中国科学院院士邹才能：全能源系统概念、内涵、路径及意义
发布时间：2025-09-16 04:20:06| 浏览次数：
国家社会科学基金重大项目“统筹新能源发展与国家能源安全重要关系及实践路径研究”
摘要:当今世界进入第6次科技革命、第4次工业革命和第3次能源革命“三大革命”叠加发展的新时代。为应对全球气候变化与能源绿色安全转型的新挑战,人类必将抓住突破传统单能源接替发展局限与能源系统间壁垒的新机遇,加快构建煤炭+石油+天然气+新能源+碳中和+人工智能的“煤-油-气-新-碳-智”六位一体的多能协同智慧融合发展新模式。能源科学是立足地球系统演化,从时间和空间尺度研究各类能源的形成分布、评价选区、开发利用、有序替代、发展前景等内容的科学。从中国建设“能源强国”的角度出发,基于全球能源绿色转型、气候变化、碳中和目标、中国能源资源禀赋特征与能源绿色安全转型的研究,提出了“全能源系统”的概念、理论框架、技术路径与发展举措。全能源系统是指地上地下能源形成亲缘有序、叠合共生、协同融合、利用接替的高效安全智慧的大能源系统。倡导树立大能源系统观,其发展思想是构建全油气系统、全煤岩系统、新能源系统、多能源系统、超级能源系统、碳循环系统的“六个子系统”;其发展思路是洁煤降碳、稳油增气、强新增储、多能互融、智能经济、绿色安全;其发展技术是聚焦煤炭清洁化、页岩煤岩地下原位转化、风能、光能、氢能、储能、地热、可控核聚变和智慧管控九大关键方向;其发展路径是按照在筑基融合期夯实多能互补基础、在转型加速期突破核心技术、在体系成熟期建成智慧能源生态的“三步走”规划;其发展意义是或将破解化石能源“不可能三角”固有矛盾,驱动构建以新能源为核心的新型能源体系,助力实现碳中和目标,赋能能源强国建设,在全球能源绿色转型、绿色地球建设中贡献“中国方案”。
关键词:全能源系统;能源强国;能源安全;能源绿色转型;能源安全转型;碳中和;多种能源融合;能源三角;能源当量
中国从能源小国发展成为能源大国,作为全球最大的能源生产国、最大的能源消费国和最大的能源进口国,中国建设“能源强国”正处于世界百年未有之大变局和中华民族伟大复兴战略全局交汇期[1]。构建“全能源系统”战略思想与路径,必将推动多种能源协同融合绿色智慧发展,驱动构建以新能源为核心的新型能源体系,奋力实现中国“能源独立”[2],加快建成“能源强国”。中国能源人肩负着碳达峰碳中和的践行者、科技自立自强的引领者、能源基业长青的推动者、能源强国建设的贡献者的新征程新使命,需为建设社会主义现代化强国和实现碳中和目标提供坚实的能源保障[3]。
当前,人类世界面临“五大安全”:粮食安全、国土安全、信息安全、能源安全、气候安全,其中,粮食安全是人类生存的安全,能源安全是工业发展的安全,二者事关整个人类的生活与生存。煤炭资源的有限性+含碳性+战略储备性,油气资源的稀缺性+不可再生性+难以替代性,新能源的本土性+无限性+零碳绿色性,化石能源的稀缺性+含碳性,“风吹、日晒、水流”新能源取之不尽,用之不竭,大自然“风光”(风能、光能)无限,新能源无限“风光”,新能源进入“风光时代”[4]。新能源的地位,已经由“传统能源替补”向“多能融合核心”,再向“能源转型主角”发展。能源工业呈现出化石能源与CCUS(碳捕集、利用与封存)/CCS(碳捕集与封存)协同融合发展、化石能源与新能源接续融合发展、全能源系统与人工智能智慧融合发展3个融合发展趋势[5]。
目前,美国、俄罗斯是以油气为主的能源生产与消费大国,也是能源强国。中国则是以煤炭生产、消费为主的能源大国,还不是能源强国,未来能源转型以新能源为主,将建设成为能源强国。新能源、新浪潮、新使命,新能源是世界能源转型的方向、能源科技创新的前沿、能源强国建设的主力、绿色地球建设的动力,新能源将支撑中国的能源转型、能源安全、能源独立、能源强国。能源转型不单是因为碳能源自身减少,而是人类自身需要减碳能源,实现绿色发展。化石能源向新能源转型是历史的必然,更是人类必然的选择[6]。
能源转型过渡期面临“四难”挑战:多种能源协同智慧融合难、集中与分布式能源和谐难、不同能源工业能力转换难、突发极端事件应急保供难。世界能源绿色转型革命呈现出“十大趋势”:能源转型具有曲折性与必然性;非常规与新能源是两匹大黑马;新科技革命引领支撑能源革命;要重新认识能源资源禀赋特征;油气在碳中和时仍然不可替代;多能协同融合构建全能源系统;中国将从能源大国到能源强国;新能源革命将破解“不可能三角”;碳中和目标下构建减碳全产业;能源转型有利于地球绿色发展。能源转型的核心逻辑已从“资源约束”转向“需求驱动”,人类主动选择减碳能源以应对气候变化,能源绿色转型成为不可逆的历史必然。加强科技创新驱动,因地制宜大力发展能源新质生产力[7],加大煤炭、石油、天然气等传统产业的转型升级、加快新能源等新兴产业的培育壮大、加强可控核聚变等未来产业的布局发展,保障国家能源安全,实现能源绿色转型与碳中和目标。研究全能源系统融合发展新理论、新技术与新战略,目的是为了更好地适应“绿色转型+安全转型”的2个新要求,满足“双碳目标+能源强国”的2个新目标,构建“化石能源+新型能源”全能源系统智慧融合发展新模式[1]。全能源系统理论与思想突破了传统能源分治模式,形成了涵盖基本概念、基础理论、核心技术、战略举措、国家政策、人才培养等多维度的框架体系。
笔者从中国建设“能源强国”角度出发,基于全球能源绿色转型、气候变化与碳中和目标,结合中国能源资源禀赋特征与能源绿色转型大势,提出了全能源系统理论思想体系,探讨了全能源系统的核心内涵与发展路径,阐述了全能源系统的系统发展观、核心技术与战略举措。通过深度解析全能源系统的科学内涵与实施策略,为煤炭、石油、天然气、新能源、减碳、人工智能等“煤-油-气-新-碳-智”六位一体协同融合发展提供实现新路径。
第6次科技革命、第4次工业革命、第3次能源革命三者叠加而至,提速了多种能源融合发展。全能源系统的提出可归结有八大时代背景:单能源系统产业发展成熟、多能源系统协同融合发展、超级能源系统创新性构建、非常规油气革命取得成功、碳中和目标驱动能源转型、中国新能源革命加速推进、油气与新能源的协同开发、建设能源强国的历史使命,这是全球与中国能源发展到今后相当长时期的必然趋势与必须选择。
全球气候变化与气温上升已成为人类面临的严重威胁,控制CO2等温室气体排放、实现《巴黎协定》1.5℃温控目标,已成为人类永续生存的共同战略目标,需要全球在2050年前后达成净零排放[8]。中国作为碳排放总量位居全球第一的国家[9],2020年正式提出CO2排放力争于2030年前碳达峰、努力争取2060年前碳中和的“双碳”目标。这一承诺彰显了大国责任与主动担当,体现构建人类命运共同体的决心,为全球实现温控目标做出了巨大贡献,也倒逼能源体系从资源依赖型向技术主导型进行重构[10]。碳中和是全人类的一场去碳化的能源革命、生态化的技术革命、绿色化的工业革命,将为人类社会与经济发展带来深刻变革[11]。碳中和目标并非能源发展的约束条件,而是催生全能源系统这一能源发展新范式的战略契机,其本质是以系统观重构能源生态,将减排压力转化为零碳竞争力。
2024年,全球清洁能源消费占比进一步提升,天然气消费占比为23.36%,新能源消费占比为19.42%,清洁能源天然气+新能源消费占比合计达42.78%(表1)。对比中国近50年的能源消费结构变化发现,煤炭消费占比下降幅度最为明显,非化石能源消费占比快速提升,中国低碳化转型速度明显高于世界平均水平[12]。未来,碳中和下的中国能源结构将由“一大三小”绿色转型到“三小一大”,将由2024年中国煤炭消费占比大(占比为52.26%),石油、天然气、新能源消费占比小(占比分别为18.30%、8.87%、20.57%)的“一大三小”格局[9],向2060年煤炭、石油、天然气消费占比小(预测占比分别为5%、6%、9%),新能源消费占比大(预测占比为80%)的“三小一大”转型。全能源系统构建的生态文明逻辑和绿色能源产业体系,将绿色转型从环境成本转化为生态资产,通过能源活动主动参与碳汇增容、生物多样性恢复和土地修复,实现人类能源系统与自然生态系统的再融合。
能源安全与能源转型同等重要,能源绿色转型具有长期性、曲折性和必然性,能源安全包含科学性、可控性和储备性。中国能源转型过渡期特别关注产能过剩、极端气候、关键矿产进口、大电网受攻击等风险点。与全球与美国等相比(表1),中国能源结构处于“过去”未去、“现在”即在、“未来”已来的“三期”叠加时期,转型挑战与机遇并存。“过去”未去:煤炭在能源结构中仍占较大比重,2024年煤炭消费占比为52.26%[9](表1),煤炭产量和进口量也呈增长态势,且煤炭对中国能源安全有兜底保障作用,短期内难以根本改变以煤为主的能源结构。“现在”即在:化石能源仍占据重要地位,2024年石油、天然气消费占比分别为18.30%、8.87%,油气在能源供应和消费中发挥着关键作用,煤炭+石油+天然气等化石能源消费占比高达79.43%(表1),化石能源仍是现在的主体能源。“未来”已来:新能源发展势头强劲,以风电、太阳能、核电等为代表的新能源快速发展,装机容量和发电量不断增长,消费占比持续显著提升,2024年新能源消费占比达20.57%(表1),新能源时代已悄然来临。
能源安全的内涵已从资源可获得性升维至资源自主、设施抗毁、价格稳定、低碳兼容的“四维韧性体系”,倒逼各国重塑能源系统底层架构。中国能源安全转型的挑战与机遇并存。在挑战方面:能源需求超预期增长,安全转型压力大;能源活动是温室气体排放的主要来源,减排任务艰巨;新能源供应链安全问题突出,大规模储能仍未突破;能源转型政策合力需加强等。在机遇方面:能源科技创新驱动转型,可再生能源发展潜力巨大;能源市场体系不断完善,为安全转型提供良好环境;能源新业态蓬勃兴起,创造新的发展空间。全能源系统将能源安全从保供的被动防御升级为构建抗毁低碳系统的主动塑造,使中国在百年变局中赢得能源安全转型的主动权。
研究揭示,能源发展存在6个“能源三角”规律,即化石能源“不可能三角”、新型能源“可实现三角”、能源创新“协同型三角”、能源革命“可持续三角”、能源绿色“绿色金三角”、能源安全“稳定性三角”(图1)。能源三角理论[12]发展脉络从传统化石能源时代能源安全性、经济性、清洁性难以兼得的“不可能三角”,演进至能源转型革命背景下,以能源经济+能源安全为前轮引领、技术创新+双碳目标为后轮驱动提速的“四轮驱动”模式所支撑的“可实现三角”,标志着由化石能源向新型能源体系的突破。技术创新、机制创新、体制创新的“协同型三角”推进能源创新,这一演进深化为能源革命持续推进中形成的能源转型、能源经济、能源安全的“可持续三角”,其核心在于持续生产满足社会需求的能源,确保发展的长期韧性。在绿色发展理念指引下,在资源链、创新链、产业链、价值链驱动下,融合科技革命、“双碳”目标、能源转型3大核心要素的“绿色金三角”得以确立,在国家全方位快速发展中,确保能源的生产安全、进口安全、应急安全的能源安全“稳定性三角”,共同代表着能源系统的高级形态,旨在实现全能源系统深度融合,驱动绿色低碳转型[13]与碳中和目标达成,为能源强国建设奠定基础。这6个三角的迭代升级,不仅丰富了“能源三角”理论的内涵,更清晰地勾勒出中国实现能源独立征程中[2],克服能源绿色转型、安全保障、经济可及与碳中和目标等多重挑战的曲折性、漫长性与必然性,为构建高效、清洁、安全、融合、智慧的全能源系统,提供了关键的理论支撑和演进方向牵引。
美国、俄罗斯是全球以油气为主的能源大国和能源强国,中国是全球第7大产油国、第4大产气国,中国是能源大国,但石油和天然气对外依存度较高,还未建成能源强国。中国能源革命崛起之路经历了从能源产消小国到能源产消大国,从能源安全弱国将逐步建成能源安全强国。中国建设富强民主文明和谐美丽的社会主义现代化强国,需要能源强国进行战略性支撑,大力发展新能源是关键战略路径和现实途径,实现能源独立,建设能源强国,必须具备强大的能源科技创新能力、强大的国内能源生产能力、强大的国外进口保障能力、强大的能源战略储备能力、强大的应急保供安全能力这5个强大能力建设。中国能源强国建设可制定“三步走”战略新路径[1]:2025—2030年,一次能源消费达峰,实现“碳达峰”;2031—2050年,能源产量首次达到与消费量持平,奋力迈向能源独立;2051—2060年,力争“碳中和”,建成能源强国,实现能源报国。全能源系统融合发展模式,为中国能源强国建设提供了理论基础,可构建多种能源协同智慧融合的绿色能源系统,实现能源独立、能源强国与能源报国。
笔者立足于大能源系统观,以探索人类能源利用的未来方向为出发点,提出了“全能源系统”这一全新概念,旨在研究不同能源宏观形成机理、分布规律、协同利用。基于此,查阅到中英文文献中相似或相近概念的词有“Total Energy System(TES)、Whole Energy System(WES)、Integrated Energy System(IES)、综合能源系统”。
TES最初服务于建筑/园区侧的冷热电(有时含冷)联供与余热回收,目标是把局域负荷在站内实现高效梯级利用。TES的核心是局域系统内“能量最大化利用”,以设备/流程选型与热功利用为主,研究边界多为单园区或住区。典型工作包括对区域供热工况下TES的方法与效益分析[14],以及将生物质干燥与热电联产耦合构成“总能量系统”的工艺与减排评估[15];此类研究的共同特征是以场站/园区为边界、以设备与流程集成为核心,住宅分布式电/热水/采暖/制冷的能源需求是主要研究对象[16]。TES也扩展到燃料电池—吸收式制冷等联合流程,用于同时供电、供冷/供热[17]。
进入21世纪,随着可再生能源渗透率提升、气—电—热网络协同与跨行业(工业/交通)的耦合需求上升,研究重心从“单场站能量整合”转向跨能种、跨网络、跨部门的整体系统最优。在城市尺度,学者们以WES为框架,把工业原料等“非能源需求”纳入到底层模型,弥补了传统以电/热为主的能流框架[18]。学者们把能量投资回报率(EROI)嵌入整体能源系统优化,揭示深度碳减排场景下系统EROI下降的代价[19]。在国家转型层面,利用WES模型评估跨部门减碳路径与结构性变革[20],以及在地市层面考察数字化/绿色转型对能源安全的非对称影响[21],共同体现了IES/WES研究从“工程集成”迈向“系统治理与政策协同”。
与TES相比,综合能源系统、IES的空间尺度由站内走向城市/国家[22],能量形态由“热电联供”拓展到“电—热—气—氢—工业原料”,并引入多目标优化与市场/政策约束。TES的兴起回应了局域能源利用效率最大化,IES的兴起则是由可再生高占比、能源安全与深度脱碳共同驱动。其思想根基可追溯到“多样化与本地化”的系统韧性与安全视角[23],此后在整体系统模型中逐步形成对安全—经济—低碳的统一刻画。TES以局地一次能源利用率/费用最优为主,IES在此基础上引入跨能种—跨网络—跨部门的整体系统最优(含经济性、减排、灵活性、韧性等多目标),并通过EROI等指标反映深度转型代价[19]。TES的系统边界多为建筑/园区;IES/WES覆盖配电网—热网—气网—氢—工业流程/原料并与城市/国家层面的政策与市场约束协同[18]。TES方法学侧重设备集成与热—功品位匹配;IES采用整体系统优化、跨时空多尺度调度与情景—不确定性分析[19]。
笔者提出的“全能源系统”(Integrated Whole-Energy System,IWES)概念是指地上地下能源形成亲缘有序、叠合共生、协同融合、利用接替的高效安全智慧的大能源系统。不同类型能源资源成因有亲缘关系,形成有先后顺序,分布在空间叠合与共生,开发利用从传统单一能源接替向多能协同融合发展,通过多能源协同、多环节融合、智慧开发等形成高效安全的能源利用系统[14]。“全能源系统”理论可简称为“全能源”。
IWES与TES/IES/WES系统相比,均强调多能源耦合与系统优化,追求清洁/高效/安全的一体化供能;在建模上均倾向以“综合能源系统”理念,协调电—热—气—氢/冷与工业端非能源需求的供需平衡。除此之外,IWES还具有以下特征:
(1)边界提升。在IES的工程运行边界之外,IWES将资源—工程—经济—治理贯通,把化石能源/新能源/碳循环纳入同一系统论框架,形成从资源形成—开发—转化—利用—固碳到市场与政策协同的闭环。
(2)评判标尺统一。通过引入安全—经济—低碳—韧性的统一性指标体系(包括EROI等系统性指标)来评估转型路径的可行性与代价。
(3)尺度与使命。IWES把IES在园区/城市层面的优化提升为国家层面的长期减碳与能源安全协同,强调与产业结构调整与数字化的互动关系。IES是能源系统的工程化与运行层,而IWES则是资源—工程—政策一体化的上层系统范式。
能源主要包括煤炭、石油、天然气、地热能、风能、光能等一次能源,电能、氢能、储能等二次能源,算力、可控核聚变等三次能源[24](图2)。化石能源“有序分布”、风能-光能昼夜“循环不尽”、化石能源与风-光能源“上下叠合,协同开发”、化石能源碳排放与CCUS“绿色转换”的碳中和全能源系统融合发展模式,核心是实现地下化石能源与地上新能源的协同融合智慧绿色开发利用[25],并通过CCUS/CCS等碳封存技术实现能源生产碳排放量与地下碳封存量平衡的碳中和区域性智慧用能系统(图3)。
能源科学(简称能源学)的概念是指立足地球系统演化,在时间和空间尺度研究各类能源形成分布、评价选区、开发利用、有序替代、发展前景等内容的学科,核心是研究地球、能源、人类三者的相互影响与协同演化[26]。能源学的研究目的是从资源角度出发,揭示地球系统中化石能源与非化石新能源共生分布关系、碳系能源与氢系能源有序接替转型、能源体系与宜居地球绿色和谐发展的规律。能源学的研究对象不完全局限于赋存于地层中的化石能源,而是向地表系统能源延伸(如水能、风能、潮汐能等),从碳系能源向氢系能源扩展。研究内容不完全局限于揭示地质历史时期与化石能源形成分布有关的生物演化、有机质沉积、物质循环等,而是从地球演化史、能源形成史、人类发展史角度出发,揭示能源的过去形成规律、现在分布规律与未来发展规律。
树立大能源系统观,全能源系统的发展思想是构建全油气系统、全煤岩系统、新能源系统、多能源系统、超级能源系统、碳循环系统的“六个子系统”(图4);发展思路是洁煤降碳、稳油增气、强新增储、多能互融、智能经济、绿色安全;发展技术是聚焦煤炭清洁化、页岩煤岩地下原位转化、风能、光能、氢能、储能、地热、可控核聚变和智慧管控9大关键方向;发展路径是按照在筑基融合期夯实多能互补基础、在转型加速期突破核心技术、在体系成熟期建成智慧能源生态的“三步走”规划。全能源系统的内在规律是有序共生、融合发展、接续转型,构建煤炭+石油+天然气+新能源+碳减排+人工智能“煤-油-气-新-碳-智”六位一体、多能协同融合、智慧发展新模式。全能源系统的核心是打破传统单一接替发展与能源系统之间的壁垒,通过智能化手段实现优化整合。
新时期需要建立新型能源体系,该体系是全能源系统的重要组成。中国新型能源体系的类型包括新型煤炭、新型油气、新型可再生新能源等。新型煤炭的核心是煤炭智能化开采、煤炭清洁化发电、煤炭清洁化工转化、煤炭地下原位油气转化等。新型油气的核心是老油气田提高采收率、纳米级储层非常规油气开发、万米级超深层石油天然气开发、千米级海洋深水石油天然气开发、油气+新能源+CCUS/CCS+人工智能协同融合发展。新型可再生新能源的核心内涵是风-光-热-绿电规模上网+分布利用、绿氢基地+管网+加注+利用的氢能工业、陆上地热供暖+规模发电、新能源汽车逐渐替代燃油车、电化学储能+机械储能+热储能等。
在此背景下重新认识中国能源资源禀赋特点,表现为煤炭较多、油气较少、“风光”无限;中国能源消费的结构特点及趋势是煤炭下降快、石油稳中有降、天然气持续攀升、新能源增长快[9](图5)。以上特点决定了中国近中期能源发展的思路是洁煤降碳、稳油增气、强新增储、多能互融、智能经济、绿色安全,这决定了中国最具条件建立油气与新能源多种能源融合的全能源系统发展新模式。
图5中PG中国电子技术有限公司国一次能源消费结构、一次能源消费油当量及其发展趋势(2025年之前数据据文献[9],之后为综合预测)
全能源系统的多种能源融合、绿色智慧转型发展包括“六个转型”:多能源绿色转型、多能源融合转型、多能源有序转型、多能源智慧转型、多能源经济转型、多能源安全转型。多能源绿色转型,以风能、光能等新能源为主体,推动煤炭、石油、天然气清洁化利用;多能源融合转型,油气与新能源协同互补[27],火电、气电、氢电、储电作为新能源调峰,也是多能融合发展新路径,构建综合能源网络;多能源有序转型,分阶段推进传统能源退出与新能源替代;多能源智慧转型,依托数字技术实现能源系统智能化调度;多能源经济转型,通过市场机制优化资源配置,提升产业竞争力;多能源安全转型,增强能源供应韧性,保障国家能源安全。
全能源系统的灵魂是树立“能源当量”理念,确立能源当量的统一价值观;核心是确立能源选择最优解统一价值观。破除能源品类壁垒,认同所有能源形式在系统内具有平等的“当量价值”,其地位取决于其可利用性(是否可获得)和系统贡献度(对整个系统安全、稳定、经济、低碳运行的贡献),而非传统能源等级观念。煤炭并非落后能源,而是CCUS耦合后的低碳载体;风电、光伏并非低效能源,而是智能化调度下的基荷补充;能源选择遵循因地因时制宜原则,能源选择是系统最优解统一价值观。例如,在天然气缺乏地区发展煤基氢能,在风能、光能富集地区优先绿电制氢,这些都是基于本地资源禀赋和系统需求的最优利用。通过不断实践和融合发展,实现新旧能源有序衔接融合,推动政策、投资与技术向系统最优解聚焦,而非孤立发展某一类能源。
全能源系统通过“六个子系统”协同演进,最终实现4个方面的历史使命:①绿色转型,驱动高碳能源有序退出,提升新能源渗透率;②智慧融合,利用AI(人工智能)等先进技术优化整个能源流,最大化系统产出效率;③安全可控,通过能源当量统筹规划,降低关键能源品类的对外依存度;④经济可行,以系统成本最小化为目标,吸引社会资本投入,实现可持续发展。全能源系统的发展观,是在碳中和时代将“能源饭碗牢牢端在自己手里”,完成建设能源强国的历史使命。
能源可分为6种能源类型:地质能源(地下的煤、油、气、热)、海洋能源(潮汐能、波浪能、温差能)、生物圈能(生物质能等)、大气能(风能)、空间能源(太阳能、月球能)、核聚变能等。地球上所有可利用的能源,其形成和分布都有亲缘关系与有序性规律。从太阳、地球先后形成,到海洋、陆地演化受太阳能等作用,形成煤炭、油气等化石能源的古生物,是形成能源的物质基础。自人类诞生后,开始先后利用薪柴、煤炭、石油、天然气等,近来又开始PG中国电子技术有限公司利用风能、光能资源。地下化石能源与地上空间能源的形成均具有亲缘因果的有序关系,空间上具有叠合分布等特点[26](图6)。
受地球系统(包括其外部宇宙环境)中不同圈层(岩石圈、水圈、大气圈、生物圈)之间物质与能量交换、转化、富集和保存过程控制,“源-转化-储存”这些过程在空间和时间尺度上存在显著的分异性,并最终受控于驱动地球系统运行的以太阳辐射能和地球内热能为主的核心能量流。
地球能量系统深刻地揭示了全球及区域尺度上各类能源形成与分布的内在统一性与差异性规律,为全能源系统视角下的资源综合评估、多能互补规划与因地制宜开发战略奠定了基础。必须超越单一能源视角,站在地球系统整体演化和多圈层耦合的高度,理解并统筹利用赋存于不同时空尺度与圈层中的多样化能量资源。
“源控”基础:能源的分布首先由其核心能量源(太阳辐射、地球内能、天体引力)的输入机制及其在地球系统中的转化效率所决定。
“圈层耦合”赋存:能量最终富集于特定地球圈层(大气圈的风能,水圈的水能/潮汐,岩石圈的化石/地热/铀矿,地表界面的太阳能/生物质),其有效赋存形态(流/储)受控于圈层间物质能量交换的物理、化学、生物过程及其形成的特定地质、地理环境。
“时-空-质”协同:资源的可开发价值由其分布的时空尺度属性(可再生性、波动性)、空间聚集度(丰度、集中度)、品质[能流密度、资源品位如煤阶/石油API度(American Petroleum Institute Gravity)/铀浓度/热储温度]三者的协同效应决定。化石能源与铀矿以高能量密度和静态储存见长,但其不可再生且分布高度不均;可再生能源(风能、光能、水能)可再生且分布广泛,但其能流密度较低且具有波动性;地热能兼具一定稳定性和可再生潜力,但其高品位资源分布局限。
根据中国主要沉积盆地的资源禀赋特征,碳中和下中国全能源系统的盆地级分布规律存在差异,可分为单能源系统、多能源系统、超级能源系统3大类。中国东部地区的松辽盆地、渤海湾盆地、东海盆地、珠江口盆地均发育多能源系统,主要为地下“油-气-热”+地上“风能-光能-新能源”。中国西部主要沉积盆地的资源类型与分布特征也存在差异:鄂尔多所盆地发育地下“油-气-煤-热”+地上“风能-光能”的超级能源系统;四川盆地发育地下“油-气”+地上“风能-光能-水能”的多能源系统;准噶尔盆地和吐哈盆地发育地下“油-气-煤”+地上“风能-光能”的多能源系统;塔里木盆地和柴达木盆地发育地下“油-气”+地上“风能-光能”的多能源系统;羌塘盆地主要发育地上“风能-光能”的单能源系统。
全能源系统发展思想是把握好“六个子系统”。全油气系统实现常规—非常规油气接续开发;全煤岩系统实现地面与地下清洁化利用;新能源系统实现一次与二次可再生能源协同发展;多能源系统实现化石能源与新能源智慧融合[27];超级能源系统实现化石能源与新能源绿色发展;碳循环系统实现CO2产生、利用与封存。全能源系统的发展需统筹协调各子系统,形成有序衔接、协同演进、绿色发展的路径。
全油气系统概念是指一个完整油气系统中常规—非常规油气“源-聚耦合、有序分布”[28-29],一般发现常规油气则预示供烃方向有非常规油气共生,发现非常规油气同样预示着外围空间可能有常规油气伴生[30-31]。 研究思路是常规油气和非常规油气的整体研究、同步发现、极限开采和协同发展。勘探要“一网打尽”,同步研究、同步部署、同步勘探;开发要“吃干榨尽”,同步规划、同步建设、同步开采。
全油气系统是以烃源岩为核心,通过源-储空间耦合和运聚动力场分级,实现常规—非常规油气在时间、空间和成因上的有序亲缘关联。全油气系统关注所有富有机质岩石、全种类储集空间和全类型油气资源(图7),明显不同于源控论、含油气系统、源-储共生系统等局限于常规圈闭油气或非常规连续油气的找油气思路及方法,是研究盆地中大油气区的亲缘关系、有序聚集、差异富集、采出规律、发展战略等,同步关注常规油气和非常规油气2种资源[32],围绕主力烃源岩层系,重点评价“烃源性、储集性、含油性、流动性、可采性与经济性”6种特性及其匹配关系,创新研发源控论及源-储共生系统评价、常规—非常规油气共生盆地的物理及数值模拟、地质—工程一体化评价、平台式工厂化生产模式等核心技术。从常规圈闭型油气藏与目的层,到非常规连续型甜点区与甜点段油气,再到常规—非常规有序共生富集油气,推动勘探开发向“全类型、全层系、全过程”一体化方向演进。
中国油气工业从常规向非常规接续发展突破了7个禁区:突破生油禁区——陆相生油论;突破储层禁区——纳米级孔隙;突破勘探禁区——进源找油气;突破开发禁区——人造油气藏;突破理论禁区——连续型聚集;突破管理禁区——“一全六化”论(全生命周期管理、一体化统筹、专业化协同、市场化运作、社会化支撑、数字化管理和绿色化发展)[33-34];突破资源禁区——新能源接续。
全煤岩系统概念是指以煤岩资源为核心,通过地面清洁转化与地下原位气化技术耦合[35],实现煤炭资源地上地下一体化高效清洁利用。通过聚焦煤岩的赋存性、可采性、清洁性、转化性、经济性、环保性“六特性”,评估煤层分布、硫分灰分、气化潜力及环境影响,评价其资源潜力和开发价值。未来全煤岩系统的技术研发可重点关注3个方面:①地面清洁利用,煤制氢+CCUS、超临界发电、煤基材料高值化;②地下原位开发,煤层气抽采、煤炭地下气化(UCG)与碳封存协同;③智慧管理,地质建模与动态监测技术优化开采效率。全煤岩系统的目标是,构建开采—转化—固碳闭环,推动煤炭从燃料向原料转型,支撑能源安全与低碳转型。
新能源系统概念是指以风能、光能等一次可再生能源为基础,通过电能、氢能、储能等二次能源协同,实现“源-网-荷-储”(电源-电网-负荷-储能)动态平衡利用。通过评估风能、光能资源的时空分布与储能(电化学/压缩空气/氢储)的匹配度,评价资源协同性。中国新能源产业形成了强大竞争力,锂电池、光伏产品、新能源汽车“小新能源三样”,正向绿电工业、绿氢工业、绿储工业的“大新能源三样”发展。未来技术突破可重点关注3个方面:①一次能源高效转化,光伏钙钛矿效率提升、深远海风电柔性并网;②二次能源系统集成,绿电制氢耦合液氨储运、多场景储能经济调度;③多能融合智慧调控,基于气象预测的“风-光-氢-储”多能流协同算法。新能源系统的目标是,打造高比例可再生能源+柔性消纳体系,解决间歇性问题,实现零碳能源规模化替代。
多能源系统概念是指一种集成了地上与地下多种能源形式(如石油+天然气+风能+太阳能、煤炭+风能+太阳能等)进行能源的协同勘探开发、加工、利用、转化和供应的多能互补系统[1]。其核心在于化石能源与新能源的智慧融合,通过综合能源网络打破能源品类壁垒。通过建立“气-电-热-氢”多能流耦合模型,优化多能互补运行策略,形成多能源系统的高效融合机制,如准噶尔盆地具有多能源系统特征。未来的关键技术可重点关注3个方面:①智慧能源枢纽,燃气轮机与风电制氢联产、火电-光热联合调峰;②数字孪生平台,AI驱动的多能源系统实时调度与故障预警;③市场机制设计,跨能源品种交易与绿证–碳积分联动。多能源系统的目标是,构建低碳可靠、经济高效的区域综合能源体,提升系统韧性及能源利用率。
超级能源系统概念是指达到界定资源量规模的地下煤炭、石油、天然气、地热、伴生矿产与地上风能、光能高度耦合,是化石能源与新能源融合协同开发利用的区域性智慧用能系统[24]。其核心内涵是以“化石能源清洁化+新能源规模化+人工智能”三位一体,驱动能源系统跃迁至零碳智慧阶段。未来的系统架构研究需重点关注3个方面:①绿色基荷,核电+水电+生物质提供稳定负荷;②灵活调节,燃气机组+储能匹配新能源波动;③AI中枢,全国能源云平台实现“预测-调度-交易”秒级响应,如鄂尔多斯盆地具有超级能源系统特征。未来的颠覆性技术可重点关注2个方面:①可控核聚变商用化、干热岩效益开发;②量子计算优化亿级节点能源网络。超级能源系统的目标是建成“安全-零碳-经济”三位一体的国家能源超级基础设施,引领全球能源革命。
碳循环系统概念是指以CO2捕集-利用-封存(CCUS/CCS)为核心闭环,将碳排放转化为资源,实现CO2的减排与绿色利用。未来的全链条技术可重点关注3个方面:①捕集端,低能耗吸附剂(如MOFs)、生物质直接空气捕集(DAC);②利用端,CO2驱油/气、合成甲醇/塑料、微藻固碳;③封存端,咸水层封存潜力评估、地质活动实时监测。通过碳税政策、绿色金融降低CCUS成本,探索碳汇交易+油气增产收益模型,实现经济性突破。碳循环系统的目标是打造负碳工业节点,支撑化石能源低碳化转型,实现能源系统净零排放,建设减碳工业体系[36]。
全能源系统9大核心技术重点聚焦化石能源低碳化、新能源规模化、能源管理智慧化3大维度,以煤炭清洁化利用与页岩/煤岩地下原位转化技术重塑传统能源基底,以新能源技术构建零碳主体架构,以智慧能源管控技术打通多能融合脉络,共同支撑全能源系统从理论向实践的跃迁。
煤炭清洁化利用技术是全能源系统构建的关键一环,旨在实现煤炭资源的高效、清洁、低碳利用,其核心技术围绕先进煤炭洗选、高效清洁燃烧与污染近零化、深度化学转化与资源高值化3大方向协同推进。煤炭清洁化利用技术体系正加速向燃料清洁化、燃烧高效化、排放近零化、资源高值化的目标演进。这一体系不仅是保障中国能源安全稳定供应的现实选择,更是支撑能源结构优化升级、平稳迈向“双碳”战略目标不可或缺的核心技术路径,充分挖掘了煤炭资源在转型期的战略价值,成为全能源系统低碳转型的关键支柱。
中国煤岩油气革命是地下煤炭原位加热熟化成油+气的技术,是将地层中煤炭原位燃烧产生甲烷、氢气等资源[37],其融合性强,可作为“油、气、热、电、氢”产业链的枢纽,油气公司具备完善的勘探、开发、工程、地面配套等技术优势。全球煤炭气化地质资源量为(5~6)×1016m3,中国的资源量为(280~330)×1012m3[38]。中国陆相页岩油革命是将地下未成熟页岩原位加热熟化成油气的技术,有机质完全转化成油气,重油转化成轻质油气。全球页岩的原位转化资源量为1.4×1012t,中国的技术可采资源量为(700~900)×108t,鄂尔多斯盆地页岩油原位转化的技术可采资源量约为450×108t,天然气约为30×1012m3[39]。地面“风-光”+地下页岩/煤岩原位加热成油气的协同融合绿色开发成为发展趋势。
太阳能产业技术链成熟,上游基础材料、装备制造与建设运行等方面技术成熟,新材料开发有待攻关,中、下游存储传输与终端服务技术成熟并形成体系。全球光伏产业发展迅猛,以光能发电为核心的光能利用产业链已经成熟,多个国家已经将光伏纳入国家战略层面,并在政策引导、技术创新、市场推广等方面给予大力支持。中国光伏技术成熟,装备制造世界领先,具备世界上最完整的产业链和配套设施,引领太阳能产业发展。2024年,全球太阳能发电累计装机容量为1 865 GW,中国累计装机容量为888 GW[9],占比为47.6%(图8)。钙钛矿、化合物、新体系等光能转化材料开发,电池制造和能源一体化协同管控与终端智慧用能服务是光能技术的发展方向,建造空间太阳能电站是能源获取的新途径。
风能技术链成熟并形成体系,上游基础材料、装备制造与建设运行的技术非常成熟,新型风机开发有待攻关,中、下游电力运营与综合利用的技术已经成熟并形成体系。全球风电快速发展,以风力发电为核心的风能利用产业链已经成熟,美国、中国、印度等国家与欧洲地区高度重视风电发展,将其提升至国家战略高度,在政策激励、技术革新、市场拓展等层面给予全方位强有力的扶持。中国风电技术持续进阶,装备制造水平位居世界前列,拥有完备且高效的产业链与配套体系,在全球风电产业中处于领先地位。2024年,全球累计风电装机容量为1 135 GW,中国累计风电装机容量为522 GW[9],占比为46.0%(图9)。超大规模风机、深远海风能利用、小型垂直轴风机等系统开发,深远海浮式风机基座研制,风能与其他能源一体化协同管控与终端用能智慧化服务等是风能技术的发展方向。
氢能产业链正在逐步形成,制氢、储运氢、加氢与用氢等产业链长,多元制取、高效储运、多场景应用等应用领域广泛,涉及能源、交通、工业、建筑、商业等产业部门众多。2024年,《中华人民共和国能源法》[40]首次确认了氢的能源属性。全球多个国家和地区已构建起较为完善且相互协调的政策与法律框架,主要从氢能发展战略、产业促进政策以及绿色低碳转型政策3个维度,对氢能的发展与应用给予全面的支持与引导。绿氢是全球能源从“碳基”走向“零碳”的重要载体,是石油化工与煤化工深度脱碳的载体,是可再生能源大规模消纳的载体,是电网大规模调峰的载体[41]。要像天然气工业一样,谋划绿氢大基地、形成全国氢管网,建成“绿氢工业”体系,其是石油、天然气工业接力发展的必然趋势。氢制取将从化石燃料制灰氢+蓝氢转型为风能、光能绿电制绿氢为主[42],氢储运是规模利用的瓶颈,高效安全储运技术是该技术的发展方向;氢规模化利用方式单一,多场景应用技术是该技术的发展趋势;可再生能源电解水制氢、固态合金储氢、固体氧化物燃料电池等领域是其重点研究方向。
储能产业链呈现复杂多样性,储能技术种类繁多,主要为储电与储热,分为抽水蓄能与新型储能,产业链包括上游的资源和材料,中游的装备与系统集成,下游的应用端。国际新型储能市场快速增长,2024年底全球已投运新型储能项目累计装机规模约为180 GW,较2023年底增长约98%,新增装机规模约为90 GW[43]。中国储能产业进入快速发展期,新型储能的装机规模连年翻番,2024年底全国已建成投运新型储能项目的累计装机规模达73.76 GW/168 GW·h,2024年新增新型储能装机42.37 GW/101 GW·h。全国新型储能的平均储能时长为2.3 h,较2023年底增加约0.2 h[43]。新型储能的应用效果逐步显现,多类型技术路线加速落地实施,锂离子电池储能占据主导地位,约占已投产装机规模的96.4%。中国新型储能的产量保持持续增长态势,2024年底锂离子电池的总产量达1.17 TW·h,同比增长24%,行业总产值超过1.2×1012元[43]。新型储能的造价水平稳步下降,锂离子储能设计-采购-施工(EPC)的中标价格较2023年下降约25%,锂离子电池储能系统的中标价格较2023年下降约44%,全钒液流系统的中标价格较2023年同等规模降低约20%。储能技术重点发展方向中,物理储能以抽水蓄能为主,中长时压缩空气和重力、高功率飞轮等技术发展迅速;电化学储能以锂电为主,低成本钠电、中长时液流电、高安全水系和固态电池快速发展;热储能以显热储热为主,高能量密度相变储热、熔盐、热化学等技术处于示范阶段。
地热技术链的上游勘查评价与开发大部分技术已成熟,部分开发技术有待攻关,下游综合利用大部分关键技术亟需突破,油气企业的地热工业体系初步形成,拥有全产业链技术研发和工程实施能力。全球地热产业以建筑供暖制冷直接利用为主,地热发电增长仍较为缓慢,其中,商业化项目均为水热型地热资源,未来地热能的开发利用将由地热供暖向地热发电高端业务发展[44]。中国地热资源丰富,直接利用规模居世界第一,但地热发电的发展程度较低。中国地热产业规模保持快速扩大,未来将规模拓展地热供暖制冷,大力发展地热发电,向资源品质更高、应用范围更广的深层资源领域发展[45]。地热技术向着“地热+”、储热、热能高效利用等领域发展。地热与太阳能、风能、水能等其他新能源多能耦合技术,地热与伴生矿资源兼探与共同开发技术,水储热、砾石-水储热、地埋管储热、含水层储热、相变材料储热等技术,中深层储热技术,中低温地热发电和深层/超深层地热开发技术等技术是重点发展方向。
可控核聚变又称人造太阳,理想中的终极清洁能源,全球科技强国积极布局和抢占可控核聚变赛道。中国加快推进可控核聚变研发工作,现已步入国际前列。2025年1月20日,国家重大科技基础设施,有“人造太阳”之称的全超导托卡马克核聚变实验装置(EAST)创造出“亿度千秒”的新世界纪录,全球首次完成1×108℃、1 066 s稳态长脉冲高约束模等离子体运行[46],标志着中国聚变研究从基础科学研究迈向工程实践的重大跨越,对人类加快实现聚变发电具有重要意义。中国聚变团队处于国际第一方阵,预计在2049年聚变能可以走进千家万户[46]。未来,将以磁约束聚变技术为主,并由燃烧实验等科学研究迈向实验堆、工业示范堆等工程实践。等离子体控制、聚变燃料与材料制备、高精度制造与加工、氚自持、高温超导磁体、反应堆数据采集与高效存储、智能监测与诊断等技术将成为可控核聚变技术重点发展的方向。托卡马克技术路线将建成聚变实验堆,实现聚变点火,逐步建成示范堆、示范电厂,实现氘氚聚变发电[47]。
智慧能源产业链上游基础设施层、中游技术平台层、下游场景应用层呈现多样性模块化发展,技术链上游理论与算法、中游设备及系统、下游综合应用呈现多能化智能化发展。随着技术和应用的不断拓展,智慧能源市场规模呈现智能化、多能化、模块化3大趋势。智慧能源系统分布式、灵活性等特点适应中国电力发展的需求和方向,具有广阔前景。未来,智能微网构建将朝着高比例新能源微网容量优化、安全稳定灵活调控控制、高精度仿真模拟等方向发展,智能微网绿电外输将朝着新能源外送稳定性提升、宽频振荡抑制、安全稳定灵活调度控制等方向发展。提升绿电制氢项目经济性的“风能-光能-储能”容量优化配置、大规模新能源发电与制氢装置集群的优化调度、大规模“风能-光能-储能-氢能”系统的稳定性评估与提升等是重点发展方向[48]。
构建中国特色的全能源系统,或是国家能源革命的必然选择和实现碳中和目标的根本路径。通过因地制宜精准施策,释放区域发展潜能;依托国家统筹汇聚合力,破解系统瓶颈;遵循“三步走”战略步骤,确保转型行稳致远。以制度创新激发市场活力,以科技创新驱动产业升级,在全球能源格局重塑中,构建系统性举措以推动中国能源安全转型与能源强国建设,塑造中国发展的绿色能源。
充分考虑中国能源的区域差异、资源禀赋、发展现状与未来潜力,因地制宜发展全能源系统,其发展思路是“洁煤降碳、稳油增气、强新增储、多能互融、智能经济、绿色安全”。洁煤降碳,即推广煤炭清洁高效利用技术,降低单位能耗碳排放;稳油增气,即加大国内油气勘探开发,提升自给率以保障底线安全;强新增储,即加速“风-光-储”一体化建设,突破储能技术瓶颈;多能互融,即构建“电-热-氢”多能协同网络,提升系统灵活性;智能经济,即发展能源数字经济,培育新能源装备制造产业集群;绿色安全,即建立“国内生产+多元进口+战略储备”三级保障体系。深度契合区域能源资源禀赋差异与经济社会发展需求,优化全国能源生产与消费空间布局,实现资源高效、经济、可持续的差异化开发。
中国西部资源富集区重点建设国家级新能源战略大基地。依托广袤土地与丰富煤炭、油气、风能、光能、水能及地热资源组合优势,推进“风-光-水-火-储”与“源-网-荷-储”一体化大型综合能源大基地开发。充分发挥煤炭、油气、风能-光能-水能、地热、铀矿等资源组合优势,建设国家级能源战略储备与生产中心。大规模应用煤炭清洁高效利用、煤制油气、页岩/煤岩地下原位转化技术,耦合大型风能-光能基地,配套大规模长时储能(抽蓄、新型储能、绿氢),实现化石能源清洁化与新能源规模化协同。核心挑战在于大规模外送与本地消纳平衡,需同步强化特高压/柔性直流外送通道建设,并因地制宜发展绿电制氢、高载能产业(如数据中心、绿氢化工),实现能源资源优势向经济优势转化。严守生态红线,强化水资源管理与生态修复。
中国中东部负荷中心区构建分布式+智慧网络+多元储备的集约高效能源战略利用基地。优先发展分布式光伏、分散式风电、生物质能、浅层地热能等分布式资源,推进自发自用、余电上网。建设智能电网、燃气管网及区域供能网络以提升多能互补能力。加强液化天然气(LNG)接收站、储气库与分布式储能建设;有序开发海上风电与海洋能资源,优化沿海核电布局。在城市群、工业园区层面,统筹电、热、冷、气等多种能源形式,建设区域综合能源站(耦合燃气三联供、余热利用、储能、充电设施),实现能源梯级利用和效率最大化,增强城市能源韧性与安全性,示范建设零碳园区。
构建全能源系统是关乎国计民生的系统性工程,需国家层面进行顶层设计、资源整合与强力推动,构建支撑全能源系统发展的基础设施、国际合作、制度保障与人才支柱。
(1)大型基地与输送通道建设:持续推进“沙戈荒”大型风光基地、大型清洁煤电基地、水电基地建设。完善“西电东送”“北煤南运”“西气东输” 跨区域能源输送大动脉建设,重点发展特高压输电、智能电网、油气管道网络,提升跨区域能源资源优化配置能力。建设战略石油储备、天然气储备、煤炭储备等国家级能源储备基地。
(2)“一带一路”全能源系统建设:将全能源系统理念与技术融入“一带一路”倡议[49-50],在资源互补国家合作建设“风-光-水-火-储”一体化项目、智能电网互联工程。推动清洁煤电、核电及可再生能源技术、装备、工程服务走出去[51]。深化与资源国在油气、锂、钴等新能源关键矿产等领域的合作,拓展多元化进口渠道。主导建设“一带一路”电网、油气管道,促进区域能源市场互联互通与安全[52]。主导能源绿色标准与国际治理规则制定,推动建立公平合理的国际能源秩序与绿色标准。
(3)政策与体制机制创新:制定全能源系统融合发展的中长期专项规划,深化电力与油气市场化改革,建立适应高比例新能源、多能互补的电力现货市场、辅助服务市场、容量市场机制,建立碳-能协同价格机制,探索碳市场与能源市场协同。加大清洁能源财税优惠与绿色金融支持,完善反映资源稀缺程度、环境成本、系统灵活性的能源价格形成机制,引导社会资本投向清洁能源、关键技术与基础设施,完善技术创新激励政策。
(4)科技与人才支撑:布局建设国家全能源系统实验室、技术创新中心,聚焦煤炭清洁化、先进核能、可再生能源、储能、氢能、碳捕集利用与封存、智慧能源等核心技术融合智慧体系攻关。加大专项基金设立,更大力度地支持可控核聚变、新型高效光伏/光热、下一代储能等颠覆性技术孵化。改革高等教育学科设置,强化能源+系统科学+信息技术+材料+经济管理等交叉融合教育,完善职业教育体系,培养高技能产业工人,实施高端人才引进与激励计划。
基于碳中和目标与能源强国建设,分阶段、有重点地构建全能源系统,支撑能源安全绿色转型与碳中和目标的实现。
重点优化能源结构,构建多能互补体系。化石能源清洁化,煤炭清洁高效利用技术大规模应用,煤电灵活性改造基本完成,页岩油气、煤制油气战略技术实现突破与示范。新能源规模化,风能-光能基地一期工程全面建成并网,分布式能源快速发展,新型储能实现商业化初期应用。系统智能融合,智能电网、智慧管网建设取得重大进展,跨区域资源配置能力提升,多能互补示范项目推广。电力、油气市场体系基本健全,碳市场覆盖范围扩大。高效光伏、长时储能、CCUS等关键核心技术取得突破,人才培养体系初步完善。
能源消费总量达峰并进入平台期,非化石能源成为能源增量主体并逐步成为存量替代主力,能源系统智能化、低碳化、韧性水平大幅提升,能源对外依存度有效降低。新能源装机量和发电量占比大幅提升(力争达到50%以上),成为电力系统主体电源。实现深度脱碳,煤电定位转向调节与保障,CCUS技术实现商业化应用,绿氢产业在工业、交通领域规模化应用。新型电力系统基本建成,“源-网-荷-储”高度协同,智慧能源网广泛覆盖。战略储备体系完善,油气对外依存度稳中有降,关键矿产供应链韧性增强。先进核能、新一代储能、地热能开发取得突破性进展。
建成以新能源为主体的安全、高效、清洁、韧性、低碳的全能源系统,实现能源本质安全与碳中和目标,支撑建成能源强国,引领全球能源转型。深度脱碳完成,化石能源消费大幅下降,CCUS、CCS等负碳技术大规模应用,实现能源活动近零排放。风能、光能、水能、核能、地热等非化石能源成为绝对主体,绿氢及衍生物广泛应用。高度智能、自愈、韧性的能源互联网覆盖全社会,实现能源生产消费高度智慧韧性化。深度参与并引领全球能源治理体系变革,“一带一路”全能源系统合作成效显著,整个能源科技处于全球领先地位,为全球能源绿色转型提供中国方案。
全能源系统理论或思想超越了传统单一能源发展范式的局限,破解了化石能源“不可能三角”的固有矛盾,为保障国家能源供给与安全提供了发展新路径,为绿色低碳转型铺设了高效路径,为科技创新与全球治理跃迁提供了战略支点。在碳中和目标指引下,深入践行全能源系统理念,不仅是保障国家能源安全和经济安全的必然选择,更是抢占未来全球能源科技制高点、引领人类可持续发展新纪元的关键战略举措。
过去,谁控制油和气资源,谁就锁住能源安全的命脉;未来,谁控制新能源技术,谁就掌控能源安全的命门。传统能源安全观高度依赖化石能源进口,使得国家经济命脉暴露于地缘政治动荡与国际市场剧烈波动的风险之下。中国作为全球最大油气进口国,原油和天然气的对外依存度长期处于高位,供应链韧性面临严峻挑战。
近年来,中国油气工业呈现出“一非、一老、两深、三融合”新趋势,要重点加强老油气田、非常规油气、深层+深水油气、CCUS/CCS融合+新能源融合+智慧化融合等协同发展。为了更好地保障中国国家能源安全,需坚守能源安全“3条红线”:能源的对外依存度在20%以内,天然气的对外依存度在50%以内,确保石油年产量达2×108 t的底线。能源自给率需保持在80%以上。中国在2016年的能源自给率仅为78.4%,2018年突破80%并连续6年保持在80%以上,2024年的能源自给率达到了83.6%(图10),能源安全形势总体可控。中国的石油对外依存度已超过70%(图11),2014年成为全球第一大原油进口国,对外依存度在2018年突破70%并维持至今;过去20年,石油产量的年均增速(1.0%)低于消费量的年均增速(5.8%)。中国的天然气对外依存度超过40%(图12),在2007年成为天然气净进口国,在2018年天然气对外依存度突破40%并维持至今;天然气的产、消均以两位数增长,但产量的年均增速(10.2%)低于消费量的年均增速(13.9%)。
全能源系统通过结构性降依赖与根本性转根基双重路径重塑安全格局。结构性降依赖,即在油气领域,通过强化中国页岩油气与煤岩气革命[54]等勘探开发,构建陆海并进运输网络的多元化进口渠道,提升战略安全储备能力,系统性大幅度降低对外依存度,增强抗风险能力[55]。利用强大的国力来坚定不移地保障海外油气向国内的安全供给,也是保障国家能源安全的重要方面。根本性转根基,即新能源本土化,自主可控,更核心的是大规模、高比例发展风能、光能、水能、核能、生物质能、地热能等本土可再生能源,将其打造为能源供应的主体。配合大规模先进储能、智慧电网、需求侧响应,构建以可再生能源为核心的自主可控能源供应体系,从源头上实现能源独立,支撑能源强国建设。支撑中国从“超级能源大国”,建成“超级能源强国”。
应对气候变化、实现碳中和已成为全球共识与国家战略[56]。能源系统是碳排放的主要来源(占比超过80%),其绿色转型是碳中和成败的关键。由高碳基能源到低碳基能源、再发展到零碳基能源的绿色智慧能源体系,该体系以新绿电绿氢为主、新型煤-油-气为主、新材料储能为主、新智能调控为主、新政策支持为主的“五新为主”[57],为人类的绿色生活以及绿色地球建设提供绿色动能。不可再生的有限“碳基”能源越采越少,可再生的无限“零碳”新能源越用越多。
国家能源局公布的全国电力工业统计数据[58]显示,2025年5月中国累计太阳能发电的装机容量历史性突破1 TW,达到1.084 45 TW,占中国总发电装机容量的比例达30%,占全球光伏装机总规模的近1/2;2025年前5个月新增太阳能发电装机197.85 GW,同比增长56.9%,新能源发展迈上新台阶。1 TW以上的光伏装机量,相当于约48个三峡电站的总装机量,其一年可发出1 200 TW·h的绿色清洁电能,占中国年总发电量的12%,可替代1.52×108t标准煤,能够满足近5×108户家庭的年生活用电需求。1 TW的光伏装机规模,不仅反映出中国能源结构的持续优化,新型能源体系的加快规划建设,更催生了完整的、具有国际竞争力的光伏全产业链,同时大规模光伏接入也深刻改变着中国的能源生产和消费格局。
全能源系统是驱动这场深刻转型的核心引擎,以替碳为先导,减碳为支撑,负碳托底线。替碳为先导,即加速可再生能源对化石能源的规模化替代,特别是在电力、供热、交通等领域实现深度电气化与清洁化,其中,全球可再生能源的发电占比已超过30%,且成本持续下降,经济性日益凸显。减碳为支撑,即在难以完全替代的领域(如工业过程、重型运输),广泛应用CCUS技术、提高能效技术(如超超临界发电、工业余热利用)、节能降耗措施,实现深度减排,其中,钢铁行业氢冶金技术示范项目已在全球多地启动。负碳托底线,即积极发展生物质能源结合CCUS、大规模国土绿化与生态碳汇增汇、直接空气捕集等负碳技术,中和最终难以避免的残余排放,确保净零目标实现。全能源系统思维确保“替、减、负”3类技术路线协同优化,在保障能源供应安全可靠的前提下,以最低社会总成本、最高系统效率实现能源的绿色安全转型,最终达成碳中和的宏伟目标。
能源绿色转型需要绿色科技转型,绿色科技创新是通过应用自然科学知识的新发现、技术工艺等,引领并推动实现碳中和目标与绿色可持续发展[59];能源绿色科技创新是通过应用自然科学知识的新发现、技术工艺等,引领推动化石能源低碳化经济转型、新能源规模化高效利用,为碳中和目标、绿色地球建设、人类绿色发展提供不竭动力。全能源系统的构建不仅是技术应用,更是一场深刻的能源绿色科技革命,其将催生新兴产业,加快新质生产力发展,重塑全球能源治理格局,推动能源绿色革命转型。
笔者提出并强调了催生“能源系统科学”或“能源科学”交叉新学科。未来的能源图景,其复杂性远超单一能源领域,绝非任何一种单一技术可以独力绘就,必将催生融合地质学、系统工程、复杂网络理论、人工智能、材料科学、环境科学、气象学、经济学、政策学等多学科的“能源系统科学”[60-61],推动“能源-信息-智能”的深度融合。该学科致力于研究多能流耦合、多时空尺度互动、多主体行为博弈下的系统演化规律、优化运行与风险管理,探索能源科学前沿、促进多种能源形式的互补互融。从化石能源到可再生能源,从单一能源系统到多能互补网络,从技术突破到政策协同,无一不需要“融”的智慧。
孵化颠覆性技术集群。为应对全系统集成挑战,一系列颠覆性技术加速涌现:人工智能与大数据驱动智能调度与预测维护,区块链保障分布式能源交易信任,先进核能(小型堆、聚变)提供稳定基荷与高温热源,绿氢及其衍生品(氨、甲醇)成为难减排领域的关键载体和储能介质,巨量跨季节储能技术突破能源供需时空错配瓶颈[62]。这些技术相互赋能,重塑能源生产、传输、存储、消费全链条。
引领全球能源绿色转型。中国在全能源系统领域的理论创新与实践领先,为参与并引领全球能源治理提供了强大支撑:推动建立更公平合理的国际能源贸易与投资规则,主导或深度参与新型能源技术标准体系(如绿氢、碳足迹核算)共建,主导制定“一带一路”绿色能源标准,促进全球能源互联网构想落地,优化跨国跨洲能源资源配置,通过技术输出(特高压、智能电网)重塑全球能源基础设施规则,确立中国在碳中和时代的治理领导力,在应对气候变化多边机制中贡献中国智慧与中国方案,提升在全球能源治理中的话语权与规则制定权,引领全球能源绿色转型。
(1)全能源系统理论与思想的提出基于以下理论基础与时代背景:碳中和目标成为全球气候治理与能源系统重构的核心驱动力;能源绿色转型的加速演进催生了清洁能源产业的规模化发展;能源安全转型经历从“供给保障”向“系统韧性”的深刻重构;“能源三角”理论揭示了能源系统演进的内在逻辑与核心矛盾;能源强国建设可从根本上保障国家能源安全,支撑中华民族伟大复兴。
(2)全能源系统是指地上地下能源形成亲缘有序、叠合共生、协同融合、利用接替的高效安全智慧的大能源系统。不同类型能源资源的成因有亲缘关系,其形成有先后顺序,其分布在空间上叠合共生,其开发利用从传统单一能源接替向多能协同融合发展,通过多能源协同、多环节融合、智慧开发等形成了高效安全的能源利用系统。
(3)倡导树立大能源系统观,其发展思想是构建全油气系统、全煤岩系统、新能源系统、多能源系统、超级能源系统、碳循环系统的“六个子系统”;其发展思路是洁煤降碳、稳油增气、强新增储、多能互融、智能经济、绿色安全。未来全能源系统蓝图的核心在于引导全社会资源向真正提升系统整体价值的方向聚焦,不仅是技术路线的革新,更是能源价值观和治理体系的深刻变革。
(4)全能源系统的发展技术是聚焦煤炭清洁化、页岩煤岩地下原位转化、风能、光能、氢能、储能、地热、可控核聚变及智慧管控9大关键方向;碳中和与能源强国建设目标下,立足资源禀赋,分阶段、有重点/因地制宜发展全能源系统,实施“三步走”稳健发展战略,其发展路径是按照在筑基融合期夯实多能互补基础,在转型加速期突破核心技术,在体系成熟期建成智慧能源生态。打通多能协同融合脉络,支撑全能源系统从理论向实践的跃迁。
(5)全能源系统理论突破了传统单能源接替发展局限与能源系统间壁垒,提供了迈向实质性能源独立的新路径,驱动了能源绿色转型,催生了能源绿色科技革命,引领了构建以新能源为主的新型能源体系,在应对气候变化与实现碳中和目标中贡献了“中国能源方案”,引领全球向“绿色能源”转型,支撑建设“绿色地球”美丽家园。
第一作者:邹才能,男,1963年9月生,2004年获中国石油勘探开发研究院博士学位,现为中国科学院院士、中国石油天然气集团有限公司新能源首席专家,主要从事常规及非常规油气地质学理论与实践、新能源、能源战略等研究。
通信作者:李士祥,男,1981年6月生,2017年获成都理工大学博士学位,现为中石油深圳新能源研究院有限公司教授级高级工程师,主要从事能源战略、地热能与非常规油气地质等研究。Email:.cn
邹才能，男，1963年9月出生，中国科学院院士、教授级高级工程师、博士研究生导师，能源研究战略科学家、石油天然气地质学家、非常规油气地质学理论奠基人，现任中国石油天然气集团有限公司新能源首席专家、中国石油天然气集团有限公司国家高端智库研究中心副主任、中国石油学会新能源专业委员会主任、中石油深圳新能源研究院首席科学家。 邹才能院士于1987年从西南石油学院石油地质勘查专业毕业，2004年获得中国石油勘探开发研究院工学博士学位；2017年当选为中国科学院院士。担任国家油气战略研究中心副主任，主持建成国家能源致密油气研发中心并担任首任主任。邹才能主要从事常规-非常规油气学理论与勘探、新能源技术、能源战略、碳中和等领域研究，引领推动我国油气勘探从常规向非常规战略转变与重大发现、油气工业向新能源战略转型与协同发展，提出“超级能源系统”、“氢能中国”、“中国能源独立”、“碳中和学”、“能源三角”理论、“全能源系统”等一系列战略性超前性理念、认识和建议。 邹才能院士出版第一著者中英文专著20余部，发表学术论文316篇(第一作者 126 篇，SCI 共 58 篇、EI 共 41 篇)，其中5篇论文获“中国百篇最具影响国内学术论文”。2019年起，连续六年入选爱思维尔中国高被引学者榜单。2020年起，连续五年入选全球前2%顶尖科学家榜单。2024年，“年度科学影响力榜单”排名全球第1248位。获国家科技进步一等奖1项、二等奖1项，获省部级特等奖与一等奖10余项、李四光地质科学奖等。
