能源，不僅是現代工業(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?當前，世界主要國家或地區(qū)均將發(fā)展新能源技術視為引領新一輪能源革命以及科技創(chuàng)新的重要突破口，新能源技術正以前所未有的速度加快迭代。日前，中國科學院科技戰(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、風能、生物質能、地熱能、核能、氫能、儲能、能源互聯網等八個不同新能源技術領域整體及其20項代表性技術主題進行系統(tǒng)分析，訪談了歐陽明高院士、李燦院士、Joёl Ruet教授等中外能源領域的科學家，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注了中國新能源技術的研究特點以及研究競爭力。
風能、太陽能、生物質能……哪種新能源最受科技界青睞?
氫能將是打造未來能源體系、實現能源變革的重要媒介，太陽能燃料技術的突破及其成本降低或將快速降低對化石燃料的依賴
中國科學院科技戰(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，新能源技術正處于加速發(fā)展期，2015-2019年間除核能外，太陽能、風能、氫能等7個技術領域發(fā)文量均超過近20年總量的40%，其中5個領域超過一半以上。進一步聚焦2015—2019年發(fā)文情況發(fā)現，全球對新能源的關注度持續(xù)升溫，五年期間在新能源領域共發(fā)表了388416篇論文，發(fā)文量年均復合增長率約為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領域關注和聚焦的研究方向：生物質能研究主要關注木質素熱解、催化劑、預處理、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、快充技術等方向;地熱能研究熱點方向包括增強型地熱系統(tǒng)(EGS)、地熱系統(tǒng)數值模擬、地熱鉆井技術等;氫能研究主要關注非貴金屬催化劑、金屬有機框架材料、鈷基催化劑、雙功能催化劑等領域;核能研究主要的關注點包括核廢料處理技術、核電站安全技術、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、半導體電極等;能源互聯網研究重點關注智慧能源系統(tǒng)、大數據、智慧家居能源管理系統(tǒng)、需求響應等方向;風能研究的主要熱點方向包括高功率能量轉換器、風力渦輪機、風 電數值模擬、風電高比例穩(wěn)定并網等。
在這些領域中，無論是論文統(tǒng)計還是科學家訪談都發(fā)現，氫能和太陽能是大家重點關注的兩個新能源。
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，電網消納能力是瓶頸之一，通過電解水制氫靈活消納棄風、棄光，為解決光伏和風電規(guī)模受消費側需求和電網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、法國在內的諸多國家發(fā)布了氫能領域最新規(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。中國在氫能關鍵技術研發(fā)方面表現較活躍。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。但由于制氫技術和氫燃料電池的高成本以及加氫站的布局等問題制約產業(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，中國在制氫、儲氫、加氫等關鍵環(huán)節(jié)的研究活躍度也排在新能源領域前列。
零碳太陽能燃料技術研發(fā)是科研界高度關注的焦點。報告顯示，太陽能燃料研究的發(fā)文量和關注度都位居前列，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)、高效的轉化機制獲得綠色燃料?？茖W家們在光解水制氫、太陽能燃料等領域作出了很多努力，但距離應用還有一段距離。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，仍然是其產業(yè)化的瓶頸。
產業(yè)化遭遇瓶頸，誰是新能源應用的“攔路虎”?
全球新能源領域研究成果技術轉化率整體較低，產學研結合有待加強;儲能技術和能源互聯網受到全球關注
中國科學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，全球新能源領域研究成果技術轉化率整體較低，產學研結合有待加強。相對而言，儲能、生物質能和太陽能的研究成果轉化率相對較高，鋰離子電池和有機太陽能電池是國內外產業(yè)轉化共同關注的技術熱點。
結果顯示，儲能、太陽能和氫能技術研究的國內外市場關注度最高，而產業(yè)轉化度相對較高的技術為儲能、生物質能和太陽能技術。而全球及中國產研共同關注的新能源技術熱點集中在電池儲能和太陽能光伏領域，尤其是鋰離子電池和有機太陽能電池。
在新能源技術中，關注度最高的是儲能技術和能源互聯網。
儲能技術是現代能源體系建設重要組成，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量研究的綜合表現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)低碳轉型的重點方向，而儲能技術是實現上述領域變革必不可少的技術支撐，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鍵節(jié)點。
隨著儲能技術在能源生產、消費以及低碳智慧轉型中的廣泛應用，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、電解質等電池材料是提高電池性能的研究熱點。領域相關專家認為，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)新的主要技術方向。電池性能突破路線主要包括儲能電池系統(tǒng)結構創(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。
能源互聯網是現代能源系統(tǒng)的新型基礎設施。隨著能源需求不斷增加和電氣化趨勢的顯現，未來全球將加快形成以石油、天然氣、煤炭、可再生能源為主的多元化能源結構，并在21世紀中葉完成向以非化石能源為主的能源結構轉型。因此，雖然分能源品種的能源技術創(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、多網互動等系統(tǒng)技術的突破也顯得尤為重要和迫切。同時，現代能源系統(tǒng)必然需要大數據挖掘、信息流管理、檢測和網絡泛在、決策優(yōu)化等跨界科學技術交叉融合的支撐。
在全球實現碳中和情景下，能源系統(tǒng)將具有多元、智慧、安全、柔韌的基本屬性，這意味著能源互聯網技術、智慧能源系統(tǒng)技術等研究的重要性凸顯，應用基礎研究、應用性技術研發(fā)將持續(xù)受到關注。
報告分析認為，目前能源互聯網研究仍需關注如下問題：一是關注能源互聯網架構和核心裝備技術研究，在能源生產消費的智能化、能源互聯網系統(tǒng)規(guī)劃、多能流能源交換與路由技術、能源智能傳輸技術、智能網絡的協(xié)同控制技術等方面取得突破;二是關注能源系統(tǒng)大數據采集、挖掘和利用技術研究，在能源互聯網通信、能量信息化與信息物理融合、能源大數據應用技術、能源互聯網管理技術等方面取得突破;三是關注能源互聯網技術落地轉化，在多學科交叉、信息網絡基礎設施和能源基礎設施鏈接的研究設計、示范應用、落地實施等方面取得突破。
新能源研發(fā)競賽，中國表現如何?
中國在新能源研究領域貢獻總量較大，頭部高質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域發(fā)展的主要貢獻進行了對比，發(fā)現各國在研究效率上存在差異。中國在新能源8個技術領域的發(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個技術領域的研究影響力(篇均被引頻次和優(yōu)質研究論文數量)，中國在所有技術領域的優(yōu)質論文數量均排名前六，但大部分領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領域的研究效率仍需進一步提升。
例如，在國別對比中，中國能源互聯網領域發(fā)表論文數量最多，且優(yōu)質論文數量也處于領先，表明中國科研界對能源互聯網的理論前沿研究高度關注，在能源互聯網領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，仍需加強關鍵核心技術攻關，提高能源互聯網領域研究水平。
但中國在不少領域表現也很亮眼。譚顯春說，例如，中國儲能產業(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合發(fā)布的《儲能產業(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)模儲能技術的突破和普及是發(fā)展可再生能源的有力支撐。風能、太陽能等可再生能源以及智能電網產業(yè)的迅速崛起，使得儲能技術成為全球各國亟須攻克的技術壁壘。大規(guī)模高效儲能技術是實現可再生能源普及應用的關鍵技術，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)電直接并網對電網的沖擊，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鍵節(jié)點。中國應進一步完善促進儲能產業(yè)發(fā)展的政策機制，通過金融和市場化手段引導長期資金投入，構建儲能科技創(chuàng)新與技術儲備體系，加強新能源與儲能集成應用研究，推動大規(guī)模儲能技術突破和商業(yè)化應用。
二是氫能將成為打造未來能源體系、實現能源變革的重要媒介。隨著人類社會的低碳化、無碳化轉型，氫能技術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。作為多種能源網絡互聯互補和協(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，實現電網和氣網的耦合，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，實現能源消納與儲存。因此，要強化氫能的頂層設計，明確規(guī)?；瘧脠鼍?，合理提出不同場景下氫能發(fā)展路線圖，并制定相應的標準規(guī)范，加速綠氫制取、儲運和應用等產業(yè)鏈發(fā)展。
三是太陽能燃料技術突破及其成本降低將助力減少石油依賴。太陽能燃料技術正逐步從基礎科學研究發(fā)展成為工業(yè)可行技術，有望從根本上改變能源和化工領域過度依賴化石資源的現狀。太陽能發(fā)電技術、風力發(fā)電技術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)的太陽能燃料生產路線。而利用太陽能將水和二氧化碳高效轉變?yōu)槿剂匣蚧瘜W品的關鍵是如何降低成本、提高效率。中國應繼續(xù)加大太陽能燃料技術的研發(fā)力度，強化太陽能發(fā)電技術與建筑等基礎設施一體化應用技術的研發(fā)和應用，選擇陽光資源豐富的地區(qū)開展典型示范工程，推進太陽能技術的工業(yè)化生產進程。
四是能源互聯網將發(fā)揮“互聯網+”和智慧能源雙重優(yōu)勢，實現能源統(tǒng)籌優(yōu)化配置。能源互聯網可以實 現能源生產和消費秩序重構，將能源生產、輸送、存儲、消費以及市場運營等環(huán)節(jié)與信息通信技術深度融合，創(chuàng)造新的商業(yè)模式，實現能源共享的新能源生態(tài)系統(tǒng)。能源互聯網建設需要加強移動互聯網、云計算、大數據和物聯網等技術在智能電網中的融合應用，構建金融支持平臺，強化共享能源基礎設施建設管理體系，實現能源互聯網市場化，構建安全、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網關鍵技術研發(fā)，加強不同能源網絡間的互聯互通，推進綜合能源網絡基礎設施建設，完善能源互聯網服務和管理運行機制。
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