能源伴随着人类文明发展的每一个阶段。第一次工业革命和第二次工业革命,本质上都是能源革命,其极大地推动了历史进程,显著地改变了世界格局,并决定了各国迥然不同的历史命运。
目前,世界能源发展在资源、环境、结构、安全、效率等方面都面临着重大挑战。化石能源的大量开发使用,导致环境污染、气候变化等问题日益突出,严重威胁人类生存和可持续发展,建立在化石能源基础上的传统能源发展方式已难以为继,成为当前人类社会发展面临的共同挑战。在这种形势下,我国政府审时度势,提出了“加快能源革命,构建能源强国”“碳达峰、碳中和”“构建清洁低碳安全高效能源体系”“构建以新能源为主体的新型电力系统”等目标,能源科学技术受到前所未有的关注和重视,能源科学技术发展对我国实现“双碳”目标、落实创新驱动发展战略、建设社会主义现代化强国、掌握关键核心技术与占领国际制高点具有重要的战略意义。全面梳理总结能源科学技术发展现状、科学预测其发展趋势、擘画其发展蓝图,对能源行业发展具有重大的指导意义。
本书形成的主要成果如下。
1)我国能源科学技术发展思路
当前及未来几十年是我国经济社会发展的重要战略机遇期,也是能源科学技术发展的重要战略机遇期。根据国家的重大需求,立足我国能源科学技术的现有基础与条件,着眼于能力建设和长远发展,通过加强基础研究推动能源科学技术的可持续发展。
我国能源科学技术发展的指导思想:从支撑国家安全和国家可持续发展的高度出发,紧扣能源革命和“双碳”目标,立足能源科学技术的学科基础,丰富和发展能源科学的内涵,构筑面向未来的能源科学学科体系,加强基础研究与人才培养,形成布局合理的基础研究队伍,为我国能源安全及社会、经济、环境的和谐发展提供有力的支撑,努力把我国建成世界主要能源科学中心和能源技术创新高地。
我国能源科学技术发展的总体目标:到2035年,要突破能源科学的若干基础科学问题和关键技术,形成完善的能源科学体系;建立一支高水平的研究队伍,显著增强我国能源科技自主创新能力;推进基础理论和技术应用的衔接,促进创新链与产业链的高度融合,促进全社会能源科技资源的高效配置和综合集成;加强科技平台及大科学装置的建设,显著增强能源科技保障经济社会发展和国家安全的能力;能源基础科学和前沿技术研究综合实力显著增强,能源开发、节能技术和清洁能源技术取得重要突破,形成一大批变革性能源技术,总体达到世界能源科技先进水平;能源结构和能源供给得到优化,实现2030年之前碳达峰,逐步形成满足在2060年之前实现碳中和的低碳能源利用技术;建成新一代以新能源为主体的高效、安全、可靠的新型电力系统,提高电能在终端能源消费中的占比,主要工业产品单位能耗指标达到或接近世界先进水平,使我国进入能源科技先进国家行列。
2)我国能源领域的关键科学技术问题
我国能源发展的关键科学技术问题主要有:化石能源、多种可再生能源及储能系统耦合的清洁低碳燃料转换与发电机制;太阳能和风能利用过程的能量传递、转换、储存和利用机理;以新能源为主体的新型电力系统关键理论与技术、安全性及其调控机制、市场机制和法规体系的构建;以电为中心的能源系统形态构建及其传输运行控制理论;不同物质流、能量流、信息流之间的转换调控集成以及低成本规模化能量转换和利用理论与技术。具体包括以下各方面。
(1)化石燃料特性控制、混合设计及其清洁低碳高效燃烧基础理论;化石燃料的定向利用新机制和新途径;灵活多源智能发电系统集成控制的技术研发和工程示范;非常规油气开采过程中多相多组分输运与连续排采理论;超临界CO2提高非常规天然气开采技术;非常规油气资源的协同开发利用技术。
(2)可再生能源高效开发利用理论;可再生能源热力系统优化理论;先进能源转换理论;多类型水合物生成及分解热力学和动力学机理;生物质热化学转化机理与过程强化;可再生能源的高效准确勘查评估技术;数值核反应堆技术;规模化储能技术;新型太阳能电池制造技术;风能利用气动机理及结构动态特性调控技术。
(3)智能电网中物理—信息—社会系统基础理论;高比例可再生能源接入场景下的低惯量电力系统调度运行与控制理论;面向大规模可再生能源消纳的电力市场基础理论与定价机制;可再生能源并网与发电控制技术;面向高比例新能源并网的多端柔性直流输配电系统设计、控制与保护一体化技术;电力装备智能化技术;新型输电技术。
(4)异质能源系统耦合作用机理;多主体异质能流耦合的多尺度协同性;信息—能量—社会融合系统安全机理与协同优化;多能源市场时空耦合机理;数据—机理双重驱动的综合能源系统建模方法;综合能源系统数字孪生仿真技术及平台;面向“碳达峰、碳中和”的综合能源系统结构形态优化规划方法。
(5)新概念/新原理气动热力布局;高参数、极端工况下流体机械复杂内流理论与流动控制;设计软件工具、系统集成、先进材料制造工艺、关键零部件;系统匹配优化、健康管理、故障诊断与智能化调控技术;700 先进超超临界燃煤发电技术汽轮机关键部件金属材料技术。
(6)复合场作用和极端条件下电介质材料基础理论;多特征参量信号传感机理与状态诊断理论;复杂多约束条件下高效能高品质电机系统设计、分析与驱动控制理论;环保型绝缘材料设计与合成;高精度状态信息感知与诊断技术;直流高压开关、高速电弧开断、高压套管等高端输变电装备技术;复杂环境工况高效能电机技术。
(7)可再生能源储能系统优化理论与方法;新型储能与电力系统耦合机理;储能材料能/质多物理场耦合传递转化机理;复合储能技术;热化学储能技术;电化学储能技术;模块化飞轮储能技术;超级电容器的整体构筑策略。
(8)超临界水煤气化过程的多相流热物理化学基础理论;超临界水煤气化制氢耦合发电系统集成优化理论;新型储氢机理;复合储氢技术的结合机理;煤的超临界水气化制氢与发电多联产制氢技术;光催化光热耦合制氢技术;高效电解水制氢系统;氢压缩技术;燃料电池电催化剂与系统水热管理技术。
(9)能源高效清洁利用原理;污染物的处理及利用原理;规模化高效储能机制;能源梯级综合利用和系统集成理论;能源—经济—社会—环境复杂作用机理;建筑光储直柔配电系统构建方法;可再生能源应用于建筑的产—供—用—蓄—调一体化分析方法;交通能源全生命周期及对环境和生态的影响机制。
(10)面向碳减排的生态工业基础理论和技术示范;碳减排技术的环境影响评估与风险控制理论;碳减排对能源及工业产品价格波动的影响机制;碳交易对碳减排的激励和约束作用;高碳能源的无碳—低碳转换与排放技术;低碳燃料合成及二氧化碳资源化利用;基于可再生能源集成的多能互补碳减排技术;低成本高效率碳捕集、利用与封存技术。
3)我国能源科学技术的重点研究方向
现代能源科学技术的主要发展趋势是低碳化、多元化、绿色化、智能化。
(1)化石能源的清洁低碳智慧高效利用,包括:煤炭、石油、天然气的清洁、低碳、智慧、高效利用的基础理论、计算模型、测量方法、关键技术;非常规油气开采、炼制、利用全过程调控实现高效清洁开发利用;常规、非常规油气资源协同开发;多种资源的立体高效利用。
(2)可再生能源与新能源转换利用的调控、优化、匹配、集成,包括:可再生能源热力系统优化;变工况太阳能光热利用体系;生物质热化学转化机理与过程强化;高效制氢新方法;数值核反应堆技术;规模化储能方法;基于可再生能源与新能源的综合能源系统。
(3)面向高比例可再生能源的电力系统安全高效运行,包括:电力系统安全高效运行基础;清洁低碳电力技术;物理—信息—社会系统基础;电力装备智能化技术;新型输电技术。
(4)规模化综合能源系统的耦合安全与协同优化,包括:综合能源系统耦合建模与数字孪生仿真;综合能源系统安全评估与防御;综合能源系统能量管理与运行控制;规模化多能存储及储能系统集群优化;多元化辅助服务市场。
(5)高效、宽域、低碳动力装置与热能利用,包括:高超声速、新能源航空发动机;低碳/零碳燃气轮机;新概念/新原理气动热力布局;适应电网调频调峰需求的汽轮机负荷快速响应技术;新一代内燃机高效清洁燃烧技术;高参数、极端工况下流体机械复杂内流理论与流动控制;吸收—压缩耦合新型热泵循环;高效储热—热泵耦合系统。
(6)高可靠性、智慧感知、绿色环保的新型电力装备,包括:高可靠性、绿色环保的电工材料;复合场作用和极端条件下电介质材料演化规律;微电子、光学等高灵敏度、分布式信息感知方法;复杂多约束条件下的高性能电力器件与装备设计。
(7)储能系统中的核心器件研发与集成优化,包括:可再生能源储能系统优化;新型储能与电力系统耦合;复合式储能;储能器件的传热传质优化;热化学储能;电化学储能电极材料与电解液;高效固液相变储能材料;模块化飞轮储能;超级电容器。
(8)氢能的绿色规模生产、安全储运及高效利用,包括:煤的超临界水气化制氢与发电多联产制氢技术;光催化光热耦合制氢技术;高效电解水制氢系统;氢压缩技术;安全高效的复合储氢材料;高性能低成本燃料电池电催化剂与系统水热管理。
(9)终端用能的能源清洁、高效、低碳利用,包括:能量高效和清洁转换;工业废物处理和噪声治理;新能源和可替代能源利用技术;“双碳”目标下建筑物本体的关键节能技术;可再生能源应用于建筑的产—供—用—蓄—调方法;高效清洁的发动机燃烧理论;替代燃料和动力电池技术。
(10)大规模低成本的碳捕集、利用与封存技术,包括:碳排放技术层面与系统层面;高碳能源的无碳—低碳转换与排放技术;低碳燃料合成及二氧化碳资源化利用;低成本高效率碳捕集、利用与封存技术;碳减排技术的环境影响评估与风险控制。
4)我国能源科学技术前沿交叉重点研究方向
能源科学技术是一个高度综合、具有很强学科交叉特点的研究领域。能源与信息、智能、材料等领域的交叉融合迅猛发展,新技术不断涌现。
(1)化石能源与其他学科交叉研究:煤燃烧与材料科学、信息科学、计算机通信、人工智能、大气科学、环境科学、化学、地质学、生命科学、医学和经济学等领域交叉;与机械、材料、信息、环境等领域的新方法、新技术交叉融合,全面提升煤转化系统的本质安全、清洁高效和低碳绿色水平。
(2)可再生能源及新能源与其他学科交叉研究:太阳能利用与建筑节能;太阳能利用与环境保护;多能源供应体系下的能量利用系统优化;太阳—植物光合作用;太阳能化学与生物转化的基础科学问题研究;太阳能规模制氢与燃料电池耦合系统及其内部多相多物理及化学过程的理论及关键技术;风、水、光互补系统设计、运行与控制;基于生物质能—太阳能的农村多能互补系统设计、运行与控制;多能互补网络。
(3)电能及智慧能源系统与其他学科交叉研究:智能电网的信息平台;风能和太阳能的短期预测与电力调度;大容量高密度储能技术;新型电工材料;高效节能的照明技术;能源互联网与数字孪生;能源云与边缘计算;能源智能硬件及其智慧软件。
(4)储能与其他学科交叉研究:新抽水蓄能创新形式建设涉及工程热物理、地质学、采矿工程等交叉领域;先进储能材料;新型电磁/超导磁悬浮技术;电池管理系统的设计和开发。
(5)氢能与其他学科交叉研究:光生物制氢技术中的光能吸收、转化和利用;储氢材料;氢燃料电池应用中的新型关键材料、耐腐蚀材料,非铂或者低铂催化剂。
(6)CO2控制相关的基础理论研究涉及能源、环境、化工、生物、地学和规划管理等多个学科领域:燃料化学能梯级利用的温室气体控制(与化学学科交叉);CO2储存与资源利用方法(与环境、地学学科交叉);低碳排放型循环经济生态工业系统(与管理学科交叉)、CO2的化学利用。
为实现我国能源科学技术发展的总体目标,本书还从科研队伍建设与人才培养、变革性能源技术研发和创新、重大能源科技创新平台建设、能源技术推广等方面提出了具体建议。
能源科学涵盖面很广,除以上内容外,还涉及能源资源的勘查与开采、能源的利用与环境影响等内容。这些内容已经安排在丛书其他分册中。
Abstract
Energy accompanies every stage of the development of human civilization. Both the frst industrial revolution and the second industrial revolution are essentially energy revolutions, which have greatly promoted the historical process, signifcantly changed the world pattern, and fnally determined the very diferent historical destinies of nations.
At present, the global energy development is facing major challenges in terms of resources, environment, structure, security, and efficiency. The large-scale development and utilization of fossil energy has led to increasingly prominent problems such as environmental pollution and climate change, which seriously threaten the survival and sustainable development of human beings. The traditional energy development mode based on fossil energy has become unsustainable and then become a common challenge to the development of human society. Under this situation, the Chinese government has put forward the strategic goals of “energy revolution” “carbon peaking and carbon neutrality” and “building a clean, low-carbon, safe and efficient energy system and building a new power system with new energy as the main body”. Energy science and technology have received unprecedented attention and concerns. The development of energy science and technology has important strategic significance for China to achieve the “dual-carbon goals”, implement the innovation-driven development strategy, build a socialist modernized power, master key core technologies, and occupy the international commanding heights. It is of great guiding signifcance to comprehensively sort out and summarize the development status of energy science and technology, scientifically predict its development trend, and draw its development blueprint.
Allowing for the background mentioned above, the National Natural Science Foundation of China (NSFC) and the Chinese Academy of Sciences (CAS) specifcally set a research project of energy R&D in the series of “Research on the Development Strategy of Chinese Disciplines and Frontier Fields (2021—2035)”. A research team is involved in the project with almost 100 scientists of different ages engaged in various fields related to energy study from Chinese Academy of Sciences, universities and professional research institutes, forming an experienced team for composition with vigour, including a consultant group, a secretary group and a cooperation mechanism between NSFC and CAS. After nearly 20 seminars and 3 rounds of consultation from experts and academicians, and revisions of nearly 10 drafts, this book was completed in December 2021.
This book is composed of 13 chapters. Chapter 1 summaries the development trends of international energy science and technology, analyzes the current overall status of energy science and technology in China, and points out the national energy R&D strategies including the overall objective, development goals and the selection principles of priority research areas.
Based on the discipline foundation of energy science and technology, Chapters 2 to 11 describe the basic connotation, orientation, development status and laws of various key felds of energy science and technology, and point out the development trend, key scientifc and technical issues, and development direction. Hereinto, fossil energy is discussed in Chapter 2, renewable energy and new energy in Chapter 3, smart grid in Chapter 4, integrated energy system in Chapter 5, power plant and thermal energy utilization in energy conversion in Chapter 6, power equipment in Chapter 7, energy storage equipment and system in Chapter 8, hydrogen energy in Chapter 9, end-use energy consumption and energy saving in Chapter 10, and fnally carbon emission reduction technology in Chapter 11. Chapter 12 discusses the priority development felds and system layout of energy science, especially the interdisciplinary research fields of energy science with other disciplines. The suggestions for promoting the development of energy science in China are provided in Chapter 13.
In summary, the contents of this book are arranged according to the sequence of “source-transfer-net-storage-utilization”. In particular, the frontier research on energy transformative innovation, the intersection of disciplines, and the key technological breakthroughs are highlighted. By the year 2035, China aims to achieve breakthroughs in energy science and technology in a number of basic scientific issues and key technologies and establish a complete energy science system. The energy structure and energy supply are optimized to achieve carbon emissions peak before 2030, and gradually form low-carbon energy utilization technologies that achieve carbon neutrality before 2060. A new generation of high-efficiency, safe and reliable new power with new energy as the main body system is built, and the unit energy consumption indices of main industrial products reach or approach the world’s advanced level. China has entered the ranking of advanced countries in energy science and technology.