世界能源领域前沿技术发展综述

三、1.电力技术

●美国NASA迷你核反应炉“千瓦动力”测试成功将用于月球与火星生活

在2017年12月美国总统特朗普签署了“1号太空政策指令”，宣布美国将重返月球，并最终前往火星。美国国家航空航天局(NASA)、洛斯阿拉莫斯国家实验室、美国能源部和其他一些团体正在研发一种可以在旅途中可靠发电的迷你核反应炉“千瓦动力”(kilopower)，在2017年11月开始进行全功率测试，并于2018年3月完成测试，整个实验过程相当顺利，这将是核能技术的重要发展，因为它将成为未来最重要的太空船原件，并安装在月球或是火星基地上。洛斯阿拉莫斯国家实验室反应堆设计总负责人表示，Kilopower系统是40多年来美国开发的首个新型裂变反应堆概念，而且最近的试验提供了宝贵的数据并有效评估了其基础设施，接下来的18个月将会继续测试，包括任务研究和风险分析等工作，并且希望能在2020年代的中期，将反应炉送上太空。

●俄罗斯研发用血液中的葡萄糖获取电力的方法

俄罗斯科学研究中心代表向俄媒表示，库尔恰托夫研究所的学者研制出利用人血液中的葡萄糖获取电力的方法，这将确保心脏起搏器的不间断运行。该研究所国家研究中心NVIS技术综合体生物技术和生物能源部副主任巴维尔•戈托夫采夫介绍说，新方法可以从人体血液所含葡萄糖中获得15微瓦至40微瓦的电流。这足够保障一部现代心脏起搏器运转，与此同时，患者不会感到任何不适。目前，学者们计划在动物身上进行这项新技术的生物实验。但即使取得成功，仍需10年左右的时间才能开展临床试验。

2.储能技术

●新加坡研发电池新技术 10小时内容量恢复至95%

新加坡南洋理工大学的科研人员成功研发一项新的电池技术，该项技术不是改进电池结构、提升电池密度，而是针对用旧的老电池，号称能让锂离子电池在10个小时内，恢复至95%的容量，等于“返老还童”。具体来说，这项新技术是在每个锂离子电池中已有的两电极间增加第三电极，从而将残留的锂离子从一极排出到另一极，去除影响电池性能的“杂质”。因为天然属性限制，锂电池使用时间越长，容量就睡损失越明显，一般300~500次充放电循环后就会损失15~20%的容量，而且无法逆转。

但是新加坡南洋理工大学 Yazami教授称，他的发明可以让老旧锂电池很快恢复青春，而且每隔几年就能在相同的电池上重复进行恢复容量操作，既能延长电池使用寿命，也有利于环保。这一发明已经在智能手机上做了测试，不过对于电动汽车行业的改变意义更加重大，因为一般人可能会两年换一部手机，但汽车会用上十年以上。据悉，苹果、三星和松下等产业巨头都对这项发明兴趣浓厚。

●研究人员发明生产出有史以来最高性能的倒置钙钛矿太阳能电池

在《科学》杂志的一项研究中，来自北京大学、萨里大学，牛津大学和剑桥大学的一组研究人员详细介绍了一种减少有害的非辐射复合过程的新方法，在该过程中钙钛矿太阳能电池的能量和效率都会降低。

该团队发明了一种称为溶液二次生长(SSG)的技术，该技术将倒置钙钛矿太阳能电池的电压提高了100毫伏，达到1.21伏的高电压，同时不会影响太阳能电池的质量或通过器件的电流。他们在一台设备上测试了该技术，测得了创记录的20.9%的PCE，这是迄今为止记录的倒置钙钛矿太阳能电池最高认证的PCE。

●德国科学家研制超级电池组汽车续航能力有望提高一倍

欧洲最大的应用科学研究机构——德国Fraunhofer-Gesellschaft(弗劳恩霍夫应用研究促进协会)日前宣布，其研制出一种超级电池组，在不增加体积的前提下可提高电动汽车续航能力。该研究团队称，以特斯拉Model S为例，其目前电池续航为540公里，若可使用该超级电池组，续航能力有望则有望提高一倍至1000公里左右。这种新型电池组名为EMBATT，该研究项目的经理Mareike Wolter称，这种新型电池组最大的技术突破是改变了电池内部电极的形态。

像特斯拉这样的电动汽车，其电池板内部是由大量圆柱形18650锂电池连接而成，这样的设计会出现很大空间浪费，而Fraunhofer-Gesellschaft的新型电池设计就是为了消除这种空间浪费。所谓的18650型是一种电池的规格，是电子产品中比较常用的锂电池，常在笔记本电脑的电池中作为电芯使用。该型号具体定义的法则指的是，电池直径为18mm，长度为65mm，圆柱体形的电池。特斯拉最新车型Model S具有100千瓦时的电池板，包含8000多节18650型锂离子电池。

●美国研究出一种新的水基锌电池称可以替代锂电池

美国马里兰大学、陆军研究实验室和国家标准与技术研究院研究人员组成的研究小组，将传统的锌电池技术与水电池技术相结合，开发出了容量更大、安全性更高的可充电电池。他们使用新型的含水电解质，替代传统锂离子电池中使用的易燃有机电解质，大大提高了电池的安全性;而通过添加金属锌以及在电解液中添加盐，则有效提高了电池的能量密度。

研究人员指出，锌电池是一种安全且生产成本相对较低的电池，但能量密度低，寿命也短，因而并不完美。新型水基锌电池则克服了传统锌电池的这些缺点，不仅大大提高了电池的能量密度，电池寿命也延长了许多。而与锂电池相比，水基锌电池不仅可在能量密度方面与其一较高下，而且安全得多，不会有爆炸或引发火灾的风险。

●以色列StoreDot公司研发闪充电池，充电只需几分钟

以色列StoreDot公司研发“闪充电池(flash batteries)”，一种可在数分钟内将电动车充满的锂离子电池，将纳米材料与新型有机化合物相结合，利用纳米材料保护合成有机材料不膨胀和不分解，从而也消除了传统充电电池存在的安全隐患，以这种独特方法研发开创性的充电电池材料。除了汽车用电池外，StoreDot为手机充电研发类似的电池技术，该公司希望2019年前对该产品进行商业化。StoreDot称其电池产品环保，而且在充满电后，电动车可行驶300英里(约483公里)。

2018年英国石油公司对以色列初创公司StoreDot投资了2,000万美元，希望在运营中减少温室气体的排放。除了此次投资的BP之外，德国汽车制造商戴姆勒还是该初创公司的投资者，2017年9月向StoreDot投资了6,000万美元。

●韩国开发出常温液体金属-空气电池

韩国科学技术研究院(KIST)能源储存研究团队在全球最早采用常温液态的Ga/In共融化合物，成功开发出金属-空气电池(air-cell)的全新阴极材料，有望替代现有的二次电池。此项研究成果实现了电极的高稳定性和长寿命，在确保高性能的同时，还通过空间设计实现了自由变形，与复杂的纳米工艺技术相比，通过简单的混合工艺就可以制造复杂金属的电极，只需较低成本就可以完成高伸缩性和可变性的电极工艺，为了实现这一技术的后期推广，目前正在进行商用化技术的评价工作。此次研究开发的电池技术有望成为第四次工业革命能量储存系统的全新解决方案。

●研究人员打造新生物太阳能电池技术阴雨天也可用

哥伦比亚大学的研究人员已经发现了一种新的廉价方式，借助细菌打造的太阳能电池将阳光转变成能量。他们打造的这种太阳能电池产生的电流比之前记录的任何类似装置都要强，而且无论在强光和弱光环境下都同样有效。项目负责人称，这项研究的重点在于我们发现了一个不会杀死细菌的过程，因此它们能够无限期的制造生物染料。这种生物太阳能电池技术也拥有着其它的潜在应用，比如说在采矿业、深海探索和其它低光照环境中等。

据加拿大不列颠哥伦比亚大学近日发布的一份新闻公报，该校研究人员选择让天然色素保留在细菌内，他们通过基因工程技术改造大肠杆菌，使其大量产生番茄红素。番茄红素是一种赋予番茄橙红色的色素，能特别有效地吸收光线并转化为能量。据加拿大不列颠哥伦比亚大学近日发布的一份新闻公报，该校研究人员选择让天然色素保留在细菌内，他们通过基因工程技术改造大肠杆菌，使其大量产生番茄红素。番茄红素是一种赋予番茄橙红色的色素，能特别有效地吸收光线并转化为能量。

3.其他技术

●瑞士生物沼气直接甲烷化技术进入实用阶段

据瑞士保罗谢尔研究所(PSI)介绍，该所开发出一项独有的生物沼气直接甲烷化技术，将氢气直接加入生物沼气中进行甲烷化反应，使生物沼气中的二氧化碳直接转化为甲烷。经过直接甲烷化处理的生物沼气甲烷含量大大提高，质量可满足直接输入天然气管网的要求，不再需要经过提纯净化处理环节。

为在实际应用条件下验证该项技术，瑞士保罗谢尔研究所与瑞士一家能源企业合作开展验证和示范研究。将该项技术集成在一个集装箱大小的代号为Cosma的示范装置内，接入实际运行的生物沼气站进行1000小时验证试验，经过甲烷化后的沼气直接进入天然气管道，可满足一个独立家庭住宅的取暖和热水供应。试验取得成功，显示了该项技术已经具备进入实际应用的条件。该项成果日前获得瑞士能源技术奖。

●英国科学家发现新方法用太阳能杀死水污染物质

最近，英国斯旺西大学的研究人员开发出了一种新型的无毒物质，可以利用太阳能将排放到水中的有害污染物无害化。据了解，目前每年大约有30万吨污染物被排放到水体中，而科学家开发的这种新型物质，可以从水中去除燃料污染物，并且吸附率达到90%以上，比现有的吸附技术效果整整提高了10倍。这种混合物平时被保存在高压密封的容器中，通过在微型氮化钽颗粒表面生产的超级“纳米氧化物”进行合成。然后这种材料利用太阳能提供的能力将污染物分解成更小、更无害的分子，而这一过程被称为“光催化降解”。在去除有害的燃料之后，催化剂可以通过简单的方法从水中过滤出来，然后重复使用。虽然通过光降解的方式已经研究了几十年，但是知道最近一段时间，研究人员才开发出能够真正吸收污染物的材料。之前虽然像二氧化钛也能利用太阳能分解染料，但是效率非常有限，因为与普通的太阳光谱相比，它们紫外线这种能量更高的光线吸收率更好。如果未来这种材料能够被大范围的使用，那么新型材料将会大幅提升水体中污染物过滤的速度。

四、1.绿色、低碳能源技术必然是未来发展主要方向

2018年，能源将继续向着低碳化、绿色、高效方向发展。欧盟科研创新资助计划“地平线2020”2018-2020年度支出方案中，“低碳和适应气候变化的未来”领域将获33亿欧元预算，按年度工作计划，可再生能源、能效建筑、电动运输和储存方案4个清洁能源领域的项目将获22亿欧元拨款。俄能源部宣布支持设立远东联邦区可再生能源发展基金，并将制订具体建议。英国将投入2800万英镑资助可再生能源创新、智慧能源系统创新、低碳工业创新、核能创新等能源创新项目，作为能源创新计划(2016~2021年)的一部分。特朗普政府宣布退出巴黎协定，全球应对气候变化形势变得扑朔迷离，但全球能源领域转型已是大势所趋，绿色能源技术、低碳能源技术必然是未来发展主要方向。

2.小型模块化反应堆开启核能新时代

小型模块化反应堆(SMR)因其较高的安全性能、操作灵活性、电网适应性等优点，受到越来越多的关注。全球多个核电大国推进SMR技术开发部署。美国 Nuscale Power公司提交首个SMR商业电厂设计认证审查申请。加拿大监管机构收到4种小堆设计，并启动了首个SMR示范堆的一般选址和取证程序。俄罗斯将协助菲律宾开展关于在陆上或近海建造SMR的可行性研究。俄罗斯原子能集团所属“光线”科学生产联合公司研发出基于热电子发射效应原理的小型核电站，具有安全可靠、不需维护、可长期运行等特点，可作为独立电源为偏远地区重要设施供电。英国政府承诺通过竞争探索SMR的潜力，评估开发、商业化和资助SMR技术的市场利益。2018年7月3日，日本政府公布了最新制定的“第5次能源基本计划”，提出今后将开发具有安全性、经济性和机动性优势的堆型，小型模块化堆将是日本未来开发的重要选项。

3.能源区块链领域前景广阔

区块链技术具有去中心化存储、信息高度透明等优势，能实现能源的数字化、分布式精准管理，将对未来能源市场产生巨大影响。美国能源部提出“基于区块链技术的能源系统新概念”，探索区块链技术在管理电网方面的应用。英国石油公司和荷兰壳牌领衔的财团将开发一个针对能源大宗商品交易的区块链数字平台，预计在2018年底投入运营。澳大利亚政府将提供257万澳元以支持一个应用区块链技术的光伏和用水两年试点项目。麦肯锡公司在一份报告中指出，区块链是继蒸汽机、电力、信息和互联网科技之后目前最有潜力触发第5轮颠覆性革命浪潮的核心技术，对于石油和天然气这样一个分布广泛、复杂庞大的行业，区块链技术的黄金期正在到来。

4.电池储能将发挥重要作用

储能产业作为能源结构调整的支撑产业和关键推手，在传统发电、输配电、电力需求侧、辅助服务、新能源接入等不同领域有着广阔的应用前景。国际可再生能源署(IRENA)2017年发布的《电力存储和可再生能源：成本和市场研究报告(2030)》称，到2030年，如果能源系统的可再生能源份额翻番，全球储能容量将增加三倍。报告在基本预测情景中提出，到2030年，全球储能装机将在2017年基础上增长42%～68%，如果可再生能源增长强劲，那么储能装机增长幅度将达到155%～227%。电池储能将在改变储能装机结构中发挥重要作用。此外，电池生产技术的发展还直接决定了电动汽车的发展前景，可以在尖峰负荷时段的电力能源系统中起到电源的作用。储能技术的快速发展将给能源系统带来显著变化，同时，在化石燃料需求上会造成一定的影响，毕竟，储能将越来越多地取代火电，在电力能源系统中发挥强大的电源调节能力。

5.未来5G与能源的深度融合

近年来，能源行业积极实施“互联网+”战略，全面提升行业信息化、智能化水平，充分利用现代信息通信技术、控制技术，实现智能设备状态监测和信息收集，激发新型作业方式和用能服务模式。随着各类能源业务的快速增长，电网设备、电力终端、用电客户迫切需要通过最新的通信技术及系统支撑，满足爆发式增长的通信需求。5G技术将支持能源领域基础设施的智能化，并支持双向能源分配和新的商业模式，以提高生产、交付、使用和协调有限的能源资源的效率。可再生能源、电动汽车、电网通信、智能电网等领域将成为5G在全球能源行业的重点应用场景。欧盟特别注重5G与行业的充分融合，在《关于5G架构的观点》白皮书中提出5G网络架构应具备为汽车、能源、食品、农业、医疗、教育等垂直行业提供定制化专网组网服务的能力，5G技术与商业生态系统的对接，有利于5G网络能够高效率、低成本地提供各类新兴业态服务。

6.3D打印技术应用于太阳能电池的制造工艺

3D打印技术除了用在晶体硅太阳电池以外，也可以应用在薄膜电池上。如美国俄勒冈州立大学的研究者们使用3D打印技术成功地制造出了铜铟镓硒(CIGS)薄膜太阳电池，节约了90%的原材料。麻省理工学院(MIT)则通过一台特制3D打印机将薄膜太阳电池印刷到纸张上，这种电池目前可提供1.5%～2%的电池效率。3D打印技术不仅能打印出分辨力高、导电性好的栅线，而且能够降低生产成本，可以和高方阻发射极完美结合并应用于各类太阳电池新技术。国内外都在积极研究及应用推广该技术的发展，因此，3D打印技术应用于太阳能电池的制造工艺将是大势所趋，这一技术也会带来太阳能电池质量和效率的大幅提高。

五、1.突破核心技术，打造新一代电力系统

以可再生能源逐步替代化石能源，实现可再生能源等清洁能源在一次能源生产和消费中占更大份额，推动能源转型，建设清洁低碳、安全高效的新一代能源系统，是我国能源革命的主要目标。非化石能源在一次能源消费中占比是我国能源转型的主要指标。一次能源消费中非化石能源主要来自一次电力(水电、风电、太阳能发电等可再生能源电力以及核电等)。大幅提高非化石能源电力占比，形成非化石能源为主的电源结构，是电力系统转型的重要标志。当前，突破高比例可再生能源、高比例电力电子装备接入电网，多能互补综合能源以及信息物理深度融合智能化电网等技术，是建设新一代电力系统的关键。

2.不断壮大清洁能源产业，推动绿色能源发展

应对气候变化，清洁能源扮演着举足轻重的角色。加快水电、核电、风电、光伏等清洁能源替代迫在眉睫。国际能源署预测，在未来5年内，中国将持续引领全球清洁能源发展。当前，我国已成为全球最大的可再生能源生产国和应用国，水电、风电、光伏装机规模多年保持全球领先，核电在建规模也居世界首位。绿色低碳是能源技术创新的主要方向，集中在传统化石能源清洁高效利用、新能源大规模开发利用、核能安全利用、能源互联网和大规模储能以及先进能源装备及关键材料等重点领域。

根据国家能源局研究制定的《2018年能源工作指导意见》，2018年将统筹优化水电开发利用，稳妥推进核电发展，稳步发展风电和太阳能发电，积极发展生物质能等新能源，有序推进天然气利用。同时，加快传统能源清洁高效开发利用。指导意见明确，2018年全国能源消费总量控制在45.5亿吨标准煤左右。2018年将着力解决清洁能源消纳问题，增强油气储备应急能力;积极发展新兴能源产业，推动能源生产消费新模式、新业态发展壮大，实施能源系统人工智能、大数据应用等创新行动，推广智能化生产、储运和用能设施。2018年我国将加快能源绿色发展，进一步壮大清洁能源产业。

3.加大研究力量，建立有效激励机制

近年来，我国能源科技创新能力和技术装备自主化水平显著提升，建设了一批具有国际先进水平的重大能源技术示范工程。智能电网和多种储能技术快速发展，陆上风电、海上风电、光伏发电、光热发电、纤维素乙醇等关键技术均取得重要突破。一系列具备国际先进水平的重大能源示范工程成果标志着我国能源科技水平得到了跨越式发展。但与世界能源科技强国和引领能源革命的要求相比，还有较大的差距，主要体现在核心技术缺乏，高端能源装备依赖进口;产学研结合不够紧密，创新活动与产业需求脱节;以及创新体制机制不够完善，人才培养、管理和激励制度有待改进等几方面。因此推动能源技术革命已经迫在眉睫，必须大力推进能源技术创新，缩小与国际先进水平差距，强调自主研发与技术引进相结合。

4.明确能源科技发展战略的优先方向与路线

能源技术是决定全球能源未来的重要因素之一，能源技术的发展方向更是关系能源战略全局的关键棋子。把握世界能源科技绿色低碳、智能、高效、多元的发展方向，合理规划建设清洁低碳、安全高效现代能源体系的中长期愿景和目标，建立有雄心和稳定的政策环境，把战略接续油气资源开发、化石能源清洁高效利用、分布式能源和智能电网、先进安全核能、规模化可再生能源作为战略优先方向，适时更新中长期发展战略和行动计划，并利用技术和产业路线图指导技术研发和产业创新。

5.大数据背景下推动能源行业数字化转型

在+智能时代，云、物联网、数据分析、机器学习、人工智能、自动化、智能终端、增强现实等技术组成错综复杂的生态系统。技术不仅是提升效率的工具，还是能源行业成功的业务战略与未来收入增长的基石。在大数据时代，能源行业的数字化转型已然大势所趋。能源行业的数字化转型，就是发展数字能源，即利用数字技术，引导能量有序流动，构筑更高效、更清洁、更经济、更安全的现代能源体系。

据调查，72%的能源公司已经更新了老旧的IT应用，剩下的28%计划在未来一年内完成这一工作。由此可见，能源行业是技术投资最活跃的行业之一。以电力行业为例，许多国家和地区在不断推进电力系统转型，其程度不亚于一场技术革命。数字化的智能电网实现了更高效的电力输送，在尼日利亚，智慧电网减少了30%的线路损耗，不仅带来显著的经济效益，更造福千家万户，创造出巨大的社会效益。

参考文献：

[1]科技日报国际部.2017世界科技发展回顾[N].科技日报,2018-01-04-(002).

[2]郭楷模,陈伟,吴勘,何涛汪其,李富岭.国际能源科技发展新动向及其对我国的启示[J].世界科技研究与发展,2018,(3)：4-15.

[3]周亚丽.2017年世界前沿科技发展态势及2018年展望[N].全球技术地图，2018年2月.

[4]NASA completes full-power tests of small, portable nuclear reactor. https://www.engadget.com/2018/05/02/nasa-completes-full-power-tests-small-nuclear-reactor/,2018-05-02.

[5]Технологическиеприоритетывроссийскойизарубежнойэнергетике.http://energo-cis.ru/news/tehnologicheskie_prioritety_v/?year=2017.pdf.