能源，不僅是現(xiàn)代工業(yè)的血液，也是正常生活得以維持的基石。千百年來，人類主要依靠化石能源維系，目前也是如此。但化石能源總有耗盡的一天。那么，什么可以接替化石，未來能夠為人類提供清潔、可持續(xù)的能源?當(dāng)前，世界主要國家或地區(qū)均將發(fā)展新能源技術(shù)視為引領(lǐng)新一輪能源革命以及科技創(chuàng)新的重要突破口，新能源技術(shù)正以前所未有的速度加快迭代。日前，中國科學(xué)院科技戰(zhàn)略咨詢研究院、武漢文獻情報中心、廣州能源所與施普林格·自然團隊發(fā)布了《未來科技系列報告(第一期)》——《新能源技術(shù)研究的機遇與挑戰(zhàn)》，對全球2000-2019年間(尤其是2015-2019年間)太陽能、風(fēng)能、生物質(zhì)能、地?zé)崮?、核能、氫能、儲能、能源互?lián)網(wǎng)等八個不同新能源技術(shù)領(lǐng)域整體及其20項代表性技術(shù)主題進行系統(tǒng)分析，訪談了歐陽明高院士、李燦院士、Joёl Ruet教授等中外能源領(lǐng)域的科學(xué)家，對未來能源進行了定量和定性的分析，并從全球尺度重點關(guān)注了中國新能源技術(shù)的研究特點以及研究競爭力。
風(fēng)能、太陽能、生物質(zhì)能……哪種新能源最受科技界青睞?
氫能將是打造未來能源體系、實現(xiàn)能源變革的重要媒介，太陽能燃料技術(shù)的突破及其成本降低或?qū)⒖焖俳档蛯剂系囊蕾?/p>
中國科學(xué)院科技戰(zhàn)略咨詢院研究員郭劍鋒介紹，通過對發(fā)表論文的分析發(fā)現(xiàn)，新能源技術(shù)正處于加速發(fā)展期，2015-2019年間除核能外，太陽能、風(fēng)能、氫能等7個技術(shù)領(lǐng)域發(fā)文量均超過近20年總量的40%，其中5個領(lǐng)域超過一半以上。進一步聚焦2015—2019年發(fā)文情況發(fā)現(xiàn)，全球?qū)π履茉吹年P(guān)注度持續(xù)升溫，五年期間在新能源領(lǐng)域共發(fā)表了388416篇論文，發(fā)文量年均復(fù)合增長率約為10%。
郭劍鋒介紹，統(tǒng)計被引頻次最高的前10篇論文可以揭示全球不同新能源技術(shù)領(lǐng)域關(guān)注和聚焦的研究方向：生物質(zhì)能研究主要關(guān)注木質(zhì)素?zé)峤狻⒋呋瘎?、預(yù)處理、微藻生物燃料、生物精煉等方向;儲能研究主要聚焦鋰離子電池、鈉離子電池、鋰硫電池、正負極材料、快充技術(shù)等方向;地?zé)崮苎芯繜狳c方向包括增強型地?zé)嵯到y(tǒng)(EGS)、地?zé)嵯到y(tǒng)數(shù)值模擬、地?zé)徙@井技術(shù)等;氫能研究主要關(guān)注非貴金屬催化劑、金屬有機框架材料、鈷基催化劑、雙功能催化劑等領(lǐng)域;核能研究主要的關(guān)注點包括核廢料處理技術(shù)、核電站安全技術(shù)、耐輻照材料、磁約束核聚變、慣性約束核聚變等;太陽能研究重點關(guān)注方向包括鈣鈦礦太陽能電池、疊層太陽能電池、太陽能光催化制氫、催化劑、半導(dǎo)體電極等;能源互聯(lián)網(wǎng)研究重點關(guān)注智慧能源系統(tǒng)、大數(shù)據(jù)、智慧家居能源管理系統(tǒng)、需求響應(yīng)等方向;風(fēng)能研究的主要熱點方向包括高功率能量轉(zhuǎn)換器、風(fēng)力渦輪機、風(fēng) 電數(shù)值模擬、風(fēng)電高比例穩(wěn)定并網(wǎng)等。
在這些領(lǐng)域中，無論是論文統(tǒng)計還是科學(xué)家訪談都發(fā)現(xiàn)，氫能和太陽能是大家重點關(guān)注的兩個新能源。
報告中介紹：在未來能源體系中，氫能是重要的降碳二次能源，制氫、儲氫以及氫能的輸送和利用研究熱度都在快速增長。其中，最先受到關(guān)注的氫燃料電池或氫發(fā)動機可以變革傳統(tǒng)交通工具，解決交通燃油消費帶來的城市大氣污染和脫碳問題。在可再生能源發(fā)電規(guī)模快速增加的過程中，電網(wǎng)消納能力是瓶頸之一，通過電解水制氫靈活消納棄風(fēng)、棄光，為解決光伏和風(fēng)電規(guī)模受消費側(cè)需求和電網(wǎng)消納能力限制問題提供了新路徑。同時，可再生能源制氫也將成為未來可持續(xù)的綠氫來源。
氫能是助推能源體系深度脫碳重要切入點。2018年至今，包括日本、韓國、澳大利亞、英國、法國在內(nèi)的諸多國家發(fā)布了氫能領(lǐng)域最新規(guī)劃。日本明確提出，到2025年將全面普及氫能交通，擴大氫能在發(fā)電、工業(yè)和家庭中的應(yīng)用，到2030年，氫能使用成本將不高于傳統(tǒng)能源。歐盟2020年7月發(fā)布的《歐盟氫能戰(zhàn)略》提出了歐洲構(gòu)建“氫能生態(tài)系統(tǒng)2050年戰(zhàn)略路線圖”，2030年前的目標是迅速減少氫氣生產(chǎn)過程中的碳排放，開發(fā)其他形式的低碳氫，以支持向可再生能源制氫過渡。中國在氫能關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)方面表現(xiàn)較活躍。中國最早的氫能發(fā)展部署是將氫燃料電池汽車列為新能源汽車發(fā)展方向之一。但由于制氫技術(shù)和氫燃料電池的高成本以及加氫站的布局等問題制約產(chǎn)業(yè)發(fā)展，與純電動汽車和混合動力汽車相比，氫燃料電池汽車還處于示范運營階段。與此相呼應(yīng)，中國在制氫、儲氫、加氫等關(guān)鍵環(huán)節(jié)的研究活躍度也排在新能源領(lǐng)域前列。
零碳太陽能燃料技術(shù)研發(fā)是科研界高度關(guān)注的焦點。報告顯示，太陽能燃料研究的發(fā)文量和關(guān)注度都位居前列，表明人類持續(xù)追求利用可持續(xù)的自然資源(水、二氧化碳)和能源(太陽能)，以求通過更為生態(tài)、高效的轉(zhuǎn)化機制獲得綠色燃料?？茖W(xué)家們在光解水制氫、太陽能燃料等領(lǐng)域作出了很多努力，但距離應(yīng)用還有一段距離。例如光催化制氫仍處于實驗室研發(fā)階段，如何降低太陽能燃料制備成本，仍然是其產(chǎn)業(yè)化的瓶頸。
產(chǎn)業(yè)化遭遇瓶頸，誰是新能源應(yīng)用的“攔路虎”?
全球新能源領(lǐng)域研究成果技術(shù)轉(zhuǎn)化率整體較低，產(chǎn)學(xué)研結(jié)合有待加強;儲能技術(shù)和能源互聯(lián)網(wǎng)受到全球關(guān)注
中國科學(xué)院武漢文獻情報中心戰(zhàn)略情報中心副主任、研究館員陳偉總結(jié)，全球新能源領(lǐng)域研究成果技術(shù)轉(zhuǎn)化率整體較低，產(chǎn)學(xué)研結(jié)合有待加強。相對而言，儲能、生物質(zhì)能和太陽能的研究成果轉(zhuǎn)化率相對較高，鋰離子電池和有機太陽能電池是國內(nèi)外產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化共同關(guān)注的技術(shù)熱點。
結(jié)果顯示，儲能、太陽能和氫能技術(shù)研究的國內(nèi)外市場關(guān)注度最高，而產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化度相對較高的技術(shù)為儲能、生物質(zhì)能和太陽能技術(shù)。而全球及中國產(chǎn)研共同關(guān)注的新能源技術(shù)熱點集中在電池儲能和太陽能光伏領(lǐng)域，尤其是鋰離子電池和有機太陽能電池。
在新能源技術(shù)中，關(guān)注度最高的是儲能技術(shù)和能源互聯(lián)網(wǎng)。
儲能技術(shù)是現(xiàn)代能源體系建設(shè)重要組成，特別是電池儲能方面的論文發(fā)文量、增長率以及頭部高質(zhì)量研究的綜合表現(xiàn)在評估中得分位居第一。陳偉介紹，可再生能源發(fā)電、智能電網(wǎng)和分布式多能互補系統(tǒng)、電動汽車均為各國電力系統(tǒng)低碳轉(zhuǎn)型的重點方向，而儲能技術(shù)是實現(xiàn)上述領(lǐng)域變革必不可少的技術(shù)支撐，是未來能源系統(tǒng)具備柔性、包容性和平衡功能的軟鏈接關(guān)鍵節(jié)點。
隨著儲能技術(shù)在能源生產(chǎn)、消費以及低碳智慧轉(zhuǎn)型中的廣泛應(yīng)用，提高儲能電池的安全性、能量密度、容量規(guī)模、續(xù)航能力、服役壽命以及降低電池成本的需求越來越迫切。論文和專利分析表明，電極材料、電解質(zhì)等電池材料是提高電池性能的研究熱點。領(lǐng)域相關(guān)專家認為，磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池已相繼成為動力電池材料創(chuàng)新的主要技術(shù)方向。電池性能突破路線主要包括儲能電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)創(chuàng)新、電池包空間利用優(yōu)化、電池能量密度及安全性提升、電池成本大幅降低等。
能源互聯(lián)網(wǎng)是現(xiàn)代能源系統(tǒng)的新型基礎(chǔ)設(shè)施。隨著能源需求不斷增加和電氣化趨勢的顯現(xiàn)，未來全球?qū)⒓涌煨纬梢允?、天然氣、煤炭、可再生能源為主的多元化能源結(jié)構(gòu)，并在21世紀中葉完成向以非化石能源為主的能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型。因此，雖然分能源品種的能源技術(shù)創(chuàng)新依然重要，但多種能源融合的集成組合、融合匹配、智慧運維、供需雙向互動、多網(wǎng)互動等系統(tǒng)技術(shù)的突破也顯得尤為重要和迫切。同時，現(xiàn)代能源系統(tǒng)必然需要大數(shù)據(jù)挖掘、信息流管理、檢測和網(wǎng)絡(luò)泛在、決策優(yōu)化等跨界科學(xué)技術(shù)交叉融合的支撐。
在全球?qū)崿F(xiàn)碳中和情景下，能源系統(tǒng)將具有多元、智慧、安全、柔韌的基本屬性，這意味著能源互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、智慧能源系統(tǒng)技術(shù)等研究的重要性凸顯，應(yīng)用基礎(chǔ)研究、應(yīng)用性技術(shù)研發(fā)將持續(xù)受到關(guān)注。
報告分析認為，目前能源互聯(lián)網(wǎng)研究仍需關(guān)注如下問題：一是關(guān)注能源互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)和核心裝備技術(shù)研究，在能源生產(chǎn)消費的智能化、能源互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)規(guī)劃、多能流能源交換與路由技術(shù)、能源智能傳輸技術(shù)、智能網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同控制技術(shù)等方面取得突破;二是關(guān)注能源系統(tǒng)大數(shù)據(jù)采集、挖掘和利用技術(shù)研究，在能源互聯(lián)網(wǎng)通信、能量信息化與信息物理融合、能源大數(shù)據(jù)應(yīng)用技術(shù)、能源互聯(lián)網(wǎng)管理技術(shù)等方面取得突破;三是關(guān)注能源互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)落地轉(zhuǎn)化，在多學(xué)科交叉、信息網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施和能源基礎(chǔ)設(shè)施鏈接的研究設(shè)計、示范應(yīng)用、落地實施等方面取得突破。
新能源研發(fā)競賽，中國表現(xiàn)如何?
中國在新能源研究領(lǐng)域貢獻總量較大，頭部高質(zhì)量研究貢獻量也較高;但與發(fā)達國家相比，研究整體效率仍需提升
中國科學(xué)院科技戰(zhàn)略咨詢院可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略研究所副所長、研究員譚顯春介紹，報告對新能源研究頭部國家對領(lǐng)域發(fā)展的主要貢獻進行了對比，發(fā)現(xiàn)各國在研究效率上存在差異。中國在新能源8個技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)文量均位居世界前兩位，表明其在新能源研究各主要方向具有較強的活躍度。綜合分析8個技術(shù)領(lǐng)域的研究影響力(篇均被引頻次和優(yōu)質(zhì)研究論文數(shù)量)，中國在所有技術(shù)領(lǐng)域的優(yōu)質(zhì)論文數(shù)量均排名前六，但大部分領(lǐng)域論文篇均被引頻次排名相對靠后，表明中國在新能源技術(shù)領(lǐng)域的研究效率仍需進一步提升。
例如，在國別對比中，中國能源互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域發(fā)表論文數(shù)量最多，且優(yōu)質(zhì)論文數(shù)量也處于領(lǐng)先，表明中國科研界對能源互聯(lián)網(wǎng)的理論前沿研究高度關(guān)注，在能源互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域研究具有一定競爭力。然而，從論文篇均被引頻次國家排名來看，中國僅位居全球第五名，表明中國論文的影響力與英國、美國比還有一定差距，仍需加強關(guān)鍵核心技術(shù)攻關(guān)，提高能源互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域研究水平。
但中國在不少領(lǐng)域表現(xiàn)也很亮眼。譚顯春說，例如，中國儲能產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速成為全球后起之秀。報告中特別提到，中國能源研究會儲能專委會等聯(lián)合發(fā)布的《儲能產(chǎn)業(yè)研究白皮書2020》顯示，2019年全球電池儲能累計裝機規(guī)模為9520.5MW，其中鋰離子電池儲能累計裝機規(guī)模占比88.6%。中國的儲能產(chǎn)業(yè)雖然起步較晚，但近幾年發(fā)展速度令人矚目，已投運電池儲能累計裝機規(guī)模達到1709.6MW，其中鋰離子電池儲能累計裝機規(guī)模占比60%，在2015—2019年間鋰電池儲能累計裝機年均增長超過100%。
報告對中國新能源的發(fā)展提出了建議：
一是大規(guī)模儲能技術(shù)的突破和普及是發(fā)展可再生能源的有力支撐。風(fēng)能、太陽能等可再生能源以及智能電網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的迅速崛起，使得儲能技術(shù)成為全球各國亟須攻克的技術(shù)壁壘。大規(guī)模高效儲能技術(shù)是實現(xiàn)可再生能源普及應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)，可以解決發(fā)電與用電的時差矛盾以及間歇式可再生能源發(fā)電直接并網(wǎng)對電網(wǎng)的沖擊，是未來能源系統(tǒng)具備柔性、包容性和平衡功能的軟鏈接關(guān)鍵節(jié)點。中國應(yīng)進一步完善促進儲能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的政策機制，通過金融和市場化手段引導(dǎo)長期資金投入，構(gòu)建儲能科技創(chuàng)新與技術(shù)儲備體系，加強新能源與儲能集成應(yīng)用研究，推動大規(guī)模儲能技術(shù)突破和商業(yè)化應(yīng)用。
二是氫能將成為打造未來能源體系、實現(xiàn)能源變革的重要媒介。隨著人類社會的低碳化、無碳化轉(zhuǎn)型，氫能技術(shù)的突破利用成為能源清潔化發(fā)展的重要方向。全球多個國家和地區(qū)已經(jīng)出臺了氫能發(fā)展戰(zhàn)略路線圖，將氫能規(guī)劃上升到國家戰(zhàn)略高度。作為多種能源網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互補和協(xié)同優(yōu)化的重要能源媒介，氫能能夠提高可再生能源利用率，實現(xiàn)電網(wǎng)和氣網(wǎng)的耦合，增加電力系統(tǒng)的靈活性，同時具備儲能功能，通過可再生能源電解水制氫，實現(xiàn)能源消納與儲存。因此，要強化氫能的頂層設(shè)計，明確規(guī)模化應(yīng)用場景，合理提出不同場景下氫能發(fā)展路線圖，并制定相應(yīng)的標準規(guī)范，加速綠氫制取、儲運和應(yīng)用等產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展。
三是太陽能燃料技術(shù)突破及其成本降低將助力減少石油依賴。太陽能燃料技術(shù)正逐步從基礎(chǔ)科學(xué)研究發(fā)展成為工業(yè)可行技術(shù)，有望從根本上改變能源和化工領(lǐng)域過度依賴化石資源的現(xiàn)狀。太陽能發(fā)電技術(shù)、風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的進步將會進一步降低發(fā)電成本，帶動可再生能源電解水制氫迅速成為綠色、可持續(xù)的太陽能燃料生產(chǎn)路線。而利用太陽能將水和二氧化碳高效轉(zhuǎn)變?yōu)槿剂匣蚧瘜W(xué)品的關(guān)鍵是如何降低成本、提高效率。中國應(yīng)繼續(xù)加大太陽能燃料技術(shù)的研發(fā)力度，強化太陽能發(fā)電技術(shù)與建筑等基礎(chǔ)設(shè)施一體化應(yīng)用技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用，選擇陽光資源豐富的地區(qū)開展典型示范工程，推進太陽能技術(shù)的工業(yè)化生產(chǎn)進程。
四是能源互聯(lián)網(wǎng)將發(fā)揮“互聯(lián)網(wǎng)+”和智慧能源雙重優(yōu)勢，實現(xiàn)能源統(tǒng)籌優(yōu)化配置。能源互聯(lián)網(wǎng)可以實 現(xiàn)能源生產(chǎn)和消費秩序重構(gòu)，將能源生產(chǎn)、輸送、存儲、消費以及市場運營等環(huán)節(jié)與信息通信技術(shù)深度融合，創(chuàng)造新的商業(yè)模式，實現(xiàn)能源共享的新能源生態(tài)系統(tǒng)。能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)需要加強移動互聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)在智能電網(wǎng)中的融合應(yīng)用，構(gòu)建金融支持平臺，強化共享能源基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)管理體系，實現(xiàn)能源互聯(lián)網(wǎng)市場化，構(gòu)建安全、高效、可持 續(xù)的智慧能源系統(tǒng)。中國要積極推動能源互聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)，加強不同能源網(wǎng)絡(luò)間的互聯(lián)互通，推進綜合能源網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，完善能源互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)和管理運行機制。
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