本文從核能、風能、太陽能、儲能、油氣、煤炭、水能、生物質能、智能電網與能源網融合九大能源技術領域開展咨詢調查研究，系統分析了各領域的能源技術現狀，明確提出了構建以可再生能源為主體，終端能源以電能為主，多能多網融合互補的技術體系，制定了前瞻性技術（2020）、創新性技術（2030）和顛覆性技術（2050）三階段發展的能源技術路線，最后提出推動能源技術革命的戰略建議，為我國研究制訂能源相關規劃和政策提供了科學支撐。

本文選自中國工程院院刊《中國工程科學》2018年第3期

作者：李立浧，饒宏，許愛東，郭曉斌，白浩

來源：我國能源技術革命體系戰略研究[J].中國工程科學,2018,20(3):1-8.

轉載自：微信公眾號“中國工程院院刊”（ID：CAE-Engineering）

摘要：為了推進能源技術革命，中國工程院于2015年啟動了“我國能源技術革命體系戰略研究”重大咨詢項目。本文從核能、風能、太陽能、儲能、油氣、煤炭、水能、生物質能、智能電網與能源網融合九大能源技術領域開展咨詢調查研究，系統分析了各領域的能源技術現狀，明確提出了構建以可再生能源為主體，終端能源以電能為主，多能多網融合互補的技術體系，制定了前瞻性技術（2020）、創新性技術（2030）和顛覆性技術（2050）三階段發展的能源技術路線，最后提出推動能源技術革命的戰略建議，為我國研究制訂能源相關規劃和政策提供了科學支撐。

關鍵詞：能源技術革命；能源技術體系；能源技術路線；戰略研究；戰略建議

一、前言

世界能源供給和消費發生深刻變化，減緩全球氣候變化需逐步減少對傳統化石能源的依賴，綠色低碳的新能源和可再生能源利用得到快速發展，“節能減排、綠色低碳”成為能源供給消費的發展趨勢。面對能源供需格局新變化和國際能源發展新趨勢，中國需通過能源技術革命，促進能源供給向多元化發展，能源利用趨向綜合高效，能源消費體系更加科學完善。

黨的“十九大”報告指出，中國特色社會主義進入新時代，我國社會主要矛盾已經轉化為人民日益增長的美好生活需要和不平衡不充分的發展之間的矛盾，能源消費與經濟社會緊密聯系，深刻影響著經濟社會發展，當前經濟結構轉型、氣候治理等都迫切需要能源供給體系轉型，加強自主創新，積極研發應用新技術，促進能源轉型和高效利用，不斷滿足人民日益增長的美好生活需要。由于能源產業具有投資大、關聯多、周期長、慣性強的特點，必須明確全面協調可持續發展的技術方向，建立起立足于本國資源和需求特點，與世界能源高科技相銜接的能源技術體系。

二、能源技術現狀分析

經過調研分析發現，我國在核能、風能、太陽能、儲能、油氣資源、煤炭、水能、生物質能、節能、智能電網與能源網的融合等能源領域上的技術水平已大幅提升，部分實現了跨越式發展，部分達到了國際先進水平。在新一代核電技術、發電裝備制造與煤炭高效清潔燃燒、風力發電設備制造、含大規模新能源接入的特大電網調度運行與安全控制等方面實現了自主創新和技術突破，但部分核心技術和裝備仍落后于國際先進水平，原創高端技術自我供應能力明顯不足，亟需進一步開展研發攻關。

（一）自主三代核電技術進入大規模應用階段，四代核電技術全面開展研究工作，研究力量比較分散

我國核電與國際最高安全標準接軌，并持續改進，機組安全水平和運行業績良好，安全風險處于受控狀態。自主三代壓水堆核電技術落地國內示范工程，并成功走向國際，已進入大規模應用階段。四代核電技術全面開展研究工作，快堆示范工程即將開工，高溫氣冷堆示范工程開始建造。在一些重要方面與國際先進水平尚有不小差距，鈾資源勘查程度低，燃料組件制造產能不足。乏燃料干式儲存、后處理和廢物處置落后世界亟需趕上。延壽和退役工作正在起步，技術儲備不足。核能領域有幾項技術可能對未來能源結構產生深遠影響，比如海水提鈾、快堆、釷鈾循環、聚變能源、聚變裂變混合能源，每一項技術又存在不同的技術路線，造成國內研究力量分散，各自為戰。

（二）風電設備產業鏈形成，風電場設計和智能運維技術與國外差距較大

我國風電機組整機制造技術基本與國際同步，風電設備產業鏈已經形成，兆瓦級以上風電機組配套的葉片、齒輪箱、發電機、電控系統等已經實現國產化和產業化。陸上風電已經積累了豐富的設計、施工、建設、運維和檢測經驗，已建立了完善的集中式風電調度運行體系和技術支持系統。以大數據和互聯網為基礎對風電場設計、運行及維護進行改進及優化已經成為風力發電降低成本、提高發電量和高效率的重要手段，國外在此領域已經具備成熟的解決方案，國內在風電大數據標準、分析及基于大數據的風電場優化方面差距較大。未來，基于大數據開發出適用于不同類型風電場的設計及運維技術，將為我國大型風電基地以及分散式風電系統的優化布局和可靠運行提供技術支撐。

（三）光伏發電和光熱發電技術成熟，而太陽能光化學利用技術仍處于實驗室研究階段

我國的太陽能光伏發電技術發展迅猛，已形成包括多晶硅原材料、硅錠/硅片、太陽電池/組件和光伏系統應用、專用設備制造等比較完善的光伏產業鏈。我國商業化單晶硅電池效率達到20%以上，多晶硅電池效率超過了18%，在高效率低成本晶體硅太陽電池的生產方面具有優勢。硅基薄膜電池在新材料、關鍵設備和工藝水平等方面，與國外還有很大差距。應加強新型可穿戴的柔性輕便太陽電池技術突破，進行示范應用。人工光合成太陽能燃料方面必須加大基礎研究的力度，爭取早日在關鍵基礎科學問題上取得原創性突破。深入理解光–化學轉化過程的微觀機制和催化反應的熱力學和動力學本質規律，發展相關的材料、理論、方法、策略。

（四）電化學儲能是目前最常用和成熟的化學儲能技術，需持續開展氫儲能研究

我國在若干類型的物理和化學儲能技術上取得了長足進步，形成了自主知識產權，走在世界前列。目前我國鋰離子電池大部分材料實現了國產化，由追趕期開始向同步發展期過渡，本土總產能居世界第一。在液流電池材料、部件、系統集成及工程應用關鍵技術方面取得重大突破。鉛炭電池的作用機理研究、高性能炭材料開發、電池設計和制造技術等取得較大進步。在鈉硫電池和鋰硫電池領域已經進入實用化的初級階段。超級電容器的電極材料、電解質和模塊化應用方面都取得了很大進步。其他新興的儲能技術仍需進一步提高電池的功率密度、環境適應性、安全性能、循環壽命等，降低制造成本。加強基于可再生能源的水電解技術的研究，實現氫儲能的規模化應用。

（五）常規勘探技術成熟，非常規油氣探測技術以及智能傳感技術仍存在不足

我國能源需求、能源結構及能源行業發展現狀，決定了在2035年前需采用穩油興氣的發展戰略，面臨著較多的勘探開發技術難題或關鍵技術需求。物探技術取得了長足進步，在全球陸上地震技術市場份額占比已達到46%并擁有定價權，但與國外相比在裝備制造能力方面還存在一定的差距。

常規陸上地震勘探技術成熟，特色的復雜山地地震勘探技術先進，海洋、天然氣水合物等非常規油氣資源勘探技術尚處于起步階段。深海技術和深水鉆井裝備和配套技術研發處于產業化快速發展的初期，已經具備水深超過1650m的深水鉆完井工程方案設計、深海冷海鉆井裝置與技術選擇與優化設計研究能力。雖然在若干領域取得長足進步甚至重要突破，但是仍存在諸多不足。對于基于微機電系統（MEMS）的全方位高分辨多波多分量地震勘探技術，目前尚不具備實驗測試等基礎研發條件。鉆完井技術在這輪以智能化為主的技術發展潮流中，受制于國家在高端微納傳感器技術和智能材料技術領域的短板，技術發展已進入創新瓶頸期并且導致難動用儲量占比持續增大。

（六）煤炭燃燒利用是煤炭利用的主要方式，煤炭清潔燃燒的技術創新始終是能源發展的重要任務

從清潔煤炭燃燒利用所涉及的超超臨界技術、燃煤工業鍋爐、民用散煤、煤電深度節水技術、碳捕獲和封存/碳捕獲、利用和封存技術、煤電廢物控制技術等六類技術的發展現狀和國內外對比看，我國在超超臨界、煤電深度節水、煤電廢物控制、碳捕獲和封存等一些技術領域已處于世界先進甚至領先的水平。然而，即便在上述優勢領域，也仍有部分技術和關鍵設備需要進一步研發或改進。燃煤工業鍋爐裝備總體水平差，運行效率低，比國際先進水平低20%，缺乏有效的控制民用散煤污染物排放的技術措施。在二氧化碳的運輸管道建設、化學鏈燃燒等前沿技術的基礎研究領域，與美國等發達國家相比還較為落后。

（七）水力發電領域技術處于領先地位，是實現綠色、低碳可持續發展的重要保障

我國水能資源總量、投產裝機容量和年發電量均居世界首位。已在7×105 kW級機組研制、300m級別高壩設計、超大型地下廠房設計、復雜輸水系統過渡過程分析、巨型輸水系統結構設計等大型水電關鍵技術和相關科學問題上取得突破。在水能開發的過程中，還有許多關鍵技術問題：巨型水輪機及其系統的穩定性問題未得到很好的解決，超高水頭、引水式電站開發技術仍需攻關，亟需開展超高水頭超大容量沖擊式機組、大容量高水頭貫流式機組穩定性方面的關鍵技術和科學問題研究。在抽水蓄能電站方面，仍需研究變速抽水蓄能技術、海水抽水蓄能電站關鍵技術、抽水蓄能與其他能源協調控制技術等。對于小水電，在低水頭、大流量小水電設備的制造、微小水電的穩定、長期運行技術以及機組自動控制技術等方面與國外先進水平相比還有相當大的差距。

（八）生物質能開發潛力大，需加強生物質能源技術研發和產業體系建設

我國生物質能開發利用存在利用效率低、產業規模小、生產成本高、工業體系和產業鏈不完備、研發能力弱、技術創新不足等一系列問題。我國的生物發電總裝機容量已位居世界第二位，但生物質直燃發電技術在鍋爐系統、配套輔助設備工藝等方面與歐洲國家相比還有較大差距，生物質發電在原料預處理及高效轉化與成套裝備研制等核心技術方面仍存在瓶頸。生物柴油技術已進入工業應用階段，但在生物質液體燃料的轉化反應機理、高效長壽命催化劑、酶轉化等方面的基礎研究薄弱。固體成型燃料的黏接機制和絡合成型機理尚不清楚。能源植物資源品種培育研究與收集工作剛起步，而且不同單位收集的資源側重點不同，相對分散，主要關注傳統育種。分子遺傳育種才剛起步，且對培育出來的優良品種的利用與推廣較少。

（九）我國正積極推動智能電網與能源網融合，融合趨勢將向智能化、透明化、智慧化的三個層次遞進發展

我國在特高壓輸電、柔性直流輸電、大容量儲能、大電網調度、主動配電網、微電網、能源轉化設備等電網智能化技術方面處于國際領先水平。但當前電網與能源網長期保持著獨立運行、條塊分割的局面，跨系統間的行業壁壘嚴重，市場交易機制缺失，屏蔽了多樣化能源的互補屬性，極大地制約了不同種類能源間互聯互通、相互轉換、自主交易所帶來的能效提升和優化運行的優點。目前，我國電力與能源體制改革不斷深入，有力地推動智能電網與能源網的融合進程，開展了一批能源互聯網、多能互補和增量配電網示范項目的建設。

隨著我國一次能源占比要求的不斷提高，以及智能材料與通信技術的發展，智能電網與能源網的融合將向智能化、透明化、智慧化的三個層次遞進發展，智能電網與能源融合模式也將呈現出三種不同的形態：以智能電網廣域互聯為載體，實現可再生能源集中式消納與跨區域能源資源配置。以區域與用戶級綜合能源系統為載體，實現可再生能源就地消納與終端能效提升。以智能裝備與泛在能源網絡為載體，構建零邊際成本能源網絡，實現能源生產和消費的新業態、新模式。

三、能源技術體系

如圖1所示，構建了以可再生能源為主體，終端能源以電能為主，多能多網融合互補的技術體系，從縱向分為煤炭、油氣、核能、水能、風能、太陽能、生物質能、儲能、智能電網與能源網融合九個領域。從橫向劃分為創新性技術、前瞻性技術以及顛覆性技術三個層次。

圖1 中國能源技術體系

煤炭領域需專注于煤炭高效燃燒技術、煤電廢物控制技術；終端散煤利用技術、二氧化碳捕集、傳輸和利用技術；磁流體聯合循環發電技術。

油氣領域需專注于全波地震勘探技術、精確導向智能鉆井技術；智能完井采油技術；仿生鉆采系統技術。

核能領域需專注于先進深部鈾資源開發技術；壓水堆優化和規模化推廣利用技術；快堆及四代堆開發利用技術；核燃料循環前端和后端技術匹配發展；模塊化小堆多功能應用；可控核聚變技術研發。

水能領域需專注于高水頭大流量水電技術、水電站筑壩技術；環境友好型水能利用技術、大壩維護技術；水電站智能設計、智能制造、智能發電和智能流域綜合技術。

風能領域需專注于風能資源評估以及監測、大功率風電機組整機設計；風機運維與故障診斷；大功率無線輸電的高空風力發電技術。

太陽能領域需專注于晶硅電池升級、太陽能光熱發電；薄膜電池技術、太陽能制氫技術；可穿戴柔性輕便太陽電池技術。

生物質能領域需專注于城鄉廢物協同處置與多聯產；生物質功能材料制備；能源植物選種育種以及種植。

儲能領域需專注于高能量比和安全性的鋰電池技術、高循環次數的鉛碳電池技術；液流型鈉硫電池技術；鋰硫電池技術、固體氧化物電解池（SOEC）水電解氫儲能。

智能電網與能源網融合領域需專注于提升遠距離輸電能力技術、提升高比例新能源消納技術、提升大電網自動化技術；高效能源轉換技術、透明電網/能源網技術；基于功能性材料的智能裝備、基于生物結構拓撲的智能裝備、泛在網絡與虛擬現實（AR）技術。

各能源領域技術深度融合，燃料轉化系統可實現煤轉氣，煤轉油、生物質制柴油、生物質制天然氣，補充油氣資源。煤炭、天然氣、風光構成多源聯合制熱制冷系統和制氫系統，在風力和光伏充裕時，將電能轉化為其他形式能源，同時通過煤制氫，實現脫碳化和清潔化。將風能、水能、光伏、火力發電以及儲能結合，實現能源梯次利用。

四、能源技術革命發展路線

如圖2所示，我國能源技術革命從技術層面和體系層面，在2020年、2030年和2050年三個階段實現遞進性建設。

圖2 中國能源技術革命發展路線圖

2020年，能源自主創新能力大幅提升，一批創新性技術取得重大突破，突破煤炭高效清潔利用技術，初步形成煤基能源與化工的工業體系；突破非常規油氣的深度勘探開采技術，建立油氣行業微納測井和智能材料基礎研發體系。利用水力資源和遠距離超高壓交直流輸電網的同時，突破太陽能熱發電和光伏發電技術、風力發電技術初步形成可再生能源作為主要能源的技術體系和能源制造體系；自主三代核電形成型譜化產品，帶動核電產業鏈發展；模塊化小型壓水堆示范工程開始建設；逐步提高核能，可再生能源和新型能源的比重，減少二氧化碳排放量。助力未來能源發展方向轉型，根本扭轉能源消費粗放增長方式。能源自給能力保持在80%以上，基本形成比較完善的能源安全保障體系；能源技術裝備、關鍵部件及材料對外依存度顯著降低，我國能源產業國際競爭力明顯提升，進入能源技術創新型國家行列，基本建成中國特色能源技術創新體系。

到2030年，建成與國情相適應的完善的能源技術創新體系，能源自主創新能力全面提升，能源技術水平整體達到國際先進水平。物質液體燃料技術形成規模化商業應用，突破電力新材料新裝備技術以及安全信息技術，實現大容量低損失的電力傳輸和終端高效利用，初步形成以光伏技術、風能技術為主的分布式微網的新型電力系統，初步實現智能電網與能源網的融合；以耐事故燃料為代表的核安全技術研究取得突破、全面實現消除大規模放射性釋放，提升核電競爭力；實現壓水堆閉式燃料循環，核電產業鏈協調發展；鈉冷快堆等部分四代反應堆成熟，突破核燃料增殖與高水平放射性廢物嬗變關鍵技術；積極探索模塊化小堆（含小型壓水堆、高溫氣冷堆、鉛冷快堆）多用途利用；實現核能、可再生能源和新型能源的大規模使用。能源自給能力保持在較高水平，更好利用國際能源資源；發展前瞻性技術促進我國能源結構發生質變，支撐我國能源產業與生態環境協調可持續發展，初步構建現代能源體系，躋身世界能源技術強國前列。

到2050年，通過顛覆性技術打破傳統能源技術的思維和路線，實現能源革命跨越式發展，突破天然氣水合物開發與利用技術，油替代技術，氫能利用技術，燃料電池汽車技術，實現快堆閉式燃料循環，壓水堆與快堆匹配發展，力爭建成核聚變示范工程，建立節能技術體系，基本形成化石能源、新能源與可再生能源、核能并重的低碳型多元能源結構。成熟完整的能源技術創新體系，成為世界能源主要科學中心和創新高地，引領新一輪科技革命和產業革命。能效水平、能源科技、能源裝備達到世界先進水平；成為全球能源治理重要參與者；建成現代能源體系，保障實現現代化。

五、推動能源技術革命的重大舉措

（一）堅持“在保護中開發,在開發中保護”的水電發展理念，大力發展生態友好型中小水電

大力發展水電，正確處理生態環境保護與水電開發的關系，開發應堅持生態環境保護優先，積極、科學、合理開發利用的原則，在保護中開發，在開發中保護，正確處理好保護與開發的關系，貫徹落實科學發展觀，促進人與自然和諧相處，必須以水資源的可持續利用支撐經濟社會的可持續發展，把維護河流健康作為水資源開發利用的基礎和前提。圍繞低水頭、大流量中小水電設備的制造、微小水電的穩定與長期運行技術以及機組自動控制技術、生態友好型小水電設計準則、魚類友好型水輪機設計、“互聯網+小水電/智能云電站”技術和生態友好的大壩建設的生態準則，開展前瞻性研究和關鍵科技問題集中攻關，進行新技術的推廣應用及產業化，最終成為清潔可再生能源的一大支柱。

（二）因地、因需地選擇生物質開發方式，不局限于生物質發電

根據生物質類型、所在地的經濟條件和環境條件等，選擇合理的綜合開發方式，不局限于生物質發電。建議將生活垃圾轉化為生物質液體燃料，如生物質柴油和纖維素原料燃料乙醇；將人畜糞便和農林廢棄物轉化為生物質燃氣，建設大中型沼氣工程，進行沼氣提純和高效存儲；將農林廢棄物轉化為生物質成型燃料，進行固體成型燃料和熱解制備生物炭。建立完善的秸稈、生活垃圾、農林廢棄物等的回收體系，加強收購、運輸、儲存、加工等環節的配套銜接。

（三）大力發展太陽能發電技術，明確其在能源結構轉型中的戰略地位

太陽能獲取方便，且清潔安全。我國適宜太陽能利用的國土面積和建筑物受光面積很大。建議把太陽能發電作為面向未來可再生能源利用的主要技術方向，作為長周期的能源發展技術路線的核心組成部分。建議大力發展和推廣降低硅太陽電池成本，提高電池效率的技術和工藝，全面提升晶硅電池產業鏈；加快薄膜太陽能電池發展，加強硅基薄膜電池產業化技術研發，充分發揮薄膜電池柔性、輕便、靈活等獨特優勢，填補對空間、面積和重量敏感的發電市場。

（四）新能源以“分布式開發、就地消納”為主，避免大容量遠距離傳輸

優化電源投資結構，延緩棄風、棄光嚴重地區的新能源投資建設，并依托高耗能負荷就地消納過剩新能源電量。大力推廣應用分布式光伏發電、分散式風電、智能配電網和儲能技術，將我國新能源的開發利用由目前的“大規模開發、遠距離傳輸”模式加快轉變為“分布式開發、就地消納”模式，避免采用遠距離輸電工程傳輸新能源至負荷中心。

（五）大力應用多能互補技術，支撐能源結構轉型

在能源供給側，充分發揮各類異質能源的可替代性及互補性，實現多類型異質能源的互補開發和協調優化調度，形成穩定、高效、清潔的能源供應體系。在能源消費側，因地制宜通過電能替代、冷熱電多聯供、智能微網、園區綜合能源系統滿足終端用戶電、熱、冷、氣等多種用能需求，實現多能協同供應和能源綜合梯級利用。在雄安新區部署實施多能互補集成示范應用，建設國際一流、國內領先的智慧綠色高效能源系統。

（六）加強新材料、新器件的研發，支撐顛覆性技術發展

加強能源技術革命所需的新材料、基礎元器件、集成芯片、微型傳感器等的研發力度，加快我國柔性薄膜太陽能電池發展，用于可穿戴領域，實現無毒可穿戴電池技術產業化；加快利用棄風、棄水、棄光進行電解水制氫的發展；利用微納探測技術（微機電系統/納機電系統、納米傳感器、納米光纖）打造智能化油氣開采特色技術體系；基于微型傳感器構造透明電網技術研究及示范應用，支撐能源顛覆性技術發展。

（七）建設清潔能源國家研究中心，搶占全球能源科技制高點

建設清潔能源國家研究中心，以國家能源重大戰略需求為導向，凝練重大科學問題，強化多能源系統融合、多能源學科交叉、政產學研用結合、人財物資源整合以及體制機制創新，深入開展與清潔能源相關的基礎性、前瞻性、戰略性科技創新，加強能源與材料、信息、化學、控制、機械等基礎科學的協同創新，推動能源技術與大數據、云計算、物聯網、人工智能、機器人和智能制造等應用技術的集成創新，破解制約能源技術革命的重大科技和裝備瓶頸。

（八）建設國家級能源大數據中心，支撐國家能源決策

建設國家級能源大數據中心，加強全國范圍內多種能源數據多維度的采集、傳輸、存儲、分析和應用，從海量能源數據中快速提煉出深層知識并發揮其應用價值，全面掌握各省區、各行業的能源利用情況等重要數據，發揮國家大平臺資源調配作用，為推動我國能源轉型發展提供科學決策。通過統一能源信息采集、集成、存儲標準，解決多源數據異構所帶來的信息孤島問題。加強能源信息安全建設，落實信息安全技術防護和管理措施，切實保障能源信息安全。