新能源技术突破前夜

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新能源技术突破前夜能源，不仅是现代工业的血液，也是正常生活得以维持的基石。千百年来，人类主要依靠化石能源维系，目前也是如此。但化石能源总有耗尽的一天。那么，什么可以接替化石，未来能够为人类提供清洁、可持续的能源？当前，世界主要国家或地区均将发展新能源技术视为引领新一轮能源革命以及科技创新的重要突破口，新能源技术正以前所未有的速度加快迭代。日前，中国科学院科技战略咨询研究院、武汉文献情报中心、广州能源所与施普林格·自然团队发布了《未来科技系列报告（第一期）》——《新能源技术研究的机遇与挑战》，对全球2000-2019年间（尤其是2015-2019年间）太阳能、风能、生物质能、地热能、核能、氢能、储能、能源互联网等八个不同新能源技术领域整体及其20项代表性技术主题进行系统分析，访谈了中外能源领域的科学家，对未来能源进行了定量和定性的分析，并从全球尺度重点关注了中国新能源技术的研究特点以及研究竞争力。风能、太阳能、生物质能……哪种新能源最受科技界青睐？氢能将是打造未来能源体系、实现能源变革的重要媒介，太阳能燃料技术的突破及其成本降低或将快速降低对化石燃料的依赖中国科学院科技战略咨询院研究员郭剑锋介绍，通过对发表论文的分析发现，新能源技术正处于加速发展期，2015-2019年间除核能外，太阳能、风能、氢能等7个技术领域发文量均超过近20年总量的40%，其中5个领域超过一半以上。进一步聚焦2015—2019年发文情况发现，全球对新能源的关注度持续升温，五年期间在新能源领域共发表了388416篇论文，发文量年均复合增长率约为10%。6

1郭剑锋介绍，统计被引频次最高的前10篇论文可以揭示全球不同新能源技术领域关注和聚焦的研究方向：生物质能研究主要关注木质素热解、催化剂、预处理、微藻生物燃料、生物精炼等方向；储能研究主要聚焦锂离子电池、钠离子电池、锂硫电池、正负极材料、快充技术等方向；地热能研究热点方向包括增强型地热系统（EGS）、地热系统数值模拟、地热钻井技术等；氢能研究主要关注非贵金属催化剂、金属有机框架材料、钴基催化剂、双功能催化剂等领域；核能研究主要的关注点包括核废料处理技术、核电站安全技术、耐辐照材料、磁约束核聚变、惯性约束核聚变等；太阳能研究重点关注方向包括钙钛矿太阳能电池、叠层太阳能电池、太阳能光催化制氢、催化剂、半导体电极等；能源互联网研究重点关注智慧能源系统、大数据、智慧家居能源管理系统、需求响应等方向；风能研究的主要热点方向包括高功率能量转换器、风力涡轮机、风电数值模拟、风电高比例稳定并网等。在这些领域中，无论是论文统计还是科学家访谈都发现，氢能和太阳能是大家重点关注的两个新能源。报告中介绍：在未来能源体系中，氢能是重要的降碳二次能源，制氢、储氢以及氢能的输送和利用研究热度都在快速增长。其中，最先受到关注的氢燃料电池或氢发动机可以变革传统交通工具，解决交通燃油消费带来的城市大气污染和脱碳问题。在可再生能源发电规模快速增加的过程中，电网消纳能力是瓶颈之一，通过电解水制氢灵活消纳弃风、弃光，为解决光伏和风电规模受消费侧需求和电网消纳能力限制问题提供了新路径。同时，可再生能源制氢也将成为未来可持续的绿氢来源。氢能是助推能源体系深度脱碳重要切入点。2018年至今，包括日本、韩国、澳大利亚、英国、法国在内的诸多国家发布了氢能领域最新规划。日本明确提出，到2025年将全面普及氢能交通，扩大氢能在发电、工业和家庭中的应用，到2030年，氢能使用成本将不高于传统能源。欧盟2020年7月发布的《欧盟氢能战略》提出了欧洲构建“氢能生态系统2050年战略路线图”，2030年前的目标是迅速减少氢气生产过程中的碳排放，开发其他形式的低碳氢，以支持向可再生能源制氢过渡。中国在氢能关键技术研发方面表现较活跃。中国最早的氢能发展部署是将氢燃料电池汽车列为新能源汽车发展方向之一。但由于制氢技术和氢燃料电池的高成本以及加氢站的布局等问题制约产业发展，与纯电动汽车和混合动力汽车相比，氢燃料电池汽车还处于示范运营阶段。与此相呼应，中国在制氢、储氢、加氢等关键环节的研究活跃度也排在新能源领域前列。6

2零碳太阳能燃料技术研发是科研界高度关注的焦点。报告显示，太阳能燃料研究的发文量和关注度都位居前列，表明人类持续追求利用可持续的自然资源（水、二氧化碳）和能源（太阳能），以求通过更为生态、高效的转化机制获得绿色燃料。科学家们在光解水制氢、太阳能燃料等领域作出了很多努力，但距离应用还有一段距离。例如光催化制氢仍处于实验室研发阶段，如何降低太阳能燃料制备成本，仍然是其产业化的瓶颈。产业化遭遇瓶颈，谁是新能源应用的“拦路虎”？全球新能源领域研究成果技术转化率整体较低，产学研结合有待加强；储能技术和能源互联网受到全球关注中国科学院武汉文献情报中心战略情报中心副主任、研究馆员陈伟总结，全球新能源领域研究成果技术转化率整体较低，产学研结合有待加强。相对而言，储能、生物质能和太阳能的研究成果转化率相对较高，锂离子电池和有机太阳能电池是国内外产业转化共同关注的技术热点。结果显示，储能、太阳能和氢能技术研究的国内外市场关注度最高，而产业转化度相对较高的技术为储能、生物质能和太阳能技术。而全球及中国产研共同关注的新能源技术热点集中在电池储能和太阳能光伏领域，尤其是锂离子电池和有机太阳能电池。在新能源技术中，关注度最高的是储能技术和能源互联网。储能技术是现代能源体系建设重要组成，特别是电池储能方面的论文发文量、增长率以及头部高质量研究的综合表现在评估中得分位居第一。陈伟介绍，可再生能源发电、智能电网和分布式多能互补系统、电动汽车均为各国电力系统低碳转型的重点方向，而储能技术是实现上述领域变革必不可少的技术支撑，是未来能源系统具备柔性、包容性和平衡功能的软链接关键节点。随着储能技术在能源生产、消费以及低碳智慧转型中的广泛应用，提高储能电池的安全性、能量密度、容量规模、续航能力、服役寿命以及降低电池成本的需求越来越迫切。论文和专利分析表明，电极材料、电解质等电池材料是提高电池性能的研究热点。领域相关专家认为，磷酸铁锂电池和三元锂电池已相继成为动力电池材料创新的主要技术方向。电池性能突破路线主要包括储能电池系统结构创新、电池包空间利用优化、电池能量密度及安全性提升、电池成本大幅降低等。6

3能源互联网是现代能源系统的新型基础设施。随着能源需求不断增加和电气化趋势的显现，未来全球将加快形成以石油、天然气、煤炭、可再生能源为主的多元化能源结构，并在21世纪中叶完成向以非化石能源为主的能源结构转型。因此，虽然分能源品种的能源技术创新依然重要，但多种能源融合的集成组合、融合匹配、智慧运维、供需双向互动、多网互动等系统技术的突破也显得尤为重要和迫切。同时，现代能源系统必然需要大数据挖掘、信息流管理、检测和网络泛在、决策优化等跨界科学技术交叉融合的支撑。在全球实现碳中和情景下，能源系统将具有多元、智慧、安全、柔韧的基本属性，这意味着能源互联网技术、智慧能源系统技术等研究的重要性凸显，应用基础研究、应用性技术研发将持续受到关注。报告分析认为，目前能源互联网研究仍需关注如下问题：一是关注能源互联网架构和核心装备技术研究，在能源生产消费的智能化、能源互联网系统规划、多能流能源交换与路由技术、能源智能传输技术、智能网络的协同控制技术等方面取得突破；二是关注能源系统大数据采集、挖掘和利用技术研究，在能源互联网通信、能量信息化与信息物理融合、能源大数据应用技术、能源互联网管理技术等方面取得突破；三是关注能源互联网技术落地转化，在多学科交叉、信息网络基础设施和能源基础设施链接的研究设计、示范应用、落地实施等方面取得突破。新能源研发竞赛，中国表现如何？中国在新能源研究领域贡献总量较大，头部高质量研究贡献量也较高；但与发达国家相比，研究整体效率仍需提升中国科学院科技战略咨询院可持续发展战略研究所副所长、研究员谭显春介绍，报告对新能源研究头部国家对领域发展的主要贡献进行了对比，发现各国在研究效率上存在差异。中国在新能源8个技术领域的发文量均位居世界前两位，表明其在新能源研究各主要方向具有较强的活跃度。综合分析8个技术领域的研究影响力（篇均被引频次和优质研究论文数量），中国在所有技术领域的优质论文数量均排名前六，但大部分领域论文篇均被引频次排名相对靠后，表明中国在新能源技术领域的研究效率仍需进一步提升。例如，在国别对比中，中国能源互联网领域发表论文数量最多，且优质论文数量也处于领先，表明中国科研界对能源互联网的理论前沿研究高度关注，在能源互联网领域研究具有一定竞争力。然而，从论文篇均被引频次国家排名来看，中国仅位居全球第五名，表明中国论文的影响力与英国、美国比还有一定差距，仍需加强关键核心技术攻关，提高能源互联网领域研究水平。6

4但中国在不少领域表现也很亮眼。谭显春说，例如，中国储能产业发展迅速成为全球后起之秀。报告中特别提到，中国能源研究会储能专委会等联合发布的《储能产业研究白皮书2020》显示，2019年全球电池储能累计装机规模为9520.5MW，其中锂离子电池储能累计装机规模占比88.6%。中国的储能产业虽然起步较晚，但近几年发展速度令人瞩目，已投运电池储能累计装机规模达到1709.6MW，其中锂离子电池储能累计装机规模占比60%，在2015—2019年间锂电池储能累计装机年均增长超过100%。报告对中国新能源的发展提出了建议：一是大规模储能技术的突破和普及是发展可再生能源的有力支撑。风能、太阳能等可再生能源以及智能电网产业的迅速崛起，使得储能技术成为全球各国亟须攻克的技术壁垒。大规模高效储能技术是实现可再生能源普及应用的关键技术，可以解决发电与用电的时差矛盾以及间歇式可再生能源发电直接并网对电网的冲击，是未来能源系统具备柔性、包容性和平衡功能的软链接关键节点。中国应进一步完善促进储能产业发展的政策机制，通过金融和市场化手段引导长期资金投入，构建储能科技创新与技术储备体系，加强新能源与储能集成应用研究，推动大规模储能技术突破和商业化应用。二是氢能将成为打造未来能源体系、实现能源变革的重要媒介。随着人类社会的低碳化、无碳化转型，氢能技术的突破利用成为能源清洁化发展的重要方向。全球多个国家和地区已经出台了氢能发展战略路线图，将氢能规划上升到国家战略高度。作为多种能源网络互联互补和协同优化的重要能源媒介，氢能能够提高可再生能源利用率，实现电网和气网的耦合，增加电力系统的灵活性，同时具备储能功能，通过可再生能源电解水制氢，实现能源消纳与储存。因此，要强化氢能的顶层设计，明确规模化应用场景，合理提出不同场景下氢能发展路线图，并制定相应的标准规范，加速绿氢制取、储运和应用等产业链发展。6

5三是太阳能燃料技术突破及其成本降低将助力减少石油依赖。太阳能燃料技术正逐步从基础科学研究发展成为工业可行技术，有望从根本上改变能源和化工领域过度依赖化石资源的现状。太阳能发电技术、风力发电技术的进步将会进一步降低发电成本，带动可再生能源电解水制氢迅速成为绿色、可持续的太阳能燃料生产路线。而利用太阳能将水和二氧化碳高效转变为燃料或化学品的关键是如何降低成本、提高效率。中国应继续加大太阳能燃料技术的研发力度，强化太阳能发电技术与建筑等基础设施一体化应用技术的研发和应用，选择阳光资源丰富的地区开展典型示范工程，推进太阳能技术的工业化生产进程。四是能源互联网将发挥“互联网+”和智慧能源双重优势，实现能源统筹优化配置。能源互联网可以实现能源生产和消费秩序重构，将能源生产、输送、存储、消费以及市场运营等环节与信息通信技术深度融合，创造新的商业模式，实现能源共享的新能源生态系统。能源互联网建设需要加强移动互联网、云计算、大数据和物联网等技术在智能电网中的融合应用，构建金融支持平台，强化共享能源基础设施建设管理体系，实现能源互联网市场化，构建安全、高效、可持续的智慧能源系统。中国要积极推动能源互联网关键技术研发，加强不同能源网络间的互联互通，推进综合能源网络基础设施建设，完善能源互联网服务和管理运行机制。6