未来发展充满不确定性，颠覆性技术将是最大变数丨能源发展趋势与能源科技发展方向

能源发展前景预测对国家政策的制定和企业的战略规划具有重要意义。科学技术的发展将深刻影响未来的能源格局。“科技决定能源的未来，科技创造未来的能源”。正因如此，各国都非常重视能源科技的发展，制定了能源战略规划，如美国的综合能源战略、欧盟的能源技术路线图2050、日本的能源环境创新战略2030等。

能源的现状和发展趋势

现状

2019年，全球能源消费总量达到138.62亿吨油当量；其中，石油44.7亿吨油当量，煤炭38.3亿吨油当量，天然气34.3亿吨油当量，化石能源总比重为84.62%，比2010年下降2个百分点。与此同时，天然气得到了突飞猛进的发展。2019年消费量是1965年的6.35倍，占比从15%上升到24.7%。更清洁的天然气已经取代了大量的石油和煤炭。

图1 1963-2017年世界GDP增长率与能源消费增长率的关系

数据来自英国石油公司《2018年世界能源统计》和世界银行，国内生产总值以2010年美元计算。

发展趋势

对于未来能源发展趋势，重点分析2016年以来的“变”与“不变”，在变中坚持，在变中调整。

过去10年，全球能源发展的主要趋势没有改变。

1.对于未来的能源需求增长，全球多家知名研究机构都预测，可再生能源和天然气将成为满足未来全球能源需求增长的主要来源，“低碳化”和“多元化”是未来能源发展的重要趋势和特征。随着太阳能、风能、地热能、海洋能、储能等新能源的快速发展，能源正从过去的煤炭、油气、电力等资源集中供应向集中与分散并重发展。

图2不同公司和机构对2016年至2040年能源需求增长的预期

英国石油公司BP；中国石油天然气集团公司；美国能源信息署；国际能源机构；IEEJ，日本能源经济研究所；Markit，爱信华迈公司；石油输出国组织，石油输出国组织；挪威国家石油公司StatoilXOM埃克森美孚公司

2.随着各种信息技术在能源领域的应用，特别是“数字化”技术逐渐打破了不同能源品种之间的壁垒，成为未来的一大发展趋势。在能源领域，“没有一个国家可以免受能源问题的影响”，“技术没有国界”已经成为共识。

3.全球能源互联网概念的提出和全球能源互联网发展合作组织的成立，是能源“国际化”的重要标志。美国著名学者杰里米·里夫金在其著作《第三次工业革命》中首次提出能源互联网愿景，引起国内外广泛关注。2015年9月26日，习近平主席在联合国发展峰会上发表重要演讲，提出探索构建全球能源互联网，推动清洁绿色方式满足全球电力需求。这是对传统能源发展观的历史性超越和重大创新。国际科技合作越来越广泛，强度越来越大。投资100亿美元的国际热核聚变实验堆合作项目就是一个典型案例。低碳、多元化、分散化、数字化和全球化将是未来能源发展的主要方向。

在充分理解这些“不变”特征的同时，识别变化特征和发展趋势是关键。

1.2018年以来，美国将中国确定为竞争对手，特朗普政府挑起中美经贸摩擦。之后美国国内要求与中国科技脱钩，甚至完全脱钩的呼声甚嚣尘上，这是对中国科技，包括能源科技的重大挑战。要破除幻想，早做准备，坚持以自我为中心，开放合作的原则，加大自主研发力度。

2.新冠肺炎疫情和油价大战的效应叠加，对油价形成了极大的打压。2020年3-4月，国际油价一路下跌。4月20日，美国西德克萨斯轻质中间基原油期货价格甚至跌至-37.3美元/桶，这在历史上还是第一次！未来油价低于60美元/桶是大概率事件。

3.人工智能、区块链等技术突飞猛进，将深刻影响能源的未来发展，一定程度上将改变能源格局和业态。颠覆性技术一直伴随着人类科技进步的历史，具有不可预测的属性。只有准确把握这些发展趋势，才能对未来能源科技的发展趋势做出更准确的判断。

低成本技术将是企业的核心竞争力。

1967年，美国石油地质学家哈伯特建立了预测油田累积产量和最终可采储量的“钟形”模型。此后石油峰值论盛行，石油资源的稀缺性被过分强调。在这样的背景下，获得更多的油气储量已经成为大多数石油公司，尤其是国际大石油公司的重要战略目标之一。是一个“资源为王”的时代。

美国“页岩革命”的成功，消除了人们对油气资源稀缺的担忧。根据美国能源信息署的评估结果，全球可开采油气资源总量分别高达33570亿桶和648万亿立方米，油气资源不再稀缺。此外，由于太阳能和风能的利用，能源变得可再生和取之不尽。谁拥有技术，谁就拥有能源。这是一个“技术为王”的时代。

在“技术为王”的时代，获取能源资源的成本或效率是成败的关键，因此发展低成本技术是未来的重要趋势。

近年来，可再生能源的快速发展得益于其成本的大幅降低。2018年，公用事业规模光伏发电加权平均平准电力成本比2010年下降了77%，陆上风电也下降了35%。美国能源信息署预测，2022年后美国投产的风力发电和太阳能发电项目的LCOE将低于燃气发电。在集中式可再生能源发电大大降低了成本并迅速发展的同时，分散式发电的发展也在加速。根据光伏协会发布的数据，2018年，我国新增分布式光伏2320万千瓦，占比52.7%，首次超过集中式光伏；这一势头在2019年得以延续，小型户用分布式光伏占比接近一半。

低成本可再生能源技术是能源科技发展的重点领域。太阳能和风能是未来可再生能源的主体，降低成本、提高技术成熟度、构建合适的商业模式是可再生能源未来的发展方向。在风能领域，未来的技术发展方向主要包括大功率风力发电机组的整体设计、风力发电机组的运行维护和故障诊断、大功率无线传输的高空风力发电技术。在太阳能领域，要重点发展太阳能热发电、薄膜电池技术、太阳能制氢技术、可穿戴柔性便携式太阳能电池技术等。

油气领域的低成本技术也是能源科技发展的重点。到2050年，油气在一次能源消费结构中的比重将保持在50%左右，这已成为业界的共识。在近年来储量增长最快的深水油气田，浮式天然气生产、处理、液化、储存和卸载一体化平台和水下生产设备的应用，加上结构的不断优化，可以将生产成本降低到每桶50美元以下。油气是未来增加储量和增加产量的另一个重要领域。2012-2016年，美国页岩油开发的平衡油价总体下降了50%，技术进步贡献了1/3的降幅。

低成本油气技术有很多发展方向。

1.地球物理勘探主要包括智能高效采集技术、基于深度学习的地球物理数据自动处理解释技术、地球物理勘探全过程智能管理技术。

2.在钻完井工程方面，主要包括精确导向的智能自动钻完井技术、钻完井工程地质一体化与井筒完整性技术、智能压裂装备与技术、智能机器人压裂施工技术等。

3.在油气田生产管理方面，主要包括基于大数据和深度学习的新一代人工智能油田技术、石油行业智能云网平台技术、人工智能机器人技术等。

信息技术将重塑能源未来

当前，全球正在经历第四次工业革命，信息技术日新月异，大数据、人工智能、区块链等技术快速发展。这些新兴技术为能源行业的发展创造了机会，它们与能源行业的深度融合是获得低成本技术的重要途径。低成本技术将改变世界能源发展格局，进而重塑未来能源产业。

能源行业是最先受益于数字化的行业。电厂、煤矿和油气田早已应用计算机和其他信息技术来提高自动化和管理水平。现在提出了数字电厂、数字矿山、数字油田、数字炼油厂的概念，大大提高了劳动生产率，降低了人力成本。当前和未来，是一个从数字化走向智能化的时代。智能电厂、矿山、油田、炼油厂将进一步优化生产流程，精简机构和人员——“无人管理”的工厂是基本模式，这将极大地改变行业生态。

信息技术正在从更广更深的层面重构能源系统。从生产端到消费端，数字化将系统性地改变能源的整个产业链和生态系统，使整个产业链的每个环节有机结合，从而大大提高能源利用效率。华为、阿里巴巴、腾讯、谷歌、特斯拉等新兴科技公司都在能源领域开展业务——通过大数据、人工智能等手段提高整个系统的灵活性，从而大大提高能源效率，进而改变整个行业的产业链结构和商业模式。

区块链技术将为能源行业注入新的动力。区块链技术在能源领域的应用越来越广泛。在以原油为代表的能源交易平台、可再生能源点对点交易、电动汽车充电、电网资产管理、绿色证书跟踪管理甚至虚拟能源货币等领域已经崭露头角，将给能源领域带来更加深刻的变革。

数字化转型将重塑石油和天然气行业。新一代人工智能技术在石油行业上游的全面集成和创新应用，将产生新一代人工智能油田技术，实现油气行业传统流程的升级、优化和组织再造，大幅降低油气行业成本，提升企业竞争力和油气行业可持续生存能力。

颠覆性技术是未来能源的最大变量

能源是科技创新最重要、最活跃的领域之一。颠覆性的新技术可能出现在油气、氢能、储能、核聚变能等方面。无论哪种颠覆性技术出现，都将极大地改变世界能源供需格局。

石油和天然气领域的颠覆性技术

水平井多级水力压裂技术将使页岩油气得到经济有效的开采。这项颠覆性技术将极大地改变全球能源格局。物理与化学相结合实现低成熟度页岩油和重油的原位升级，可能是页岩革命之后的又一次革命。这种颠覆性技术一旦成功，又一个巨大的油气资源将被经济有效地开发利用。纳米技术和新材料也可能催生颠覆性的EOR技术，比如地下纳米机器人驱油和地下油水分离技术。多用途激光工具与钻孔技术的结合可能会颠覆传统的钻孔方式，即激光熔化代替机械破岩来提高钻孔效率。

氢能技术

氢能技术在能源领域产生颠覆性影响的关键在于低成本高性能的氢燃料电池技术和低成本高效率的工业化制氢技术。近年来，世界各国都认识到氢能作为二次能源在能源转化中的重要性。许多国家高度重视氢能产业的发展，将其上升到国家能源战略的高度，制定氢能发展战略，并出台配套政策促进其发展。一旦石墨烯、纳米超材料等新材料的电解制氢技术取得重大突破，氢燃料将有可能大规模甚至完全取代化石燃料。随着新材料聚合物电解质膜燃料电池技术的成熟和相关基础设施的完善，以氢能为动力的汽车、火车和轮船将取代燃料动力汽车成为主要交通工具。欧洲已经开展了许多将氢气与天然气管道混合的实验项目，以便为氢气工业的大规模发展做准备。

储能技术

储能技术被称为“能源革命的支撑技术”，将在许多方面发挥重要作用。

1.就电力系统而言，储能可以为电网提供各种服务，如调峰调频、调峰填谷、黑启动、需求响应支持等。，提高了传统电力系统的灵活性、经济性和安全性。

2.在可再生能源发展方面，储能可以显著提高风电和太阳能发电的消纳水平，支持分布式电源和微电网。随着分布式能源技术的发展，如分布式光伏、小型生物质能、天然气冷热电联产、燃料电池等。，以及储能、数字化等相关技术的进步，分布式能源在未来将会发展得更加迅速。

3.在交通方面，储能将在包括能源互联和新能源汽车集成在内的智能交通网络中发挥关键作用。基于新材料的新型电池储能技术，如石墨烯超级电容器、碳纳米材料自储能器件、超导电磁储能技术等。，可能会给能源行业带来颠覆性的影响。如果低成本、高效率的储能技术出现并投入大规模商业应用，将极大推动可再生能源的发展，使新能源汽车大规模甚至完全取代燃油汽车。

受控核聚变技术

核聚变能源是人类理想中的终极能源，有很多优点。受控核聚变主要有两种技术方案，即磁约束聚变和惯性约束聚变。

目前，国际上与核聚变相关的研究项目有很多，如国际热核聚变实验堆项目、美国国家点火装置、美国悬浮偶极子试验装置、美国Z-IFE装置、美国劳伦斯维尔等离子体物理研究项目、美国FRX-L研究项目、加拿大通用聚变、欧洲高功率激光能量研究项目和德国温德尔斯坦7-X等。中国于2007年正式加入ITER计划，同时大力推进国内核聚变科学技术的研究。

中国已成功完成聚变工程实验堆的概念设计，目前正在进行工程设计。中国环流器二号A装置、全超导托卡马克核聚变实验装置等大科学装置也相继建成，多项物理实验研究成果位居世界前列。HL-2A装置在国内首次实现了偏滤器位形放电和高约束模式运行。2017年7月，EAST在国际上首次实现了5000万度等离子体101.2秒的高约束运行，再次刷新了磁约束核聚变研究的世界纪录。

结论

随着减排环保形势日益严峻，在新能源和智能化技术进步以及成本快速下降的推动下，全球能源正沿着多元化、低碳化、去中心化、数字化、全球化的方向加速转型，正在进入能源转型发展时代。与此同时，中美经贸摩擦、中俄石油价格战、新冠肺炎疫情等使得能源的未来发展充满不确定性。

新能源技术和新的商业模式将改变传统的能源供应模式，综合能源服务将逐渐成为主流。新能源、天然气等清洁能源将满足未来大部分新能源需求，能源体系也将发生结构性变化。低成本技术将成为未来能源技术发展的主流，人工智能等信息技术将重塑能源未来。未来，颠覆性的新技术可能出现在油气、氢能、储能、核聚变能等领域，从而从根本上改变未来的能源图景。准确把握能源技术的发展趋势，对于指导科技创新方向，以及国家能源政策的制定和企业的战略转型具有重要意义。

自《中国科学院学报》转刊以来

作者白振瑞，金军，

编辑翟李颖

研究所简介

国际技术经济研究所成立于1985年11月，是隶属于国务院发展研究中心的非营利性研究机构。其主要职能是研究我国经济、科技和社会发展中的重大政策性、战略性和前瞻性问题，跟踪分析世界科技和经济发展趋势，为中央政府和有关部委提供决策咨询服务。“全球科技地图”是国际技术经济研究所的官方微信账号，致力于向公众传递前沿科技信息和科技创新洞察。

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