未来能源开发的五个战略方向
追求碳中立和可持续的未来, 全球能源系统正在沿以下五个战略方向进行深刻的转变:
可再生能源: 从补充到主导
由于其清洁度，可再生能源（例如太阳能和风能）正成为全球能源过渡的骨干, 无限的可用性, 并迅速降低技术成本.
光伏的突破
结晶硅太阳能电池效率继续提高, 诸如钙钛矿和串联细胞之类的边境技术正在出现. 实验室转换效率已经达到 33.9%, 正如瑞士联邦技术学院Lausanne所证明的 2023. 同时, PV模块中的大规模生产和技术进步大大降低了电力的水平成本 - 从惊人的$ 76/W (约76,000美元/兆瓦) 在 1977 到2023年，最佳项目中低至$ 0.03/kWh - 制造太阳能高度竞争激烈.
海上风向扩张
风力涡轮机的单个单元容量正在增加, 刀片长度, 和塔高度. 虽然陆上风已经建立了, 未来的增长将集中于海上风, 特别是在深海地区 50 深度. 浮动风力涡轮机 (例如。, 中国15MW的“三峡谷铅”示范项目) 克服固定基础的局限性, 获取更强大，更稳定的风资源. 这些系统可以实现 4,000 每年全载小时.
其他可再生资源
地热, 海洋能量 (包括潮汐和波能), 生物质也将根据当地条件发挥作用, 多元化可再生能源混合.
集成的多能系统
解决可再生能源的间歇性和可变性是至关重要的. 这涉及智能协调太阳能, 风, 水电, 储能, 和可分配的来源 (例如抽水, 燃气轮机, 或先进的核) 形成集成的多能系统. 一个例子是Qinghai中的Longyangxia集成风 - 透明储存项目, 中国, 总容量超过30GW（目前是全球最大的），向区域网格提供了稳定的功率输出.
核能: 重新检查安全性, 效率, 和可持续性
作为稳定, 低碳基准电源, 核能将继续发挥关键作用, 随着未来的努力，专注于技术创新和增强安全性.
第四代反应堆
与当前第二- 和第三代加压水反应堆, 第四代系统可改善燃料利用率, 固有的安全, 废物管理, 和耐药性. 例如, thor (就像在Wuwei建造的飞行员一样, 甘努, 中国) 利用更多丰富的胸 高温. 快速育种反应堆 (例如。, 俄罗斯的BN-1200) 能 “烧伤” 耗资燃料中的p，将枯竭的铀转化为裂变材料, 将天然铀利用率从约1％增加到超过 60%, 从而大大扩展燃料供应并减少高级废物.
小模块化反应堆 (SMR)
容量通常低于300兆瓦, SMR提供模块化设计, 降低了前期成本, 更快的结构, 和更大的灵活性. 它们非常适合偏远地区或作为小型燃煤植物的替代品, 促进更广泛的社会接受和更快的核能部署.
受控的核融合
称为“最终能源,”融合模仿太阳的能源生产，并使用海水的氘和tri虫作为燃料，从而获得最小的长寿命放射性废物. ITER项目旨在实现Q>10 能量增益 2035. 同时地, 紧凑的高场融合计划，例如SPARC (由麻省理工学院和联邦融合系统) 正在前进, 有进球以验证高场超导磁铁 2025. 尽管商业生存能力仍然存在数十年, 融合具有巨大的潜力.
氢能: 建立零碳燃料和工业系统
作为清洁能源载体, 氢可以通过燃料电池转化为电力, 只发出水, 使其成为难以十分关注的部门（例如运输和行业）的关键解决方案.
绿色氢的产生
今天, 大多数氢是由化石燃料产生的 (灰氢), 产生大量的煤气排放. 未来在于绿色氢 - 通过可再生能源动力的水电解产生. 而传统碱性电解液的效率约为70％, 质子交换膜 (佩姆) 电解器超过 80% 并迅速响应可再生的可再生能源输入. 大规模的绿色氢项目正在全球新兴, 例如澳大利亚的“亚洲可再生能源枢纽,”针对年度产出 1 百万吨.
存储和运输创新
氢的低密度对存储和长途运输构成挑战. 解决方案包括高压气体存储, 低温液体储存 (-253摄氏度), 固态存储 (例如。, 金属氢化物), 并转换为更适合运输友好的运输工具，例如氨 (nh₃), 液化更容易，并建立了物流基础架构. 沙特阿拉伯的NEOM项目计划在全球出口绿色氨. 氢融合到天然气管道中也正在引起人们的注意.
扩展的最终用途应用程序
氢具有多种应用, 包括燃料电池车, 火车, 船, 和飞机; 钢材制造和化学生产等工业过程; 建筑加热; 和长时间的网格尺度存储.
能源数字化: 智能管理和有效的协调
集成信息技术 - 例如AI, 大数据, 物联网, 和云计算 - Into 能源系统 对于提高效率至关重要, 安全, 并启用大规模可再生集成.
虚拟发电厂 (VPP)
通过数字汇总分布式能源 (der) - 例如屋顶PV, 电池, 电动汽车, 和可控的负载 - VPPS充当参与能源市场和电网服务的“虚拟”发电机. 例如, 德国的下一个Kraftwerke汇总了超过5.5GW的DER，并在下面响应网格命令 100 毫秒, 有效缓解可再生可变性.
基于AI的预测和派遣
AI算法改善了可再生产出的预测 (例如。, 减少风和太阳预测错误 20%) 并优化网格动力流, 最小化传输损失和减少. 例如, 美国的PJM网格. 减少降低的减少 12% 通过基于AI的调度.
智能能源管理
使用物联网和大数据平台启用实时监视, 分析, 和整个能源链中的优化 - 生产, 传播, 和消费. 智能电表和家庭能源管理系统通过鼓励非高峰电力使用和刮胡子来促进需求响应.
区块链和能源交易
区块链技术为分散的能源交易平台提供了基础, 在社区内实现点对点交易, 提高透明度和效率.
生物质和碳利用: 负面排放和循环经济的关键
生物质是唯一可再生碳源, 提供权力的独特优势, 热, 燃料, 和基于生物的产品. 当与碳捕获结合使用时, 利用率, 和存储 (CCUS), 它可以提供净阴性排放.
第三代生物燃料
与第一代生物燃料相比 (基于食物作物) 和第二代 (使用农业和林业废物), 第三代燃料利用不可食用的生物量，例如藻类. 藻类通过光合作用吸收Co₂，并具有高油产量 - 15,000 每公顷升, 远远超过玉米 (〜200升/公顷). 这使它们适合航空和运输等难以利用的部门. 像埃克森美孚这样的公司已经实现了可持续航空燃料的商业生产 (SAF).
具有碳捕获和存储的生物能源 (贝克斯)
通过从生物质发电或工业流程中捕获Co₂ (例如。, 水泥, 钢), 然后利用或存储, Beccs理论上可以从大气中取出Co₂，因为co co的发射最初是在生物量生长过程中吸收的. 瑞典的斯德哥尔摩Exergi植物正在通过将生物质CHP与碳固存探索这一途径.
生物质气化和热解
这些过程将生物量转化为生物合成或生物炭, 可用于电力, 加热, 或作为土壤修订 - 提高能源效率并为生物质资源增加价值.
重建人类关系: 迈向可持续共生
未来的能源过渡不仅是技术和燃料的转变，它代表了人类社会如何进入的根本转变, 分发, 并使用能量. 它需要重新思考和重塑人类与能量之间的关系.
概念上的转变: 从“提取发展”到“共生循环”
几个世纪以来, 化石燃料的使用遵循了提取型号: 单向提取, 燃烧, 和发射. 这种方法使地球的生态系统达到了极限. 未来的能源系统必须与可持续性框架（例如行星边界概念）保持一致 (罗克斯特斯特, 2009), 将能量活动整合到生态周期中. 这需要:
碳循环平衡: 排放必须大幅减少到零净, 或理想情况下, 在安全水平上稳定大气. 当前全球年度CO₂排放量目前处于附近 36 十亿吨; 达到巴黎协议目标, 这一定落在 20 每年十亿吨 (自然碳汇).
高效和循环资源使用: 最大化能源效率并最大程度地减少废物. 促进能量系统中的圆形材料流, 例如从退役太阳能电池板和风力涡轮机叶片中回收材料, 减少对原始资源的依赖.
与水和土地资源协调: 可再生能源的发展必须考虑对用水的影响 (例如。, 水电, 热植物冷却, 氢产生) 和土地占领 (例如。, 大型光伏农场, 生物燃料作物), 旨在在能源发展与生态保护之间建立和谐. 当前的全球淡水使用是 4,600 km³/年; 未来的能源系统必须保持在可持续性范围内.
重新定义社会公平: 能源民主化和包容性访问
能源过渡必须解决社会公平以避免不平等问题.
消除能量贫困: 数亿仍缺乏可靠的现代能源. 离网和基于微电网的清洁解决方案，例如太阳能家庭系统 (shs) - 可以迅速而负担得起的电力将电力带到农村和偏远地区. 在孟加拉国, SHS已经到达 20 百万农村人, 将人均电力成本降低 60%. IEA呼吁连接 780 百万人清洁电力 2030 并提供干净的烹饪解决方案 2.8 十亿人仍依靠传统生物量 2050.
只是过渡: 确保在能源过渡期间支持化石燃料工人和社区，以防止大规模失业和社会不稳定. 这包括政府主导的重新运输计划, 工作援助, 和社会保护.
能源民主化和社区参与: 鼓励社区所有权和分布式能源项目的管理, 允许更多的人从能源生产和消费中受益. 实施个人碳帐户以激励个人节能行为并使积极的公民参与过渡.
政策技术市场协同作用: 建立支持性过渡框架
成功的能源过渡需要在政府政策中进行协调的努力, 技术创新, 和市场机制.
政策领导和顶级设计: 政府必须建立明确的, 稳定的, 以及雄心勃勃的长期能源战略和目标 (例如。, 碳峰和中立目标). 碳定价机制 (例如。, 碳税和排放交易系统, ET) 可以内部化环境成本并推动对清洁能源的投资. 欧盟碳边界调整机制 (CBAM), 预计将由 2026, 正在将全球碳价格上涨, 现在超过80美元/吨 - 影响全球供应链. 强大的能源法, 标准, 计划也是必不可少的.
技术r&D和工业孵化: 增加对尖端能源技术的投资, 支持从基础研究到商业化的完整创新链. 建立公共或私人清洁能源基金 (例如。, 提出的 $10 十亿全球基金) 加快颠覆性技术的成熟和采用.
市场机制和财政支持: 改善电力市场结构以容纳可再生能源的高股份 (例如。, 产能市场, 辅助服务市场). 开发绿色金融系统 - 通过绿色债券, 贷款, 和过渡融资 - 将资本引导到清洁能源和减少排放项目. 中国可再生能源开发基金已经超过 500 十亿元人民币, 提供可确保合理内部收益率的补贴 (IRR) 进行风能和太阳能项目并吸引私人投资.
国际合作与全球治理: 作为全球挑战, 能源过渡需要增强的国际合作才能共享技术, 经验, 和最佳实践. 跨国网格联盟等计划 (例如。, 拟议的亚洲超级电网) 可以促进区域能源整合和跨境可再生能源流动. 联合国框架下的更强大的气候谈判和政策协调是必不可少的.
结论和全球行动计划
人类能源发展的历史是对更高能量密度的持续追求, 效率更高, 和更广泛的适用性 - 技术创新的宏伟叙事推动社会进步. 在过去的几个世纪中, 化石燃料用前所未有的力量为现代文明的繁荣提供了动力, 但也以同样前所未有的速度改变了地球的气候, 导致严重的资源和环境挑战.
在下一个 30 年, 人类将经历最深刻和最紧迫的 能源系统 自工业革命以来的转变. 从化石燃料优势转变为可持续能源范式的转变不仅是技术途径的问题，而且是发展哲学的全面转变, 经济模型, 和全球治理框架. 实现这一过渡将需要在全球范围内进行协调的努力和决定性的行动.
基于对能源发展史的深入见解和对未来趋势的分析, 这份白皮书提出了以下全球行动计划:
加速清洁能源技术的商业化
建立国际合作机制和多边/双边资金框架以支持R&d, 示范, 和大规模部署先进的清洁能源技术 (例如。, 先进的核, 受控融合, 绿色氢, CCUS, 和下一代储能). 全球清洁能源创新基金不少于美元 10 建议十亿美元, 专注于颠覆性创新和跨学科整合.
改革全球能源治理
加强国际能源合作与对话, 建立和改善全球和区域治理机制, 并促进能源基础设施和跨境能源贸易的互连. 诸如大陆和洲际超网格的发展之类的举措 (例如。, 整个亚洲, 非洲, 和欧洲) 应该鼓励优化全球能源资源分配.
增强气候政策和碳市场联系
国家应设定更雄心勃勃的减少碳目标，并建立有效且相互联系的碳定价机制. 逐渐提高碳价格，以反映气候变化的真正社会成本，并将资本转向低碳部门. 使用区块链等技术来促进和采用国际碳信用系统，以提高市场透明度和效率.
提高能源系统的数字化和智能
增加对智能电网的投资, 虚拟发电厂, 和AI用于能源应用以建立高效的, 灵活的, 以及能够支持可再生能源的高渗透率的弹性现代能源基础设施.
培养一种可持续能源消耗和公民参与的文化
将能源素养教育整合到国家课程中，以提高公众对能源和气候问题的认识. 促进能源效率标准和绿色消费习惯. 根据激励机制探索家用碳账户系统，以鼓励和奖励低碳行为, 使能源过渡成为所有公民的参与原因.
确保能源过渡中的正义和包容性
制定政策保障措施，以支持受化石燃料淘汰影响的工人和社区, 确保平稳而只是过渡. 使能源贫困和能源可及性成为全球能源过渡工作的核心议程. 通过技术转移和经济援助, 协助发展中国家可以广泛获得清洁能源.
能源转变是人类的前进道路，也是实现可持续发展目标的基本要求. 历史表明，每一次能源革命都伴随着巨大的机会和挑战. 今天, 我们站在一个新的历史时刻. 抓住这个变革的机会来建立一个干净的, 高效的, 安全的, 包容性能量的未来不仅在于解决气候危机，而且还涉及开放人类文明的新篇章，该章节更加繁荣, 公平, 和可持续.
