科学研究动态监测快报——先进能源科技专辑（2013年第1期）.pdf

先进能源科技专辑 2013 年第 1 期（总 183 期）目录特稿 2012 年度国际能源科技发展态势综述 ·············································· 2 决策参考《Nature》2012 年度评论论文之能源反思 ······································· 5 IEA 报告预测到 2017 年煤炭几将成为最主要能源·························· 6 欧盟提出加强智能电网网络安全措施··············································· 7 美报告指出增加蓄热能力可提高太阳能热发电业务价值················ 8 中国研究安永公司评估中国太阳能光伏产业··················································· 9 项目计划欧委会投资 12 亿欧元推动 23 项创新可再生能源项目·················· 10 美能源部资助环境友好型页岩气开发············································· 11 美能源部资助 2000 万美元发展 CSP 和化石燃料混合发电系统··· 13 波音公司研发混合动力飞机····························································· 13 能源装备丹麦开展 8 MW 风力发电机测试工作············································· 14 科研前沿 MIT《科技创业》杂志评述 2012 年度能源创新进展 ···················· 15 斯坦福大学研发世界首块可粘贴式薄膜太阳电池·························· 15 MIT 研制石墨烯基纳米线柔性轻薄太阳电池································· 16 英研究人员开展锂空气电池碳阴极材料行为研究·························· 17 美研究人员开发具有成本效益的天然气制乙烯工艺······················ 17 能源资源 2011 年全球油气储量和勘探开发支出均增长 ································ 18 专辑主编：张军意见反馈：jiance@mail.whlib.ac.cn 本期责编：李桂菊出版日期：2013 年 1 月 1 日

本期概要本刊《2012年度国际能源科技发展态势综述》:世界能源结构正在转向绿色低碳高效多元的新能源体系,使得转型过程中所面临的化石能源清洁高效利用、新能源低成本高效开发、基础设施升级改造等科技问题得以凸显。研究发展新能源和低碳技术,实施科技创新是保障能源安全、改善能源结构、实现节能减排和保护环境的重要手段。2012年太阳能、风能、核能、化石能源洁净利用等领域科技发展进步显著。本刊编辑部经过集体会商推出年度能源科技发展态势综述特稿,对过去一年的重要动向进行总结,请专家学者指正。《№ ature》评论文章讨论2012年核能、非常规天然气发展形势及一些清洁能源行业面临的问题:日本福岛核事故在2012年继续对能源政策产生着影响日本2012年9月公布的《能源环境创新战略》中提出了到2030年代实现无核化的目标。欧盟对其成员国140多座反应堆的压力测试结果是需要广泛采取安全性升级措施。一些国家积极开发非常规油气资源,美国10%的发电装机容量已从煤炭转移到天然气,但新资源的开发也存在环境隐忧。如电动汽车等新的清洁能源行业自身也面临着不成熟的问题国际能源署(IEA)《中期煤炭市场报告》指出,煤炭在全球能源结构中的份额将持续增长,到2017年左右几乎将超过石油成为全球最主要的能源来源报告主要结论包括:除美国外,煤炭需求的增长随处可见;虽然煤炭需求增长正在放缓,但是煤炭在全球能源结构中所占份额仍在增加;中国已经成为世界上最大的煤炭进口国;印尼已成为世界上最大的煤炭出口国;欧洲的煤炭复兴只是暂时的;受廉价天然气的影响,美囯煤炭走下坡路;印度对煤炭市场的影响力增强;澳大利亚将恢复其作为最大煤炭出口国的地位;已有足够的处于规划和进展阶段的投资计划来确保供应,但不确定因素将会影响其中一些计划的实施。麻省理工学院《科技创业》杂志评述2012年度能源创新进展:页岩气革命的爆发使得可再生能源的进展相形见绌,并且在接下来数年时间可再生能源的影响也很难与页岩气相比。页岩气对可再生能源带来的负面影响体现在:由于廉价天然气的充足供应,曾致力于开发生物燃料等技术的一些公司转向开发天然气制燃料技术;并且天然气的成本优势也使得可再生能源更难与之竞争。太阳能、电动汽车等遭受了挫折:许多光伏企业破产,电动汽车销量不及预期, 曾经风光的电池制造商A123公司也申请破产将遭收购。但好消息是:混合动力汽车技术取得较大进展,现已有利可图;传统内燃机技术有了较大改进,相比于电动汽车将对未来十年的化石燃料消费产生更大影响;有更多的新兴光伏企业投身于技术创新。但技术发展的步伐仍显较慢,如可再生能源间歇性问题尚有待解决,诸多新技术的商业化前景和现实成本有待验证。安永公司国家可再生能源投资吸引力报告总结中国光伏市场变化特点:太阳能产业发展重点从制造转向开发,中国正在试图通过加大国内需求来应对产能的过剩和价格的持续走低;政府支持方向可能将从太阳能电池板制造商转向开发商;分布式太阳能光伏发展势头强劲,政府和电网公司给予政策和并网支持;贸易战争依旧继续,中囯开始针对欧盟和美国的双反调查发起反击

1 本期概要本刊《2012 年度国际能源科技发展态势综述》：世界能源结构正在转向绿色低碳高效多元的新能源体系，使得转型过程中所面临的化石能源清洁高效利用、新能源低成本高效开发、基础设施升级改造等科技问题得以凸显。研究发展新能源和低碳技术，实施科技创新是保障能源安全、改善能源结构、实现节能减排和保护环境的重要手段。2012 年太阳能、风能、核能、化石能源洁净利用等领域科技发展进步显著。本刊编辑部经过集体会商推出年度能源科技发展态势综述特稿，对过去一年的重要动向进行总结，请专家学者指正。《Nature》评论文章讨论 2012 年核能、非常规天然气发展形势及一些清洁能源行业面临的问题：日本福岛核事故在 2012 年继续对能源政策产生着影响。日本 2012 年 9 月公布的《能源环境创新战略》中提出了到 2030 年代实现无核化的目标。欧盟对其成员国 140 多座反应堆的压力测试结果是需要广泛采取安全性升级措施。一些国家积极开发非常规油气资源，美国 10%的发电装机容量已从煤炭转移到天然气，但新资源的开发也存在环境隐忧。如电动汽车等新的清洁能源行业自身也面临着不成熟的问题。国际能源署（IEA）《中期煤炭市场报告》指出，煤炭在全球能源结构中的份额将持续增长，到 2017 年左右几乎将超过石油成为全球最主要的能源来源：报告主要结论包括：除美国外，煤炭需求的增长随处可见；虽然煤炭需求增长正在放缓，但是煤炭在全球能源结构中所占份额仍在增加；中国已经成为世界上最大的煤炭进口国；印尼已成为世界上最大的煤炭出口国；欧洲的煤炭复兴只是暂时的；受廉价天然气的影响，美国煤炭走下坡路；印度对煤炭市场的影响力增强；澳大利亚将恢复其作为最大煤炭出口国的地位；已有足够的处于规划和进展阶段的投资计划来确保供应，但不确定因素将会影响其中一些计划的实施。麻省理工学院《科技创业》杂志评述 2012 年度能源创新进展：页岩气革命的爆发使得可再生能源的进展相形见绌，并且在接下来数年时间可再生能源的影响也很难与页岩气相比。页岩气对可再生能源带来的负面影响体现在：由于廉价天然气的充足供应，曾致力于开发生物燃料等技术的一些公司转向开发天然气制燃料技术；并且天然气的成本优势也使得可再生能源更难与之竞争。太阳能、电动汽车等遭受了挫折：许多光伏企业破产，电动汽车销量不及预期，曾经风光的电池制造商 A123 公司也申请破产将遭收购。但好消息是：混合动力汽车技术取得较大进展，现已有利可图；传统内燃机技术有了较大改进，相比于电动汽车将对未来十年的化石燃料消费产生更大影响；有更多的新兴光伏企业投身于技术创新。但技术发展的步伐仍显较慢，如可再生能源间歇性问题尚有待解决，诸多新技术的商业化前景和现实成本有待验证。安永公司国家可再生能源投资吸引力报告总结中国光伏市场变化特点：太阳能产业发展重点从制造转向开发，中国正在试图通过加大国内需求来应对产能的过剩和价格的持续走低；政府支持方向可能将从太阳能电池板制造商转向开发商；分布式太阳能光伏发展势头强劲，政府和电网公司给予政策和并网支持；贸易战争依旧继续，中国开始针对欧盟和美国的双反调查发起反击

特稿 2012年度国际能源科技发展态势综述受到资源约束(包括资源储量耗减、地缘政治失稳)、环境影响(包括气候变化、环境污染)、科学认知与技术进步等因素的推动,世界能源结构正在转向绿色低碳髙效多元的新能源体系,使得转型过程中所面临的化石能源清洁高效利用、新能源低成本高效开发、基础设施升级改造等科技问题得以凸显。研究发展新能源和低碳技术,实施科技创新是保障能源安全、改善能源结构、实现节能减排和保护环境的重要手段。美欧日等发达国家和地区基于对上述问题的认知,不断加强科技投入力度, 期望通过能源领域的科技创新改造现有的能源结构,推动新型能源产业的增长,占据能源科技制高点。 1低碳能源高效低成本发展趋势能源结构向低碳和近零排放的演化,使得发展包括太阳能、风能、核能技术等在内的低碳能源供应系统成为全球能源领域的一个重要方向,这方面的科技发展重点集中在解决低碳能源利用的高效性、稳定性、经济性和安全性, 太阳能是地球上可利用的存量最多的能源资源,但其能源密度较低并且具有间歇性,使得当前大规模利用的成本和技术难度较高。需要解决的关键科学问题包括: 可见光乃至太阳宽光谱高效吸收、光诱导电子转移和电荷高效分离、认识电荷高效传输和长寿命的规律、光生电子空穴高效参与化学反应和引入电路系统。由此涉及到新型捕光材料合成、新型光-电转化体系设计、新型光-热-电转化体系设计、新型催化转化体系设计等核心技术开发,并利用超快光谱表征与理论计算手段作为支撑。目前的研究热点和趋势集中在:(1)开发高质量低维纳米光伏材料和优化器件结构设计,实现太阳光谱全谱高效吸收,提高转换效率。如美国国家可再生能源实验室通过控制纳米结构中载流子再结合,开发几乎能响应全太阳光谱的黑硅太阳电池达到此类型太阳电池182%的效率纪录;斯坦福大学利用碳纳米管和富勒烯作为吸光层材料,石墨烯和单壁碳纳米管作为电极材料,制成全球首块全碳太阳电池,吸收红外光,可与传统太阳电池串联对全太阳光谱加以利用;夏普公司通过优化电池结构,其聚光和非聚光型IV族化合物三结太阳电池均创造了最高转化效率纪录, 分别达到435%和377%。(2)提高有机太阳电池的效率和稳定性,设计和合成宽吸收和高迁移率有机光伏材料。如美日联合研究团队将窄带隙共轭聚合物材料与 P3HT:IC60BA体系进行有效能级匹配,制成叠层有机太阳电池,实现了10.6%的转换效率纪录;东京大学制出全球最薄最轻的有机太阳电池,厚度仅约19μm,最大曲率半径为35μm,甚至可缠绕在头发上。(3)自然界光合作用PSI系统反应机理 2

2 特稿 2012 年度国际能源科技发展态势综述受到资源约束（包括资源储量耗减、地缘政治失稳）、环境影响（包括气候变化、环境污染）、科学认知与技术进步等因素的推动，世界能源结构正在转向绿色低碳高效多元的新能源体系，使得转型过程中所面临的化石能源清洁高效利用、新能源低成本高效开发、基础设施升级改造等科技问题得以凸显。研究发展新能源和低碳技术，实施科技创新是保障能源安全、改善能源结构、实现节能减排和保护环境的重要手段。美欧日等发达国家和地区基于对上述问题的认知，不断加强科技投入力度，期望通过能源领域的科技创新改造现有的能源结构，推动新型能源产业的增长，占据能源科技制高点。 1 低碳能源高效低成本发展趋势能源结构向低碳和近零排放的演化，使得发展包括太阳能、风能、核能技术等在内的低碳能源供应系统成为全球能源领域的一个重要方向，这方面的科技发展重点集中在解决低碳能源利用的高效性、稳定性、经济性和安全性。太阳能是地球上可利用的存量最多的能源资源，但其能源密度较低并且具有间歇性，使得当前大规模利用的成本和技术难度较高。需要解决的关键科学问题包括：可见光乃至太阳宽光谱高效吸收、光诱导电子转移和电荷高效分离、认识电荷高效传输和长寿命的规律、光生电子/空穴高效参与化学反应和引入电路系统。由此涉及到新型捕光材料合成、新型光-电转化体系设计、新型光-热-电转化体系设计、新型催化转化体系设计等核心技术开发，并利用超快光谱表征与理论计算手段作为支撑。目前的研究热点和趋势集中在：（1）开发高质量低维纳米光伏材料和优化器件结构设计，实现太阳光谱全谱高效吸收，提高转换效率。如美国国家可再生能源实验室通过控制纳米结构中载流子再结合，开发几乎能响应全太阳光谱的黑硅太阳电池，达到此类型太阳电池 18.2%的效率纪录；斯坦福大学利用碳纳米管和富勒烯作为吸光层材料，石墨烯和单壁碳纳米管作为电极材料，制成全球首块全碳太阳电池，吸收红外光，可与传统太阳电池串联对全太阳光谱加以利用；夏普公司通过优化电池结构，其聚光和非聚光型 III-V 族化合物三结太阳电池均创造了最高转化效率纪录，分别达到 43.5%和 37.7%。（2）提高有机太阳电池的效率和稳定性，设计和合成宽吸收和高迁移率有机光伏材料。如美日联合研究团队将窄带隙共轭聚合物材料与 P3HT: IC60BA 体系进行有效能级匹配，制成叠层有机太阳电池，实现了 10.6%的转换效率纪录；东京大学制出全球最薄最轻的有机太阳电池，厚度仅约 1.9 μm，最大曲率半径为 35 μm，甚至可缠绕在头发上。（3）自然界光合作用 PSII 系统反应机理

研究,廉价高效光催化剂开发,广谱范围吸光电极开发。如美欧研究团队利用超短 Ⅹ射线脉冲首次获得室温下光合系统Ⅱ中放氧复合体分子结构的微晶体解析图像, 奠定研究光合反应中间体形成过程的基础;瑞典皇家理工学院硏制出钌基光分解水分子催化剂,每秒进行300次光合作用,创造人工光合作用新纪录。风能资源分布范围广、能量密度相对较低且具有一定的不稳定性,涉及到的基础研究对象包括风能资源评估硏究、风电机组硏究、风电并网研究以及近海风电研究等。目前集中在更大单机功率的海上风力涡轮机的研发,重点是轻型高强度、高疲劳寿命片层叶片材料和风机支撑结构,浮体式系统是较热门的研究方向,如日本在3月份实施了浮体式海上风电场实证研究项目,而英国和美国在4月份启动了大型浮体式风电机组合作开发计划。此外,创新结构的风力涡轮机设计也受到重视, 如美国桑迪亚国家实验室开展了近海风电应用的新型垂直轴风力涡轮机研究,着力解决弯曲叶片、转子设计和气动制动系统挑战;挪威 Sway Turbine公司10月份发布的10MW海上风力涡轮机设计,最大特点是如同自行车车轮式的轮辐式直驱永磁发电机置于风机的中心,直接将叶片、叶片支撑结构和发电机耦合起来,使得在保证结构强度的同时设备更轻,性能也得以提高。核能是能量密度最高的能源类型,并且可以大规模提供无CO排放的电力,其科技发展旨在解决核安全与监管、燃料循环利用与废料处置、水堆高参数发展、能的梯级利用等关键问题。2011年日本福岛核事故之后,核能安全性研究成为全球核能业界的重点,集中在提高核反应堆严重事故防御能力和固有安全性能方面,包括开发更加完备的风险评估方法、先进的仪控技术、非能动安全系统、以及严重事故应急设备等。同时以小型模块式反应堆为代表的先进核能技术也受到了重视,以增强公众对核能和平利用的信心和可接受程度。美国能源部在3月份提出了投资4.5 亿美元资助小型模块式反应堆设计开发,旨在2022年实现商业化。作为新一代能量转换装置,燃料电池在交通运输、分布式发电等领域具有广阔的应用前景,目前的研究热点集中在:(1)高效固体氧化物燃料电池(SOFC)联合循环发电系统开发。如三菱重工在6月开展SOFC、燃气轮机、蒸汽轮机组成的燃料电池联合循环发电系统基础技术硏究,旨在实现70%以上的发电效率。(2)开发低成本小型SOFC高活性电极材料。如美国西北太平洋国家实验室结合微通道换热、外部蒸汽重整和燃料循环技术开发了效率髙达57%的小型SOFC系统:哈佛大学采用低温运行和使用铂和纳米结构氧化钒双层阳极,研发小型超薄SOFC,既可发电,也可存储电化学能量。(3)揭示高效非贵金属催化剂反应机制,开发碳纳米管和石墨烯等有机催化剂材料。如加州理工学院通过添加一组钴配位体,利用核磁共振光谱观察到形成三价钴氢化物这一关键的化学中间体,明确了钻催化剂分子工作机制,为开发更好的催化剂奠定了基础;瑞典Umea大学开发基于氮掺杂碳纳米 3

3 研究，廉价高效光催化剂开发，广谱范围吸光电极开发。如美欧研究团队利用超短 X 射线脉冲首次获得室温下光合系统 II 中放氧复合体分子结构的微晶体解析图像，奠定研究光合反应中间体形成过程的基础；瑞典皇家理工学院研制出钌基光分解水分子催化剂，每秒进行 300 次光合作用，创造人工光合作用新纪录。风能资源分布范围广、能量密度相对较低且具有一定的不稳定性，涉及到的基础研究对象包括风能资源评估研究、风电机组研究、风电并网研究以及近海风电研究等。目前集中在更大单机功率的海上风力涡轮机的研发，重点是轻型高强度、高疲劳寿命片层叶片材料和风机支撑结构，浮体式系统是较热门的研究方向，如日本在 3 月份实施了浮体式海上风电场实证研究项目，而英国和美国在 4 月份启动了大型浮体式风电机组合作开发计划。此外，创新结构的风力涡轮机设计也受到重视，如美国桑迪亚国家实验室开展了近海风电应用的新型垂直轴风力涡轮机研究，着力解决弯曲叶片、转子设计和气动制动系统挑战；挪威 Sway Turbine 公司 10 月份发布的 10 MW 海上风力涡轮机设计，最大特点是如同自行车车轮式的轮辐式直驱永磁发电机置于风机的中心，直接将叶片、叶片支撑结构和发电机耦合起来，使得在保证结构强度的同时设备更轻，性能也得以提高。核能是能量密度最高的能源类型，并且可以大规模提供无 CO2 排放的电力，其科技发展旨在解决核安全与监管、燃料循环利用与废料处置、水堆高参数发展、能的梯级利用等关键问题。2011 年日本福岛核事故之后，核能安全性研究成为全球核能业界的重点，集中在提高核反应堆严重事故防御能力和固有安全性能方面，包括开发更加完备的风险评估方法、先进的仪控技术、非能动安全系统、以及严重事故应急设备等。同时以小型模块式反应堆为代表的先进核能技术也受到了重视，以增强公众对核能和平利用的信心和可接受程度。美国能源部在 3 月份提出了投资 4.5 亿美元资助小型模块式反应堆设计开发，旨在 2022 年实现商业化。作为新一代能量转换装置，燃料电池在交通运输、分布式发电等领域具有广阔的应用前景，目前的研究热点集中在：（1）高效固体氧化物燃料电池（SOFC）联合循环发电系统开发。如三菱重工在 6 月开展 SOFC、燃气轮机、蒸汽轮机组成的燃料电池联合循环发电系统基础技术研究，旨在实现 70%以上的发电效率。（2）开发低成本小型 SOFC 高活性电极材料。如美国西北太平洋国家实验室结合微通道换热、外部蒸汽重整和燃料循环技术开发了效率高达 57%的小型 SOFC 系统；哈佛大学采用低温运行和使用铂和纳米结构氧化钒双层阳极，研发小型超薄 SOFC，既可发电，也可存储电化学能量。（3）揭示高效非贵金属催化剂反应机制，开发碳纳米管和石墨烯等有机催化剂材料。如加州理工学院通过添加一组钴配位体，利用核磁共振光谱观察到形成三价钴氢化物这一关键的化学中间体，明确了钴催化剂分子工作机制，为开发更好的催化剂奠定了基础；瑞典 Umeå 大学开发基于氮掺杂碳纳米