化石能源清潔高效梯級利用

先進(jìn)高效率低排放燃燒發(fā)電和深加工分級轉(zhuǎn)化是煤炭和天然氣清潔高效利用的未來發(fā)展方向，碳基能源高效催化轉(zhuǎn)化、新型富氧燃燒、先進(jìn)聯(lián)合循環(huán)等高效低排放技術(shù)正處于研發(fā)階段。

美國碳利用研究理事會（CURC）和電力科學(xué)研究院（EPRI）在?2018?年?7?月更新的《先進(jìn)化石能源技術(shù)路線圖》中，規(guī)劃了增壓富氧燃燒、化學(xué)鏈燃燒、超臨界?CO₂動力循環(huán)發(fā)電、先進(jìn)超超臨界（A－USC）、煤氣化聯(lián)合循環(huán)等高效低碳發(fā)電技術(shù)到?2035?年的研發(fā)與大規(guī)模示范路徑。美國、日本等發(fā)達(dá)國家已將超臨界?CO₂動力循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)作為革命性前沿技術(shù)進(jìn)行積極研究，目前在實(shí)驗(yàn)室已建成了小功率的試驗(yàn)機(jī)組，正在向工業(yè)示范電站邁進(jìn)。增材制造（3D?打印）技術(shù)在燃?xì)廨啓C(jī)制造中的應(yīng)用已從原型試制逐漸走向?qū)嶋H生產(chǎn)，如通用電氣公司、西門子公司等燃機(jī)制造巨頭穩(wěn)步推進(jìn)制造工藝轉(zhuǎn)型升級。

經(jīng)過多年發(fā)展，中國的先進(jìn)煤化工合成技術(shù)取得了重大突破，已掌握了世界領(lǐng)先的百萬噸級煤直接液化和煤間接液化技術(shù)。中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所成功實(shí)現(xiàn)了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的百萬噸級煤制烯烴和煤制乙醇技術(shù)商業(yè)化應(yīng)用，對保障我國能源安全等具有重要的戰(zhàn)略意義。該所還在煤氣化直接制烯烴研究上取得重大進(jìn)展，顛覆了?90?多年來煤化工領(lǐng)域一直沿襲的費(fèi)－托路線，從原理上開創(chuàng)了一條低耗水進(jìn)行煤轉(zhuǎn)化的新途徑，這是煤轉(zhuǎn)化領(lǐng)域里程碑式的重大突破。

發(fā)展下一代安全高效先進(jìn)核能系統(tǒng)

可持續(xù)性、安全性、經(jīng)濟(jì)性和防核擴(kuò)散能力的先進(jìn)核能技術(shù)是核能發(fā)展的重中之重，主要研究方向集中在開發(fā)固有安全特性的第四代反應(yīng)堆系統(tǒng)、燃料循環(huán)利用及廢料嬗變堆技術(shù)以及更長遠(yuǎn)的核聚變示范堆設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

第四代核能系統(tǒng)國際論壇（GIF）在?2014?年初更新了技術(shù)路線圖，規(guī)劃了未來?10?年第四代堆型的研發(fā)目標(biāo)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(diǎn)開展新型反應(yīng)堆示范工程、核電技術(shù)監(jiān)管認(rèn)證、先進(jìn)反應(yīng)堆設(shè)計(jì)開發(fā)等工作，以加速核能技術(shù)創(chuàng)新突破。中國科學(xué)院在未來先進(jìn)核裂變能——加速器驅(qū)動次臨界系統(tǒng)（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(qū)動先進(jìn)核能系統(tǒng)（ADANES）”概念，將在廣東惠州建設(shè)國際首臺?ADS?嬗變研究裝置。

可控核聚變技術(shù)目前在等離子體理論研究、材料開發(fā)和運(yùn)行試驗(yàn)方面不斷涌現(xiàn)新的成果。中國科學(xué)院合肥等離子體物理研究所研制的全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置，相繼取得等離子體中心電子溫度達(dá)到?1?億攝氏度、百秒量級穩(wěn)態(tài)運(yùn)行等多項(xiàng)世界級重大突破。德國馬普學(xué)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(chǎn)出首個(gè)氫等離子體，計(jì)劃到?2020?年實(shí)現(xiàn)持續(xù)?30?分鐘的等離子體。美國國家科學(xué)院?2018?年發(fā)布《美國燃燒等離子體研究戰(zhàn)略計(jì)劃最終報(bào)告》，建議美國繼續(xù)參與國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER）計(jì)劃，并啟動國家研究計(jì)劃邁向緊湊型聚變發(fā)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(lián)合研究計(jì)劃”。

新能源與可再生能源加快應(yīng)用

風(fēng)能、太陽能、生物燃料等可再生能源技術(shù)研發(fā)活躍，有望在未來?20?年成為主導(dǎo)電力來源或規(guī)模替代石油基燃料。①在風(fēng)能領(lǐng)域，美國和歐盟均提出了海上風(fēng)電發(fā)展戰(zhàn)略，加速推動海上風(fēng)能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。目前?8 MW?風(fēng)力渦輪機(jī)已投入商業(yè)應(yīng)用，10 MW?及以上的超大規(guī)模風(fēng)力渦輪機(jī)正在研發(fā)中，浮動式海上風(fēng)電場的投入使用推動風(fēng)電向深海邁進(jìn)。②在太陽能領(lǐng)域，美國、歐盟、日本等主要國家和地區(qū)深化布局光伏發(fā)電全產(chǎn)業(yè)鏈創(chuàng)新，作為推進(jìn)新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要戰(zhàn)略舉措，通過全覆蓋布局先進(jìn)材料、制造和系統(tǒng)應(yīng)用各環(huán)節(jié)研發(fā)實(shí)現(xiàn)平價(jià)上網(wǎng)目標(biāo)。鈣鈦礦太陽電池器件結(jié)構(gòu)日趨完善，效率已超多晶硅，逼近單晶硅，但實(shí)現(xiàn)商業(yè)化仍需攻克規(guī)模化制造工藝、穩(wěn)定性等關(guān)鍵挑戰(zhàn)。中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所在2018年創(chuàng)造了單結(jié)鈣鈦礦太陽電池轉(zhuǎn)換效率世界紀(jì)錄（23．7％）。③在生物能源領(lǐng)域，纖維素乙醇、藻類生物燃料等技術(shù)領(lǐng)域取得了重要進(jìn)展，特別是美國和歐洲首座商業(yè)規(guī)模纖維素酶解制乙醇工廠投產(chǎn)，為先進(jìn)低成本生物液體燃料更大規(guī)模發(fā)展創(chuàng)造了條件。目前研究重點(diǎn)主要集中在高產(chǎn)率能源作物培育改造，微生物酶解催化劑，熱化學(xué)轉(zhuǎn)化工藝與多功能催化劑，工程微藻選育、培養(yǎng)、油脂提取與轉(zhuǎn)化等。

氫能發(fā)展備受重視，形成新一輪的發(fā)展熱點(diǎn)。日本、歐盟和澳大利亞等國家和地區(qū)相繼公布了氫能發(fā)展戰(zhàn)略和技術(shù)路線圖，提出未來?20—30?年的氫能與燃料電池技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展目標(biāo)。研究人員致力于解決低成本高效率規(guī)模化制氫、經(jīng)濟(jì)高效氫儲存和輸配、燃料電池基礎(chǔ)關(guān)鍵部件制備和電堆集成、燃料電池發(fā)電及車用動力系統(tǒng)集成等重大科技問題。德國亥姆霍茲柏林能源材料中心設(shè)計(jì)開發(fā)了雙光陽極串聯(lián)光電催化系統(tǒng)，創(chuàng)造了太陽能到氫能?19％?的轉(zhuǎn)化效率紀(jì)錄。日本國立產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所開發(fā)了陶瓷電解質(zhì)低溫致密燒結(jié)工藝，制備出全球首個(gè)商用規(guī)格的質(zhì)子陶瓷燃料電池。

新型高能規(guī)模化儲能取得突破

動力和電力規(guī)模儲能技術(shù)是未來能源系統(tǒng)必不可少的關(guān)鍵組成部分，也是各國競相布局的重點(diǎn)領(lǐng)域。歐盟組建“歐洲電池聯(lián)盟”實(shí)施戰(zhàn)略行動計(jì)劃，在歐洲打造具有全球競爭力的電池產(chǎn)業(yè)鏈。美國能源部將在未來?5?年為儲能聯(lián)合研究中心繼續(xù)投入?1．2?億美元，設(shè)計(jì)開發(fā)新型高能多價(jià)化學(xué)電池，并研究用于電網(wǎng)規(guī)模儲能的液流電池新概念。日本新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機(jī)構(gòu)在未來?5?年資助?100?億日元，攻克全固態(tài)電池商業(yè)化應(yīng)用的技術(shù)瓶頸，旨在?2030?年左右實(shí)現(xiàn)規(guī)模化量產(chǎn)。

科學(xué)家在儲能反應(yīng)機(jī)理探索、電化學(xué)體系設(shè)計(jì)、新材料開發(fā)方面成果斐然，研究重點(diǎn)在于開發(fā)高安全性、長壽命、低成本的鋰離子電池及新型高能化學(xué)電源體系，并開展新型物理儲能系統(tǒng)規(guī)模化示范。美國伊利諾伊大學(xué)芝加哥分校等機(jī)構(gòu)合作開發(fā)新型鋰－空氣電池，創(chuàng)造在自然空氣環(huán)境中穩(wěn)定運(yùn)行超?700?次的循環(huán)壽命紀(jì)錄。美國哈佛大學(xué)研發(fā)出基于低成本醌類有機(jī)電解液的新型液流電池，創(chuàng)造工作壽命最長紀(jì)錄，而且較全釩液流電池成本大幅下降。中國科學(xué)院工程熱物理研究所建成了國際首套?10 MW?級先進(jìn)壓縮空氣儲能示范系統(tǒng)，示范系統(tǒng)在額定工況下的效率超過?60％。

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