能源是人類生存和文明發展的重要物質基礎，攸關國計民生和國家戰略競爭力。當前經濟全球化面臨新形勢，新一輪科技革命和產業變革方興未艾，國際分工體系加速演變，全球產業價值鏈深度重構。全球能源生產消費革命蓬勃興起，能源科技創新在其中發揮核心引領作用，而從系統層面開展多學科交叉的全價值鏈創新已成為能源頂層戰略規劃和科研活動組織的典型模式。準確判斷世界能源科技前沿突破方向，強化能源科技戰略導向，全面加強能源科技創新高端供給，對我國搶占能源競爭戰略制高點、維護國家長遠戰略利益極為重要。

1 發達國家加強能源科技領域頂層設計，謀劃主導戰略

當今世界面臨百年未有之大變局，國際能源格局發生重大變化，圍繞能源科技革命和產業變革的國際競爭日趨激烈。近年來基于國際、國內形勢變化及自身能源結構特點，世界主要發達國家均把綠色低碳能源技術視為新一輪科技革命和產業變革的突破口，積極實施和調整中長期能源科技戰略，并將其作為頂層指導，出臺重大科技計劃調動社會資源持續投入，不斷優化改革能源科技創新體系，以增強國家競爭力和保持領先地位。在能源危機和氣候變化成為國際主流議題的大背景下，“低碳能源規模化，傳統能源清潔化，能源供應多元化，終端用能高效化，能源系統智慧化”的整體思路已成為主要國家能源戰略布局的核心內容。

1.1 美國：謀求世界能源霸主地位

美國自奧巴馬政府以來，通過制定《全面能源戰略》 及配套行動計劃，設立先進能源研究計劃署和能源創新中心等新型創新平臺，支持變革性能源技術開發和有效整合產學研各方資源，推動清潔能源技術革命和產業升級轉型，在能源獨立和清潔能源轉型上已取得了明顯進展。

2017年特朗普上臺后，推出《美國優先能源計劃》 ，將“美國利益優先”作為核心原則；退出《巴黎協定》避免承擔過多的國際責任，強調發展國內的石油、天然氣、煤炭等傳統能源產業，振興核電；并將能源作為一種重要的國家戰略資源，擴大能源出口，在實現能源獨立的過程中謀求世界能源霸主的發展之路。其重要舉措包括：實施全面能源戰略，多樣化能源結構，開發減排技術；推動可再生能源并網，同時保留基荷電源，確保電網可靠性；解決核廢料處置問題，確保核能發展的安全性；減少貿易赤字，促進就業，提振美國經濟，同時保護環境；將能源作為外交政策重點之一，通過能源戰略推動實現國家最重要的利益訴求。2018年，特朗普政府還以中美貿易摩擦之名行高科技打壓之實，重點打擊包括新能源、先進核能技術在內的高科技產業，遏制中國科技創新快速崛起及戰略性新興產業發展。

1.2 歐盟：推進低碳轉型，開展系統創新

自2010年以來，歐盟率先構建了面向2020、2030、2050年的短、中、長期可持續、前瞻性的能源氣候戰略框架，以此推進能源及相關產業的綠色轉型，帶動歐盟產業調整及經濟增長。2014年，新一屆歐盟委員會上臺后全面實施能源聯盟戰略，旨在全面提升歐洲能源體系抵御能源、氣候及經濟安全風險的能力，建立安全、可持續和有競爭力的低碳能源體系。

作為落實歐洲能源聯盟戰略研究、創新與競爭力目標的舉措之一，歐盟委員會于2015年9月開始實施升級版《戰略能源技術規劃》（SET-Plan）。該規劃聚焦能源轉型中面臨的系統性、跨學科、跨領域的關鍵挑戰，以應用為導向打造能源科技創新全價值鏈，圍繞可再生能源、智能能源系統、能效和可持續交通4個核心領域，以及碳捕集與封存和核能2個特定領域，開展研究與創新優先行動，確立歐盟低碳能源技術研發和部署在全球范圍的領先地位。

1.3 日本：壓縮核能，發展新能源，掌控產業鏈上游

日本能源科技創新戰略秉承了“技術強國”的整體思路，重點集中在產業鏈上游的高端技術，依靠對產業鏈的掌控和影響，使日本的能源技術產品和能源企業在世界市場上占據最大份額，以此促進經濟發展。

2016年，日本政府綜合科技創新會議公布的《能源環境技術創新戰略》 ，確定了日本到2050年前將要重點推進的五大技術創新領域，包括：利用大數據分析、人工智能、先進傳感和物聯網技術構建智能能源集成管理系統，創新制造工藝和先進材料開發實現深度節能，新一代蓄電池和氫能制備、儲存與應用，新一代光伏發電和地熱發電技術，以及二氧化碳固定與有效利用。

在經歷福島核事故之后，日本在能源科技發展重點上有較大調整，日本政府于2018年7月發布《第五次能源基本計劃》 ，定調未來發展方向是壓縮核電發展，降低化石能源依賴度，舉政府之力加快發展可再生能源，以氫能作為二次能源結構基礎，同時充分融合數字技術，構建多維、多元、柔性能源供需體系，實現2050年能源全面脫碳化目標。

1.4 德國：推動高比例可再生能源轉型

德國一貫堅持以可再生能源為主導的能源結構轉型，經過多年的政策激勵和研發支持，在可再生能源技術和裝備制造方面的實力位居世界前列。日本福島核事故后，德國政府率先提出了全面棄核的能源轉型戰略，把可再生能源和能效作為兩大支柱，并以法律形式明確了可再生能源發展的中長期目標，提出到2050年可再生能源電力占比達到80%。

為從科技層面支持能源轉型戰略，德國在2018年出臺了《第七能源研究計劃》 ，未來5年總預算達64億歐元。該計劃聚焦于能源消費端節能增效、電力供應、系統集成、跨系統研究和核安全等五大領域，重點解決能源轉型面臨的跨部門和跨系統問題，同時利用“應用創新實驗室”機制建立用戶驅動創新生態系統，加快成果轉移轉化。

1.5 發達國家能源科技創新研發趨勢

盡管上述各發達國家/地區的發展理念、資源稟賦和制度背景不同，但均將能源科技創新放在能源轉型戰略的核心位置，通過分析其研發重點可以發現三大共性趨勢：①在能源生產端，大力開發大型風電、高效低成本太陽能、生物能等可再生能源技術，積極研發碳捕集與利用技術，以期降低化石能源利用的碳排放，并將氫能開發利用作為重要戰略儲備技術和新興產業培育；②在能源消費端，研發新工藝、新材料，并利用自動化控制以及智能能源管理系統，提高建筑、工業和交通等行業終端用能效率；③在能源系統集成層面，融合儲能、智能微網、大數據分析、計算機仿真模擬、物聯網等技術，優化各類能源系統，構建高效、經濟、安全的新型智慧化能源系統。

2 能源科技創新前沿突破不斷涌現

隨著能源技術和一系列新興技術（如納米、生物、新材料、人工智能等）的發展和深度融合，能源生產、轉化、運輸、存儲、消費全產業鏈正發生深刻變革。從傳統集中式到分布式能源，從智能電網到能源互聯網，從石化智能工廠到煤炭大數據平臺，從用戶側智慧用能到汽車充電設施互聯互通，一些重大或顛覆性技術創新在不斷創造新產業和新業態，改變著傳統能源格局。

能源生產端諸如可再生能源、先進安全核能、化石能源清潔高效利用等先進技術正在改變傳統能源開發利用方式，并穩步推進主體能源的清潔低碳更替。能源消費端致力于研發低能耗、高效能的綠色工藝與裝備產品，工業生產向更綠色、更輕便、更高效方向發展，交通動力能源向智能化、電氣化方向轉變，建筑行業用能將實現潔凈化、綠色化、智能化。而分布式智慧供能系統、能源互聯網發展應用正在引發能源系統整體變革，智慧能源新業態初現雛形。

2.1 能源轉型邁向數字化智能創新時代

人工智能、大數據、物聯網等數字技術為能源行業重大挑戰提供全新的數字化解決方案，數字化創新集中在數字技術和數據的智能使用上。

國際能源署2017年底發布首份《數字化與能源》 報告指出，能源數字化轉型的最大潛力是其能夠破除能源各部門之間的壁壘，推動全球能源系統向互聯、智能、高效、可靠和可持續方向發展。英國石油公司《技術展望報告2018》 指出，隨著數字技術（包括傳感器、超級計算、數據分析、自動化、人工智能等）依托云網絡應用，到2050年一次能源需求和成本將降低20%—30%。大數據和機器學習算法的普及，也推動著科研工作開始采用以人工智能和數據挖掘為基礎的新興研究手段，從而提升研究效率。美國斯坦福大學基于人工智能技術，利用現有的鋰離子電池文獻中的所有實驗數據，構建了具備深度學習能力的計算機預測模型，僅耗時數分鐘，即從材料數據庫的1萬多種候選材料中篩選出了20余種有潛力的固態電解質材料，其篩選效率是傳統隨機測試的百萬倍。美國能源部還資助了機器學習在地熱領域應用的研究項目，聚焦機器學習用于地熱資源勘查和開發先進數據分析工具。日本新能源產業技術綜合開發機構也部署了相關研究課題，利用物聯網、人工智能等技術改善地熱發電站的管理運營效率。

2.2 油氣領域數字化智能化競爭激烈

化石能源行業正在從傳統重資產行業轉型為技術密集型、技術精細型產業，各競爭主體對數字化技術的應用速度與水平將會決定未來的行業座次和競爭版圖，智能精細化勘采技術的進步將支撐開發深水深層和非常規油氣資源。

2017年世界經濟論壇發布的《數字化轉型倡議——石油和天然氣行業》 報告指出，大數據和分析工具、工業物聯網和移動技術正成為油氣企業首要的數字化主題，而機器人和無人機、可穿戴技術、人工智能將成為未來3—5年增長最快的領域。全球多家油氣企業相繼推出數字化創新舉措：殼牌集團宣布在石油行業大規模推進人工智能應用計劃，俄羅斯天然氣公司實施2030年數字化轉型戰略，巴西國家石油公司成立數字化轉型部門，中石油發布國內油氣行業首個智能云平臺等。

此外，IT企業也在加強跨界和傳統油氣企業開展合作：華為公司的油藏模擬、油氣物聯網等解決方案已服務70%的全球TOP20油氣企業；IBM公司牽手阿布扎比國家石油公司，首次將區塊鏈技術應用于油氣生產核算；通用電氣公司和來寶集團聯合推出世界第一艘數字鉆井船；谷歌公司和道達爾公司將聯合攻堅人工智能在油氣勘探領域的應用。

2.3 化石能源清潔高效梯級利用

先進高效率低排放燃燒發電和深加工分級轉化是煤炭和天然氣清潔高效利用的未來發展方向，碳基能源高效催化轉化、新型富氧燃燒、先進聯合循環等高效低排放技術正處于研發階段。

美國碳利用研究理事會（CURC）和電力科學研究院（EPRI）在2018年7月更新的《先進化石能源技術路線圖》 中，規劃了增壓富氧燃燒、化學鏈燃燒、超臨界CO2動力循環發電、先進超超臨界（A-USC）、煤氣化聯合循環等高效低碳發電技術到2035年的研發與大規模示范路徑。美國、日本等發達國家已將超臨界CO2動力循環發電系統作為革命性前沿技術進行積極研究，目前在實驗室已建成了小功率的試驗機組，正在向工業示范電站邁進。增材制造（3D打印）技術在燃氣輪機制造中的應用已從原型試制逐漸走向實際生產，如通用電氣公司、西門子公司等燃機制造巨頭穩步推進制造工藝轉型升級。

經過多年發展，中國的先進煤化工合成技術取得了重大突破，已掌握了世界領先的百萬噸級煤直接液化和煤間接液化技術。中國科學院大連化學物理研究所成功實現了具有自主知識產權的百萬噸級煤制烯烴和煤制乙醇技術商業化應用，對保障我國能源安全等具有重要的戰略意義。該所還在煤氣化直接制烯烴研究上取得重大進展，顛覆了90多年來煤化工領域一直沿襲的費-托路線，從原理上開創了一條低耗水進行煤轉化的新途徑，這是煤轉化領域里程碑式的重大突破。

2.4 發展下一代安全高效先進核能系統

可持續性、安全性、經濟性和防核擴散能力的先進核能技術是核能發展的重中之重，主要研究方向集中在開發固有安全特性的第四代反應堆系統、燃料循環利用及廢料嬗變堆技術以及更長遠的核聚變示范堆設計與實現。

第四代核能系統國際論壇（GIF）在2014年初更新了技術路線圖，規劃了未來10年第四代堆型的研發目標和里程碑。美國能源部于2017年底宣布，未來5年將資助4億美元，重點開展新型反應堆示范工程、核電技術監管認證、先進反應堆設計開發等工作，以加速核能技術創新突破。中國科學院在未來先進核裂變能——加速器驅動次臨界系統（ADS）研究中取得重大成果，并基于此在國際上首次提出“加速器驅動先進核能系統（ADANES）”概念，將在廣東惠州建設國際首臺ADS嬗變研究裝置。

可控核聚變技術目前在等離子體理論研究、材料開發和運行試驗方面不斷涌現新的成果。中國科學院合肥等離子體物理研究所研制的全超導托卡馬克核聚變實驗裝置，相繼取得等離子體中心電子溫度達到1億攝氏度、百秒量級穩態運行等多項世界級重大突破。德國馬普學會等離子體物理研究所建造的世界最大仿星器聚變裝置W7-X成功產出首個氫等離子體，計劃到2020年實現持續30分鐘的等離子體。美國國家科學院2018年發布《美國燃燒等離子體研究戰略計劃最終報告》 ，建議美國繼續參與國際熱核聚變實驗堆（ITER）計劃，并啟動國家研究計劃邁向緊湊型聚變發電中試階段。歐盟于2014年在“地平線2020”框架下投入8.5億歐元，啟動了“聚變聯合研究計劃” 。

2.5 新能源與可再生能源加快應用

（1）風能、太陽能、生物燃料等可再生能源技術研發活躍，有望在未來20年成為主導電力來源或規模替代石油基燃料。①在風能領域，美國和歐盟均提出了海上風電發展戰略，加速推動海上風能產業的發展。目前8 MW風力渦輪機已投入商業應用，10 MW及以上的超大規模風力渦輪機正在研發中，浮動式海上風電場的投入使用推動風電向深海邁進。②在太陽能領域，美國、歐盟、日本等主要國家和地區深化布局光伏發電全產業鏈創新，作為推進新興產業發展的主要戰略舉措，通過全覆蓋布局先進材料、制造和系統應用各環節研發實現平價上網目標。鈣鈦礦太陽電池器件結構日趨完善，效率已超多晶硅，逼近單晶硅，但實現商業化仍需攻克規模化制造工藝、穩定性等關鍵挑戰。中國科學院半導體研究所在2018年創造了單結鈣鈦礦太陽電池轉換效率世界紀錄（23.7%）。③在生物能源領域，纖維素乙醇、藻類生物燃料等技術領域取得了重要進展，特別是美國和歐洲首座商業規模纖維素酶解制乙醇工廠投產，為先進低成本生物液體燃料更大規模發展創造了條件。目前研究重點主要集中在高產率能源作物培育改造，微生物酶解催化劑，熱化學轉化工藝與多功能催化劑，工程微藻選育、培養、油脂提取與轉化等。

（2）氫能發展備受重視，形成新一輪的發展熱點。日本、歐盟和澳大利亞等國家和地區相繼公布了氫能發展戰略和技術路線圖，提出未來20— 30年的氫能與燃料電池技術和產業發展目標。研究人員致力于解決低成本高效率規模化制氫、經濟高效氫儲存和輸配、燃料電池基礎關鍵部件制備和電堆集成、燃料電池發電及車用動力系統集成等重大科技問題。德國亥姆霍茲柏林能源材料中心設計開發了雙光陽極串聯光電催化系統，創造了太陽能到氫能19%的轉化效率紀錄。日本國立產業技術綜合研究所開發了陶瓷電解質低溫致密燒結工藝，制備出全球首個商用規格的質子陶瓷燃料電池。

2.6 新型高能規模化儲能取得突破

動力和電力規模儲能技術是未來能源系統必不可少的關鍵組成部分，也是各國競相布局的重點領域。歐盟組建“歐洲電池聯盟”實施戰略行動計劃，在歐洲打造具有全球競爭力的電池產業鏈。美國能源部將在未來5年為儲能聯合研究中心繼續投入1.2億美元，設計開發新型高能多價化學電池，并研究用于電網規模儲能的液流電池新概念。日本新能源產業技術綜合開發機構在未來5年資助100億日元，攻克全固態電池商業化應用的技術瓶頸，旨在2030年左右實現規模化量產。

科學家在儲能反應機理探索、電化學體系設計、新材料開發方面成果斐然，研究重點在于開發高安全性、長壽命、低成本的鋰離子電池及新型高能化學電源體系，并開展新型物理儲能系統規模化示范。美國伊利諾伊大學芝加哥分校等機構合作開發新型鋰-空氣電池，創造在自然空氣環境中穩定運行超700次的循環壽命紀錄。美國哈佛大學研發出基于低成本醌類有機電解液的新型液流電池，創造工作壽命最長紀錄，而且較全釩液流電池成本大幅下降。中國科學院工程熱物理研究所建成了國際首套10 MW級先進壓縮空氣儲能示范系統，示范系統在額定工況下的效率超過60%。

3 中國能源科技發展啟示與建議

改革開放40年以來，我國能源科技創新能力已從全部“跟跑”到部分“并跑”，在部分領域已建立了具有國際競爭力的能源裝備技術產業，為保障國家能源安全和推動能源清潔低碳轉型提供了有力支撐[52]。但我國能源科技創新水平與新時代推動能源生產和消費革命的戰略目標仍有較大差距，離構建自主可控的核心技術體系還有較長距離。在我國經濟已進入高質量發展階段的當下，對潔凈高效能源的需求比以往任何時候更為迫切，加快推動能源技術革命已經迫在眉睫。

3.1 開展高質量能源科技供給側改革助力新時代發展

“善謀者因時而動，能弈者順勢而為。”我國必須牢牢把握新一輪能源革命和科技革命交匯的重要戰略機遇期，充分認識到能源科技創新在能源革命中的極端重要性，深化開展高質量的能源科技領域供給側改革，集中攻關關鍵“卡脖子”問題，包括：開發以煤炭為核心的化石資源清潔高效利用和耦合替代新路線和新技術，突破高能耗、高耗水、高排放等瓶頸問題；突破低碳能源多能互補與規模化應用難題，推進可再生能源高比例消納，構建智慧能源系統；前瞻布局化石能源/可再生能源/核能多元化融合發展路徑，解決我國現有各能源技術體系缺乏關聯、孤立發展的結構性缺陷。

中國科學院于2018年正式啟動的“變革性潔凈能源關鍵技術與示范”戰略性先導科技專項[53]即首次從“清潔低碳、安全高效”國家能源體系頂層設計的角度，提出了通過技術創新實現多種能源之間的互補融合，這是中國科學院站在國家立場上提出的具有原創意義的系統解決設計方案。

3.2 前瞻設計下一代多能融合綜合能源系統

多能融合互補是能源變革的發展趨勢，引領能源行業構建多種能源深度融合、集成互補的全新能源體系。目前美國、德國等發達國家已開始探索一體化、智能化多能融合體系的架構設計。為破除我國化石能源、可再生能源、核能等各能源體系之間技術上的相對割裂態勢，需要盡快開展多能融合的未來能源系統研究，從能源全系統層面著手優化，突破多能互補、耦合利用技術。

科技主攻方向特別應該高度關注信息技術和能源技術深度融合的智慧型能源體系關鍵技術，以及新一代多能融合系統中低碳醇和氫能等重要能源載體的低成本合成和規模化利用變革性技術，這是新一輪能源革命中我國能源科技有可能走在世界前列的領域，有助于我國搶占先機，早日建成能源科技強國。

3.3 建設能源跨學科交叉融合創新平臺

現代文明中能源與氣候、環境、交通、化工等領域緊密關聯的天然特性，決定了能源轉型“牽一發而動全身”。美、歐等發達國家和地區洞察到這一趨勢，均提前部署了跨學科、跨部門的重大課題。能源與前沿學科的交叉融合創新將是未來能源科技創新的最佳路徑，也最有可能催生顛覆性技術。

我國應加快研究部署能源跨學科交叉融合創新平臺，試點布局重大研究項目，推進能源技術與新一代信息技術、合成生物學技術、納米技術、先進制造技術等深度融合，帶動液態陽光、規模化高性能儲能、氫能與燃料電池、智慧綜合能源網絡等潛在顛覆技術的發展應用，確保我國能夠并跑甚至領跑世界能源科技前沿。

3.4 開展體制機制改革加快建立健全能源科技創新體系

我國需要進一步深化能源體制機制改革，合理運用政府宏觀調控的引導作用，建立健全能源領域相關的法律法規，打通煤炭、石油、天然氣、可再生能源等各能源種類之間的管理體制壁壘，為能源技術創新、產業發展以及現代能源體系建立營造良好穩定的政策制度環境。

特別是，應盡快建立能源領域國家實驗室，牽頭組織優勢力量開展重大關鍵技術集成化創新和聯合攻關。在國家層面建立多元化的能源科技風險投資基金，激勵高風險、高回報的顛覆性技術開發，利用政府資源投入來撬動民間資本。實施重大能源工程形成國際競爭優勢的高端能源化工技術裝備工業體系，在“一帶一路”框架下支持更多先進能源化工技術裝備“走出去”。

3.5 積極擁抱數字技術推進能源數字化轉型

在大數據時代，能源行業的數字化轉型已然大勢所趨。未來的幾十年內，數字技術將使全球能源系統變得更加緊密互聯、智能、高效、可靠和可持續。因此需要堅定不移地推進能源和數字技術深度融合，以引導能量有序流動，構筑更高效、更清潔、更經濟、更安全的現代能源體系。需要制定靈活政策以適應新技術發展需求，探討跨部門廣泛應用，并對從業人員進行數字技術專業技能培訓。

此外，還需要從系統觀出發來考量能源數字化轉型的成本和收益，密切追蹤數字化轉型對全球能源消費需求變化的影響，充分考慮和評估能源數字化轉型過程中面臨的潛在風險，提供公平的競爭環境，以更好地服務各利益相關方，并加強國際合作分享能源數字化轉型的成功案例和經驗。