新能源关键技术预见的研究

来源：微信公众号科学家，原载于《今日科苑》2020年第11期

作者：刘进萍、卢世刚

1. 引言

新能源是指采用新技术和新材料正在开发利用的新型能源，既包括风能、太阳能、生物质能等可再生能源，也包括核能、氢能等其他非化石能源，新能源技术也泛指能源领域的新技术和新装备，如采用电力驱动技术的新能源汽车等。

高比例新能源是2050年我国新型能源体系的主要特征。按照《能源生产和消费革命战略（2016-2030年）》的要求，2020年我国能源消费总量控制在50亿吨标准煤以内，2030年控制在60亿吨标准煤以内，2050年能源消费总量基本稳定；2020年非化石能源占比15%，2030年占比20%，2050年占比超过一半。可以预见，未来非化石能源发展将主要依赖风能、太阳能等新能源，有分析认为，我国风能、太阳能预计分别于2030年、2040年成为主要的非化石能源品种。

根据我国新能源领域发布的战略规划和相关研究结果，我国将新能源电力、新能源汽车、电力存储作为推动新能源发展的关键领域。面向2050年，我国能源生产和消费以高比例新能源电力生产和消费为特征，纯电动汽车将成为主流，电力系统将由“源-网-荷”转变为“源-网-荷-储”，汽车将从单纯交通工具转变为移动智能终端、储能单元和数字空间，推动能源体系转变为绿色低碳、智慧化、多元化、互联互通的新型能源体系，对于我国经济社会的发展将产生重大影响。

构建高比例新能源的新型能源体系实质上是重塑以化石能源为主体能源体系，既要解决新能源产业大规模发展的关键问题，也要解决能源生产、消费结构的重塑问题，新能源发展将以加速发展和融合发展为主要特征，必须以技术创新为支撑。当前，国内研究机构对于我国能源领域开展了技术预见研究，明确了新能源领域技术优先发展方向，而对于具体的新能源关键技术预见的研究尚不多见。在新能源加速发展和融合发展的新情形下，开展新能源电力、新能源汽车、电力存储关键技术预见的研究，分析其社会经济影响，提出相关政策建议，对于推动我国新能源技术的创新发展、支撑构建绿色低碳安全高效的新型能源体系具有重要意义。

2. 研究方法

采用德尔菲法开展技术预见的研究。邀请了行业专家组建技术预见专家组，遴选新能源关键技术领域的备选技术课题，组织开展了两轮基于德尔菲法的调查。

2.1 遴选新能源关键技术领域的技术课题

根据新能源技术领域学科交叉的特点，采用技术课题作为基础数据开展德尔菲法调查，一方面能够体现新能源关键技术内容的科学性和学科交叉融合的特征，另一方面也能够体现新能源关键技术的可行性和发展水平。遴选技术课题的基本原则是符合国家战略发展需求和发展现状、预期未来10~20年取得重大突破、符合国际前沿技术方向，并关注未来可能形成的颠覆性技术。对于国家战略发展需求重点分析了我国政府部门发布的法律法规、发展规划、发展战略所确定的目标、任务，而对于发展现状需求分析主要采纳了政府部门、行业组织和国际组织发布的产业分析报告、年度发展报告等；技术课题主要来源于对于新能源关键技术领域前沿技术分析、技术预见研究的结果，前沿技术分析以政府部门发布的产业发展规划、科技规划、科技计划（如国家重点研发计划）和最新发表论文专著为主要参考数据，技术预见研究结果主要依据《能源技术革命创新行动计划（2016-2030年）》明确的技术创新路线图、《新能源汽车产业发展规划（2020-2035）》确定的技术需求和中国科学院、中国工程院开展技术预见研究和战略研究得出的研究结论。

对于我国新能源关键技术领域进行战略需求分析、发展现状需求分析和国际前沿技术分析、技术预见研究结果分析，提出了64项技术课题，再经过技术预见研究专家组进行充分论证，最终确定了新能源关键技术领域的55项技术课题（表1），进行德尔菲调查。55项技术课题分为新能源电力、新能源汽车和电力存储三个关键技术领域，进一步划分为风能发电技术、光伏发电技术、动力电池技术、新能源汽车和新能源电力的集成应用技术（简称新能源汽车融合技术）、电化学储能技术、物理储能技术、储能集成应用技术（简称储能应用技术）7个技术子领域。

2.2 德尔菲调查

对于55项技术课题的调查采用“中国科协面向2035年的技术预见研究——“德尔菲调查问卷””，内容包含专家对于技术课题的熟悉程度、在中国的技术实验室实现时间和影响因素、在中国的技术应用推广和普及时间和影响因素、当前中国的研发水平、目前领先国家、对哪两项（A国家安全、B产业升级、C社会发展、D生活质量）影响最大等方面。调查工作包括调查专家筛选、两轮基于德尔菲法的调查、调查数据的统计分析、召开专家会议等方面。

在专家筛选方面，遵循专业性、权威性、广泛性原则。按照技术课题划分所属的7个子领域筛选专业技术人员，按照所属的3个领域筛选权威专家，参与的专家来源于高校、科研机构、骨干企业和行业组织，一般应具有高级技术职称或部门负责人职务。

参与德尔菲调查的专家主要来自于高校、科研院所、企业，在第一轮调查中该比例分别为44%、24%、29%，第二轮的比例分别为56%、20%、22%。

对于德尔菲调查统计数据的分析借鉴了“中国先进能源2035技术预见”所介绍的方法。按照专家对于技术课题的熟悉程度对回函专家人数进行加权处理，对于“熟悉”“一般”“不熟悉”的回函专家分别赋予的权重是3、1、0。采用中位数法计算了每个技术课题在实验室实现和推广应用的时间；采用专家认同度，即回函专家选择所评价选项人数（考虑专家对于技术课题熟悉程度的加权人数）占回函专家人数（考虑专家对于技术课题熟悉程度的加权人数）的比例，分析各备选技术课题的单因素重要程度、制约因素、领先国家或地区。

最后，针对德尔菲调查结果的统计分析，组织技术预见专家组专题研讨，确定优先发展的技术课题，分析社会影响，提出政策建议。

3. 调查结果分析

根据调查结果，对于技术课题的实现时间、重要课题、制约因素、领先国家或地区等进行了统计分析。

3.1 技术课题的实现时间

图1和图2是55项技术课题在实验室实现时间和大规模普及时间及其分布情况，可以看出，超过一半技术课题能够在2025年前在实验室实现，2021~2025年实验室实现技术课题有32项，占比58.2%；2026~2030年实验室实现技术课题23项，占比41.8%。超过2/3的技术课题在2030年前能够实现大规模的普及应用，2026~2030年有37项，占比67.3%；2031~2035年18项，占比32.7%。实验室技术实现到大规模普及应用的平均年限为4.1年。

3.2 新能源技术领域最重要技术课题

表2列出了分别对于保障国家安全和促进产业升级、促进社会发展、提升生活质量等四个方面最重要的10项技术课题。

从技术领域分布看，对于保障国家安全，新能源汽车技术领域占大多数，占有6项，还有3项是新能源电力技术领域，1项是电力存储技术领域；对于促进产业升级，新能源电力、新能源汽车和电力存储分别为2项、5项和3项；对于促进社会发展，新能源电力、新能源汽车均为4项，电力存储2项；对于生活质量方面，新能源电力、新能源汽车和电力存储各有2项、6项和2项。由此可以看出，在保障国家安全和促进社会发展方面，新能源电力、新能源汽车两个技术领域较为重要，而对于促进产业升级和提升生活质量，新能源汽车更显重要性。

3.3 技术课题的制约因素

调查结果表明，新能源关键技术领域的技术课题在实验室的技术实现更多地受制于学科交叉程度、产学研合作、相关学科发展情况、国内政策支持等四个方面，较少地受制于高层次人才及其团队、研发资金、研发设施设备、科学原理突破，而国外竞争限制没有被认可为第一或第二制约因素（图3）。研究结果一方面反映了新能源关键技术领域技术课题多学科交叉的特征，也反映出我国具备了较好的人才队伍。

对于技术课题的应用推广和普及，则更多地受制于产业链配套能力、成果转化中试基地、国内示范推广等三个方面（图4）。产业配套能力、成果转化中试基地、国内示范推广等是促进科技成果从实验室向产业化转移的创新能力，因此，可以认为，新能源关键技术领域应用推广和普及主要受制于科技成果从实验室向产业化转化的创新能力，而较少受制于市场因素和国外竞争限制。

3.4 技术课题领先的国家或地区

图5是备选技术课题领先国家或地区的分布情况。对于55项技术课题调查表明，美国领先的技术课题30项，主要分布在新能源汽车、电力存储两个技术领域；日本领先技术课题13项，分布在新能源汽车、电力存储两个技术领域；欧洲领先的技术课题8项，分布在新能源电力（以风能发电为主）技术领域。我国有4项技术课题达到了国际领先的排名第一，均为电力存储中电化学储能技术子领域的课题。

4. 优先发展技术课题及其影响

4.1 优先发展技术课题

经过专题研讨和专家咨询、综合研判后，确定了我国新能源关键技术领域需要优先发展技术课题，计10项（表3）。可以看出，新能源关键技术领域优先发展关键共性技术体现了三个方面的发展需求和趋势，一类代表了新能源发展的前沿技术方向，能够支持解决产业加快发展亟待解决的关键问题，如“10MW级及以上大型风电机组的关键技术”“高安全长寿命300Wh/kg以上锂离子动力电池的关键技术”“大规模超临界压缩空气储能电站的关键技术”；一类是体现了新能源发展融合互联网、云计算、大数据、现代通信息等技术的智能化，如“电网友好且与其他电源协同运行的智能化风电场技术”“高可靠光伏建筑一体化智能微网技术”“智能充电基础设施服务平台的关键技术”“储能器件与系统的失效机制、在线监测与智能修复”、“GWh级复合储能电站关键技术”；第三类是未来可能形成的颠覆性技术，如“比能量≥500Wh/kg的新型动力电池及关键材料技术”“基于人工智能（AI）的全新材料及电池开发策略”。

从技术实现时间看，实验室实现时间范围为2024-2029年；大规模应用普及的时间范围为2026-2034年。学科交叉程度和产学研合作为技术实验室实现的主要制约因素；产业链配套为技术大规模普及应用的主要制约因素。美国在该10项技术领域占据绝对优势，排名第一的有6项、欧洲3项。我国在“高可靠光伏建筑一体化智能微网技术”和“智能充电基础设施服务平台的关键技术”表现出一定优势，排名第二。

4.2 优先发展技术课题的影响

新能源关键技术领域优先发展技术课题将支撑新能源大规模开发利用，促进新能源产业加速发展和融合发展，将大幅度提高我国新能源在能源生产和消费结构中的比例，从而推动构建形成低碳绿色、安全高效的新型能源体系，对于社会经济产生重要的影响。

首先，新能源产业将加速发展和融合发展，不断壮大成为能源产业的支柱。优先发展技术着力于解决制约新能源产业发展的关键技术问题，未来风能发电、太阳能发电将实现智能化、大规模，集中式发电和分布式发电相结合，新能源汽车、光伏建筑一体化实现大规模普及应用，在壮大新能源产业的同时，还将催生基于互联网、云计算、大数据、区块链等新技术的新模式、新业态，未来的新能源产业将成为能源产业的支柱。

其次，新能源将重塑能源生产和消费结构，构建形成高比例新能源的新型能源体系。能源生产将可以更多地依赖“人人可得”的风能和太阳能，新能源电力在能源生产中将发挥主导作用；能源消费将更多地采用风能、太阳能等新能源所生产的电力，用能终端电气化水平将大幅度提升。电力存储将成为能源体系的重要组成部分，电力系统由传统的“源-网-荷”转变为“源-网-荷-储”，进一步通过互联网、云计算、大数据、现代通信等新技术融合传统能源，以实现能源的生产、传输、分配、转换、存储、终端消费的协同化和智能化发展，构建形成高比例新能源的智慧能源体系。

最后，高比例新能源的新型能源体系能够保障我国能源资源安全，促进提高人民生活质量，对经济社会产生深刻影响。在高比例新能源的新型能源体系中，将更多地采用风能、太阳能，进而改变我国富煤、缺油、少气的能源资源特征，保障我国能源资源安全。能源生产和消费以新能源电力为主导，大幅度降低传统化石能源的开发利用，生态环境将得到明显改善，气候变化也将得到缓解，将保障社会经济的可持续发展。展望2050年，新能源电力成为能源生产和消费的主流，分布式发电、分布式储能、智能微电网、新能源汽车渗透到社区、园区、山区、偏远地区和建筑、道路、家庭，将极大地提高人民生活质量，也改变了人民的社会生活方式。

5. 政策建议

5.1 技术发展建议

在新能源电力方面，突破10MW及以上风电机组、高效硅基光伏电池和高效薄膜太阳能电池的关键技术，全面实现风能发电技术装备的大型化、智能化，实力成为新增电力的主流，2035年构建形成新能源和传统能源的深度融合的能源体系，2050年构建形成高比例新能源的新型能源体系。

在新能源汽车方面，突破高比能高安全锂离子动力电池、智能化电池系统等关键技术，突破动力电池的梯级利用和循环再利用、新能源汽车的标准体系、智能充电基础设施建设等关键技术，突破新能源智能汽车和智能电网能量互动、有序充电、光储充放一体化电站等关键技术。实现《新能源汽车产业发展规划（2021-2035年）》中规划的2025年新能源汽车产量占当年汽车总产量的20%，2035年，纯电动汽车成为新销售车辆的主流。

在电力存储方面，突破锂离子电池、全钒液流电池、铅碳电池、钠离子电池、回收汽车动力电池等先进化学储能和压缩空气、飞轮储能等先进物理储能的关键技术及其应用示范，突破GW级复合储能系统、智能化储能系统的关键技术和示范应用的关键问题。2025年储能技术装备广泛应用在发电侧、电网侧和用户侧，储能产业达到国际先进水平；2035年电力存储装机容量大幅提升；2050年以电力存储为核心技术构建的“源-网-荷-储”新型电力系统实现高比例新能源电力消纳。

5.2 保障技术发展的政策建议

一是做好构建未来能源体系的顶层设计，大力推动新能源产业加快发展和融合发展，着力构建高比例新能源的新型能源体系。将新能源技术作为整体技术体系，加强发展战略和发展规划研究，统筹产业支持政策和质量、安全、标准等技术政策，协同推进技术创新和产业发展。

二是建设新能源技术领域国家实验室，积极促进学科交叉融合，构建形成以企业为主体、产学研相结合的技术创新体系。国家实验室着眼于新能源技术整体上的前沿技术、颠覆性技术的研究，大力发展以新能源电力、新能源汽车、电力存储为代表的“新工科”，支持企业组建国家级研发平台、设立产业创新联盟，打造具有国际影响力的领军企业。

三是大力加强新能源领域关键共性技术和基础性前沿技术的研发，积极推动科技成果的示范应用和推广普及。以当前一代新能源技术与装备的高性能、智能化为重点方向，以下一代新能源技术与装备为前沿方向，部署关键共性技术和基础性前沿技术的研发项目；设立新能源产业发展基金，布局建设新能源领域国家创新中心，提升从实验室产品向产业化转移的创新能力；积极支持发展新能源关键技术领域的新产业、新模式、新业态，加快提升新能源产业的协同创新能力。

四是大力培育新能源技术领域的创新人才和创新发展的社会氛围，全面提升国际竞争力。凝聚国内外战略研究的高端人才，加快培养一批具有国际影响力的领军人才和创新群体，培养具有相关学科背景和交叉学科的专业人才；提高新能源的社会支持度和接受度，建立社会公众参与的机制；推动我国新能源关键技术领域在国际竞争中提高自身创新发展能力。

参考文献：略

未来智能实验室的主要工作包括：建立AI智能系统智商评测体系，开展世界人工智能智商评测；开展互联网（城市）云脑研究计划，构建互联网（城市）云脑技术和企业图谱，为提升企业，行业与城市的智能水平服务。

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