能源科技是當今科技創新最主要和最活躍的領域 之一。在油氣、氫能、儲能、核聚變能等方面都有可能出現顛覆性新技術，不論哪一種顛覆性技術出現， 都會極大地改變世界能源供需格局。

摘要：能源科技的發展將深刻地影響著未來能源格局，因此能源發展前景預測對國家政策制定和企業戰略謀 劃都意義重大。文章在對能源現狀與發展趨勢分析的基礎上，總結了能源轉型多元化、低碳化、分散化、數 字化和全球化的“五化”特征，指出了 2016 年以來出現的中美經貿摩擦、低油價和人工智能技術應用等方 面的新變化特征，并就能源領域未來科技發展趨勢提出了低成本技術、信息技術和顛覆性技術 3 個方面的思 考，以期為我國積極應對能源轉型，布局未來能源科技提供點滴參考。

現代社會，能源、糧食和水是人類賴以生存的三 大必需品。能源關乎人類社會的全面發展，與國內生產總值（GDP）息息相關[1]（圖 1）。

能源發展前景預測對國家政策制定和企業戰略謀 劃都意義重大。能源科技的發展將深刻地影響未來能 源格局，“科技決定能源的未來，科技創造未來的能 源”[2]。為此，各國十分重視能源科技的發展，并制 定能源戰略計劃，如美國的《全面能源戰略》、歐盟 的《2050 能源技術路線圖》、日本的《面向 2030 年能源環境創新戰略》等。

我國《能源技術革命創新行動計劃（2016—2030 年）》提出，到2030年，建成與國情相適應的完善 的能源技術創新體系，能源技術水平整體達到國際先 進水平，以支撐我國能源產業與生態環境協調可持續 發展，以及進入世界能源技術強國行列的奮斗目標。 該計劃部署了 15 個重點領域，分別是：煤炭無害化 開采技術，非常規油氣和深層、深海油氣開發技術， 煤炭清潔高效利用技術，二氧化碳捕集、利用與封存技術，先進核能技術，乏燃料后處理與高放廢物安全 處理處置技術，高效太陽能利用技術，大型風電技 術，氫能與燃料電池技術，生物質、海洋、地熱能利 用技術，高效燃氣輪機技術，先進儲能技術，現代電 網關鍵技術、能源互聯網技術，以及節能與能效提升 技術，從而對我國能源技術體系未來發展做了全面論述。

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[3]，從核能、風能、太 陽能、儲能、油氣、煤炭、水能、生物質能、智能電 網與能源網融合等九大能源技術領域開展研究，制定 了前瞻性技術（2020 年）、創新性技術（2030 年）和 顛覆性技術（2050 年）三階段發展的能源技術路線。

近年來，隨著資源與環境的雙重約束，以及能源 科技進步，新能源成本快速降低，能源清潔低碳加速 轉型已成為全球發展趨勢。能源轉型不僅伴隨著產業 結構調整，同時也是能源科技進步的重要驅動力，科 技進步與能源轉型相互促進，正在深刻改變能源發展的前景。

本文是筆者在近 2 年參加科學技術部、國家能源局、國家自然科學基金委員會“十四五”規劃及面 向 2035 年的戰略研究過程中，基于對當前能源現狀與發展趨勢的分析，對能源領域未來科技發展趨勢所做 的 3 個方面思考與判斷，以期為我國積極應對能源轉 型，布局未來能源科技提供點滴參考。

1 能源現狀與發展趨勢

1.1 現狀

2019 年，全球能源消費總量達到了 138.62 億噸油 當量；其中，石油 44.7 億噸油當量，煤炭 38.3 億噸 油當量，天然氣 34.3 億噸油當量，化石能源總的占比 為 84.62%[4]，比 2010 年降低了 2 個百分點。同時，天 然氣長足發展，2019 年消費量是 1965 年的 6.35 倍，占 比從 15% 增長到 24.7%。更加清潔的天然氣替代了大 量石油和煤炭。

1.2 發展趨勢

對于未來能源發展趨勢，我們重點分析了 自 2016 年以來的“變”與“不變”，在“不變”中堅 守，在“變”中調整。

 近 10 年來，全球能源發展的主要趨勢沒有改變。

① 對于未來能源需求增長，世界上很多知名研究機構 都進行過預測（圖 2）：可再生能源和天然氣將成為 滿足未來全球能源需求增長的主要來源，“低碳化” 和“多元化”是未來能源發展的重要趨勢與特征。隨 著太陽能、風能、地熱能、海洋能及儲能等新能源快 速發展，能源正從過去以煤炭、油氣、電力集中式資 源供給，向集中式與“分散式”并重發展。

② 隨著 各種信息化技術在能源領域中的應用，特別是“數字 化”技術逐步打破了不同能源品種間的壁壘，也成為 未來的一大發展趨勢。在能源界，“沒有哪個國家能 夠在能源問題上獨善其身”“技術沒有國界”已經成 為大家的共識。

③ 全球能源互聯網概念的提出與全球 能源互聯網發展合作組織的成立是能源“國際化”的 一個重要標志。美國著名學者杰里米·里夫金在其著作 《第三次工業革命》[5]中，首先提出了能源互聯網的 愿景，引發了國內外的廣泛關注。2015 年 9 月 26 日，國家主席習近平在聯合國發展峰會上發表重要講話， 倡議探討構建全球能源互聯網，推動以清潔和綠色的 方式滿足全球電力需求，這是對傳統能源發展觀的歷 史超越和重大創新。能源科技國際合作越來越廣泛， 強度越來越大，投資 100 億美元的國際熱核聚變實驗 堆合作項目（ITER），就是一個典型案例。低碳化、 多元化、分散化、數字化和全球化將是未來能源發展 的主要方向。

在充分認識這些“不變”特征的同時，識別變化的特征與發展趨勢，是問題的關鍵。

① 自 2018 年以 來，美國把中國確定為競爭對手，特朗普政府挑起了中美經貿摩擦。繼后，美國國內要求與中國科技脫鉤 甚至是全面脫鉤的呼聲甚囂塵上，這是包括能源科技 領域在內的中國科技面臨的重大挑戰。我們要去掉幻 想，早做準備，堅持以我為主和開放合作的方針，加 大自主研發力度。

② 新冠肺炎疫情和石油價格戰的影響疊加，極大地打壓了石油價格。2020 年 3—4 月國 際油價一路下跌，4 月 20 日，美國西德克薩斯輕質中 間基原油（WTI）期貨價格更是跌至 −37.3 美元/桶， 開歷史先河！今后一個時期，油價低于 60 美元/桶是 大概率事件。

③ 人工智能、區塊鏈等技術突飛猛進， 將深刻地影響未來能源的發展，在某種程度上將改變能源格局與業態。顛覆性技術始終伴隨著人類科技進 步史，具有不可預見屬性。只有準確把握這些發展趨 勢，才有可能對未來能源科技發展趨勢做出較為準確 判斷。

 
2 低成本技術將是企業的核心競爭力

1967 年，美國石油地質學家 Hubbert[6]建立了用于 預測油田累計產量和最終可采儲量的“鐘形”模型。 此后，石油峰值論一度盛行，石油資源稀缺性被過度 強調。在這樣的背景下，獲取更多油氣儲量成為絕大 多數石油公司尤其是國際大石油公司的重要戰略目標 之一，那是一個“資源為王”的時代。

美國“頁巖革命”的成功，消除了人們對油氣資 源稀缺性的擔心。據美國能源信息署（EIA）的評價 結果，全球石油和天然氣技術可采資源總量分別多達 33 570 億桶和 648 萬億立方米[7]，油氣資源不再稀缺。 此外，由于太陽能、風能的利用，能源變得可再生， 取之不盡，用之不竭。誰擁有技術，誰就擁有能源資 源，這是一個“技術為王”的時代。

在“技術為王”的時代，獲取能源資源的成本或 效率是決定成敗之關鍵所在，因此發展低成本技術是 未來重要趨勢。近年來，可再生能源的快速發展就得益于其成本的大幅降低。2018 年公用事業規模光伏發 電的加權平均平準化電力成本（LCOE）相較 2010 年 降低了 77%，陸上風電的降幅也有 35%[8]。美國能源信 息署預測，美國 2022 年后投產的風電和太陽能發電項 目的 LCOE 都將低于燃氣發電[9]。在集中式可再生能源 發電大幅降低成本和快速發展的同時，分散式發電的 發展也在加速。據光伏協會公布的數據，2018 年中國 新增分布式光伏裝機 2 320 萬千瓦，占比為 52.7%，第 一次超過了集中式光伏；2019 年這種勢頭繼續維持， 而且小規模的戶用分布式光伏占了將近一半。

低成本可再生能源技術是能源科技發展的重點領 域。太陽能和風能是未來可再生能源的主體，而降低 成本、提高技術成熟度和構建合適的商業模式是可再 生能源未來的發展方向。在風能領域，未來技術發展 方向主要有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等。在 太陽能領域，需要重點發展太陽能光熱發電、薄膜電 池技術、太陽能制氫技術、可穿戴柔性輕便太陽電池 技術等[3]。

油氣領域的低成本技術也是能源科技發展關注的 焦點。到 2050 年，油氣在一次能源消費結構中占比仍 將保持在 50% 左右，這已成為業界共識。在近期儲量 增長最快的深水油氣領域，浮式天然氣生產、處理、 液化、儲存和卸載一體化平臺（FLNG）及海底生產 設備的應用，再加上結構的不斷優化，生產成本可降 至每桶 50 美元以下。頁巖油氣是今后增儲上產的另一 重要領域，2012—2016 年美國頁巖油開發的平衡油價 總體上降低了 50%，技術進步貢獻了 1/3 的降幅[10]。

低成本油氣技術發展方向很多。① 在地球物理勘 探方面，主要包括智能高效采集技術、基于深度學習 的地球物理資料自動處理和解釋技術，以及物探全過 程智能管理技術等。② 在鉆完井工程方面，主要包括 精確導向的智能自動鉆完井技術、鉆完井工程地質一 體化及井筒完整性技術、智能化壓裂裝備與技術，以及智能化機器人壓裂施工技術等。③ 在油氣田生產經 營方面，主要包括基于大數據和深度學習的新一代人 工智能油田技術、石油工業智能云網平臺技術，以及 人工智能機器人技術等。

 
3 信息技術將重塑能源未來

當前，世界正在經歷第四次工業革命，信息技術 日新月異，大數據、人工智能、區塊鏈等技術快速發 展。這些新興科學技術為能源行業的發展創造了機 遇，它們與能源行業的深度融合是獲取低成本技術的 重要途徑。低成本技術將改變世界能源的發展格局， 進而重塑未來的能源行業[11]。

能源行業是最早得益于數字化的行業。電廠、煤 礦和油氣田很早就已開始應用計算機等信息技術來提 高自動化和管理的水平，現在更提出了數字電廠、數 字礦山、數字油田、數字煉廠等概念，這些極大地提 高了勞動生產率，降低了人工成本。當前及今后一個 時期，是從數字化到智能化的時代。智能電廠、礦 山、油田和煉廠，將進一步優化生產流程，精簡機構 和人員——工廠“無人化管理”是基本模式，這將極 大地改變行業生態。

信息技術正在從更廣和更深的層次對能源體系進 行重構。從生產端到消費端，數字化將系統地改變 能源的整個產業鏈和生態體系，使整個產業鏈的每 個環節都有機地結合起來，從而極大地提高能源利用 效率。華為、阿里巴巴、騰訊、谷歌、特斯拉等新興 的技術公司都紛紛在能源領域開展業務——通過大數 據、人工智能等手段，提高整個系統的靈活性，從而 極大地提高能效，進而改變整個行業的產業鏈結構和 商業模式[12]。

區塊鏈技術將為能源行業注入新動力。區塊鏈技 術在能源領域已經被愈加廣泛地應用，在以原油為代 表的能源交易平臺、可再生電力的點對點交易、電動 汽車充電、電網資產管理、綠證追蹤管理甚至虛擬能源貨幣等領域都已嶄露頭角，這將會給能源領域帶來 更深刻的變化。

數字化轉型將重塑油氣行業。新一代人工智能技 術在石油工業上游的全面集成創新應用，將產生新一 代人工智能油田技術，實現對油氣行業傳統流程的升 級優化和組織再造，大幅度降低油氣行業成本，增強 企業競爭力和油氣行業持續生存的能力。

4 顛覆性技術是未來能源最大變數

能源科技是當今科技創新最主要和最活躍的領域 之一。在油氣、氫能、儲能、核聚變能等方面都有可能出現顛覆性新技術，不論哪一種顛覆性技術出現， 都會極大地改變世界能源供需格局。

4.1 油氣領域的顛覆性技術

水平井多段清水壓裂技術將使頁巖油氣實現經濟 有效的開采。這一顛覆性技術會極大地改變全球能源 格局。應用物理與化學相結合的方法，對低成熟度頁 巖油、稠油進行原位改質，這有可能是繼“頁巖革 命”之后的另一次革命。一旦這一顛覆性技術取得成 功，又一巨大油氣資源將得以經濟、有效的開發和利 用。納米技術和新材料也有可能催生出顛覆性的油氣 提高采收率技術，如地下納米機器人驅油和地下油水 分離技術等。多用途激光工具與鉆井技術結合，或許 可以顛覆傳統的鉆井方式，即由激光熔融替代機械破 巖，提高鉆井效率。

4.2 氫能源技術

 氫能源技術在能源領域產生顛覆性影響的關鍵在 于低成本、高性能的氫燃料電池技術和低成本、高效 率的工業化制氫技術。近年來，世界各國都已認識到 氫能作為二次能源在能源轉型中的重要性，很多國家 都高度重視氫能源產業的發展，把氫能源產業提升到 國家能源戰略的高度，制定氫能發展戰略，并出臺促 進其發展的扶持政策[13]。一旦借助石墨烯、納米超材 料等新材料的電解制氫技術取得重大突破，氫燃料大規模甚至完全替代化石燃料將是有可能的。隨著新材 料聚合物電解質膜燃料電池技術的成熟和相關基礎設 施的完善，以氫能為動力的汽車、火車和輪船等將替 代燃油機動車成為主要的交通工具。歐洲已經開展不 少天然氣管道摻輸氫氣的試驗項目，以期為氫產業大 規模發展做好準備[14]。

4.3 儲能技術

儲能技術被稱為“能源革命的支撐技術”，在 很多方面都將發揮重大的作用。

① 對于電力系統而 言，儲能可為電網提供調峰調頻、削峰填谷、黑啟 動、需求響應支撐等多種服務，提升傳統電力系統的 靈活性、經濟性和安全性。

② 在可再生能源開發方 面，儲能可顯著提高風電和太陽能發電的消納水平， 支撐分布式電力及微網。隨著分布式光伏、小型生物 質能源、天然氣冷-熱-電三聯供、燃料電池等分布式 能源技術的日益成熟，以及相關的儲能、數字化等技 術的進展，分布式能源未來還將獲得更加迅猛的發 展。

③ 在交通方面，儲能將在能源互聯互通、融合新 能源汽車在內的智慧交通網絡方面起到關鍵作用。有 可能為能源行業帶來顛覆性影響的是基于新材料的新 型電池儲能技術，如石墨烯超級電容器、碳納米材料 自儲能器件、超導電磁儲能技術等。如果低成本高效 率的儲能技術出現并投入大規模商業化應用，將極大 地促進可再生能源的發展，使新能源交通工具大規模 甚至完全替代燃油交通工具。

4.4 可控核聚變技術

核聚變能是人類理想中的終極能源，具有諸多 優勢。可控核聚變的主流技術方案主要有 2 種，即 磁約束核聚變（MFC）和慣性約束核聚變（IFC）。 目前，世界上的核聚變相關研究計劃比較多，如國 際熱核聚變實驗堆（ITER）計劃、美國國家點火裝 置（NIF）、美國懸浮偶極子試驗裝置（LDX）、美 國 Z-IFE 裝置、美國 Lawrenceville Plasma Physics 研 究項目、美國 FRX-L 研究項目、加拿大通用聚變、歐洲高功率激光能源研究（HiPER）計劃和 德國 Wendelstein 7-X 等。中國于 2007 年正式加 入 ITER 計劃，同時也在大力推動國內的核聚變科 學技術研究。我國已圓滿完成了聚變工程實驗堆 （CFETR）概念設計，目前正在開展工程設計。中 國環流器二號 A裝置（HL-2A）和全超導托卡馬克核 聚變實驗裝置（EAST）等大科學裝置也先后建成， 多項物理實驗研究成果居于世界前列。HL-2A 在國 內首次實現了偏濾器位形放電、高約束模式運行。 2017 年 7 月，EAST 在世界上首次實現了 5 000 萬度等 離子體持續放電 101.2 秒的高約束運行，再次創造了 磁約束核聚變研究新的世界紀錄[15]。

5 結論

隨著減排和環境保護形勢的日益嚴峻，在新能源和 智能化等技術進步和成本快速下降的推動下，全球能源 沿著多元化、低碳化、分散化、數字化和全球化的方 向加速轉型，正在進入一個能源轉型發展的時代。同 時，中美經貿摩擦、沙俄油價戰、新冠肺炎疫情等使能 源未來發展充滿不確定性。新的能源技術和新的商業模 式將改變傳統的能源供應模式，綜合能源服務會逐步成 為主流。新能源和天然氣等清潔能源將滿足未來大部分 新增的能源需求，能源體系也將發生結構性的變化。 低成本技術將成為未來能源科技發展的主流，人工智能 等信息技術將重塑能源未來。未來在油氣、氫能、儲 能、核聚變能等領域都有可能出現顛覆性新技術，從而 根本性地改變未來能源的圖景。準確把握能源技術發展 趨勢，對于指導科技創新的方向，以及國家制定能源政 策和企業戰略轉型都具有重要意義。

參考文獻

1 Tverberg G. Low Oil Prices: An Indication of Major Problems Ahead? [2018-11-28]. https://ourfiniteworld.com/2018/11/28/ low-oil-prices-an-indication-of-major-problems-ahead/.

2 國家發展改革委, 國家能源局. 能源技術革命創新行動計 劃（2016—2030年）. [2016-06-01]. http://www.nea.gov. cn/2016-06/01/c_135404377.htm.

3 李立浧, 饒宏, 許愛東, 等. 我國能源技術革命體系戰略研 究. 中國工程科學, 2018, 20(3): 1-8.

4 中國石油經濟技術研究院. 2019中石油經研院能源數據統 計. 北京: 中國石油經濟技術研究院, 2020.

5 Rifkin J. The Third Industrial Revolution. New York: Palgrave Macmillan, 2011.

6 Hubbert M K. Degree of advancement of petroleum exploration in the United States. AAPG Bulletin, 1967, 51(11): 2207-2227.

7 EIA. Technically Recoverable Shale Oil and Shale Gas Resources: An Assessment of 137 Shale Formations in 41 Countries outside the United States. [2013-06-13]. https:// www.eia.gov/analysis/studies/worldshalegas/archive/2013/pdf/ fullreport_2013.pdf.

8 IRENA. Renewable Power Generation Costs in 2018. Abu Dhabi: International Renewable Energy Agency, 2019.

9 EIA. 2020. Levelized Cost and Levelized Avoided Cost of New Generation Resources in the Annual Energy Outlook 2020. [2020-05-06]. https://www.eia.gov/outlooks/aeo/pdf/ electricity_generation.pdf.

10 Nysveen P M. Global oil market trend. [2016-09-28]. https:// www.eia.gov/finance/markets/reports_presentations/2016PerM agnusNysveen.pdf.

11 IEA. Digitalization and Energy. Paris: OECD/IEA, 2017.

12 楊雷. 能源的未來——數字化與金融重塑. 北京: 石油工業 出版社, 2020.

13 IEA. The Future of Hydrogen. Paris: OECD/IEA, 2019.

14 Alvera M. Generation H–Healing the Climate with Hydrogen. Milan: Mondadori, Italy, 2019.

15 中國國際核聚變能源計劃執行中心. “人造太陽”計劃： 和平利用聚變能. 國際人才交流, 2019, (9): 8-10.

來源：中國科學院院刊，作者：金之鈞 白振瑞 楊雷