能源是事关国家发展和安全的战略必争领域，低碳技术创新与颠覆性能源技术突破是推动能源革命与工业革命、落实国家“碳达峰、碳中和”战略最关键的核心动力。当前全球能源生产与消费革命不断深化，能源系统持续向绿色、低碳、清洁、高效、智慧、多元方向转型。能源技术变革推动能源产业从资源、资本主导向技术主导转变，将给世界地缘政治格局和经济社会发展带来重大而深远的影响。在国家需求导向和碳中和战略引领下，全球能源体系正在从化石能源绝对主导向低碳多能融合方向转变，新一轮能源革命呈现出“低碳能源规模化，传统能源清洁化，能源供应多元化，终端用能高效化，能源系统智慧化”的特点，新能源技术和一系列新兴技术的发展和深度融合，推动能源生产、转化、运输、存储、消费全产业链发生深刻变革。

一、化石能源利用向清洁、高效、智能、节水、降耗减排方向转型

能源和工业结构中大规模存量化石能源的清洁高效转化利用是当务之急，重点研究C-H、C-O、C-C等含能化学键的有效活化、结构再造与能量存储新路线等关键科学问题。发展新型热力循环与高效热功转换系统、碳基能源高效催化转化、多点源污染物一体化控制等清洁低碳技术，推进化石能源利用重心由碳燃料向碳材料转变，实现宝贵碳资源高附加值利用。

新型热力循环与高效热功转换系统聚焦灵活多源发电、超高参数发电、新型工质热工转换以实现高效低排放。日本三菱电力成功投运全球最大规模整体煤气化联合循环发电机组（543兆瓦），发电效率达到48%。英国启动全球首个Allam-Fetvedt循环燃气发电项目，以推进先进超临界CO2布雷顿循环技术。碳基能源高效催化转化不断创新。碳基材料低成本转化取得突破，美国莱斯大学利用低成本焦耳热闪蒸技术成功将含碳矿石转化石墨烯工艺量产，在不到2小时生产1公斤石墨烯。甲烷催化转化实现低温路线创新，美国斯坦福大学和比利时鲁汶大学利用沸石催化剂实现了甲烷向甲醇的室温转化，中科院上海高研院开发的低温催化甲烷非贵金属铜双原子催化剂转化效率比单原子催化剂高300%。

二、高比例可再生能源系统成为构建现代能源体系的主体

着眼长远零碳能源结构和低碳工业的变革，优先推进构建高比例可再生能源系统替代化石能源。重点研发太阳能高效低成本光电光热转化、深海高空风电高效转化、生物质高效转化与高值利用以及新型电力系统等关键核心技术，促进高比例可再生能源电力消纳与多能源载体综合利用，大幅增加可再生能源在能源生产和消费中的比重，支撑可再生能源在碳中和时代成为主体能源。

太阳能高效低成本转化利用新技术不断取得突破。德国亥姆霍兹柏林中心晶硅-钙钛矿叠层电池效率创造29.8%新高。中科院大连化学物理研究所千吨级液态太阳燃料合成示范项目成功运行，工艺装置具有完全自主知识产权，整体技术处于国际领先。风电向远海高空、大型化、智能化、高可靠性发展。西门子歌美飒完成全球单机容量最大的14兆瓦风电机组原型机发电试验。明阳智能完成16兆瓦海上风机设计认证，计划2022年推出样机，2024年实现商用。生物质高效转化与高值规模化利用新路线和新工艺取得新进展。比利时鲁汶大学开发一种新型木质纤维素高效化学催化炼制工艺，实现了木质纤维素全组分高效降解利用。厦门大学首次将接力催化概念应用于生物质催化转化，实现了葡萄糖经葡糖二酸的己二酸高效绿色合成，为生物质高效脱羟基提供了新的催化策略。

三、四代裂变堆研发及聚变堆实验突破推进核能迈向安全高效可持续发展道路

发展安全、高效、经济、可持续的先进核能系统，攻克先进核裂变能燃料循环、裂变燃料增殖与嬗变以及核能多用途利用等重大科技问题。瞄准长远持续推进聚变堆实验与示范，攻关磁约束聚变和惯性约束聚变核物理基础科学与关键技术问题，到本世纪中叶实现聚变商用，充分发挥核能战略性能源作用。

核电强国积极布局四代核电技术研发应用。俄罗斯成功实现全球唯一浮动式核电站商业运行，建造的BN-800快中子堆首次使用铀-钚混合氧化物（MOX）燃料进行完全换料，标志向闭式燃料循环迈出了重要一步。美国爱达荷国家实验室建设熔盐实验快堆，将是世界上首座达到临界状态的熔盐快堆。可控核聚变等离子体理论研究、材料开发和运行试验方面不断涌现新的成果。中科院等离子体物理研究所实现了可重复的1.2亿度101秒等离子体运行和1.6亿度20秒等离子体运行，再次创造托卡马克实验装置运行新的世界纪录。中国科学技术大学在新一代神威超级计算机上首次实现聚变堆全装置动理学等离子体演化模拟，研究成果入围被称为“超算领域诺贝尔奖”的戈登贝尔奖。美国国家点火装置成功实验获得了1.3兆焦聚变产额新纪录，达到了“核聚变点火的门槛”。英国“兆安培球形托卡马克”装置成功完成升级并首次获得等离子体。

四、低碳氢/氨技术不断创新突破，推动向多元场景应用发展

推动氢和氨等新能源化学体系的建立，解决新能源开发与转化过程中的重大科学问题。加快发展低碳高效的绿氢/氨制备、储运以及利用技术，开发不同场景下基于氢/氨的新型系统概念，以氢/氨作为关键能源载体实现多种能源资源的灵活互补，并通过转化为电/热/气或作为替代原料促进多个难减排工业部门的脱碳。

绿色氢/氨制备技术路线不断突破。德国乌尔姆大学开发出一种可在-20 ℃环境运行的太阳能热耦合电解水制氢系统。澳大利亚莫纳什大学通过质子穿梭策略实现全球首次常温常压下的零排放氨合成。氢气储运技术聚焦开发更高效、易运输的载体材料。美国西北大学开发出具有超高孔隙率和表面积的金属有机框架储氢材料。德国马普学会钢铁研究所运用反常规策略，在保持硬度和延展性的同时将轻质金属材料的抗氢脆能力提升了两倍。氢/氨应用逐渐向灵活、高效的多元场景发展。钢铁巨头安赛乐米塔尔公司将建造全球首个融合太阳能发电、电解制氢的绿氢直接还原炼钢工厂。欧盟资助全球首个氨燃料电池船舶项目，开发船用2兆瓦级氨燃料电池。

五、新型低成本规模化储能技术正处在一个重要突破关口

开发超越传统体系的储能新材料与系统，研究电/热/机械能与化学能相互转化规律。重点推进大规模长寿命物理储能应用，发展新型电化学能量储存与转化机制，变革锂离子电池为代表的储能体系，实现长寿命、低成本、高能量密度、高安全和易回收的新型储能技术广泛应用。

新型压缩空气储能向大容量、长寿命和高安全性不断探索。清华大学开发转换效率60%以上的世界首个非补燃压缩空气储能电站。中科院工程热物理所10兆瓦国际首个盐穴先进压缩空气储能调峰电站正式并网发电，并即将建成具有完全自主知识产权的国际首套100兆瓦先进压缩空气储能项目。全固态电池作为下一代高能量密度储能技术受到广泛关注。中科院物理研究所首次构建出100%全活性电极的全固态电池，电池能量密度达到770瓦时/千克。日本丰田汽车展示了全固态电池汽车原型车，续航500公里，充电仅需10分钟。金属-空气电池仍需不断探索，以实现实际生产应用。汉阳大学首次开发出兼具高电池级能量密度（523瓦时/千克）和长循环寿命（在25毫安/平方厘米电流密度下稳定循环6000圈）的可商业化全固态锌空气软包电池。德美中三国合作开发全新的非碱性可充电锌空电池，与传统碱性电解液相比，锌负极利用率提高十倍以上。钠离子电池是“后锂电”时代重要的发展方向。中科海钠推出了全球首套1兆瓦时钠离子电池储能电站并投运使用，日本发布世界首个氧化物全固态钠电池原型，其中正负极均采用无机氧化物微晶玻璃材料，无需锂、钴等稀缺资源。

六、多能融合智慧能源系统成为各国低碳转型新的战略竞争焦点

未来能源体系将发展为多能融合智慧能源系统，深入探索能的综合互补利用原理及关键技术，开发多能系统规划设计及运行管理技术，攻克能源生产、输配、存储、消费等环节的多能耦合和优化互补核心科技问题，并深度融合新一代信息技术形成智慧能源新产业，保障能源利用与生态文明同步协调发展。

发达国家/地区已经开始探索一体化、智能化多能融合体系的架构设计。美国2020年启动首个氢能-核能复合能源系统示范项目，2021年发布《综合能源系统：协同研究机遇》报告提出构建多能流综合能源系统。欧盟发布一系列短中长期研发规划推动发展高度融合可再生能源、深度电气化、广泛数字化、完全碳中和的泛欧综合能源系统。日本“福岛系能源社会”示范项目探索到2040年构建100%可再生能源供应、基于氢能、发展智慧社区的未来多能融合能源系统，已建成全球最大可再生能源电力制氢示范厂。数字技术正加速与多能融合系统的深度融合。美国能源部人工智能与技术办公室发布2021-2022年工作计划，加快人工智能的研发和应用。壳牌与微软等公司联合推出“开放式人工智能能源计划”推动能源及能源加工产业的数字化转型。华为公司推出数字能源解决方案，并提出能源T战略助力能源行业转型发展。英国电力系统运营商启动一项全行业计划，将开发涵盖全英能源系统的“数字孪生”。

七、碳捕集、利用与封存技术被认为是实现碳中和的兜底技术，受到世界各国广泛重视

聚焦碳元素高效转化和循环利用，发展CO2捕集、转化和耦合利用相关的负排放技术，实现CO2源头低能耗捕集在碳密集行业的规模应用，着眼长远实现高效光、电、热、生物转化利用CO2机理等方面关键突破，开发高效定向转化合成有机含氧化学品、油品新工艺，发展高效光/电解水与CO2还原耦合的光/电能和化学能循环利用方法，实现碳循环利用。

CO2捕集技术在研发与产业示范方面取得进展。中科院过程工程研究所开发出离子液体CO2捕集分离的吸收剂，CO2捕集率大于90%，投资及捕集成本较传统MEA工艺降低30%。日本航运公司川崎汽船宣布在散货轮船上安装全球首个船载CO2捕集装置。Climeworks公司建造世界上最大的DAC设施在冰岛上线。山西大唐国际云冈热电有限责任公司建设的世界首个煤电CO2捕集及资源化利用全产业链生产线进入试生产。CO2资源化利用探索向高价值产品的多元转化。瑞士苏黎世联邦理工学院开发包含直接空气碳捕集、太阳能热化学驱动CO2还原、合成气合成液态烃/甲醇的一体化装置。中科院天津工业生物所实现全球首次CO2到淀粉的从头合成。

八、工业低碳转型是实现全球净零排放的关键，重点行业碳减排技术受到主要国家高度关注

聚焦工业原料/燃料替代、过程工艺革新、能量梯级回收和资源循环利用，重点发展绿色冶金工业过程工程、可持续绿色化工材料与工艺过程、低碳建材与工艺过程，推动高耗能高排放产业流程低碳再造。

加快燃料/原料清洁替代，提高工业领域非化石能源比重成为业界追求。中国海螺水泥有限公司建成国内首套生物质替代燃料系统，替代率超过40%，实现20万吨/年CO2减排量。阿联酋环球铝业集团打造世界上第一个采用太阳能电力的铝冶炼厂。全球主要水泥生产商CEMEX与瑞士初创企业Synhelion合作，计划打造全球首个使用高温聚光太阳能技术零排放生产水泥的系统。低碳冶金多条工艺路线取得进展，氢基直接还原铁技术取得商业化突破。波士顿金属公司围绕熔融氧化物电解（MOE）冶炼工艺进行1000倍试验放大，将于2022或2023年进行半工业化验证。美国犹他大学将开展氢闪速熔炼铁反应器中试。瑞典钢铁公司交付全球首批氢直接还原技术冶炼的钢材。水泥工业原料替代技术研究取得突破性进展。德国马丁路德·哈勒维腾贝格大学开发了一种气候友好型水泥替代品，新工艺可以减少三分之二以上CO2排放。斯坦福大学发明了采用火山岩替代石灰石的低碳水泥，可将材料制造过程中的碳排放量减少近三分之二。