fēng)力渦輪機(jī)（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(fēng)電進(jìn)行電解制氫，并通過管道輸運(yùn)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(dá)到10萬標(biāo)準(zhǔn)立方米，以驗(yàn)證技術(shù)規(guī)模化應(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(fēng)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(jìn)的天然氣重整制氫新系統(tǒng)。開發(fā)和評估先進(jìn)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?xì)怏w以防止氣候變化。（5）開發(fā)吸附強(qiáng)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?xì)錃庵苽涞氖痉堆b置并進(jìn)行示范生產(chǎn)，評估新工藝的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性。
（四）日本
持續(xù)推進(jìn)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(diǎn)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(biāo)，提出要構(gòu)建制備、儲存、運(yùn)輸和利用的國際產(chǎn)業(yè)鏈，積極推進(jìn)氫燃料發(fā)電，擴(kuò)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(biāo)。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(shí)現(xiàn)2050年能源全面脫碳化目標(biāo)。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(biāo)。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(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目的優(yōu)先研發(fā)事項(xiàng)。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(xiàng)目執(zhí)行層面，穩(wěn)步推進(jìn)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(jìn)。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(jī)構(gòu)（NEDO）投入專項(xiàng)科研經(jīng)費(fèi)為主，設(shè)定核心技術(shù)應(yīng)達(dá)到的相應(yīng)指標(biāo)，并將指標(biāo)進(jìn)行分解，對承擔(dān)課題研究的單位定期進(jìn)行評估，以實(shí)現(xiàn)氫能發(fā)展目標(biāo)。研究機(jī)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(xué)持續(xù)參與氫能研究已達(dá)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(tuán)隊(duì)。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(jī)電一體化企業(yè)在十年前已開始了應(yīng)用端的實(shí)證研究，積極占領(lǐng)研發(fā)成果制高點(diǎn)。降低制氫成本方面，2019年，日本物質(zhì)材料研究機(jī)構(gòu)（NIMS）與東京大學(xué)和廣島大學(xué)合作，通過開發(fā)2030年前后完全可能研制出實(shí)用化的、放電較慢但成本低廉的蓄電池，日本有望實(shí)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(jìn)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(diǎn)，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(dú)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(xué)將物理化學(xué)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(dāng)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(shí)條件（沉積物的溫度和硬度）非常敏感，會失去實(shí)驗(yàn)中的理想特性。
3.高精準(zhǔn)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(yuǎn)看，實(shí)現(xiàn)壓裂段數(shù)少、精、準(zhǔn)，才是水力壓裂技術(shù)的理想目標(biāo)。目前業(yè)界正在探索大數(shù)據(jù)、人工智能指導(dǎo)下的高精準(zhǔn)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(jìn)行質(zhì)量控制，形成高精度預(yù)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(diǎn)”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(zhǔn)智能壓裂技術(shù)有望實(shí)現(xiàn)每一級壓裂都壓在油氣“甜點(diǎn)”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(yuǎn)程單趟式深水完井
高昂的鉆機(jī)費(fèi)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(yuǎn)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(shí)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(fēng)險、降低成本。與傳統(tǒng)的機(jī)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(jī)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(dǎo)體固有的帶隙特點(diǎn)，單結(jié)半導(dǎo)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(jìn)行串聯(lián)構(gòu)建疊層太陽能電池被認(rèn)為是電池效率突破S-Q效率極限值強(qiáng)有力的技術(shù)路徑。圍繞上述問題，美國國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室（NREL）研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計制備了基于III–V族異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)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(dá)47.1%的認(rèn)證效率（之前效率紀(jì)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(diǎn)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(diǎn)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(jìn)展
澳大利亞國立大學(xué)（ANU）的科學(xué)家利用串聯(lián)鈣鈦礦硅電池實(shí)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(dǎo)體來實(shí)現(xiàn)光電電化學(xué)（PEC）水分解過程，太陽能制氫的效率要達(dá)到20%，才能在成本上具有競爭力。ANU團(tuán)隊(duì)表示，串聯(lián)鈣鈦礦硅電池，結(jié)合便宜的半導(dǎo)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(xué)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(xué)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(jìn)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(dá)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(yùn)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(yuǎn)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(jìn)的KLT-40反應(yīng)堆，每座發(fā)電量達(dá)35兆瓦，可提供高達(dá)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。現(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(shí)驗(yàn)持續(xù)創(chuàng)造紀(jì)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(shí)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(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)。
美國國家點(diǎn)火裝置（NIF）在幾年前就已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了1億度目標(biāo)，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(biāo)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(yùn)涵180萬焦耳能量的脈沖紫外光，脈沖撞擊到目標(biāo)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(dǎo)托卡馬克受控核聚變裝置（EAST）與美國NIF實(shí)現(xiàn)聚變的方式不同。目前托卡馬克實(shí)現(xiàn)了磁束縛等離子體和中心溫度1億度，下一個目標(biāo)是維持束縛，且達(dá)到1億度維持1000秒。
位于法國南部的跨國項(xiàng)目國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER）是目前全球規(guī)模最大、影響最深遠(yuǎn)的國際科研合作項(xiàng)目之一。2019年7月，這一全球最大的核聚變反應(yīng)堆項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)低溫恒溫器成功交付，進(jìn)入安裝狀態(tài)。目前，35個國家正在通力合作ITER。ITER裝置主機(jī)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(dān)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(diǎn)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(yùn)營商N(yùn)ational 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(yùn)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(jī)容量為10兆瓦的電池儲能系統(tǒng)。該儲能項(xiàng)目由National Grid運(yùn)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(yù)計到2050年可以為消費(fèi)者節(jié)省4億英鎊以上的電力費(fèi)用，同時增加4吉瓦的裝機(jī)容量。
2.有機(jī)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(dá)11000瓦時/千克，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的鋰離子電池，因此得到了學(xué)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(dǎo)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(shí)際應(yīng)用。香港中文大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計制備了鉀聯(lián)苯（Potassium Biphenyl）復(fù)合有機(jī)物，并將其作為負(fù)極取代傳統(tǒng)的金屬負(fù)極，與空氣電極組成新型的有機(jī)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(shí)現(xiàn)長達(dá)3000余次的穩(wěn)定循環(huán)，平均庫倫效率高達(dá)99.84%，為空氣電池開辟全新技術(shù)發(fā)展路徑。有機(jī)空氣電池最適合應(yīng)用于大型電廠能源儲存，如風(fēng)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(jī)會使用到。
3.設(shè)計研發(fā)高性能負(fù)極材料全固態(tài)電池
以金屬鋰作負(fù)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(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)鋰離子電池。然而，鋰負(fù)極不受控的枝晶生長以及低庫倫效率嚴(yán)重制約了鋰負(fù)極全固態(tài)鋰金屬電池的實(shí)用化發(fā)展。因此，開發(fā)高性能負(fù)極材料成為了全固態(tài)電池研究領(lǐng)域熱點(diǎn)。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(dú)特的銀—碳（Ag-C）復(fù)合負(fù)極，替代鋰（Li）金屬負(fù)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(dá)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(dāng)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(shí)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(xué)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(fù)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(xiàng)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(jìn)
1.全球首次實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)洋氫運(yùn)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(shí)現(xiàn)了全球首次遠(yuǎn)洋氫氣運(yùn)輸，從文萊向日本運(yùn)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?xì)鉁u輪機(jī)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(yùn)，AHEAD項(xiàng)目采用千代田公司的SPERA技術(shù)探索有機(jī)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(jī)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(jìn)行了10000小時的示范運(yùn)行。
2.10兆瓦級可再生能源電力制氫廠投運(yùn)
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(yùn)行，進(jìn)行清潔廉價制氫技術(shù)的生產(chǎn)試驗(yàn)。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(biāo)準(zhǔn)立方米氫氣。開始運(yùn)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(yù)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(jìn)行調(diào)整。氫產(chǎn)量還將適應(yīng)電力系統(tǒng)負(fù)荷調(diào)整的需要進(jìn)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—?dú)淠苤g的轉(zhuǎn)化實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)負(fù)荷調(diào)整達(dá)到供需平衡。具體實(shí)施中，東芝能源系統(tǒng)負(fù)責(zé)項(xiàng)目協(xié)調(diào)及氫能系統(tǒng)，東北電力負(fù)責(zé)電力系統(tǒng)及相關(guān)控制系統(tǒng)，巖谷產(chǎn)業(yè)負(fù)責(zé)氫的需求預(yù)測系統(tǒng)和氫的儲存、供給。
四、發(fā)展趨勢
當(dāng)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(shí)現(xiàn)創(chuàng)新發(fā)展的驅(qū)動力。儲能、氫能、先進(jìn)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(fēng)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(fēng)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(fēng)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(diǎn)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(qiáng)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(fèi)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(jī)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(shí)現(xiàn)對電力系統(tǒng)實(shí)時監(jiān)測、分析、分配和決策等，實(shí)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(diǎn)對點(diǎn)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(yù)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(fēng)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(dāng)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(jìn)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(shí)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(jìn)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(xué)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?？沙掷m(xù)性、安全性、經(jīng)濟(jì)性和防核擴(kuò)散能力的先進(jìn)技術(shù)是研發(fā)的重點(diǎn)，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(shí)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(yuǎn)影響，例如先進(jìn)材料的開發(fā)可以顯著提高電池性能等。