碳中和背景下的颠覆性能源技术究竟有什么？

自我国提出碳达峰碳中和的时间表和路线图以来，能源成为关注的焦点，颠覆性能源技术的研发应用成为研究的热点。那么，什么是颠覆性技术，颠覆性能源技术有哪些，近年来我国在能源领域取得了哪些颠覆性技术突破呢？

本次随笔将围绕这些问题进行讨论。

一、什么是颠覆性技术？

颠覆性技术（Disruptive Technologies）的概念，最早是由哈佛商学院克莱顿·克里斯滕森(Clayton M. Christensen)教授1995年提出。

颠覆性技术的理念一经提出，就引起工商界和学术界的极大反响。

克莱顿·克里斯滕森教授将颠覆性技术定义为：更简单、更便宜、比现有技术更可信赖和更方便的技术。

专家学者一般将颠覆性技术定义为能改变某一行业主流产品和市场格局，或改变某领域“游戏规则”或操作方式的技术。

颠覆性技术是一种颠覆了某一行业主流产品和市场格局的技术，一种对已有或主流技术产生颠覆性效果的技术，可能是全新的创新技术，也可能是基于现有技术的跨学科、跨领域的创新应用；不但是对科学原理的创新性应用，更是跨学科、跨领域的集成创新。

当然，如果只是颠覆了某一行业主流产品和市场格局的技术，其内涵比熊彼特提出的技术创新内涵就要小了。

颠覆性技术具有如下特征：

第一个特征是，依赖旧技术获得成功的企业往往会放弃颠覆性技术。因为，起初在核心性能指标上可能远远落后于已有技术且持续较长时间，而在某项非核心性能指标上有着显著而又特别的优势；这种优势将始终存在，不会随技术的进步而缩小差距。

第二个特征是，颠覆性技术最终会取代旧技术。颠覆性技术优势是明显的，完全可以被企业和消费者觉察到；而且企业应该也能准确判断技术进步的趋势。

那么，为什么一些领先型企业会放弃颠覆性技术呢？因为领先型企业的消费者和颠覆性技术的消费者往往不是同一批乃至不是同一代人。

二、关于颠覆性能源技术的研究进展

从国家层面看，世界各国都高度重视颠覆性技术，纷纷进行相关战略规划与部署，期望占领技术创新的制高点。

欧盟委员会于 2018 年 6 月发布“地平线欧洲”计划（第九框架计划）提案，提出 2021—2027 年研究创新蓝图；

2013年5月，麦肯锡全球研究院(MGI)发布一份研究报告，重点分析了22项热点前沿技术，挑选出2025年前可能改变人们日常生活和全球经济的12项颠覆性技术。

美国白宫科技政策办公室 2018 年发布备忘录，明确了 2020 财年研发优先领域，并计划在颠覆性技术创新上加大投资；依靠先进的水平井和压裂技术使页岩气产量井喷式增长，不仅使美国从石油进口国变为石油出口国，还带来世界能源格局的大变革，这是颠覆性创新引发产业巨变的鲜活例证。

德国联邦政府于 2018 年 7 月提出人工智能战略要点文件；

韩国于 2018 年 4 月发布《创新增长引擎》计划。

我国在 2016 年将“颠覆性技术”写入《国家创新驱动发展战略纲要》和《“十三五”国家科技创新规划》，2017年党的十九大报告中强调“突出颠覆性技术创新”。

从研究层面看，刘笑等以“Disruptive Innovation或Disruptive Technology”为检索词，设置文献类型为Article，时间跨度为1995—2021年，在Web of Science核心合集（包含SCI-Expanded和SSCI）中共检索获得相关国外文献2 916篇。

在中国知网上，输入颠覆性技术就会发现，最早出现的文献是2004年；而输入能源颠覆性技术，或颠覆性能源技术，均没有查到结果。

事实上，能源是科技创新最活跃的领域之一，可再生能源发电、先进储能技术、氢能技术、能源互联网等具有颠覆性技术不断涌现。

2011年，《环球科学》杂志发表了由王栋翻译的“7大颠覆性技术破解能源危机”的文章，7大颠覆性技术分别为：

——新反应堆以聚变触发裂变，作者格雷厄姆·P·科林斯( Graham P. Collins)，利用激光从核废料中提取电能；

——液体燃料 太阳能燃料，撰文 戴维·别洛( David Biello)，用太阳光和二氧化碳来驱动汽车；

——电力生产量子光电池，撰文 JR·明克尔( JR Minkel)，热电子能让太阳能电池的效率翻番；

——废热利用热力发电机，撰文 比扎尔·P·特里维迪( Bijal P. Trivedi)，形状记忆合金利用废热带来额外能量；

——车辆工程冲击波汽车发动机，撰文 史蒂芬· 阿什利( Steven Ashley)，汽车油耗将降低80%；

——家用电器磁体制冷机，撰文 蔡宙( Charles Q. Choi)，能为冰箱和房间制冷的特殊合金；

——排放处理 更清洁的煤炭，撰文 迈克尔·勒莫尼克( Michael Lemonick)，用盐来吸收火电厂排放的碳；

迄今看来，上述颠覆性技术能商业化的并不多。

2013年，MGI研究报告的12项颠覆性技术中有3项是能源领域的，分别是：①储能技术、②先进油气勘探及回填、③可再生能源；移动互联网、物联网、云计算等新一代信息技术也与能源有着密切关系。

MGI认为，一批技术虽没有选上却也值得关注，包括新一代核裂变/聚变发电、固碳技术、无线充电等，这些技术的商业化前景不明朗，或在2025年之前难以进入商业化实用阶段。

2016年，中国工程院立项开展“引发产业变革的重大颠覆性技术预测研究”重大咨询项目研究，通过两轮问卷调查和定量评价，遴选出26项未来可能引发产业变革的颠覆性技术，其中能源领域有6项，分别是：

①超导材料，

②新一代核反应堆技术，

③能源互联网，

④天然气水合物大规模安全经济开采关键技术，

⑤规模化新型电能存储技术，

⑥井下油水分离同井注采技术。

三、近年来我国出现的颠覆性能源技术突破

这方面的资料众多，这里的介绍只是其中的一部分，不能作为决策的参考。

1．作为终极能源的核聚变能取得突破

可控核聚变的主流技术主要有2种：磁约束核聚变（MFC）和惯性约束核聚变（IFC）。

世界上核聚变相关研究计划较多，如国际热核聚变实验堆（ITER）计划、美国国家点火装置（NIF）、美国悬浮偶极子试验装置（LDX）、美国Z-IFE装置、美国Lawrenceville Plasma Physics研究项目、美国FRX-L研究项目、加拿大通用聚变、欧洲高功率激光能源研究（HiPER）计划和德国Wendelstein7-X等。

中国2007年正式加入ITER计划，同时在大力推动国内的核聚变科学技术研究。

我国圆满完成了聚变工程实验堆（CFETR）概念设计，已开展工程设计。中国环流器二号A装置（HL-2A）和全超导托卡马克核聚变实验装置（EAST）等大科学装置先后建成，HL-2A在国内首次实现了偏滤器位形放电、高约束模式运行。2017年7月，EAST在世界上首次实现了5000万度等离子体持续放电101.2秒的高约束运行，再次创造了磁约束核聚变研究新的世界纪录。

2023年8月，在位于四川省成都市的中国环流器聚变工程实验堆上，我国成功实现了超过100秒的稳态高约束模式等离子体运行，创造了120兆瓦的融合功率输出。

这是人类历史上第一次实现超过100秒的稳态核聚变反应，也是世界上最高水平的核聚变实验成果。

液态燃料钍基熔盐实验堆拿到运行许可证

2023年6月7日，国家核安全局给中科院上海应用物理研究所发放运行许可证，表明我国不仅是世界上最先进的核能技术之一，更是拥有下一代核能技术。

国际上在建的核电项目以三代核电为主；四代核电主要有钠冷快堆、铅冷快堆、气冷快堆、超临界水堆、熔盐堆等6种。因安全性高，废料量少，抗扩散能力强，经济效益好，钍基熔盐堆被视为一种新兴的高温堆。

2．压缩二氧化碳储能

2022年6月，一家名为Energy Dome的公司在意大利撒丁岛建设了世界上第一个二氧化碳储能项目，规模为2.5MW/4MWh。

2022年8月，中国首个二氧化碳储能验证项目投运，由东方电气集团东方汽轮机有限公司、百穰新能源科技（深圳）有限公司、西安交通大学能源与动力工程学院共同打造。

百穰二氧化碳储能技术特点如下：具有“高效率、低成本、高安全、无污染、长寿命、智能化”等多项特点；具备独特的余热利用能力，能挖掘中国工业余热的巨大潜在价值；具有极好的普适性，可在各种地理环境和气候条件下使用。

低成本。二氧化碳储能建设成本显著低于抽水蓄能，度电成本最低可达0.2元/度；

高效率。该系统电-电设计效率高达82%，实际效率能达到60%以上，并逐步提升；

无地域限制。二氧化碳储能系统的建设对地理环境和气候条件没有特殊要求；

大容量。其储能时长多达16+小时，释能功率可达GW级；

长寿命，无衰减。该储能系统寿命长达30年，设计使用期内循环次数超过10000次，可做到效率无衰减、容量无衰减；

安全无污染，易升级改造。循环工质采用二氧化碳，无燃爆风险，无污染残留。其充电功率和时长均可平滑扩容，升级改造成本低。

3．液态阳光项目在多地实施

中国科学院大连化学物理研究所李灿院士的“液态阳光绿色氢能”示范项目，利用以太阳能为代表的可再生能源高效电解水制氢，耦合二氧化碳加氢合成“液态阳光”甲醇，是集甲醇在线制氢、分离纯化、升压加注及二氧化碳液化回收等功能于一体的自主创新制氢加氢装备技术，以甲醇作为储氢载体，解决高密度储运氢气的安全问题，可灵活调整产能，实现氢气的现产现用，占地面积较小，可广泛应用于港口码头、公路场站及大型交通工具等多种制氢用氢场景。

将二氧化碳转化为液态阳光甲醇是碳捕获利用（CCU）技术，在获得液态能源产品的同时实现可再生能源转化利用、二氧化碳减排和大规模储能。

首个项目位于兰州新区绿色化工园区。

4．等离激元技术

等离激元人工光合技术，可以将二氧化碳转化为能源，变废为宝，破解气候变化和能源枯竭魔咒，气候变化与能源枯竭由双输变双赢，不仅解决了二氧化碳的排放问题，使二氧化碳也不再成为负担，还可以将二氧化碳直接转化为能源，开辟了新的二氧化碳减排和制能的路线。

类似的颠覆性能源技术突破还有一些，这里不再一一列举了。

四、几点小结

简要总结我国能源领域颠覆性技术突破，应该是科学家的事情，对于我们这些做政策咨询的研究人员而言，难免挂一漏万，没有提到的请不必介意。

需要特别提出的是，颠覆性能源技术突破，应当具备以下一些特征：

一是要改变传统的碳-氢（C-H）技术路线与技术思路，否则难以做到不排放二氧化碳；

二是颠覆性能源技术可能在很早以前就已经被科学家提出，但在工程技术上没有得到实现，或商业化的前景存在不确定性；

三是颠覆性能源技术，应当覆盖能源发现、开发利用、转化、利用（特别是温度对口和梯级利用）的全过程；

四是作为一种特殊形态的能的应用，微波能得到国内外的高度重视，我国应当加快技术研发和推广应用的力度，占领制高点。

2020年，20国部长级能源会议提出，实现碳中和目标的一半技术还没有开发出来。

我国应当发挥集中力量办大事的制度优势，发现并抓住机遇，攻克尽可能多的颠覆性能源技术，为我国的碳达峰碳中和铺就符合中国国情的新路径。

此外，本人对国内外一些专家推崇的CCS（CCUS）技术并不看好，不仅是因为成本高（本人今年参观了位于成都的二氧化碳捕获中欧合作项目，捕获一吨二氧化碳的成本在100元以上，还不包括运输、储存），还是存在泄漏、没有那么多的空间可以储存等问题。

为什么西方人只是“嘴上说说的事情”，我国就当真了呢？

难道这也成了利益驱动？

我们不得而知。

附：产业革命及其主要标志

人所皆知，产业革命与技术革命密切相关。而每次产业革命的出现都是以颠覆性技术开始的。人们熟知的产业革命、重要事件及其主要标志有以下一些：

第一次工业革命：以蒸汽机为标志，能源以煤炭为主：

1733年 约翰·凯伊发明了飞梭

1765年 詹姆斯·哈格里夫斯 珍妮纺纱机（揭开了工业革命的序幕）

1769年 詹姆斯·瓦特改良钮可门的蒸汽机为“单动式蒸汽机”

1782年 瓦特改良蒸汽机为“联动式蒸汽机”,1785年投入使用

1807年 富尔顿 造出用蒸汽机做动力的轮船

1814年 史蒂芬孙发明蒸汽机车

第二次工业革命：以电器的广泛应用为标志，油气成为主要能源。

1866年，德国人西门子制成了发电机；到19世纪70年代，可用发电机问世。

电器开始用于代替机器，成为补充和取代以蒸汽机为动力的新能源。电灯、电车、电影放映机相继问世，人类进入了“电气时代”。

其次是内燃机的创新和使用。

19世纪70年代，以煤气和汽油为燃料的内燃机相继诞生，90年代柴油机创制成功。内燃机的发明解决了交通工具的发动机问题。80年代德国人本茨等人成功地制造出由内燃机驱动的汽车，内燃汽车、远洋轮船、飞机等也得到了迅速发展。内燃机的发明，推动了石油开采业的发展和石油化工工业的生产。

科学技术的进步带动了电讯事业的发展。

19世纪70年代，美国人贝尔发明了电话，

19世纪90年代，意大利人马可尼试验无线电报取得了成功。

第三次技术革命

从技术进步角度看，包括三方面：一是空间技术的利用和发展。

1957年，苏联发射世界上第一颗人造地球卫星，开创了空间技术发展的新纪元。

1961年，苏联宇航员加加林在乘坐飞船率先进入太空。

1969年，美国实现了人类登月的梦想。

70年代以来，空间活动由近地空间为主转向飞出太阳系。

二是原子能技术的利用和发展。

1945年，美国成功地试制原子弹后。

1949年，苏联也试爆原子弹成功。

1952年，美国又试制成功氢弹。

1953年～1964年间，英国、法国和中国相继试制核武器成功。

三是电子计算机技术的利用和发展。

40年代后期的电子管计算机为第一代计算机。

1959年，出现晶体管计算机，运算速度每秒在100万次以上。

1964年达到300万次。

1978年的计算机每秒可运算1.5亿次。

80年代发展为智能计算机。

也有人从动力系统、主要能源、交通工具角度来划分三次产业革命：

动力系统：蒸汽机→内燃机、电动机

主要能源：煤炭→石油、电力

交通工具：火车(蒸汽机车)→汽车、飞机

德国提出工业4.0，主要是按工业发展阶段划分的：

工业1.0是蒸汽机时代

工业2.0是电气化时代

工业3.0是信息化时代

工业4.0是智能化时代

工业4.0九大技术支柱包括：工业物联网、云计算、工业大数据、工业机器人、3D打印、知识工作自动化、工业网络安全、虚拟现实和人工智能。

那么，无论是三次产业革命还是工业4.0，什么是主要能源呢？从实际看，答案五花八门；各国的能源构成情况不同，专家的归纳也不相同：

有人认为是新能源可再生能源，

有人认为是天然气，

有人认为是核能

……

由于能源消费变化的周期与产业规模的发展周期并不完全吻合，所以本随笔没有在相应的地方标注主要能源类型。

来源：宏春观察