【李立浧，饶宏等】我国能源技术革命体系战略研究

本文从核能、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九大能源技术领域开展咨询调查研究，系统分析了各领域的能源技术现状，明确提出了构建以可再生能源为主体，终端能源以电能为主，多能多网融合互补的技术体系，制定了前瞻性技术（2020）、创新性技术（2030）和颠覆性技术（2050）三阶段发展的能源技术路线，最后提出推动能源技术革命的战略建议，为我国研究制订能源相关规划和政策提供了科学支撑。

本文选自中国工程院院刊《中国工程科学》2018年第3期

作者：李立浧，饶宏，许爱东，郭晓斌，白浩

来源：我国能源技术革命体系战略研究[J].中国工程科学,2018,20(3):1-8.

转载自：微信公众号“中国工程院院刊”（ID：CAE-Engineering）

摘要：为了推进能源技术革命，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。本文从核能、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九大能源技术领域开展咨询调查研究，系统分析了各领域的能源技术现状，明确提出了构建以可再生能源为主体，终端能源以电能为主，多能多网融合互补的技术体系，制定了前瞻性技术（2020）、创新性技术（2030）和颠覆性技术（2050）三阶段发展的能源技术路线，最后提出推动能源技术革命的战略建议，为我国研究制订能源相关规划和政策提供了科学支撑。

关键词：能源技术革命；能源技术体系；能源技术路线；战略研究；战略建议

一、前言

世界能源供给和消费发生深刻变化，减缓全球气候变化需逐步减少对传统化石能源的依赖，绿色低碳的新能源和可再生能源利用得到快速发展，“节能减排、绿色低碳”成为能源供给消费的发展趋势。面对能源供需格局新变化和国际能源发展新趋势，中国需通过能源技术革命，促进能源供给向多元化发展，能源利用趋向综合高效，能源消费体系更加科学完善。

党的“十九大”报告指出，中国特色社会主义进入新时代，我国社会主要矛盾已经转化为人民日益增长的美好生活需要和不平衡不充分的发展之间的矛盾，能源消费与经济社会紧密联系，深刻影响着经济社会发展，当前经济结构转型、气候治理等都迫切需要能源供给体系转型，加强自主创新，积极研发应用新技术，促进能源转型和高效利用，不断满足人民日益增长的美好生活需要。由于能源产业具有投资大、关联多、周期长、惯性强的特点，必须明确全面协调可持续发展的技术方向，建立起立足于本国资源和需求特点，与世界能源高科技相衔接的能源技术体系。

二、能源技术现状分析

经过调研分析发现，我国在核能、风能、太阳能、储能、油气资源、煤炭、水能、生物质能、节能、智能电网与能源网的融合等能源领域上的技术水平已大幅提升，部分实现了跨越式发展，部分达到了国际先进水平。在新一代核电技术、发电装备制造与煤炭高效清洁燃烧、风力发电设备制造、含大规模新能源接入的特大电网调度运行与安全控制等方面实现了自主创新和技术突破，但部分核心技术和装备仍落后于国际先进水平，原创高端技术自我供应能力明显不足，亟需进一步开展研发攻关。

（一）自主三代核电技术进入大规模应用阶段，四代核电技术全面开展研究工作，研究力量比较分散

我国核电与国际最高安全标准接轨，并持续改进，机组安全水平和运行业绩良好，安全风险处于受控状态。自主三代压水堆核电技术落地国内示范工程，并成功走向国际，已进入大规模应用阶段。四代核电技术全面开展研究工作，快堆示范工程即将开工，高温气冷堆示范工程开始建造。在一些重要方面与国际先进水平尚有不小差距，铀资源勘查程度低，燃料组件制造产能不足。乏燃料干式储存、后处理和废物处置落后世界亟需赶上。延寿和退役工作正在起步，技术储备不足。核能领域有几项技术可能对未来能源结构产生深远影响，比如海水提铀、快堆、钍铀循环、聚变能源、聚变裂变混合能源，每一项技术又存在不同的技术路线，造成国内研究力量分散，各自为战。

（二）风电设备产业链形成，风电场设计和智能运维技术与国外差距较大

我国风电机组整机制造技术基本与国际同步，风电设备产业链已经形成，兆瓦级以上风电机组配套的叶片、齿轮箱、发电机、电控系统等已经实现国产化和产业化。陆上风电已经积累了丰富的设计、施工、建设、运维和检测经验，已建立了完善的集中式风电调度运行体系和技术支持系统。以大数据和互联网为基础对风电场设计、运行及维护进行改进及优化已经成为风力发电降低成本、提高发电量和高效率的重要手段，国外在此领域已经具备成熟的解决方案，国内在风电大数据标准、分析及基于大数据的风电场优化方面差距较大。未来，基于大数据开发出适用于不同类型风电场的设计及运维技术，将为我国大型风电基地以及分散式风电系统的优化布局和可靠运行提供技术支撑。

（三）光伏发电和光热发电技术成熟，而太阳能光化学利用技术仍处于实验室研究阶段

我国的太阳能光伏发电技术发展迅猛，已形成包括多晶硅原材料、硅锭/硅片、太阳电池/组件和光伏系统应用、专用设备制造等比较完善的光伏产业链。我国商业化单晶硅电池效率达到20%以上，多晶硅电池效率超过了18%，在高效率低成本晶体硅太阳电池的生产方面具有优势。硅基薄膜电池在新材料、关键设备和工艺水平等方面，与国外还有很大差距。应加强新型可穿戴的柔性轻便太阳电池技术突破，进行示范应用。人工光合成太阳能燃料方面必须加大基础研究的力度，争取早日在关键基础科学问题上取得原创性突破。深入理解光–化学转化过程的微观机制和催化反应的热力学和动力学本质规律，发展相关的材料、理论、方法、策略。

（四）电化学储能是目前最常用和成熟的化学储能技术，需持续开展氢储能研究

我国在若干类型的物理和化学储能技术上取得了长足进步，形成了自主知识产权，走在世界前列。目前我国锂离子电池大部分材料实现了国产化，由追赶期开始向同步发展期过渡，本土总产能居世界第一。在液流电池材料、部件、系统集成及工程应用关键技术方面取得重大突破。铅炭电池的作用机理研究、高性能炭材料开发、电池设计和制造技术等取得较大进步。在钠硫电池和锂硫电池领域已经进入实用化的初级阶段。超级电容器的电极材料、电解质和模块化应用方面都取得了很大进步。其他新兴的储能技术仍需进一步提高电池的功率密度、环境适应性、安全性能、循环寿命等，降低制造成本。加强基于可再生能源的水电解技术的研究，实现氢储能的规模化应用。

（五）常规勘探技术成熟，非常规油气探测技术以及智能传感技术仍存在不足

我国能源需求、能源结构及能源行业发展现状，决定了在2035年前需采用稳油兴气的发展战略，面临着较多的勘探开发技术难题或关键技术需求。物探技术取得了长足进步，在全球陆上地震技术市场份额占比已达到46%并拥有定价权，但与国外相比在装备制造能力方面还存在一定的差距。

常规陆上地震勘探技术成熟，特色的复杂山地地震勘探技术先进，海洋、天然气水合物等非常规油气资源勘探技术尚处于起步阶段。深海技术和深水钻井装备和配套技术研发处于产业化快速发展的初期，已经具备水深超过1650m的深水钻完井工程方案设计、深海冷海钻井装置与技术选择与优化设计研究能力。虽然在若干领域取得长足进步甚至重要突破，但是仍存在诸多不足。对于基于微机电系统（MEMS）的全方位高分辨多波多分量地震勘探技术，目前尚不具备实验测试等基础研发条件。钻完井技术在这轮以智能化为主的技术发展潮流中，受制于国家在高端微纳传感器技术和智能材料技术领域的短板，技术发展已进入创新瓶颈期并且导致难动用储量占比持续增大。

（六）煤炭燃烧利用是煤炭利用的主要方式，煤炭清洁燃烧的技术创新始终是能源发展的重要任务

从清洁煤炭燃烧利用所涉及的超超临界技术、燃煤工业锅炉、民用散煤、煤电深度节水技术、碳捕获和封存/碳捕获、利用和封存技术、煤电废物控制技术等六类技术的发展现状和国内外对比看，我国在超超临界、煤电深度节水、煤电废物控制、碳捕获和封存等一些技术领域已处于世界先进甚至领先的水平。然而，即便在上述优势领域，也仍有部分技术和关键设备需要进一步研发或改进。燃煤工业锅炉装备总体水平差，运行效率低，比国际先进水平低20%，缺乏有效的控制民用散煤污染物排放的技术措施。在二氧化碳的运输管道建设、化学链燃烧等前沿技术的基础研究领域，与美国等发达国家相比还较为落后。

（七）水力发电领域技术处于领先地位，是实现绿色、低碳可持续发展的重要保障

我国水能资源总量、投产装机容量和年发电量均居世界首位。已在7×105 kW级机组研制、300m级别高坝设计、超大型地下厂房设计、复杂输水系统过渡过程分析、巨型输水系统结构设计等大型水电关键技术和相关科学问题上取得突破。在水能开发的过程中，还有许多关键技术问题：巨型水轮机及其系统的稳定性问题未得到很好的解决，超高水头、引水式电站开发技术仍需攻关，亟需开展超高水头超大容量冲击式机组、大容量高水头贯流式机组稳定性方面的关键技术和科学问题研究。在抽水蓄能电站方面，仍需研究变速抽水蓄能技术、海水抽水蓄能电站关键技术、抽水蓄能与其他能源协调控制技术等。对于小水电，在低水头、大流量小水电设备的制造、微小水电的稳定、长期运行技术以及机组自动控制技术等方面与国外先进水平相比还有相当大的差距。

（八）生物质能开发潜力大，需加强生物质能源技术研发和产业体系建设

我国生物质能开发利用存在利用效率低、产业规模小、生产成本高、工业体系和产业链不完备、研发能力弱、技术创新不足等一系列问题。我国的生物发电总装机容量已位居世界第二位，但生物质直燃发电技术在锅炉系统、配套辅助设备工艺等方面与欧洲国家相比还有较大差距，生物质发电在原料预处理及高效转化与成套装备研制等核心技术方面仍存在瓶颈。生物柴油技术已进入工业应用阶段，但在生物质液体燃料的转化反应机理、高效长寿命催化剂、酶转化等方面的基础研究薄弱。固体成型燃料的黏接机制和络合成型机理尚不清楚。能源植物资源品种培育研究与收集工作刚起步，而且不同单位收集的资源侧重点不同，相对分散，主要关注传统育种。分子遗传育种才刚起步，且对培育出来的优良品种的利用与推广较少。

（九）我国正积极推动智能电网与能源网融合，融合趋势将向智能化、透明化、智慧化的三个层次递进发展

我国在特高压输电、柔性直流输电、大容量储能、大电网调度、主动配电网、微电网、能源转化设备等电网智能化技术方面处于国际领先水平。但当前电网与能源网长期保持着独立运行、条块分割的局面，跨系统间的行业壁垒严重，市场交易机制缺失，屏蔽了多样化能源的互补属性，极大地制约了不同种类能源间互联互通、相互转换、自主交易所带来的能效提升和优化运行的优点。目前，我国电力与能源体制改革不断深入，有力地推动智能电网与能源网的融合进程，开展了一批能源互联网、多能互补和增量配电网示范项目的建设。

随着我国一次能源占比要求的不断提高，以及智能材料与通信技术的发展，智能电网与能源网的融合将向智能化、透明化、智慧化的三个层次递进发展，智能电网与能源融合模式也将呈现出三种不同的形态：以智能电网广域互联为载体，实现可再生能源集中式消纳与跨区域能源资源配置。以区域与用户级综合能源系统为载体，实现可再生能源就地消纳与终端能效提升。以智能装备与泛在能源网络为载体，构建零边际成本能源网络，实现能源生产和消费的新业态、新模式。