深度| 展望能源发展趋势与能源科技发展方向

金之钧 白振瑞 杨雷 来源:中国科学院院刊 编辑:jianping 能源发展能源科技

能源科技是当今科技创新最主要和最活跃的领域 之一。在油气、氢能、储能、核聚变能等方面都有可能出现颠覆性新技术,不论哪一种颠覆性技术出现, 都会极大地改变世界能源供需格局。


摘要:能源科技的发展将深刻地影响着未来能源格局,因此能源发展前景预测对国家政策制定和企业战略谋 划都意义重大。文章在对能源现状与发展趋势分析的基础上,总结了能源转型多元化、低碳化、分散化、数 字化和全球化的“五化”特征,指出了 2016 年以来出现的中美经贸摩擦、低油价和人工智能技术应用等方 面的新变化特征,并就能源领域未来科技发展趋势提出了低成本技术、信息技术和颠覆性技术 3 个方面的思 考,以期为我国积极应对能源转型,布局未来能源科技提供点滴参考。


现代社会,能源、粮食和水是人类赖以生存的三 大必需品。能源关乎人类社会的全面发展,与国内生产总值(GDP)息息相关[1](图 1)。


能源发展前景预测对国家政策制定和企业战略谋 划都意义重大。能源科技的发展将深刻地影响未来能 源格局,“科技决定能源的未来,科技创造未来的能 源”[2]。为此,各国十分重视能源科技的发展,并制 定能源战略计划,如美国的《全面能源战略》、欧盟 的《2050 能源技术路线图》、日本的《面向 2030 年能源环境创新战略》等。


我国《能源技术革命创新行动计划(2016—2030 年)》提出,到2030年,建成与国情相适应的完善 的能源技术创新体系,能源技术水平整体达到国际先 进水平,以支撑我国能源产业与生态环境协调可持续 发展,以及进入世界能源技术强国行列的奋斗目标。 该计划部署了 15 个重点领域,分别是:煤炭无害化 开采技术,非常规油气和深层、深海油气开发技术, 煤炭清洁高效利用技术,二氧化碳捕集、利用与封存技术,先进核能技术,乏燃料后处理与高放废物安全 处理处置技术,高效太阳能利用技术,大型风电技 术,氢能与燃料电池技术,生物质、海洋、地热能利 用技术,高效燃气轮机技术,先进储能技术,现代电 网关键技术、能源互联网技术,以及节能与能效提升 技术,从而对我国能源技术体系未来发展做了全面论述。


中国工程院于2015 年启动了“我国能源技术革命体系战略研究”重大咨询项目[3],从核能、风能、太 阳能、储能、油气、煤炭、水能、生物质能、智能电 网与能源网融合等九大能源技术领域开展研究,制定 了前瞻性技术(2020 年)、创新性技术(2030 年)和 颠覆性技术(2050 年)三阶段发展的能源技术路线。


近年来,随着资源与环境的双重约束,以及能源 科技进步,新能源成本快速降低,能源清洁低碳加速 转型已成为全球发展趋势。能源转型不仅伴随着产业 结构调整,同时也是能源科技进步的重要驱动力,科 技进步与能源转型相互促进,正在深刻改变能源发展的前景。


本文是笔者在近 2 年参加科学技术部、国家能源局、国家自然科学基金委员会“十四五”规划及面 向 2035 年的战略研究过程中,基于对当前能源现状与发展趋势的分析,对能源领域未来科技发展趋势所做 的 3 个方面思考与判断,以期为我国积极应对能源转 型,布局未来能源科技提供点滴参考。


1 能源现状与发展趋势


1.1 现状


2019 年,全球能源消费总量达到了 138.62 亿吨油 当量;其中,石油 44.7 亿吨油当量,煤炭 38.3 亿吨 油当量,天然气 34.3 亿吨油当量,化石能源总的占比 为 84.62%[4],比 2010 年降低了 2 个百分点。同时,天 然气长足发展,2019 年消费量是 1965 年的 6.35 倍,占 比从 15% 增长到 24.7%。更加清洁的天然气替代了大 量石油和煤炭。


1.2 发展趋势


对于未来能源发展趋势,我们重点分析了 自 2016 年以来的“变”与“不变”,在“不变”中坚 守,在“变”中调整。


 近 10 年来,全球能源发展的主要趋势没有改变。


① 对于未来能源需求增长,世界上很多知名研究机构 都进行过预测(图 2):可再生能源和天然气将成为 满足未来全球能源需求增长的主要来源,“低碳化” 和“多元化”是未来能源发展的重要趋势与特征。随 着太阳能、风能、地热能、海洋能及储能等新能源快 速发展,能源正从过去以煤炭、油气、电力集中式资 源供给,向集中式与“分散式”并重发展。

 

② 随着 各种信息化技术在能源领域中的应用,特别是“数字 化”技术逐步打破了不同能源品种间的壁垒,也成为 未来的一大发展趋势。在能源界,“没有哪个国家能 够在能源问题上独善其身”“技术没有国界”已经成 为大家的共识。


③ 全球能源互联网概念的提出与全球 能源互联网发展合作组织的成立是能源“国际化”的 一个重要标志。美国著名学者杰里米·里夫金在其著作 《第三次工业革命》[5]中,首先提出了能源互联网的 愿景,引发了国内外的广泛关注。2015 年 9 月 26 日,国家主席习近平在联合国发展峰会上发表重要讲话, 倡议探讨构建全球能源互联网,推动以清洁和绿色的 方式满足全球电力需求,这是对传统能源发展观的历 史超越和重大创新。能源科技国际合作越来越广泛, 强度越来越大,投资 100 亿美元的国际热核聚变实验 堆合作项目(ITER),就是一个典型案例。低碳化、 多元化、分散化、数字化和全球化将是未来能源发展 的主要方向。


在充分认识这些“不变”特征的同时,识别变化的特征与发展趋势,是问题的关键。


① 自 2018 年以 来,美国把中国确定为竞争对手,特朗普政府挑起了中美经贸摩擦。继后,美国国内要求与中国科技脱钩 甚至是全面脱钩的呼声甚嚣尘上,这是包括能源科技 领域在内的中国科技面临的重大挑战。我们要去掉幻 想,早做准备,坚持以我为主和开放合作的方针,加 大自主研发力度。


② 新冠肺炎疫情和石油价格战的影响叠加,极大地打压了石油价格。2020 年 3—4 月国 际油价一路下跌,4 月 20 日,美国西德克萨斯轻质中 间基原油(WTI)期货价格更是跌至 −37.3 美元/桶, 开历史先河!今后一个时期,油价低于 60 美元/桶是 大概率事件。


③ 人工智能、区块链等技术突飞猛进, 将深刻地影响未来能源的发展,在某种程度上将改变能源格局与业态。颠覆性技术始终伴随着人类科技进 步史,具有不可预见属性。只有准确把握这些发展趋 势,才有可能对未来能源科技发展趋势做出较为准确 判断。

 
2 低成本技术将是企业的核心竞争力


1967 年,美国石油地质学家 Hubbert[6]建立了用于 预测油田累计产量和最终可采储量的“钟形”模型。 此后,石油峰值论一度盛行,石油资源稀缺性被过度 强调。在这样的背景下,获取更多油气储量成为绝大 多数石油公司尤其是国际大石油公司的重要战略目标 之一,那是一个“资源为王”的时代。


美国“页岩革命”的成功,消除了人们对油气资 源稀缺性的担心。据美国能源信息署(EIA)的评价 结果,全球石油和天然气技术可采资源总量分别多达 33 570 亿桶和 648 万亿立方米[7],油气资源不再稀缺。 此外,由于太阳能、风能的利用,能源变得可再生, 取之不尽,用之不竭。谁拥有技术,谁就拥有能源资 源,这是一个“技术为王”的时代。


在“技术为王”的时代,获取能源资源的成本或 效率是决定成败之关键所在,因此发展低成本技术是 未来重要趋势。近年来,可再生能源的快速发展就得益于其成本的大幅降低。2018 年公用事业规模光伏发 电的加权平均平准化电力成本(LCOE)相较 2010 年 降低了 77%,陆上风电的降幅也有 35%[8]。美国能源信 息署预测,美国 2022 年后投产的风电和太阳能发电项 目的 LCOE 都将低于燃气发电[9]。在集中式可再生能源 发电大幅降低成本和快速发展的同时,分散式发电的 发展也在加速。据光伏协会公布的数据,2018 年中国 新增分布式光伏装机 2 320 万千瓦,占比为 52.7%,第 一次超过了集中式光伏;2019 年这种势头继续维持, 而且小规模的户用分布式光伏占了将近一半。


低成本可再生能源技术是能源科技发展的重点领 域。太阳能和风能是未来可再生能源的主体,而降低 成本、提高技术成熟度和构建合适的商业模式是可再 生能源未来的发展方向。在风能领域,未来技术发展 方向主要有大功率风电机组整机设计、风机运维与故 障诊断、大功率无线输电的高空风力发电技术等。在 太阳能领域,需要重点发展太阳能光热发电、薄膜电 池技术、太阳能制氢技术、可穿戴柔性轻便太阳电池 技术等[3]。


油气领域的低成本技术也是能源科技发展关注的 焦点。到 2050 年,油气在一次能源消费结构中占比仍 将保持在 50% 左右,这已成为业界共识。在近期储量 增长最快的深水油气领域,浮式天然气生产、处理、 液化、储存和卸载一体化平台(FLNG)及海底生产 设备的应用,再加上结构的不断优化,生产成本可降 至每桶 50 美元以下。页岩油气是今后增储上产的另一 重要领域,2012—2016 年美国页岩油开发的平衡油价 总体上降低了 50%,技术进步贡献了 1/3 的降幅[10]。


低成本油气技术发展方向很多。① 在地球物理勘 探方面,主要包括智能高效采集技术、基于深度学习 的地球物理资料自动处理和解释技术,以及物探全过 程智能管理技术等。② 在钻完井工程方面,主要包括 精确导向的智能自动钻完井技术、钻完井工程地质一 体化及井筒完整性技术、智能化压裂装备与技术,以及智能化机器人压裂施工技术等。③ 在油气田生产经 营方面,主要包括基于大数据和深度学习的新一代人 工智能油田技术、石油工业智能云网平台技术,以及 人工智能机器人技术等。

 
3 信息技术将重塑能源未来


当前,世界正在经历第四次工业革命,信息技术 日新月异,大数据、人工智能、区块链等技术快速发 展。这些新兴科学技术为能源行业的发展创造了机 遇,它们与能源行业的深度融合是获取低成本技术的 重要途径。低成本技术将改变世界能源的发展格局, 进而重塑未来的能源行业[11]。


能源行业是最早得益于数字化的行业。电厂、煤 矿和油气田很早就已开始应用计算机等信息技术来提 高自动化和管理的水平,现在更提出了数字电厂、数 字矿山、数字油田、数字炼厂等概念,这些极大地提 高了劳动生产率,降低了人工成本。当前及今后一个 时期,是从数字化到智能化的时代。智能电厂、矿 山、油田和炼厂,将进一步优化生产流程,精简机构 和人员——工厂“无人化管理”是基本模式,这将极 大地改变行业生态。


信息技术正在从更广和更深的层次对能源体系进 行重构。从生产端到消费端,数字化将系统地改变 能源的整个产业链和生态体系,使整个产业链的每 个环节都有机地结合起来,从而极大地提高能源利用 效率。华为、阿里巴巴、腾讯、谷歌、特斯拉等新兴 的技术公司都纷纷在能源领域开展业务——通过大数 据、人工智能等手段,提高整个系统的灵活性,从而 极大地提高能效,进而改变整个行业的产业链结构和 商业模式[12]。


区块链技术将为能源行业注入新动力。区块链技 术在能源领域已经被愈加广泛地应用,在以原油为代 表的能源交易平台、可再生电力的点对点交易、电动 汽车充电、电网资产管理、绿证追踪管理甚至虚拟能源货币等领域都已崭露头角,这将会给能源领域带来 更深刻的变化。


数字化转型将重塑油气行业。新一代人工智能技 术在石油工业上游的全面集成创新应用,将产生新一 代人工智能油田技术,实现对油气行业传统流程的升 级优化和组织再造,大幅度降低油气行业成本,增强 企业竞争力和油气行业持续生存的能力。


4 颠覆性技术是未来能源最大变数


能源科技是当今科技创新最主要和最活跃的领域 之一。在油气、氢能、储能、核聚变能等方面都有可能出现颠覆性新技术,不论哪一种颠覆性技术出现, 都会极大地改变世界能源供需格局。


4.1 油气领域的颠覆性技术


水平井多段清水压裂技术将使页岩油气实现经济 有效的开采。这一颠覆性技术会极大地改变全球能源 格局。应用物理与化学相结合的方法,对低成熟度页 岩油、稠油进行原位改质,这有可能是继“页岩革 命”之后的另一次革命。一旦这一颠覆性技术取得成 功,又一巨大油气资源将得以经济、有效的开发和利 用。纳米技术和新材料也有可能催生出颠覆性的油气 提高采收率技术,如地下纳米机器人驱油和地下油水 分离技术等。多用途激光工具与钻井技术结合,或许 可以颠覆传统的钻井方式,即由激光熔融替代机械破 岩,提高钻井效率。


4.2 氢能源技术


 氢能源技术在能源领域产生颠覆性影响的关键在 于低成本、高性能的氢燃料电池技术和低成本、高效 率的工业化制氢技术。近年来,世界各国都已认识到 氢能作为二次能源在能源转型中的重要性,很多国家 都高度重视氢能源产业的发展,把氢能源产业提升到 国家能源战略的高度,制定氢能发展战略,并出台促 进其发展的扶持政策[13]。一旦借助石墨烯、纳米超材 料等新材料的电解制氢技术取得重大突破,氢燃料大规模甚至完全替代化石燃料将是有可能的。随着新材 料聚合物电解质膜燃料电池技术的成熟和相关基础设 施的完善,以氢能为动力的汽车、火车和轮船等将替 代燃油机动车成为主要的交通工具。欧洲已经开展不 少天然气管道掺输氢气的试验项目,以期为氢产业大 规模发展做好准备[14]。


4.3 储能技术


储能技术被称为“能源革命的支撑技术”,在 很多方面都将发挥重大的作用。


① 对于电力系统而 言,储能可为电网提供调峰调频、削峰填谷、黑启 动、需求响应支撑等多种服务,提升传统电力系统的 灵活性、经济性和安全性。


② 在可再生能源开发方 面,储能可显著提高风电和太阳能发电的消纳水平, 支撑分布式电力及微网。随着分布式光伏、小型生物 质能源、天然气冷-热-电三联供、燃料电池等分布式 能源技术的日益成熟,以及相关的储能、数字化等技 术的进展,分布式能源未来还将获得更加迅猛的发 展。


③ 在交通方面,储能将在能源互联互通、融合新 能源汽车在内的智慧交通网络方面起到关键作用。有 可能为能源行业带来颠覆性影响的是基于新材料的新 型电池储能技术,如石墨烯超级电容器、碳纳米材料 自储能器件、超导电磁储能技术等。如果低成本高效 率的储能技术出现并投入大规模商业化应用,将极大 地促进可再生能源的发展,使新能源交通工具大规模 甚至完全替代燃油交通工具。


4.4 可控核聚变技术


核聚变能是人类理想中的终极能源,具有诸多 优势。可控核聚变的主流技术方案主要有 2 种,即 磁约束核聚变(MFC)和惯性约束核聚变(IFC)。 目前,世界上的核聚变相关研究计划比较多,如国 际热核聚变实验堆(ITER)计划、美国国家点火装 置(NIF)、美国悬浮偶极子试验装置(LDX)、美 国 Z-IFE 装置、美国 Lawrenceville Plasma Physics 研 究项目、美国 FRX-L 研究项目、加拿大通用聚变、欧洲高功率激光能源研究(HiPER)计划和 德国 Wendelstein 7-X 等。中国于 2007 年正式加 入 ITER 计划,同时也在大力推动国内的核聚变科 学技术研究。我国已圆满完成了聚变工程实验堆 (CFETR)概念设计,目前正在开展工程设计。中 国环流器二号 A装置(HL-2A)和全超导托卡马克核 聚变实验装置(EAST)等大科学装置也先后建成, 多项物理实验研究成果居于世界前列。HL-2A 在国 内首次实现了偏滤器位形放电、高约束模式运行。 2017 年 7 月,EAST 在世界上首次实现了 5 000 万度等 离子体持续放电 101.2 秒的高约束运行,再次创造了 磁约束核聚变研究新的世界纪录[15]。


5 结论


随着减排和环境保护形势的日益严峻,在新能源和 智能化等技术进步和成本快速下降的推动下,全球能源 沿着多元化、低碳化、分散化、数字化和全球化的方 向加速转型,正在进入一个能源转型发展的时代。同 时,中美经贸摩擦、沙俄油价战、新冠肺炎疫情等使能 源未来发展充满不确定性。新的能源技术和新的商业模 式将改变传统的能源供应模式,综合能源服务会逐步成 为主流。新能源和天然气等清洁能源将满足未来大部分 新增的能源需求,能源体系也将发生结构性的变化。 低成本技术将成为未来能源科技发展的主流,人工智能 等信息技术将重塑能源未来。未来在油气、氢能、储 能、核聚变能等领域都有可能出现颠覆性新技术,从而 根本性地改变未来能源的图景。准确把握能源技术发展 趋势,对于指导科技创新的方向,以及国家制定能源政 策和企业战略转型都具有重要意义。


参考文献

1 Tverberg G. Low Oil Prices: An Indication of Major Problems Ahead? [2018-11-28]. https://ourfiniteworld.com/2018/11/28/ low-oil-prices-an-indication-of-major-problems-ahead/.

2 国家发展改革委, 国家能源局. 能源技术革命创新行动计 划(2016—2030年). [2016-06-01]. http://www.nea.gov. cn/2016-06/01/c_135404377.htm.

3 李立浧, 饶宏, 许爱东, 等. 我国能源技术革命体系战略研 究. 中国工程科学, 2018, 20(3): 1-8.

4 中国石油经济技术研究院. 2019中石油经研院能源数据统 计. 北京: 中国石油经济技术研究院, 2020.

5 Rifkin J. The Third Industrial Revolution. New York: Palgrave Macmillan, 2011.

6 Hubbert M K. Degree of advancement of petroleum exploration in the United States. AAPG Bulletin, 1967, 51(11): 2207-2227.

7 EIA. Technically Recoverable Shale Oil and Shale Gas Resources: An Assessment of 137 Shale Formations in 41 Countries outside the United States. [2013-06-13]. https:// www.eia.gov/analysis/studies/worldshalegas/archive/2013/pdf/ fullreport_2013.pdf.

8 IRENA. Renewable Power Generation Costs in 2018. Abu Dhabi: International Renewable Energy Agency, 2019.

9 EIA. 2020. Levelized Cost and Levelized Avoided Cost of New Generation Resources in the Annual Energy Outlook 2020. [2020-05-06]. https://www.eia.gov/outlooks/aeo/pdf/ electricity_generation.pdf.

10 Nysveen P M. Global oil market trend. [2016-09-28]. https:// www.eia.gov/finance/markets/reports_presentations/2016PerM agnusNysveen.pdf.

11 IEA. Digitalization and Energy. Paris: OECD/IEA, 2017.

12 杨雷. 能源的未来——数字化与金融重塑. 北京: 石油工业 出版社, 2020.

13 IEA. The Future of Hydrogen. Paris: OECD/IEA, 2019.

14 Alvera M. Generation H–Healing the Climate with Hydrogen. Milan: Mondadori, Italy, 2019.

15 中国国际核聚变能源计划执行中心. “人造太阳”计划: 和平利用聚变能. 国际人才交流, 2019, (9): 8-10.


来源:中国科学院院刊,作者:金之钧 白振瑞 杨雷

0