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?。┘夹g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。

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”。

新能源與可再生能源加快應用

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?；圃旃に?、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。

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?；茪?、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。

新型高能規?；瘍δ苋〉猛黄?/span>

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?；慨a。

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?；痉?。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％。

相關文章