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一、引言
在全球氣候變化的大背景下，推進綠色低碳技術創新、發展以可再生能源為主的現代能源體系已經成為國際社會的共識，能源清潔低碳轉型加速已經成為全球發展趨勢。能源轉型不僅伴隨著產業結構調整，同時也更需要能源技術創新的支撐，能源技術進步與能源轉型相互促進，正在深刻改變能源發展的前景和世界能源格局。
當前，新一輪能源技術革命正在孕育興起，新的能源科技成果不斷涌現，新興能源技術正以前所未有的速度加快迭代，可再生能源發電、先進儲能技術、氫能技術、能源互聯網等具有重大產業變革前景的顛覆性技術應運而生。隨著云計算、大數據、物聯網等新興技術的發展，能源生產、運輸、存儲、消費等環節正發生變革。
世界主要國家和地區對能源技術的認識各有側重，基于各自能源資源稟賦特點，從能源戰略的高度制定各種能源技術規劃、采取行動加快能源科技創新，以增強國際競爭力，尤其重視具有潛在顛覆影響的戰略性能源技術開發，從而降低能源創新全價值鏈成本。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》、俄羅斯的《2035年前能源戰略草案》等。本文分析當前各國能源科技戰略布局方向和國際前沿能源技術發展成果，以期洞察能源技術創新方向和能源技術發展趨勢。
二、主要國家能源技術發展戰略布局
縱觀全球能源技術發展動態和各國推動能源科技創新的舉措，可見全球能源技術創新進入高度活躍期，綠色低碳是能源技術創新的主要方向，集中在化石能源清潔高效利用、新能源大規模開發利用、核能安全利用、大規模儲能、關鍵材料等重點領域。世界主要國家均把能源技術視為新一輪科技革命和產業革命的突破口，制定各種政策措施搶占發展制高點，并投入大量的資金予以支撐。國際能源署（IEA）發布的《IEA成員國能源技術研發示范公共經費投入簡析2020》顯示，在過去40年里，IEA成員國能源技術研究、開發和示范（RD&D）公共投入領域變得日益多樣化。1974年，核能在能源技術投入總額中占比最高，達到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（15%）和交叉技術（23%）的RD&D投入相當。另一方面，化石燃料投入占比在20世紀80年代到90年代達到頂峰，但在2013年之后逐步下滑至當前的9%。2019年，IEA成員國能源技術RD&D公共投入總額達到209億美元，較2018年上漲了4%。除化石燃料下降4%外，所有技術RD&D投入均有所增加，其中氫能和燃料電池技術領域增幅最大，緊隨其后的是可再生能源技術。
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”研發創新框架計劃，2019年歐盟能源技術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RD&D公共投入占比（單位：%）
（一）美國
積極開展先進核能系統研發
美國政府高度重視能源技術研發，投入大量研發資金，維持其在全球能源技術領域的地位。2017年，美國聯邦政府投入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研究，包括核能（尤其是小型核反應堆），碳捕集、利用和封存（CCUS），能效等。隨著可再生能源發電量的增長和電動汽車的發展，以及極端天氣和網絡攻擊的發生頻率增加，電網現代化也成為其技術研發的重要內容。
為了鼓勵核能創新，美國先后于2018年和2019年簽署《2017年核能創新能力法（NEIC）》和《核能創新和現代化法（NEIMA）》兩份法案。為了執行“核能加速創新門戶”計劃，美國能源部（DOE）2019年在愛達荷國家實驗室啟動了國家反應堆創新中心（NRIC），將核技術相關的企業、聯邦政府機構、國家實驗室和大學整合起來，聯合開展新概念先進反應堆設計、研發、測試和示范工作，同時為新概念反應堆技術的測試、演示和性能評估提供充足的條件支持，以加速新的先進概念核反應堆技術的商業化部署。聯邦政府眾議院能源和水資源委員會已在2020財年預算中為NRIC撥款500萬美元，計劃在未來5年內完成多種小型模塊化反應堆和微型堆示范工作。美國核能行業正在快速開發小型模塊堆和其他先進型核動力堆設計，其中一部分可在2030年以前投入運行。這些先進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調的靈活運行、偏遠地區應用、提供工業用途的供熱和其他產品等方式，為美國帶來極大的效益。2020年5月，美國能源部啟動了“先進反應堆示范計劃”，擬建造2個先進示范反應堆，并在未來5～7年內將之投入使用。DOE將提供1.6億美元的啟動資金，費用與工業界分攤。美國國會也在2020年預算中為啟動一個新的先進反應堆示范項目撥款2.3億美元。“先進反應堆示范計劃”主要是建造先進反應堆，并執行美國政府2020年4月發布的繼續支持美國先進反應堆技術示范的戰略。
美國在CCUS領域處于全球領先地位。截至2019年底，美國擁有10個大型CCUS項目，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研發項目。其中的4600萬美元用于支持燃煤或燃氣電廠二氧化碳捕集技術的前端工藝設計。被資助的項目主要分為兩類，一是工業碳捕集技術前端工藝設計研究，二是工程規模的燃燒后碳捕集技術測試。剩余的8500萬美元用于支持CarbonSAFE項目三階段。主要目的是加速CCUS項目區域化部署。該部分資助主要有兩個目的，一是識別和評估經濟可行且安全的商業化地質封存場地，二是二氧化碳捕集純化技術的經濟技術評價。
（二）歐盟
深化低碳能源轉型，聚焦前沿技術創新
進入新世紀后，歐盟可持續發展戰略不斷深化，提出低碳能源轉型，成為低碳經濟發展的全球引導者。圍繞低碳能源核心戰略，歐盟制定了具體的發展目標和技術路線圖，例如“3個20%”目標，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，歐盟通過制定詳細的法規政策，強制成員國減排，積極引導投資并推廣低碳能源技術應用。歐盟科研創新資助計劃“地平線2020”2018～2020年度的支出方案中，“低碳和適應氣候變化的未來”領域獲33億歐元預算，按年度工作計劃，可再生能源、能效建筑、電動運輸和儲存方案4個清潔能源領域的項目可獲22億歐元撥款。
歐盟在風能和氫能領域進行了前瞻性的謀劃布局。2019年11月，歐洲風能技術與創新平臺（ETIP-Wind）發布《風能路線圖》，明確歐盟在2020～2027年間將重點發展風電并網與集成、系統運行和維護、下一代風電技術、海上風電配套設施、浮動式海上風電等領域。歐洲燃料電池和氫能聯合組織（FCH-JU）于2019年2月發布《歐洲氫能路線圖：歐洲能源轉型的可持續發展路徑》，提出面向2030、2050年的氫能發展路線圖，為歐洲大規模部署氫能和燃料電池指明方向，并闡明發展氫能的社會經濟效益。同時，為推動氫能源技術發展，歐盟計劃采取多項舉措，包括：經由“創新基金”為氫能源生產提供50億歐元至300億歐元支持，推動年產量增至100萬噸；把下個長期預算中對氫能源項目的扶持資金提升至13億歐元；經由歐洲投資銀行管理的一項特別基金加大對可再生能源和氫能源基礎設施投資，這項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的“能源轉型”戰略，持續增加對能源技術研發的公共投入。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，可再生能源技術占能源RD&D總預算的29%，主要用于太陽能和風能研究；其次是能效（主要用于提高工業能效）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，德國氣候內閣達成“退煤”共識，通過了扶持退煤地區發展的《結構強化法》草案，以推動歐盟到2050年實現碳中和的目標。同時，德國出臺《氣候保護計劃2030》，目標是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、鼓勵建筑節能改造、資助相關科研等諸多措施，涵蓋能源、交通、建筑、農業等多個領域。為了實現應對氣候變化的目標，德國從3個方面加強研發：一是加強氫能研究，推出氫能戰略。二是加強德國的電池生產。投入10億歐元在德國多地促進電池生產。“電池研發工廠”支持德國在整個電池價值鏈中擴展能力和技術。三是加強二氧化碳的儲存和使用研發。
2020年6月，德國政府通過了《國家氫能戰略》，設定到本世紀中葉實現碳中和的目標，并計劃成為氫技術的全球領導者。該戰略認為，從長遠來看，只有可再生能源生產的氫（綠氫）才是可持續的，這將是未來投資的重點領域。德國政府預計，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容量達5吉瓦的海上（或陸上）可再生能源發電廠。作為邁向氫技術市場的第一步，強大而可持續的本國氫能市場至關重要。除了現有的支持計劃，德國還將提供70億歐元用于發展氫能技術，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，其計劃在未來進口大量綠氫。氫能和燃料電池方面，德國聯邦交通部已選定9個地區，擬通過幫助地區制定合適的氫能發展規劃，建立多方共同參與的發展網絡，將其打造成為德國的氫示范區。著眼于未來的工業標準，德國研究機構開發燃料電池的標準化物理參數測量方法，以便集成應用并進一步實現規模化和市場化，為燃料電池技術發展鋪平道路。
（三）英國
制定低碳戰略，加速部署低碳制氫技術
英國在2008年通過《氣候變化法案》，法案確立的遠期目標是到2050年將碳排放量在1990年的水平上降低至少80%。2019年5月，英國負責制定減排方案并監督實施的氣候變化委員會建議，將此目標修改為“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年實現“凈零排放”的主要經濟體，將清潔發展置于現代工業戰略的核心。英國2019年清潔能源發電量已經超過化石燃料發電量，并計劃在2025年前逐步淘汰所有燃煤發電。2019年3月，英國發布《海上風電行業協定》，計劃到2030年將英國海上風電裝機容量增加到30吉瓦，滿足英國三分之一的電力需求。
2020年，英國商業、能源和產業戰略部（BEIS）宣布出資3300萬英鎊支持低碳制氫供應鏈技術開發，旨在研發高性能低成本的低碳制氫技術并開展相關示范，以降低制氫成本，加速英國低碳制氫技術的部署和應用。本次資助聚焦五大主題領域，具體內容如下：（1）海上風電制氫。在深海區域建造一個風電制氫設施原型，該設施原型由大型浮動式風力渦輪機（10兆瓦）、水處理單元和產氫電解槽組成，能夠以海水為原料利用風電進行電解制氫，并通過管道輸運到陸地。（2）低碳產氫示范工廠。通過采用集成Johnson Matthey公司低碳制氫技術的碳捕集設施，ProgressiveEnergy、Essar、Johnson Matthey和SNC-Lavalin四家公司聯合建造一座低碳制氫示范工廠，每小時產氫量達到10萬標準立方米，以驗證技術規模化應用潛力。（3）基于聚合物電解質膜電解槽綠色產氫裝置。基于ITM Power公司吉瓦級別的聚合物電解質膜電解槽，開發一個低成本、零排放的風電制氫示范裝置，為煉油廠提供清潔的氫氣資源。（4）開發和評估先進的天然氣重整制氫新系統。開發和評估先進的天然氣重整制氫新系統，為利用英國北海天然氣生產氫氣提供一種節能且具有成本效益的新方法，同時新系統能夠有效地捕集并封存制備過程產生的二氧化碳氣體以防止氣候變化。（5）開發吸附強化蒸汽重整（SESR）制氫裝置。依托天然氣技術研究所（GTI）發明的基于新技術的SESR工藝，設計開發中試規模低碳氫氣制備的示范裝置并進行示范生產，評估新工藝的技術經濟性。
（四）日本
持續推進氫能與燃料電池技術
在經歷福島核事故之后，日本在能源科技發展重點上有較大調整。日本將氫能作為應對氣候變化和保障能源安全的一張王牌，為此制定了建設“氫能社會”的氫能基本戰略目標，提出要構建制備、儲存、運輸和利用的國際產業鏈，積極推進氫燃料發電，擴大燃料電池及其汽車市場。2017年12月，日本政府制定《氫能基本戰略》，從戰略層面設定氫能的中長期發展目標。2018年7月，日本政府發布《第五次能源基本計劃》，定調未來發展方向是壓縮核電發展，降低化石能源依賴度，加快發展可再生能源，以氫能作為二次能源結構基礎，同時充分融合數字技術，構建多維、多元、柔性能源供需體系，實現2050年能源全面脫碳化目標。2019年3月，日本更新《氫能與燃料電池戰略路線圖》，提出到2030年的技術性能、成本目標。同年9月，日本政府出臺《氫能與燃料電池技術開發戰略》，確定燃料電池、氫能供應鏈、電解水產氫3大技術領域10個重點研發項目的優先研發事項。從最初的發展氫能的基本戰略，一直到最近的技術開發戰略，日本從戰略到戰術再到具體項目執行層面，穩步推進氫能和燃料電池的技術發展與應用。
日本的燃料電池產業堅持面向家庭，且在技術上持續推進。在國家層面，政府以向新能源產業技術綜合開發機構（NEDO）投入專項科研經費為主，設定核心技術應達到的相應指標，并將指標進行分解，對承擔課題研究的單位定期進行評估，以實現氫能發展目標。研究機構在氫燃料電池領域建立了持續的研發體系，很多大學持續參與氫能研究已達50年，在關鍵技術包括極板、膜電極、電子材料等方面都有龐大的研發團隊。在企業層面，根據氫燃料電池技術狀況、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用產品，松下、東芝、日立等機電一體化企業在十年前已開始了應用端的實證研究，積極占領研發成果制高點。降低制氫成本方面，2019年，日本物質材料研究機構（NIMS）與東京大學和廣島大學合作，通過開發2030年前后完全可能研制出實用化的、放電較慢但成本低廉的蓄電池，日本有望實現每立方米為17～27日元（約1.04～1.64元人民幣）的制氫成本。
三、前沿技術最新動態與重要成果
（一）油氣勘探開發與利用技術
1.地下原位改質技術
地下原位改質是通過對地下儲層進行高溫加熱，將固體干酪根轉換為輕質液態烴，再通過傳統工藝將液態烴從地下開采出來的方法。該技術具有不受地質條件限制、地下轉化輕質油、高采出程度、低污染等優點，一旦規模化應用，將對重質油、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技術采用小間距井下電加熱器，循序均勻地將地層加熱到轉化溫度。該技術通過緩慢加熱提升產出油氣的質量，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，降低對環境的危害。為了避免地下水污染，殼牌公司開發了獨有的冷凍墻技術，可有效避免生產區域在頁巖加熱、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
俄羅斯秋明國立大學將物理化學開采方法與微乳液驅油技術相結合，開發出一種從廢棄的油田中開采石油的方法。微乳液驅油依靠的是重量和粘度，是當今最有效的驅油技術。微乳液比石油重，不與之混合，驅油時會把石油推到表面。但其對侵蝕性的現實條件（沉積物的溫度和硬度）非常敏感，會失去實驗中的理想特性。
3.高精準智能壓裂技術
近年來，水平井分段壓裂呈現壓裂段數越來越多、支撐劑和壓裂液用量越來越大的趨勢。從長遠看，實現壓裂段數少、精、準，才是水力壓裂技術的理想目標。目前業界正在探索大數據、人工智能指導下的高精準壓裂技術和布縫優化技術，但是真正能夠“聞著氣味”走的壓裂技術還有待研究和突破。美國Quantico能源公司利用人工智能技術，將靜態模型與地球物理解釋緊密耦合，對不良數據進行質量控制，形成高精度預測模型，用于壓裂設計，在二疊盆地和巴肯油田的100多口油井中使用后，與鄰井對比結果表明，優化后的完井方案不僅可以使產量提高10%～40%，還能有效降低整體壓裂作業成本。隨著“甜點”識別、壓裂監測技術和人工智能技術的發展，未來高精準智能壓裂技術有望實現每一級壓裂都壓在油氣“甜點”上，可有效提高儲層鉆遇率和油氣產量，降低開發成本，降本增效意義重大。
4.遠程單趟式深水完井
高昂的鉆機費用迫使開發商想方設法減少井筒起下鉆次數，特別是在深水作業中。油服企業威德福于2019年3月推出TR1P系統，這是全球首個也是唯一一個能夠遠程激活的單趟下鉆式深水完井系統，可為開發商帶來更高的效率、靈活性以及收益。該系統無需控制管線、沖管、電纜、連續油管以及修井設備，完全實現了100%的無干涉作業。開發商能夠在生產井與注入井中執行儲層所需的作業，可在更短的時間內完成更多的作業，從而降低作業風險、降低成本。與傳統的機械或液壓式完井設備相比，TR1P系統在整體作業與鉆機攤鋪成本方面節省了開支。
（二）太陽能技術加快應用
1.新型六結疊層太陽能電池效率已接近50%
由于半導體固有的帶隙特點，單結半導體太陽能電池的光電轉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（光譜響應范圍不同）的電池進行串聯構建疊層太陽能電池被認為是電池效率突破S-Q效率極限值強有力的技術路徑。圍繞上述問題，美國國家可再生能源實驗室（NREL）研究團隊設計制備了基于III–V族異質結半導體的六結疊層太陽能電池，通過對制備工藝和結構的優化，有效克服了不同晶體晶格錯配問題，減少了內阻，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47.1%的認證效率（之前效率紀錄是46.4%），創造了有史以來太陽能電池器件光電轉換效率最高值，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（光敏層）中的每個結點都經過專門設計，可以捕獲來自太陽光譜特定部分的光。該設備總共包含約140種III-V材料層，以支持這些連接點的性能，但其寬度卻比人的頭發窄三倍。由于III-V太陽能電池的高效率特性和制造成本，因此最常用于為衛星供電。
2.太陽能制氫技術取得積極進展
澳大利亞國立大學（ANU）的科學家利用串聯鈣鈦礦硅電池實現了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的硅太陽能電池上。目前的共識是，利用低成本的半導體來實現光電電化學（PEC）水分解過程，太陽能制氫的效率要達到20%，才能在成本上具有競爭力。ANU團隊表示，串聯鈣鈦礦硅電池，結合便宜的半導體，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材料從水中生產氫。這一操作跳過了電力生產和轉換步驟，不需要電解槽。這種直接產生綠色氫的過程與光合作用的過程類似。
美國科學家首次研發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）新型核電技術取得重大進展
1.全球首座浮動核電站投入使用
2019年9月，由俄羅斯設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4989千米之后抵達目的地佩韋克港。“羅蒙諾索夫院士”號于2020年5月投入商業運營，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35兆瓦核反應堆，主要功能是為俄極其偏遠地區的工廠、城市及海上天然氣、石油鉆井平臺提供電能。
在發電方面，該核電站采用了小型模塊化核反應堆，擁有兩套改進的KLT-40反應堆，每座發電量達35兆瓦，可提供高達70兆瓦的電力或300兆瓦的熱量，供20萬人使用。除了核電設施，這個巨型浮式核電站上的海水淡化設備還可每天提供24萬立方米的淡水。現在，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的重要選擇。
2.受控核聚變實驗持續創造紀錄
受控的核聚變反應所產生的凈能量在沒有危險輻射量的情況下產生，實現能量持續、平穩輸出，其優勢明顯大于核裂變發電。作為應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驗裝置持續創造紀錄，穩步推進受控核聚變的實現。
美國國家點火裝置（NIF）在幾年前就已經實現了1億度目標，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反應室上。每束激光發射出持續大約十億分之三秒、蘊涵180萬焦耳能量的脈沖紫外光，脈沖撞擊到目標反應室上，將產生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。
中國自行研制的超導托卡馬克受控核聚變裝置（EAST）與美國NIF實現聚變的方式不同。目前托卡馬克實現了磁束縛等離子體和中心溫度1億度，下一個目標是維持束縛，且達到1億度維持1000秒。
位于法國南部的跨國項目國際熱核聚變實驗堆（ITER）是目前全球規模最大、影響最深遠的國際科研合作項目之一。2019年7月，這一全球最大的核聚變反應堆項目實現低溫恒溫器成功交付，進入安裝狀態。目前，35個國家正在通力合作ITER。ITER裝置主機最重要部分之一的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點奠定了重要基礎。
（四）高性能儲能電池獲得重大突破
1.電池儲能系統提供無功功率服務
隨著越來越多的間歇性可再生能源并入電網，對電壓精確平衡的需求促使英國電力系統運營商National Grid不斷探索各種無功功率解決方案。英國儲能開發商Zenobe Energy部署的電池儲能系統通過National Grid為英國配電網絡運營商（DNO）和英國電力網絡（UKPN）提供這些服務。Zenobe Energy公司在英格蘭蘇塞克斯郡King Barn部署了一個裝機容量為10兆瓦的電池儲能系統。該儲能項目由National Grid運營，主要為電網提供無功功率服務，以緩解容量挑戰。預計到2050年可以為消費者節省4億英鎊以上的電力費用，同時增加4吉瓦的裝機容量。
2.有機空氣電池提高可再生能源供應穩定性
金屬（如鉀、鈉、鋰等）空氣電池是一種極具發展潛力的高比容量電池技術，其理論能量密度上限可達11000瓦時/千克，遠遠高于傳統的鋰離子電池，因此得到了學術界和工業界廣泛關注。然而，由于存在金屬枝晶、空氣電極孔道堵塞等問題，導致該類電池安全性和循環壽命不佳，限制了該類電池的實際應用。香港中文大學研究團隊設計制備了鉀聯苯（Potassium Biphenyl）復合有機物，并將其作為負極取代傳統的金屬負極，與空氣電極組成新型的有機空氣電池，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現長達3000余次的穩定循環，平均庫倫效率高達99.84%，為空氣電池開辟全新技術發展路徑。有機空氣電池最適合應用于大型電廠能源儲存，如風電或太陽能，亦可用于火力發電廠調頻，家用太陽能電板也有機會使用到。
3.設計研發高性能負極材料全固態電池
以金屬鋰作負極的全固態鋰金屬電池在理論能量密度和安全性上都遠優于傳統鋰離子電池。然而，鋰負極不受控的枝晶生長以及低庫倫效率嚴重制約了鋰負極全固態鋰金屬電池的實用化發展。因此，開發高性能負極材料成為了全固態電池研究領域熱點。三星技術研究院（SAIT）和日本三星研究院（SRJ）設計開發了一種獨特的銀—碳（Ag-C）復合負極，替代鋰（Li）金屬負極，結合硫銀鍺礦（Argyrodite）型固態電解質制備了軟包的全固態電池，獲得了高達942瓦時/千克的能量密度和99.8%的平均庫倫效率。銀—碳電極有效調節金屬鋰的沉積—剝離過程，避免枝晶形成，顯著提升了電池壽命，且能夠保持穩定循環超過1000余次，在電動汽車等高比能儲能應用領域具備廣闊應用前景。研究人員還測試各種不同高溫下電池穩定性，結果顯示電池表現出良好耐高溫特性，且該電池體積僅為同樣容量傳統鋰離子電池一半。
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備也受到了許多研究者的關注。然而，當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際需求，開發具有高容量、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，但其在堿性環境中存在不穩定性，亟需予以解決。新加坡國立大學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元素含量的優化調節，顯著提升了柔性非對稱超容的放電比容量和循環穩定性。該項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構穩定性，從而獲得了具有高比電容、高倍率性能和長循環壽命的柔性超容器件，電容器件經過15000次循環后，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方案。
（五）氫能技術穩步推進
1.全球首次實現遠洋氫運輸
由多家日本企業組成的新一代氫能鏈技術研究合作組（AHEAD）實現了全球首次遠洋氫氣運輸，從文萊向日本運輸了第一批氫氣，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從甲基環己烷（MCH）中分離出來的氫氣，為水江發電廠的燃氣渦輪機提供燃料。不同于日本與澳大利亞開展的褐煤制氫—液氫輸運，AHEAD項目采用千代田公司的SPERA技術探索有機液態儲氫的商業化。相對于低溫液態儲氫的高能耗（25%左右）、易蒸發（0.5%～1%/日），有機液態儲氫具有性能穩定、簡單安全以及可充分利用現有石化基礎設施等優勢。但也存在著反應溫度較高、脫氫效率較低、催化劑易毒化等問題。該技術的核心是找到高效的催化劑。千代田公司利用甲基環己烷（MCH）作為載體，開發的催化劑“有效壽命”超過1年，并成功進行了10000小時的示范運行。
2.10兆瓦級可再生能源電力制氫廠投運
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。該設施于2020年3月7日開始運行，進行清潔廉價制氫技術的生產試驗。該設施在18萬平方米場地內鋪設了20兆瓦太陽能發電裝置，接入10兆瓦電解水制氫裝置，設計生產能力每小時1200標準立方米氫氣。開始運行期間能夠年產200噸氫氣，生產過程中二氧化碳凈排放為零。生產的氫氣預計主要以壓縮罐車和氣瓶組的形式供應福島縣和東京都市場。氫產量和儲存量將根據對市場需求的判斷進行調整。氫產量還將適應電力系統負荷調整的需要進行調節，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—氫能之間的轉化實現電網負荷調整達到供需平衡。具體實施中，東芝能源系統負責項目協調及氫能系統，東北電力負責電力系統及相關控制系統，巖谷產業負責氫的需求預測系統和氫的儲存、供給。
四、發展趨勢
當下，全球能源轉型提速，能源系統逐步向低碳化、清潔化、分散化和智能化方向發展。未來，低成本可再生技術將成為能源科技發展的主流，能源數字技術將成為引領能源產業變革、實現創新發展的驅動力。儲能、氫能、先進核能等前瞻性、顛覆性技術將從根本上改變能源世界的圖景。
（一）可再生能源技術成本仍呈下降趨勢
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，隨著太陽能、風能等非傳統可再生能源技術水平提高、成本下降，世界多國和地區都加快了可再生能源發展的步伐。據彭博新能源財經（BNEF）發布的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最便宜的新建電源。到2030年，其成本將在全球大部分地區低于已建火電，由于風電、太陽能和儲能技術成本的大幅下降，到2050年全球近一半的電力將由這兩種快速發展的可再生能源供給。太陽能和風能是未來可再生能源的主體，低成本可再生能源技術是能源科技發展的重點領域。
（二）數字技術將加速能源轉型
隨著各種信息化技術在能源領域中的應用，“數字化”技術逐步打破了不同能源品種間的壁壘，成為未來的一大發展趨勢。數字技術（如傳感器、超級計算、人工智能、大數據分析等）具有強大的變革推動力，能夠提升整個能源系統效率，使能源供應和消費變得更安全、更可靠和更具成本效益。例如，在石油勘探領域智能機器人的應用，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生巨大變化。智能化電網系統的應用發展將實現對電力系統實時監測、分析、分配和決策等，實現電力分配、使用的效率最大化。區塊鏈技術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。
IEA在《數字化和能源》預測，數字技術的大規模應用將使油氣生產成本減少10%～20%，使全球油氣技術可采儲量提高5%，頁巖氣有望獲得最大收益。僅在歐盟，增加存儲和數字化需求響應就可以在2040年將太陽能光伏發電和風力發電的削減率從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，數字化還可以使碳捕獲和儲存等特定的清潔能源技術受益。
（三）新興技術將重塑能源未來
當前，以新興能源技術為代表的新一輪科技革命和產業變革正在興起，在油氣、儲能、氫能、先進核能等領域，新的顛覆性技術不斷涌現。其中，油服公司的技術創新尤為活躍，新技術、新工具、新裝備以及一體化的解決方案不斷推出。大規模儲能系統的應用，使得能源轉換與利用更加高效，實現能源的時空平移，以解決能源在生產、傳輸以及使用環節的不同步性等問題。隨著氫能和燃料電池關鍵技術的逐步突破，各國爭相將發展氫能產業提升到國家能源戰略高度，大力推進氫能產業鏈布局與技術創新。目前，包括物理儲能、電化學儲能、儲熱、儲氫等在內的多種儲能技術類型，在新能源并網、電動汽車、智能電網、微電網、分布式能源系統、家庭儲能系統、無電地區供電工程等不同應用場景下，展露出巨大的發展潛力，市場前景非常廣闊。在核能領域，確保可持續性、安全性、經濟性和防核擴散能力的先進技術是研發的重點，主要研究方向包括開發固有安全特性的第四代反應堆系統、燃料循環利用及廢料嬗變堆技術，以及核聚變示范堆的設計與實現。此外，各類新興技術將對現有的能源市場帶來深遠影響，例如先進材料的開發可以顯著提高電池性能等。
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