導讀：能源是事關國家發展和安全的戰略必爭領域，低碳技術創新與顛覆性能源技術突破是推動能源革命與工業革命、落實國家“碳達峰、碳中和”戰略最關鍵的核心動力。當前全球能源生產與消費革命不斷深化，能源系統持續向綠色、低碳、清潔、高效、智慧、多元方向轉型。能源技術變革推動能源產業從資源、資本主導向技術主導轉變，將給世界地緣政治格局和經濟社會發展帶來重大而深遠的影響。
在國家需求導向和碳中和戰略引領下，全球能源體系正在從化石能源絕對主導向低碳多能融合方向轉變，新一輪能源革命呈現出“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”的特點，新能源技術和一系列新興技術的發展和深度融合，推動能源生產、轉化、運輸、存儲、消費全產業鏈發生深刻變革。
01，化石能源利用向清潔、高效、智能、節水、降耗減排方向轉型
能源和工業結構中大規模存量化石能源的清潔高效轉化利用是當務之急，重點研究C-H、C-O、C-C等含能化學鍵的有效活化、結構再造與能量存儲新路線等關鍵科學問題。發展新型熱力循環與高效熱功轉換系統、碳基能源高效催化轉化、多點源污染物一體化控制等清潔低碳技術，推進化石能源利用重心由碳燃料向碳材料轉變，實現寶貴碳資源高附加值利用。
新型熱力循環與高效熱功轉換系統聚焦靈活多源發電、超高參數發電、新型工質熱工轉換以實現高效低排放。日本三菱電力成功投運全球最大規模整體煤氣化聯合循環發電機組（543兆瓦），發電效率達到48%。英國啟動全球首個Allam-Fetvedt循環燃氣發電項目，以推進先進超臨界CO2布雷頓循環技術。碳基能源高效催化轉化不斷創新。碳基材料低成本轉化取得突破，美國萊斯大學利用低成本焦耳熱閃蒸技術成功將含碳礦石轉化石墨烯工藝量產，在不到2小時生產1公斤石墨烯。甲烷催化轉化實現低溫路線創新，美國斯坦福大學和比利時魯汶大學利用沸石催化劑實現了甲烷向甲醇的室溫轉化，中科院上海高研院開發的低溫催化甲烷非貴金屬銅雙原子催化劑轉化效率比單原子催化劑高300%。
02，高比例可再生能源系統成為構建現代能源體系的主體
著眼長遠零碳能源結構和低碳工業的變革，優先推進構建高比例可再生能源系統替代化石能源。重點研發太陽能高效低成本光電光熱轉化、深海高空風電高效轉化、生物質高效轉化與高值利用以及新型電力系統等關鍵核心技術，促進高比例可再生能源電力消納與多能源載體綜合利用，大幅增加可再生能源在能源生產和消費中的比重，支撐可再生能源在碳中和時代成為主體能源。
太陽能高效低成本轉化利用新技術不斷取得突破。德國亥姆霍茲柏林中心晶硅-鈣鈦礦疊層電池效率創造29.8%新高。中科院大連化學物理研究所千噸級液態太陽燃料合成示范項目成功運行，工藝裝置具有完全自主知識產權，整體技術處于國際領先。風電向遠海高空、大型化、智能化、高可靠性發展。西門子歌美颯完成全球單機容量最大的14兆瓦風電機組原型機發電試驗。明陽智能完成16兆瓦海上風機設計認證，計劃2022年推出樣機，2024年實現商用。生物質高效轉化與高值規模化利用新路線和新工藝取得新進展。比利時魯汶大學開發一種新型木質纖維素高效化學催化煉制工藝，實現了木質纖維素全組分高效降解利用。廈門大學首次將接力催化概念應用于生物質催化轉化，實現了葡萄糖經葡糖二酸的己二酸高效綠色合成，為生物質高效脫羥基提供了新的催化策略。
03，四代裂變堆研發及聚變堆實驗突破推進核能邁向安全高效可持續發展道路
發展安全、高效、經濟、可持續的先進核能系統，攻克先進核裂變能燃料循環、裂變燃料增殖與嬗變以及核能多用途利用等重大科技問題。瞄準長遠持續推進聚變堆實驗與示范，攻關磁約束聚變和慣性約束聚變核物理基礎科學與關鍵技術問題，到本世紀中葉實現聚變商用，充分發揮核能戰略性能源作用。
核電強國積極布局四代核電技術研發應用。俄羅斯成功實現全球唯一浮動式核電站商業運行，建造的BN-800快中子堆首次使用鈾-钚混合氧化物(MOX)燃料進行完全換料，標志向閉式燃料循環邁出了重要一步。美國愛達荷國家實驗室建設熔鹽實驗快堆，將是世界上首座達到臨界狀態的熔鹽快堆。可控核聚變等離子體理論研究、材料開發和運行試驗方面不斷涌現新的成果。中科院等離子體物理研究所實現了可重復的1.2億度101秒等離子體運行和1.6億度20秒等離子體運行，再次創造托卡馬克實驗裝置運行新的世界紀錄。中國科學技術大學在新一代神威超級計算機上首次實現聚變堆全裝置動理學等離子體演化模擬，研究成果入圍被稱為“超算領域諾貝爾獎”的戈登貝爾獎。美國國家點火裝置成功實驗獲得了1.3兆焦聚變產額新紀錄，達到了“核聚變點火的門檻”。英國“兆安培球形托卡馬克”裝置成功完成升級并首次獲得等離子體。
04，低碳氫/氨技術不斷創新突破，推動向多元場景應用發展
推動氫和氨等新能源化學體系的建立，解決新能源開發與轉化過程中的重大科學問題。加快發展低碳高效的綠氫/氨制備、儲運以及利用技術，開發不同場景下基于氫/氨的新型系統概念，以氫/氨作為關鍵能源載體實現多種能源資源的靈活互補，并通過轉化為電/熱/氣或作為替代原料促進多個難減排工業部門的脫碳。
綠色氫/氨制備技術路線不斷突破。德國烏爾姆大學開發出一種可在-20℃環境運行的太陽能熱耦合電解水制氫系統。澳大利亞莫納什大學通過質子穿梭策略實現全球首次常溫常壓下的零排放氨合成。氫氣儲運技術聚焦開發更高效、易運輸的載體材料。美國西北大學開發出具有超高孔隙率和表面積的金屬有機框架儲氫材料。德國馬普學會鋼鐵研究所運用反常規策略，在保持硬度和延展性的同時將輕質金屬材料的抗氫脆能力提升了兩倍。氫/氨應用逐漸向靈活、高效的多元場景發展。鋼鐵巨頭安賽樂米塔爾公司將建造全球首個融合太陽能發電、電解制氫的綠氫直接還原煉鋼工廠。歐盟資助全球首個氨燃料電池船舶項目，開發船用2兆瓦級氨燃料電池。
05，新型低成本規模化儲能技術正處在一個重要突破關口
開發超越傳統體系的儲能新材料與系統，研究電/熱/機械能與化學能相互轉化規律。重點推進大規模長壽命物理儲能應用，發展新型電化學能量儲存與轉化機制，變革鋰離子電池為代表的儲能體系，實現長壽命、低成本、高能量密度、高安全和易回收的新型儲能技術廣泛應用。
新型壓縮空氣儲能向大容量、長壽命和高安全性不斷探索。清華大學開發轉換效率60%以上的世界首個非補燃壓縮空氣儲能電站。中科院工程熱物理所10兆瓦國際首個鹽穴先進壓縮空氣儲能調峰電站正式并網發電，并即將建成具有完全自主知識產權的國際首套100兆瓦先進壓縮空氣儲能項目。全固態電池作為下一代高能量密度儲能技術受到廣泛關注。中科院物理研究所首次構建出100%全活性電極的全固態電池，電池能量密度達到770瓦時/千克。日本豐田汽車展示了全固態電池汽車原型車，續航500公里，充電僅需10分鐘。金屬-空氣電池仍需不斷探索，以實現實際生產應用。漢陽大學首次開發出兼具高電池級能量密度（523瓦時/千克）和長循環壽命（在25毫安/平方厘米電流密度下穩定循環6000圈）的可商業化全固態鋅空氣軟包電池。德美中三國合作開發全新的非堿性可充電鋅空電池，與傳統堿性電解液相比，鋅負極利用率提高十倍以上。鈉離子電池是“后鋰電”時代重要的發展方向。中科海鈉推出了全球首套1兆瓦時鈉離子電池儲能電站并投運使用，日本發布世界首個氧化物全固態鈉電池原型，其中正負極均采用無機氧化物微晶玻璃材料，無需鋰、鈷等稀缺資源。
06，多能融合智慧能源系統成為各國低碳轉型新的戰略競爭焦點
未來能源體系將發展為多能融合智慧能源系統，深入探索能的綜合互補利用原理及關鍵技術，開發多能系統規劃設計及運行管理技術，攻克能源生產、輸配、存儲、消費等環節的多能耦合和優化互補核心科技問題，并深度融合新一代信息技術形成智慧能源新產業，保障能源利用與生態文明同步協調發展。
發達國家/地區已經開始探索一體化、智能化多能融合體系的架構設計。美國2020年啟動首個氫能-核能復合能源系統示范項目，2021年發布《綜合能源系統：協同研究機遇》報告提出構建多能流綜合能源系統。歐盟發布一系列短中長期研發規劃推動發展高度融合可再生能源、深度電氣化、廣泛數字化、完全碳中和的泛歐綜合能源系統。日本“福島系能源社會”示范項目探索到2040年構建100%可再生能源供應、基于氫能、發展智慧社區的未來多能融合能源系統，已建成全球最大可再生能源電力制氫示范廠。數字技術正加速與多能融合系統的深度融合。美國能源部人工智能與技術辦公室發布2021-2022年工作計劃，加快人工智能的研發和應用。殼牌與微軟等公司聯合推出“開放式人工智能能源計劃”推動能源及能源加工產業的數字化轉型。華為公司推出數字能源解決方案，并提出能源T戰略助力能源行業轉型發展。英國電力系統運營商啟動一項全行業計劃，將開發涵蓋全英能源系統的“數字孿生”。
07，碳捕集、利用與封存技術被認為是實現碳中和的兜底技術，受到世界各國廣泛重視
聚焦碳元素高效轉化和循環利用，發展CO2捕集、轉化和耦合利用相關的負排放技術，實現CO2源頭低能耗捕集在碳密集行業的規模應用，著眼長遠實現高效光、電、熱、生物轉化利用CO2機理等方面關鍵突破，開發高效定向轉化合成有機含氧化學品、油品新工藝，發展高效光/電解水與CO2還原耦合的光/電能和化學能循環利用方法，實現碳循環利用。
CO2捕集技術在研發與產業示范方面取得進展。中科院過程工程研究所開發出離子液體CO2捕集分離的吸收劑，CO2捕集率大于90%，投資及捕集成本較傳統MEA工藝降低30%。日本航運公司川崎汽船宣布在散貨輪船上安裝全球首個船載CO2捕集裝置。Climeworks公司建造世界上最大的DAC設施在冰島上線。山西大唐國際云岡熱電有限責任公司建設的世界首個煤電CO2捕集及資源化利用全產業鏈生產線進入試生產。CO2資源化利用探索向高價值產品的多元轉化。瑞士蘇黎世聯邦理工學院開發包含直接空氣碳捕集、太陽能熱化學驅動CO2還原、合成氣合成液態烴/甲醇的一體化裝置。中科院天津工業生物所實現全球首次CO2到淀粉的從頭合成。
08，工業低碳轉型是實現全球凈零排放的關鍵，重點行業碳減排技術受到主要國家高度關注
聚焦工業原料/燃料替代、過程工藝革新、能量梯級回收和資源循環利用，重點發展綠色冶金工業過程工程、可持續綠色化工材料與工藝過程、低碳建材與工藝過程，推動高耗能高排放產業流程低碳再造。
加快燃料/原料清潔替代，提高工業領域非化石能源比重成為業界追求。中國海螺水泥有限公司建成國內首套生物質替代燃料系統，替代率超過40%，實現20萬噸/年CO2減排量。阿聯酋環球鋁業集團打造世界上第一個采用太陽能電力的鋁冶煉廠。全球主要水泥生產商CEMEX與瑞士初創企業Synhelion合作，計劃打造全球首個使用高溫聚光太陽能技術零排放生產水泥的系統。低碳冶金多條工藝路線取得進展，氫基直接還原鐵技術取得商業化突破。波士頓金屬公司圍繞熔融氧化物電解(MOE)冶煉工藝進行1000倍試驗放大，將于2022或2023年進行半工業化驗證。美國猶他大學將開展氫閃速熔煉鐵反應器中試。瑞典鋼鐵公司交付全球首批氫直接還原技術冶煉的鋼材。水泥工業原料替代技術研究取得突破性進展。德國馬丁路德·哈勒維騰貝格大學開發了一種氣候友好型水泥替代品，新工藝可以減少三分之二以上CO2排放。斯坦福大學發明了采用火山巖替代石灰石的低碳水泥，可將材料制造過程中的碳排放量減少近三分之二。
來源 ：中國科學院武漢文獻情報中心 中國科學院文獻情報中心
