报告 | 《全球工程前沿2018》：电力与能源技术领域

四、能源与矿业工程

1 工程研究前沿

1.1 Top13 工程研究前沿发展态势

能源与矿业工程领域研判的 Top13 工程研究前沿见表1.1.1，涵盖了能源和电气科学技术与工程、 核科学技术与工程、地质资源科学技术与工程、矿 业科学技术与工程 4 个学科。其中 3 个工程研究前 沿是基于科睿唯安共被引聚类分析获得，分别为“微电网与智能输配电系统”“三维地震数据分析和重 构技术”“新一代太阳电池：包括钙钛矿、钙钛矿 / 硅异质结叠层、Cu2ZnSnSe4 薄膜、聚合物及量子 点敏化太阳电池”，其余是专家提名前沿。其中新兴前沿包括“可再生能源发电利用及储能、节能环 保技术”“微电网与智能输配电系统”“先进高性 能燃料电池关键技术”“页岩油地下原位改质机理 与大规模开发关键技术”“非常规油气微观渗流机 理与高效开采技术”“深空及深海核反应堆及电源 技术”，传统深入研究包括“煤炭高效、洁净加工 和转化”“三维地震数据分析和重构技术”“全智 能一体化小型模块式反应堆技术”，颠覆性前沿为 “新一代太阳电池：包括钙钛矿、钙钛矿/ 硅异质 结叠层、Cu2ZnSnSe4 薄膜、聚合物及量子点敏化太 阳电池”， 融合交叉学科前沿包括“先进核能技术： 聚变 – 裂变混合堆技术”“煤炭与油气开采智能化关键工程技术、装备与材料”“基于大数据和认知 理论的剩余油气资源空间分布预测技术”。各个前 沿所涉及的核心论文在 2012 年至2017 年的逐年发 表情况见表 1.1.2。

（1）先进核能技术：聚变 – 裂变混合堆技术

聚变– 裂变混合堆（简称混合堆）是一种结合 聚变和裂变的优点、克服二者缺点的核能技术。混 合堆与纯聚变堆的主要区别是包层内含有裂变燃 料，裂变燃料比 Be 或者 Pb 有更好的中子增殖能力 和能量放大能力，有利于降低聚变工程的难度。从 氚循环来看，有利于实现氚自持、减少初始投氚量； 从能量平衡看，可以降低聚变功率，减少高能中子 对材料的辐照损伤。与裂变堆相比，混合堆是聚变 中子源驱动的深度次临界系统，安全性能突出，在 能量输出的同时可以很好解决裂变燃料增殖和超铀 元素嬗变问题。混合堆的主要研究方向包括：驱动 器技术（含托卡马克、激光惯性约束聚变、Z 箍缩 惯性约束聚变等技术方向），次临界堆技术（含产氚、增殖、嬗变、能源供应等技术方向），高增益聚变靶设计技术（对惯性约束聚变而言）等。混合 堆的发展趋势是立足于近期可实现的聚变参数并借 鉴成熟的裂变堆技术，促进聚变能的提前应用，探 索解决裂变能源可持续发展的途径。

（2）可再生能源发电利用及储能、节能环保技术

基于可再生能源的能源系统是解决世界范围内 的能源利用问题和环境污染问题的有效途径，是能源利用走可持续发展道路的必然选择和有效措施。 以可再生能源的高效、清洁利用为核心，可再生能 源发电和储能技术等领域快速发展，在世界范围内 获得越来越多的关注。 从目前可再生能源的资源状况和技术发展水平 看，利用风能、太阳能、水能发电，最为现实，前 景广阔。可再生能源的发电技术可分为单一能源发 电系统和混合能源发电系统。其中单一可再生能源 发电系统与其他发电系统相对独立，易受到可再生能源自身局限性的影响。混合可再生能源发电系统 主要分为两类：一类是利用风、光、水能等可再生 能源进行互补结合，克服单一种类的可再生能源在 使用时不连续、不稳定的缺陷；另一类是将可再生 能源与现有的化石能源进行结合的混合发电系统。 储能技术是通过在电力需求低时储电、在电力 需求高时放电的方式帮助电网更好地融合风电、水 能、太阳能等可再生能源发电的一种技术。按照储 存介质不同储能技术可以分为机械类储能、电气类 储能、电化学类储能、热储能和化学类储能等。 目前的主要研究前沿有：可再生能源材料、新 型能源系统构成、热力循环特性，区域内可再生能 源就地利用最大化、天然气使用最小化和全范围多 能源供需平衡，大容量储能的规划及与可再生能源 发电的协同调度技术，基于储能的能量流优化和能 量调度技术等。

（3）煤炭与油气开采智能化关键工程技术、 装备与材料

煤炭与油气智能开采是基于采集的海量数据， 在不需要人工直接干预情况下，通过采掘环境的智 能感知、采掘装备的智能调控、采掘作业的自主巡 航等智能分析和信号反馈，由采掘装备独立完成的 回采作业过程，或对油气生产动态进行智能调控。 煤炭与油气智能开采是环境感知、智能决策、自动 控制三个技术单元的深度整合，涉及工程环境感知、 数字矿山、矿山物联网、大数据云计算、装备控制 自动化五个分支。煤炭智能化开采未来的发展方向 为：①智能探测，是指对采场未知区域的自动探查 和检测，包括煤岩分界、煤矸识别和超前探测等专 业领域；②智能导航，指利用先进的计算机、光电 和导航技术对开采设备和人员进行自动定位，以实 现安全监控和精确开采；③智能控制，智能化采掘 设备与自动调度决策集为一体，融合采煤机智能记 忆截割、液压支架智能跟机自动化、工作面运输系 统煤流平衡、智能集成供液、工作面可视化视频监 控、远程遥控、三维虚拟现实、一键启停等多项技术。

油气开采智能化主要涉及智能化钻井、智能化完井、 智能化生产三个研究方向。其中智能化钻井通过结 合大数据、人工智能等，利用闭环调控、精准制导， 可有效规避钻井风险，提高钻井速度，降低钻井成 本，是确保完井、生产顺利开展的基础。智能化完 井是借助先进的传感、传输、自动化控制设备，结 合大数据、人工智能，可对油气生产过程进行实时 监测与控制，为智能生产的进行提供有力支撑。智 能化生产是基于大数据对油气田全生命周期的生产 进行动态管理与优化。利用研究分支间协同工作， 通过资料数据、仪器设备、施工作业等有效整合， 进而可实现油气开采智能化。油气田智能化生产需 要基于多元数据，通过智能分析，确定开发动态， 然后利用智能调控对生产进行实时优化，数据智能 采集、传输、分析、调控缺一不可，各个环节需要 协同工作，因此数据智能采集 – 高效传输 – 智能分 析–智能调控一体化技术将是未来发展趋势。同时， 工程装备、材料与人工智能深度融合，能够监测油 气藏实时状态，进一步提高采收率，可为数据采集、 分段压裂、分层生产、数据挖掘等提供有力支撑， 也将是未来研究前沿。

（4）微电网与智能输配电系统

微电网和智能输配电系统是由分布式电源、储 能、能量转换装备、监控和保护装置、负荷等汇集 而成的新型发、输、配、用电一体化系统，是一个 具备自我控制和能量管理的自治系统。微电网和智 能配电系统运行和控制方式灵活，能够无缝接入多 样化交直流装备，可工作于并网、离网等多个模式， 从而大幅度改善电力系统对分布式电源的接纳能力， 提升系统运行效率，并可保证关键负荷的连续、可 靠供电。针对微电网和智能输配电系统的设计、运 行及其控制特点，近年来综合规划与设计、多时间 尺度能量管理、优化调度运行，高性能数字物理混 合仿真，电力电子化新型装备及其控制等方向逐步 成为了本领域研究前沿。此外，随着大数据、人工 智能、新型储能等技术不断突破，未来的微电网和智能输配电系统将呈现更加高度的开放性和灵活性， 实现与冷、热、交通等异构能源系统的融合和互动。

（5）先进高性能燃料电池关键技术

燃料电池是一种不经过燃烧，通过电化学方式 将储存在燃料和氧化剂中的化学能直接转变为电能 的装置，具有高效、清洁、无噪音等优点。氢能燃 料电池技术最近几年出现了重大进展，燃料电池汽 车已进入全球产业化前夜。汽车用燃料电池在比功 率、发电效率和低温启动等方面均已达到或者接近 商业化目标。然而，其寿命需要进一步提高，成本 需要大幅度降低。主要研究方向为开发高活性、高 稳定性（超）低铂氧还原电催化剂及其批量化合成 技术，高性能、长寿命（超）低铂膜电极及其批量 化制备技术，高耐蚀金属双极板涂层技术，高性能、 （超）低铂阴极传质及水管理技术。通过突破核心 部件和关键材料技术，形成自主知识产权，大幅度 提高性能、降低成本。

（6）煤炭高效、洁净加工和转化

煤炭的高效利用是根据终端需要，将经过洁净 加工的煤炭作为燃料或原料使用，从而实现煤炭的 宝贵价值，煤炭高效利用包括高效燃烧和高效转化； 煤炭的洁净加工是根据用户的实际需要，对原煤进 行适当的提质处理，从而为其高效利用提供品种对 路、质量稳定的煤炭产品；煤炭的洁净转化是将煤 炭作为原料使用，分为将煤炭转化为气态、液态及 固态燃料或化学产品以及具有特殊用途的炭材料。 煤炭高效利用的主要任务是改善煤炭的终端消 费结构，目前科研前沿在煤炭向洁净二次能源（电 力、燃料气、燃料油）的就地转化，强化以获取化 工原料或产品（气态、液态、固态）为目的的深度 加工。煤炭洁净加工的主要任务是提高商品煤质量。 目前科研前沿在选煤新技术的开发，特别应针对高 效降灰、脱硫以及省水型或干法选煤技术，重点放 在动力煤洗选上。煤炭转化技术主要针对除燃烧之 外的煤炭化学转化，目前科研前沿有五种煤炭转 化技术：煤气化、煤液化、煤制天然气、煤制化学品和低阶煤热解。 考虑到煤炭利用技术的现状及未来对环境保护 更高的要求，未来煤炭高效、洁净加工和转化必将 是煤的高效燃烧、发电技术与燃煤污染物控制技术 的结合，高效率的燃煤发电机组、循环流化床燃烧 技术，以煤气化技术为核心的整体煤气化联合循环 技术，CO2 的捕集与封存技术、富氧燃烧分离CO2 的技术会得到较大的发展。

（7）页岩油地下原位改质机理与大规模开发关键技术

页岩油原位转化是采用原位加热技术，将富有 机质页岩中尚未转化的有机质和滞留油气转化为轻 质油和气的物理化学过程，可称之为“地下炼厂”。 该技术的基本原理是对页岩油矿层加热，生成并产 出高品质石油和天然气，在地下高温条件下呈气态 存在，大大提高了其流动性，原位转化过程中页岩 会产生微裂缝和高压，形成人工渗流系统，增大渗 流能力。页岩油原位转化产出的高品质石油经简单 加工后可达到航空煤油级别，大大节省了原油炼化 成本，产生的残留物保存在地下，减少了环境污染， 省去水力压裂，节省水资源，可综合利用风能、太 阳能等新能源，减少二氧化碳排放。目前，该技术 基本具备了工业化利用条件，但尚未达到工业化程 度，应加大对该技术的扶持力度、加大投入，研发 适用于中国陆相富有机质页岩油的原位转化技术， 推动该技术的工业化进程，对大幅度降低我国原油 对外依存度和国家能源安全至关重要。

（8）三维地震数据分析和重构技术

在地震数据采集中，由于实际环境的影响（如 山川、河流、建筑物等）以及经费的约束，采集到 的原始数据常不规则，导致后续的处理，如偏移、 多次波压制、地震成像等带来不利影响。三维地震 数据分析与重构作为地震资料处理的重要步骤，可 有效解决这一问题。该技术的主要研究方向是如何 提高野外观测到数据的规则性，以提高抗噪性和成 像精度。目前主要的研究趋势集中在针对稀疏地震数据的 F-K 域地震道插值方法、针对不规则缺失数 据的非稳态地震数据重构方法，包括基于预测滤波 的数据重构、基于数学变换的数据重构和基于波动 方程的数据重构等。目前的发展趋势是将这些核心 技术应用到微地震弱信号检测、提高信噪比、油气 检测、高精度水力压裂监测、测井约束全波形反演、 致密砂岩中的油气检测等领域。

（9）基于大数据和认知理论的剩余油气资源空间分布预测技术

剩余油气资源空间分布预测技术，是为了满足 当前常规剩余油气资源分布较为分散与隐蔽、非常 规油气资源分布非均质性较强的特点而研发的技 术，是对传统资源评价方法的重要补充和延伸。以 往剩余资源分布研究工作更多地是从油气资源管理 角度，开展油气资源– 区带– 目标的一体化管理。 而当前剩余油气资源空间分布预测技术可以实现剩 余油气资源的空间定位与勘探风险可视化，大数据 （big data）与认知理论（theories of cognition）为 这一技术提供了条件。大数据指无法在一定时间范 围内用常规软件工具进行捕捉、管理和处理的数据 集合，是需要新处理模式才能具有更强的决策力、 洞察发现力和流程优化能力的海量、高增长率和多 样化的信息资产。认知理论是关于有机体学习的内 部加工过程，如信息、知识及经验的获得和记忆、 达到顿悟、使观念和概念相互联系以及问题解决的 各种心理学理论。随着油气勘探开发程度的深入， 石油工业界积累了海量油气生产相关数据，如勘探 开发生产性统计数据、地震与测井等地球物理资料、 测录试等钻测井资料、分析测试等地质研究资料。 在成因法、统计法、类比法等传统油气资源评价方 法定量评价油气资源量基础上，在认知理论指导下 开展大数据的勘探地质处理与开发地质处理，实现 油气资源的空间分布预测，明确资源分布规律，指 明油气目的层（储层）的有利成藏地带或具体赋存 位置，是今后剩余油气资源分布预测技术发展的大势所趋。

（10）非常规油气微观渗流机理与高效开采技术

非常规油气微观渗流机理主要涉及油气在微纳米孔隙、微裂缝中的流动特征，可用于分析储层中 生产动态，为非常规油气藏的准确描述与评价提供 重要支撑。同时，非常规油气藏地质特征复杂，微 纳米级孔隙油气开发难度大，迫切需要利用高效开 采技术提高非常规油气开发效率，实现非常规油气 领域重大突破，主要涉及储层改造、生产调控、自 动化开采等研究方向。 我国页岩气、页岩油、致密气、致密油、煤层 气、稠油等非常规油气资源丰富，是重要的战略接 替资源。但是由于储层复杂，相关的理论技术尚不 成熟，利用常规手段难以实现经济有效开采，亟需 开展渗流机理的研究，为非常规油气生产调控与实 时优化提供科学依据。因此围绕非常规油气微观渗 流特征，国内外对非达西渗流，多相渗流、多尺度 渗流等关注度持续提升，已成为未来研究前沿。同 时，无水压裂、多级压裂、同步压裂、分压合采、 “多层系、多井型”混合井网开采，平台式“工厂 化”开采等高效技术的研究，由于可显著降低开采 成本，提高油气采收率，已成为未来发展趋势。

（11）全智能一体化小型模块式反应堆技术

自 2004 年 6 月国际原子能机构（IAEA）宣布 启动以一体化技术、模块化技术为主要特征的革新 型模块式小型堆（SMR）开发计划以来，参与的成 员国总数已达到 30 个，涌现了 45 种以上的革新型 中小型反应堆概念，成为国际上研发前沿领域。小 型核反应堆一般是指单堆热功率在1000 MW（电功率300 MW）以下的反应堆，具有无碳排放、容 量小、选址灵活、建设投资小、建造周期短、系统 设备能在工厂组装和便于运输，且可通过模块化设 计建造升级和改善经济性等特点。从国内外已公开 的模块式小型堆技术方案来看，有压水堆、高温气 冷热堆、高温气冷快堆、铅铋冷却快堆、熔盐堆等 多种堆型，但开发立足于短期可部署的模块式小型 堆，无一例外选择了一体化压水堆路线，其设计研发的进度远远超过其他堆型，这主要得益于拥有 几十年良好的压水堆技术基础及工业基础。国际上 主要小堆机型研发特点：定位于近期推广的一体化 压水堆机型，采取设计措施能够排除大冷却剂丧失 （LOCA） 事故或者弹棒事故，并且采取设计优化 提高经济性；船用的模块化或者回路型压水堆机型， 采取固有的安全特性和非能动安全系统，充分借鉴 了核破冰船和潜水艇的经验，采取标准化设计、批 量化生产和装料以增强市场竞争力。小堆属于军民 两用技术，既可作为军用动力，应用于舰船动力、 边防建设，又可以用于国民经济建设领域（如居民 供电、破冰船、城市供热、工业工艺供热和海水淡 化），在军民领域应用前景广阔。

（12）深空及深海核反应堆及电源技术

深空及深海蕴含着丰富的战略资源，是21 世 纪人类可持续发展的崭新领地和宝贵财富，在国家 发展和国际竞争中的战略地位日益凸显。伴随着各 种深空及深海技术能力需求的不断提升，能源动力 问题已逐渐成为多种深海装备性能进一步提升的瓶 颈，亟待突破。与常规能源相比，核反应堆电源具 有能量密度高、不需要空气、运行时间长的天然优 势，可从根本上解决深海装备的动力短板，成为未 来深海能源的最优选择。主要技术包括：①热管冷 却式反应堆技术。区别于传统回路冷却反应堆的新 的反应堆类型，通过热管将反应堆的热量带出，具 有简单、安全、可靠、避免单点失效等突出优点， 十分适合作为深海小型核反应堆电源装置的首选堆 型。②自由活塞式斯特林发电机技术：回热式热发 电技术，通过直线电机来输出电能。它具有长寿命、 高可靠性、高转换效率、绿色无污染、低噪音等诸 多优点，在空间电源、太阳能热发电、小型热电联供、 便携式电源、生物质能发电系统等诸多领域具有广 泛的应用前景。③反应堆全自主运行技术：反应堆 的全自主运行是指反应堆依靠自身物理热工反馈和 仪控系统调节实现自动运行，不需要人员在线监控 和干预，能够自动响应工况波动，实现长期稳定免维护运行。④反应堆安全技术：针对深海核反应堆 安全技术开展专项研究，重点研究深海核反应堆所 特有的安全特性、事故机制以及核扩散威胁等问题。

（13）新一代太阳电池：包括钙钛矿、钙钛矿/ 硅异质结叠层、Cu2ZnSnSe4 薄膜、聚合物及量子点敏化太阳电池

钙钛矿结构材料是一类具有ABX3 分子结构的 化合物，起源于钛酸钙(CaTiO3) 化合物。钙钛矿 结构材料具备很高的吸收系数、陡峭的吸收边及可 调带隙范围宽的优点，使钙钛矿太阳电池效率在 短短七年时间里从3.8% 提升至22.7%。目前科研 前沿主要在效率、稳定性和大面积产业化方面，其 中无机取代有机、锡元素取代铅元素是解决钙钛矿 稳定性和毒性最有效的方法，逐渐成为新趋势。同 时，钙钛矿结构材料独特的晶体结构和光电特性也 非常适合于叠层太阳电池应用。钙钛矿/ 硅异质结 叠层电池技术利用不同带隙的材料吸收不同能量的 光子，从而充分利用太阳光，有望成为突破晶硅单 结电池效率极限的新兴技术。此技术现阶段的研发 主要集中在优化材料制备工艺、减少寄生吸收和 反射损失等方面。短短三年时间，钙钛矿/ 硅异质 结两端叠层太阳电池的效率从13.7% 快速提升至 25.2%，已经接近单结晶硅电池的最高效率。钙钛 矿 / 硅异质结两端叠层电池技术未来必将成为学术 界和产业界的研发前沿。 Cu2ZnSnSe4 薄膜、聚合物及量子点敏化太阳电 池是近年来另一类热门的新型太阳电池。相比铜铟 镓硒薄膜，Cu2ZnSnSe4 的带隙更接近理想太阳电池 禁带宽度，而且具有材料储量丰富、无毒且价格低 廉等特点，所制备的太阳电池有望取得更高的转换 效率。目前主要研究前沿是通过改进制备方法和掺 杂等手段来提高电池的转换效率。代表性的进展包 括使用金属前驱物电池效率为12.3%；采用共蒸法 效率为 8.7%（后续认证效率为 10.4%）。聚合物太 阳电池是一种基于有机物半导体的太阳电池，其特 点是易于通过涂布方式制取大面积柔性太阳电池，目前可达到13% 以上的单结电池效率和接近15% 的叠层电池效率。典型功能层为聚合物电子给体层 和富勒烯电子受体层。目前的研究前沿是基于非富 勒烯受体层的聚合物太阳电池、使用化学处理（如 氯化）对电子给体层进行优化以及采用不同电子给 体层制备叠层电池以提高全光谱吸收等。量子点敏 化太阳电池是一种并不基于PN 结、异质结等结结 构的光电化学太阳电池。利用光阳极（一般为纳米 结构氧化物半导体，如多孔氧化钛、氧化锌纳米线 阵列等）上吸附的半导体量子点（可以为化合物半 导体如PbS, CdSe 等或者硅锗等单质半导体）作为 光吸收材料，并通过其与所接触的固体/ 液体电解 质层中的氧化/ 还原态离子电对进行载流子交换， 以实现电子 – 空穴分离。其特点是很容易通过量子 点的成分变化及尺寸控制实现带隙调控，从而制备 光谱匹配的太阳电池，对界面条件及材料纯度等要 求不高，易于实现廉价高效的目的。目前掺汞的 PbS/TiO2 体系电池效率为 4.72%，掺锰的 In2S3+CuInS2/TiO2 体系电池效率可达到 8.0%。