編 輯?| 張旖旎cVC豪仕閱讀網https://www.Haoz.net
作 者?|?金之鈞 白振瑞 楊雷cVC豪仕閱讀網https://www.Haoz.net
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。本文對能源領域未來科技發展趨勢的3個方面進行思考與判斷，以期為布局未來能源科技提供參考。
現代社會，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面發展，與國內生產總值（GDP）息息相關（圖1）。能源發展前景預測對國家政策制定和企業戰略謀劃都意義重大。能源科技的發展將深刻地影響未來能源格局，“科技決定能源的未來，科技創造未來的能源”。為此，各國十分重視能源科技的發展，并制定能源戰略計劃，如美國的《全面能源戰略》、歐盟的《2050能源技術路線圖》、日本的《面向2030年能源環境創新戰略》等。我國《能源技術革命創新行動計劃（2016—2030年）》提出，到2030年，建成與國情相適應的完善的能源技術創新體系，能源技術水平整體達到國際先進水平，以支撐我國能源產業與生態環境協調可持續發展，以及進入世界能源技術強國行列的奮斗目標。該計劃部署了15個重點領域，分別是：煤炭無害化開采技術，非常規油氣和深層、深海油氣開發技術，煤炭清潔高效利用技術，二氧化碳捕集、利用與封存技術，先進核能技術，乏燃料后處理與高放廢物安全處理處置技術，高效太陽能利用技術，大型風電技術，氫能與燃料電池技術，生物質、海洋、地熱能利用技術，高效燃氣輪機技術，先進儲能技術，現代電網關鍵技術、能源互聯網技術，以及節能與能效提升技術，從而對我國能源技術體系未來發展做了全面論述。中國工程院于2015年啟動了“我國能源技術革命體系戰略研究”重大咨詢項目，從核能、風能、太陽能、儲能、油氣、煤炭、水能、生物質能、智能電網與能源網融合等九大能源技術領域開展研究，制定了前瞻性技術（2020年）、創新性技術（2030年）和顛覆性技術（2050年）三階段發展的能源技術路線。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。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，正在深刻改變能源發展的前景。本文是筆者在近2年參加科學技術部、國家能源局、國家自然科學基金委員會“十四五”規劃及面向2035年的戰略研究過程中，基于對當前能源現狀與發展趨勢的分析，對能源領域未來科技發展趨勢所做的3個方面思考與判斷，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。2019年，全球能源消費總量達到了138.62億噸油當量；其中，石油44.7億噸油當量，煤炭38.3億噸油當量，天然氣34.3億噸油當量，化石能源總的占比為84.62%，比2010年降低了2個百分點。同時，天然氣長足發展，2019年消費量是1965年的6.35倍，占比從15%增長到24.7%。更加清潔的天然氣替代了大量石油和煤炭。對于未來能源發展趨勢，我們重點分析了自2016年以來的“變”與“不變”，在“不變”中堅守，在“變”中調整。①對于未來能源需求增長，世界上很多知名研究機構都進行過預測（圖2）：可再生能源和天然氣將成為滿足未來全球能源需求增長的主要來源，“低碳化”和“多元化”是未來能源發展的重要趨勢與特征。隨著太陽能、風能、地熱能、海洋能及儲能等新能源快速發展，能源正從過去以煤炭、油氣、電力集中式資源供給，向集中式與“分散式”并重發展。②隨著各種信息化技術在能源領域中的應用，特別是“數字化”技術逐步打破了不同能源品種間的壁壘，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問題上獨善其身”“技術沒有國界”已經成為大家的共識。
③全球能源互聯網概念的提出與全球能源互聯網發展合作組織的成立是能源“國際化”的一個重要標志。美國著名學者杰里米·里夫金在其著作《第三次工業革命》中，首先提出了能源互聯網的愿景，引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會上發表重要講話，倡議探討構建全球能源互聯網，推動以清潔和綠色的方式滿足全球電力需求，這是對傳統能源發展觀的歷史超越和重大創新。能源科技國際合作越來越廣泛，強度越來越大，投資100億美元的國際熱核聚變實驗堆合作項目（ITER），就是一個典型案例。低碳化、多元化、分散化、數字化和全球化將是未來能源發展的主要方向。在充分認識這些“不變”特征的同時，識別變化的特征與發展趨勢，是問題的關鍵。①自2018年以來，美國把中國確定為競爭對手，特朗普政府挑起了中美經貿摩擦。繼后，美國國內要求與中國科技脫鉤甚至是全面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面臨的重大挑戰。我們要去掉幻想，早做準備，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格戰的影響疊加，極大地打壓了石油價格。2020年3—4月國際油價一路下跌，4月20日，美國西德克薩斯輕質中間基原油（WTI）期貨價格更是跌至?37.3美元/桶，開歷史先河！今后一個時期，油價低于60美元/桶是大概率事件。③人工智能、區塊鏈等技術突飛猛進，將深刻地影響未來能源的發展，在某種程度上將改變能源格局與業態。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。只有準確把握這些發展趨勢，才有可能對未來能源科技發展趨勢做出較為準確判斷。1967年，美國石油地質學家Hubbert建立了用于預測油田累計產量和最終可采儲量的“鐘形”模型。此后，石油峰值論一度盛行，石油資源稀缺性被過度強調。在這樣的背景下，獲取更多油氣儲量成為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，那是一個“資源為王”的時代。美國“頁巖革命”的成功，消除了人們對油氣資源稀缺性的擔心。據美國能源信息署（EIA）的評價結果，全球石油和天然氣技術可采資源總量分別多達33570億桶和648萬億立方米，油氣資源不再稀缺。此外，由于太陽能、風能的利用，能源變得可再生，取之不盡，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，獲取能源資源的成本或效率是決定成敗之關鍵所在，因此發展低成本技術是未來重要趨勢。近年來，可再生能源的快速發展就得益于其成本的大幅降低。2018年公用事業規模光伏發電的加權平均平準化電力成本（LCOE）相較2010年降低了77%，陸上風電的降幅也有35%。美國能源信息署預測，美國2022年后投產的風電和太陽能發電項目的LCOE都將低于燃氣發電。在集中式可再生能源發電大幅降低成本和快速發展的同時，分散式發電的發展也在加速。據光伏協會公布的數據，2018年中國新增分布式光伏裝機2320萬千瓦，占比為52.7%，第一次超過了集中式光伏；2019年這種勢頭繼續維持，而且小規模的戶用分布式光伏占了將近一半。低成本可再生能源技術是能源科技發展的重點領域。太陽能和風能是未來可再生能源的主體，而降低成本、提高技術成熟度和構建合適的商業模式是可再生能源未來的發展方向。在風能領域，未來技術發展方向主要有大功率風電機組整機設計、風機運維與故障診斷、大功率無線輸電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發電、薄膜電池技術、太陽能制氫技術、可穿戴柔性輕便太陽電池技術等。油氣領域的低成本技術也是能源科技發展關注的焦點。到2050年，油氣在一次能源消費結構中占比仍將保持在50%左右，這已成為業界共識。在近期儲量增長最快的深水油氣領域，浮式天然氣生產、處理、液化、儲存和卸載一體化平臺（FLNG）及海底生產設備的應用，再加上結構的不斷優化，生產成本可降至每桶50美元以下。頁巖油氣是今后增儲上產的另一重要領域，2012—2016年美國頁巖油開發的平衡油價總體上降低了50%，技術進步貢獻了1/3的降幅。低成本油氣技術發展方向很多。①在地球物理勘探方面，主要包括智能高效采集技術、基于深度學習的地球物理資料自動處理和解釋技術，以及物探全過程智能管理技術等。②在鉆完井工程方面，主要包括精確導向的智能自動鉆完井技術、鉆完井工程地質一體化及井筒完整性技術、智能化壓裂裝備與技術，以及智能化機器人壓裂施工技術等。③在油氣田生產經營方面，主要包括基于大數據和深度學習的新一代人工智能油田技術、石油工業智能云網平臺技術，以及人工智能機器人技術等。當前，世界正在經歷第四次工業革命，信息技術日新月異，大數據、人工智能、區塊鏈等技術快速發展。這些新興科學技術為能源行業的發展創造了機遇，它們與能源行業的深度融合是獲取低成本技術的重要途徑。低成本技術將改變世界能源的發展格局，進而重塑未來的能源行業。能源行業是最早得益于數字化的行業。電廠、煤礦和油氣田很早就已開始應用計算機等信息技術來提高自動化和管理的水平，現在更提出了數字電廠、數字礦山、數字油田、數字煉廠等概念，這些極大地提高了勞動生產率，降低了人工成本。當前及今后一個時期，是從數字化到智能化的時代。智能電廠、礦山、油田和煉廠，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，這將極大地改變行業生態。信息技術正在從更廣和更深的層次對能源體系進行重構。從生產端到消費端，數字化將系統地改變能源的整個產業鏈和生態體系，使整個產業鏈的每個環節都有機地結合起來，從而極大地提高能源利用效率。華為、阿里巴巴、騰訊、谷歌、特斯拉等新興的技術公司都紛紛在能源領域開展業務——通過大數據、人工智能等手段，提高整個系統的靈活性，從而極大地提高能效，進而改變整個行業的產業鏈結構和商業模式。區塊鏈技術將為能源行業注入新動力。區塊鏈技術在能源領域已經被愈加廣泛地應用，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、電網資產管理、綠證追蹤管理甚至虛擬能源貨幣等領域都已嶄露頭角，這將會給能源領域帶來更深刻的變化。數字化轉型將重塑油氣行業。新一代人工智能技術在石油工業上游的全面集成創新應用，將產生新一代人工智能油田技術，實現對油氣行業傳統流程的升級優化和組織再造，大幅度降低油氣行業成本，增強企業競爭力和油氣行業持續生存的能力。能源科技是當今科技創新最主要和最活躍的領域之一。在油氣、氫能、儲能、核聚變能等方面都有可能出現顛覆性新技術，不論哪一種顛覆性技術出現，都會極大地改變世界能源供需格局。水平井多段清水壓裂技術將使頁巖油氣實現經濟有效的開采。這一顛覆性技術會極大地改變全球能源格局。應用物理與化學相結合的方法，對低成熟度頁巖油、稠油進行原位改質，這有可能是繼“頁巖革命”之后的另一次革命。一旦這一顛覆性技術取得成功，又一巨大油氣資源將得以經濟、有效的開發和利用。納米技術和新材料也有可能催生出顛覆性的油氣提高采收率技術，如地下納米機器人驅油和地下油水分離技術等。多用途激光工具與鉆井技術結合，或許可以顛覆傳統的鉆井方式，即由激光熔融替代機械破巖，提高鉆井效率。氫能源技術在能源領域產生顛覆性影響的關鍵在于低成本、高性能的氫燃料電池技術和低成本、高效率的工業化制氫技術。近年來，世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，很多國家都高度重視氫能源產業的發展，把氫能源產業提升到國家能源戰略的高度，制定氫能發展戰略，并出臺促進其發展的扶持政策。一旦借助石墨烯、納米超材料等新材料的電解制氫技術取得重大突破，氫燃料大規模甚至完全替代化石燃料將是有可能的。隨著新材料聚合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的交通工具。歐洲已經開展不少天然氣管道摻輸氫氣的試驗項目，以期為氫產業大規模發展做好準備。儲能技術被稱為“能源革命的支撐技術”，在很多方面都將發揮重大的作用。①對于電力系統而言，儲能可為電網提供調峰調頻、削峰填谷、黑啟動、需求響應支撐等多種服務，提升傳統電力系統的靈活性、經濟性和安全性。②在可再生能源開發方面，儲能可顯著提高風電和太陽能發電的消納水平，支撐分布式電力及微網。隨著分布式光伏、小型生物質能源、天然氣冷-熱-電三聯供、燃料電池等分布式能源技術的日益成熟，以及相關的儲能、數字化等技術的進展，分布式能源未來還將獲得更加迅猛的發展。③在交通方面，儲能將在能源互聯互通、融合新能源汽車在內的智慧交通網絡方面起到關鍵作用。有可能為能源行業帶來顛覆性影響的是基于新材料的新型電池儲能技術，如石墨烯超級電容器、碳納米材料自儲能器件、超導電磁儲能技術等。如果低成本高效率的儲能技術出現并投入大規模商業化應用，將極大地促進可再生能源的發展，使新能源交通工具大規模甚至完全替代燃油交通工具。核聚變能是人類理想中的終極能源，具有諸多優勢。可控核聚變的主流技術方案主要有2種，即磁約束核聚變（MFC）和慣性約束核聚變（IFC）。目前，世界上的核聚變相關研究計劃比較多，如國際熱核聚變實驗堆（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、加拿大通用聚變、歐洲高功率激光能源研究（HiPER）計劃和德國Wendelstein7-X等。中國于2007年正式加入ITER計劃，同時也在大力推動國內的核聚變科學技術研究。我國已圓滿完成了聚變工程實驗堆（CFETR）概念設計，目前正在開展工程設計。中國環流器二號A裝置（HL-2A）和全超導托卡馬克核聚變實驗裝置（EAST）等大科學裝置也先后建成，多項物理實驗研究成果居于世界前列。HL-2A在國內首次實現了偏濾器位形放電、高約束模式運行。2017年7月，EAST在世界上首次實現了5000萬度等離子體持續放電101.2秒的高約束運行，再次創造了磁約束核聚變研究新的世界紀錄。隨著減排和環境保護形勢的日益嚴峻，在新能源和智能化等技術進步和成本快速下降的推動下，全球能源沿著多元化、低碳化、分散化、數字化和全球化的方向加速轉型，正在進入一個能源轉型發展的時代。同時，中美經貿摩擦、沙俄油價戰、新冠肺炎疫情等使能源未來發展充滿不確定性。新的能源技術和新的商業模式將改變傳統的能源供應模式，綜合能源服務會逐步成為主流。新能源和天然氣等清潔能源將滿足未來大部分新增的能源需求，能源體系也將發生結構性的變化。低成本技術將成為未來能源科技發展的主流，人工智能等信息技術將重塑能源未來。未來在油氣、氫能、儲能、核聚變能等領域都有可能出現顛覆性新技術，從而根本性地改變未來能源的圖景。準確把握能源技術發展趨勢，對于指導科技創新的方向，以及國家制定能源政策和企業戰略轉型都具有重要意義。作者 |?金之鈞 白振瑞 楊雷，中國石化石油勘探開發研究院、中國科學院院士?頁巖油氣富集機理與有效開發國家重點實驗室?北京大學能源研究院
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