二

2017年世界能源技術發展回顧與總結

1.核聚變研究取得重大突破

核聚變能源產生過程不污染環境、不產生放射性核廢料、安全性高、清潔且資源無限，被視為人類可持續發展的最理想的新能源。而想要將核聚變的能量真正利用起來，就必須對核聚變的速度和規模進行控制，實現能量持續、輸出平穩。為此，科學家正努力研究如何實現可控核聚變。美歐中核聚變實驗裝置持續創造紀錄，穩步推進受控核聚變的實現。2016年3月，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，正式啟動科學實驗；10月，麻省理工學院Alcator C-Mod核聚變反應堆裝置在最后一次實驗中，等離子體壓強首次突破2個大氣壓達到2.05個大氣壓，對應的溫度達到3500萬攝氏度；2017年7月，中國科學院等離子體物理研究所全超導托卡馬克EAST實現了101.2秒穩態長脈沖高約束等離子體運行，創造了新的世界紀錄，EAST成為了世界上第一個實現穩態高約束模式運行持續時間達到百秒量級的托卡馬克核聚變實驗裝置。2017年11月，美國桑迪亞國家實驗室開啟氘—氚受控核聚變實驗，標志著美核聚變研究進入全新階段。

2.電化學儲能成為電網應用儲能技術解決新能源接入的首選方案

2016年5月，斯坦福大學William C. Chueh教授課題組牽頭的聯合研究團隊設計了一種全新的“同步液態掃描透射X射線顯微成像（STXM）”技術，借助該技術研究人員首次在介觀尺度實現對鋰離子電池充放電過程中單個納米顆粒活動行為的原位實時觀測和成像；2017年2月，勞倫斯伯克利國家實驗室利用集成X射線譜的全場透射顯微成像技術（FF-TXM-XANES）首次在納米尺度實現對鋰離子電池充放電循環過程中鋰錳鎳氧（LiMn1.5Ni0.5O4，LMNO）正極材料相變過程的詳細觀測研究，揭露了脫鋰過程中LMNO電極相轉變機制；5月，瑞士保羅謝爾研究所研究團隊利用X射線技術首次實現對鋰硫電池放電中間產物的直接觀測，對鋰硫電池反應機理有了進一步的深入認識，為設計和開發高性能鋰硫電池提供了重要的科學理論參考。

3.鈣鈦礦太陽電池技術新成果層出不窮

鈣鈦礦太陽能電池由敏化太陽能電池改進發展而來，具備更加清潔、便于應用、制造成本低和效率高等顯著優點。韓國科學家通過改進鈣鈦礦太陽能電池金屬鹵化物吸光材料的制造方法，使這種類型太陽能電池的能量轉化效率達到22.1%，而此前這類電池轉化效率的最高紀錄是20.1%。瑞士洛桑聯邦理工學院研發出新型鈣鈦礦太陽電池的轉換效率達到21.02%，創造新的世界紀錄。斯坦福大學、麻省理工學院、英國牛津大學、德國亥姆霍茲柏林材料與能源中心、瑞士聯邦材料科學與技術研究所均報道了鈣鈦礦與硅電池或銅銦鎵硒電池構建疊層電池的研究成果，通過帶隙匹配提高太陽光譜的吸收利用率，期望實現30%的轉換效率。針對新一代太陽能電池“鈣鈦礦太陽電池”材料，東京大學先端科學技術研究中心的科研人員，通過添加地球上較多存在的鉀元素，實現了結晶構造的穩定性，在不使用銣等稀有金屬的前提下，實現了20.5%的高轉換效率。此外，韓國淑明女子大學化工生命工學部的崔京民教授和樸民宇教授的研究團隊采用低溫工藝開發出高效柔性光伏電池。此項研究利用了鈦基金屬有機骨架材料，開發出的鈣鈦礦型柔性光伏電池具有新型的金屬氧化物電子傳輸層。

4.3D打印燃氣輪機葉片獲突破

增材制造技術是通過CAD設計數據采用材料逐層累加的方法制造實體零件的技術，相對于傳統的材料去除（切削加工）技術，是一種“自上而下”材料累加的制造方法，也被稱為“3D打印技術”。國際上增材制造經過20多年的發展，美國已經成為增材制造領先的國家，3D打印技術不斷融入人們的生活，在能源、醫療、建筑、教育等領域大量應用，催生許多新的產業。

2017年世界柴油機巨頭曼柴油機與透平公司正在將通過增材制造（3D打印）的零件裝配在燃氣輪機中，而這個零件是燃氣輪機上結構復雜的渦輪靜葉（噴嘴），這是全世界首例將如此復雜的3D打印零件用在燃氣輪機批產中。美國通用電氣（GE）公司宣布其最大的燃氣輪機9HA.02可以以64%的效能運行，打破了能源行業的記錄，其中最大的功勞應歸于3D打印，GE用3D打印為渦輪機制造了多個部件。

2017年2月，西門子公司成功完成對3D打印燃氣輪機葉片的滿負荷測試，這些發電用的燃氣輪機葉片是由英國的MaterialsSolutions公司通過3D打印生產的，其燃氣輪機轉速高達每分鐘13,000轉，工作溫度超過1250攝氏度(2282華氏度)，葉片被安裝在功率為13兆瓦(MW)的西門子SGT-400工業燃氣輪機上。

5.電動汽車電池續航技術大幅提升

電池充電及續航技術成為多國研發熱點，其技術突破將推動電動汽車產業加速發展。以色列Storedot公司研發出“超快速充電”電動汽車電池，可在5分鐘內完成充電，并支持汽車續航約483千米德國弗勞恩霍夫應用研究促進協會研制出一種超級電池，體積不變，可使電動汽車續航達100千米。美國菲斯克公司研發的固態電池可使電動汽車續航804千米，充電僅需1分鐘。韓國光州科學技術院和美國麻省理工學院合作研發出使電動車續航能力提高1倍的新型鋰電池。

6.氫燃料制取技術取得新進展

氫能源是目前備受期待的新一代能源。進入21世紀以來，氫能源的開發利用逐步增多，發達國家已經取得了一些新進展。其中，日本氫能源研究啟動早、發展快，在燃料電池和燃料電池車領域成績斐然，成為引領“終極環保車”的時代先鋒。從氫能與氫燃料電池全球發展的總體來看，歐美日等發達國家繼續加大研發投入和政策扶持，氫能與氫燃料電池在交通領域、固定式發電領域、通信基站備用電源領域和物料搬運領域都顯示出市場化的跡象，氫燃料電池技術應用總體已經在商業化初期嶄露頭角。

日本九州大學發明了近紅外線領域的太陽能制造氫氣的新方法。氫被認為是下一代主要能源，利用太陽能用水制造氫氣的方法最被看好。和以前利用光電效應使物質表面放出電子的研究方法不同，該研究利用了光驅動化學反應原理。德國科學家簡化了氫燃料制取和儲存的新工藝，將應用于工業化儲氫和生產，降低成本和能源消耗，對能源轉型具有重要意義。來自埃克塞特大學的可再生能源專家團隊率先推出了一項新型光電極技術，利用太陽光生產氫氣，從而創造出清潔、廉價的燃料，可以為家庭和燃料電池車輛等提供能源。通過這種光解水的方法產生的氫燃料不僅會顯著降低碳排放，而且幾乎可以實現無限能源供應。