能源技术领域当前发展态势与科技趋势分析


发布时间: 2018/3/24 18:06:45 被阅览数: 210 次
 

当前,全球能源格局正在经历深刻调整,随着云计算、大数据、物联网等新兴技术的发展,能源生产、运输、存储、消费等环节正逐步发生变革。从传统集中式到分布式能源,从智能电网到能源互联网,从石化智能工厂到煤炭大数据平台,从用户侧智慧用能到充电设施互联互通,一些重大或颠覆性技术创新在不断创造新产业和新业态,改变着传统能源格局。

 

 


一、主要国家重大战略布局

世界主要国家均把能源技术视为新一轮科技革命和产业革命的突破口,积极实施并及时调整中长期能源科技战略作为顶层指导,出台重大科技计划牵引调动社会资源持续投入,并不断优化改革能源科技创新体系以增强国家竞争力和保持领先地位,从而降低能源创新全价值链成本。

     美国特朗普政府推出“美国优先能源计划”,将“美国利益优先”作为核心原则,强调发展国内传统能源产业,振兴核电,并将能源作为一种重要战略资源,扩大能源出口,在实现能源独立的过程谋求世界能源霸主的发展之路。欧盟组建能源联盟,升级战略能源技术规划(SET-Plan),将研究与创新置于低碳能源系统转型的中心地位。为了支持能源转型战略,德国政府提出了“哥白尼计划”,在未来10年投资约4亿欧元,聚焦四大重点研究领域。日本政府大幅调整了能源科技发展重点,压缩核电发展加快发展可再生能源,相继公布《能源革新战略2030》和《能源环境技术创新战略2050》划定中长期发展路线。法国总统埃马纽埃尔马克龙正在推动他的国家承诺在两年内关闭所有煤电厂。该计划最初由马克龙的前任弗朗索瓦·奥朗德提出,目的是到2023年将煤炭从欧洲国家的电力结构中剔除,现修订为2021年。法国1%的能源来自煤炭、国内生产的石油和天然气只占法国消费的不到2%;


1、能源转型迈入数字化时代
人工智能、大数据、物联网等为能源行业重大挑战提供全新的数字化解决方案,推动全球能源系统紧密互联、智能、高效、可靠和可持续。预计到2025年,全球能源领域数字化市场规模将增长到640亿美元,新的能源创新将集中在数字技术和数据的战略使用上。实现21世纪安全可靠、经济可行、气候友好的电力能源系统,需要持续向颠覆性数字化技术投资。


2、电力行业是数字化转型的核心
美国能源部(DOE)资助2.2亿美元实施电网现代化研究,成立国家实验室联盟,协调整合全部门的电网现代化研究工作,重点关注六大核心主题:设备集成与系统测试、安全性和灵活性、电网设计与规划工具、系统运行以及电力流动和控制、改善传感与量测能力、为州和地方政府提供技术援助。


3、新能源汽车推动绿色交通发展
欧盟实施低碳交通战略框架和一揽子计划,规划欧盟未来交通运输部门发展方向,推进交通绿色低碳转型。日本发布《氢能基本战略》和《新版电动汽车发展路线图》,规划新能源汽车和氢能发展目标,推进交通电气化。美日积极布局新型锂电池技术研发项目,提出未来高能动力电池技术性能和成本目标。


4、航空用能清洁化和电气化转型渐受重视
美国公布低碳推进动力和替代喷气燃料研发战略,以减少航空碳排放,助力航空业走向低碳化、用能多元化,采用跨学科、多因素方法,开发和验证综合系统模型,支持可行的替代喷气燃料部署。欧洲强化航空动力技术研发,开发数百千瓦级到数十兆瓦级的多种推进系统原型,加速推进航空领域电气化进程。


5、下一代先进核能强调安全高效
美国能源部DOE发布《先进反应堆开发部署愿景战略》,提出了中长期发展愿景,制定了加强核基础设施建设、开发先进堆燃料循环路径、强化公私合作等六项战略行动计划。并通过“核能大学计划”、“核能使能技术计划”等推进先进核技术研发。日本原子能委员会首次制定《核能利用基本原则》,将在反省福岛核事故的基础上为核能政策指明长期方向。


6、可再生能源加速替代步伐
欧盟《欧洲海洋能源战略路线图》聚焦波浪能、潮汐能、海洋温差能、海流能和盐差能五大技术领域,指明未来发展方向,促进海洋能源产业发展。DOE启动太阳能攻关2030计划,聚焦未来十年(2020-2030)太阳能光伏发电成本在2020水平上再降50%。IEA《可持续生物能源技术路线图》提出生物交通燃料、生物质电力、生物质建筑供暖等优先发展的六大主题领域,明确了生物能源至2060年的愿景目标。

 


二、科技前沿重要研究进展

 

1、3D打印技术助力先进燃烧系统研发
欧美巨头积极布局3D打印技术,促进燃气轮机设计创新,提高效率,降低燃耗和排放,缩减生产周期和成本。西门子公司利用3D打印技术生产的燃气轮机叶片首次在满负荷条件下完成性能测试,获得突破性成果,其燃气轮机转速高达13000转/分钟,工作温度超过1250℃。美国通用电气(GE)公司宣布H级重型燃气轮机联合循环发电效率突破64%,且输出功率高达826MW,刷新世界纪录,归功于3D打印技术应用于多个燃气轮机关键部件的制造。


2、核聚变研究取得重大突破
美欧中核聚变实验装置持续创造纪录,稳步推进受控核聚变的实现。麻省理工学院Alcator C-Mod核聚变反应堆装置在最后一次实验中,等离子体压强首次突破2个大气压达到了2.05个大气压,对应的温度达到3500万摄氏度。德国马普学会等离子体物理研究所建造的世界最大的仿星器聚变装置W7-X成功产出首个氢等离子体,正式启动科学实验。中国科学院等离子体物理研究所全超导托卡马克EAST实现了稳定的101.2秒稳态长脉冲高约束等离子体运行,创造了新的世界纪录。


3、规模储能加快实用化步伐
储能技术在反应机理探索、电化学体系新设计、新材料开发方面成果斐然。瑞士保罗谢尔研究所研究团队利用X射线技术首次实现对锂硫电池放电中间产物直接观测,对锂硫电池反应机理有了进一步的深入认识。斯坦福大学研究人员首次在介观尺度上实现对锂离子电池充放电过程中单个纳米颗粒活动行为的原位实时观测和成像。加州大学河滨分校开发全球首个水合氢离子电池,有望开辟全新的电池技术,为电网规模储能带来新的解决方案。


4、钙钛矿太阳电池研究取得全面进展
钙钛矿电池技术在机理研究、材料研发、制备工艺等方面取得全面进展,解决器件大面积制备、长期稳定性等技术瓶颈。日本冲绳科技大学研究系统揭露了碘基钙钛矿薄膜降解作用机理,为改善钙钛矿电池稳定性问题提供了重要的理论参考。韩国化学研究所制备了新型钙钛矿材料,显著减少了钙钛矿薄膜缺陷态浓度,光电转换效率22.7%创造了新的世界纪录。上海交通大学与瑞士洛桑联邦理工学院联合采用新工艺制备出36.1cm2超大面积钙钛矿电池,效率13.9%,突破大面积工艺瓶颈,为钙钛矿电池的大规模生产奠定了技术基础。


三、中长期发展规律与趋势

当今世界正处于新一轮能源革命的起步期,可再生能源、智能电网等技术开始规模化应用,分布式能源、第四代核电等技术进入市场导入期,大容量储能、新能源材料、氢燃料电池等技术有望取得重大突破。这些重大技术变革引发的能源革命将主导第三次工业革命的发展。纵观历次能源革命中技术变革的发展历程,均遵循了能源科技创新固有的特点和规律,即:能源科技是面向应用的阶段性发展过程,体现出高度综合、多学科交叉特点,具有经济、战略和环境等多重属性,国家需求导向和战略引领在能源科技发展中起到关键作用。能源技术进步既是遵循上述特点和规律、解决发展中面临的问题和障碍使然,也是重视能源科技创新体系的建立和完善、提高能源科技创新能力和装备制造水平的结果。


随着新能源技术和一系列新兴信息通信技术(云计算、大数据、物联网等)的发展和深度融合,全球新一轮能源技术革命呈现出“低碳能源规模化,传统能源清洁化,能源供应多元化,终端用能高效化,能源系统智慧化,技术变革全面深化”的整体趋势:

低碳能源规模化。能源结构由高碳化石能源向低碳清洁能源转变,天然气和可再生能源成为世界能源发展的主要方向。除了继续发展集中式发电系统技术,可再生能源利用也朝着与化石能源多能互补、分布式利用的方向发展。尤其是可再生能源发电与现代电网的融合,是提高可再生能源利用比例必须跨越的技术瓶颈。


传统能源清洁化。化石能源的清洁高效开发和利用一直是能源科技的主要任务,煤炭分级分质转化清洁利用技术、碳捕集与封存技术等快速发展,表现出煤炭超低排放利用与深度低碳化兼容发展的态势。


能源供应多元化。全球天然气利用的比例不断增大,太阳能、风能、生物质能等可再生能源规模化利用、先进安全核能等一批新能源技术已经在改变传统能源结构。这些改变表现在针对不同能源的资源禀赋特点而形成的开发、转化、利用、污染物控制等各个环节。


终端用能高效化。绿色能源消费模式是终端能源消费的主要方向,终端能源未来将更多地转向电力消费。能源消费端致力于研发低能耗、高效能的绿色工艺与装备产品,工业生产向更绿色、更轻便、更高效方向发展。


能源系统智慧化。随着以智慧优化和调控为特征的能源生产消费新模式的涌现,智能电网、分布式智慧供能系统等发展迅速,交通运输向智能化、电气化方向转变,建筑向洁净化、绿色化、智能化方向发展,能源互联网发展应用正在引发用能模式和业态变革,智慧能源新业态未来将蓬勃发展。


四、启示与建议

在未来的几十年内,数字技术将使全球能源系统变得更加紧密互联、智能、高效、可靠和可持续。为了实现能源数字化转型,需要对能源行业从业人员进行专业的数字技术技能培训,确保以适当的方式获取及时、可靠、可验证的数据,赋予政策一定的灵活性以适应新技术发展需求,广泛地开展跨能源部门的讨论以更好地制定政策,推进能源数字化转型。此外,应该从系统观出发来考量能源数字化转型的成本和收益,密切追踪观测数字化转型对全球能源消费需求变化的影响,充分考虑和评估能源数字化转型过程中面临的潜在风险,提供一个公平的竞争环境,以更好地服务各类能源公司和消费者,并加强国际合作,分享能源数字化转型的成功案例和经验。


我国能源利用效率总体尚处于较低水平,因而必须通过能源技术创新,提高用能设备设施的效率,增强储能调峰的灵活性和经济性,推进能源技术与信息技术的深度融合,加强整个能源系统的优化集成,实现各种能源资源的最优配置,构建一体化、智能化的能源技术体系。绿色低碳能源技术创新及能源系统集成创新很可能会成为引领新一代工业革命的关键因素,培养能源技术自主创新生态环境,集中攻关一批核心技术、关键材料及关键装备。


要满足实现“两个一百年”奋斗目标和中华民族伟大复兴的中国梦、建设美丽中国、应对气候变化行动承诺等多重目标,建设世界能源科技强国,我国需通过能源技术创新加快化石能源高效清洁利用,大力发展新能源和可再生能源,大幅减少终端用能部门能耗和污染排放,加强废弃物能源化、资源化综合利用,构建多种能源协调发展的清洁、高效、智能、多元的能源技术体系,为我国能源生产、能源消费和能源系统集成等方面的转型提供全面支撑。

 

来源:先进能源科技战略情报研究中心

     


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