能源产业的创新进展
能源一词，过去并不怎么引起人们的注意，很少有人作为重要话题进行讨论。但自从经历了两次石油危机之后，这个词的出现频率骤然增加，不断见诸报端，甚至成为街头巷尾议论的热点。时至今日，能源的开发利用及其所处环境，已成为世界各国人们共同关心的问题。现在，人们普遍认为到，能源是人类活动的物质基础。更有无数事实证明，人类社会的发展需要优质能源作保障，需要使用先进能源技术筑基础。随着在全球经济的高速发展，确保国际能源安全，已与世界的发展与稳定息息相关，于是，各国都制定了以能源供应安全为核心的能源政策，鼓励能源产业方面的各类创新活动。
一、能源的性质与分类
（一）能源的性质
能源也称作能量资源，是指自然界中能为人类提供某种形式能量的物质资源。我国《能源百科全书》，对能源含义作了进一步阐述，指出：“能源是可以直接或经转换提供人类所需的光、热、动力等任一形式能量的载能体资源。”这表明，能源不仅具有多种存在状态，而且是一些可以相互转换能量的源泉，它能够通过直接或间接的方式，满足人们某一方面的能量需求。
人类社会发展离不开能源这个重要的物质基础，它对人类的文明有着巨大的影响。人们常说：石油是工业的血液，煤炭是黑色的金子。能源利用的每次飞跃，都引起生产技术的变革，从而推动社会生产力的发展。现代世界，自从电气时代取代蒸汽时代以来，依靠充足的能源供给，经济获得高速发展。然而，20世纪70年代后期开始，先后出现的两次石油危机，对能源保障敲响了警钟，国际能源安全已上升到国家高度，各国都制定了以能源供应安全为核心的能源政策。
能源是国民经济的重要物质基础，它的开发和有效利用程度，以及人均消费量，是生产技术和生活水平的重要标志。能源消费与经济发展的关系，可以通过能源消费弹性系数的变动，获得一个侧面的反映。能源消费弹性，是指一个国家或一个地区在一定时期内，能源消费量随国民经济总量增减而升降的情况。能源消费弹性系数，等于能源消费量与上年比较的增长率，除以国内生产总值与上年比较的增长率。
（二）能源的分类方式
能源种类，是随着人们对世界认识的加深而不断增多的。今天，越来越多的新型能源，走出实验室，进入推广应用市场，开始与常规能源一起满足人们的需求。由于能源种类日渐增多，其分类方式也在不断完善。其中常见的有下述几种：
按照能源来自何处划分。可分为：⑴来自地球外部天体的能源，如太阳能等；⑵地球本身含有的能量，如原子核能和地热能等；⑶地球和其他天体相互作用而产生的能量，如潮汐能等。
按照能源如何产生划分。可分为：⑴一次能源，即自然存在、可直接利用的能源。它包括已广泛利用的常规能源和尚等推广的新能源。常规能源又可分为水力、生物能（木材、秸秆）等可再生能源，化石燃料即石油、煤炭、天然气、核裂变燃料等不可再生能源。新能源可分为太阳能、风能、潮汐能、地热能等可再生能源，核聚变燃料等不可再生能源。⑵二次能源，是指经过加工转换形态而获得的能源。主要包括：电力、汽油、煤油、柴油、焦炭、煤气、洁净煤、激光、氢能、沼气、热水、余热、余能等。
按照能源能否燃烧划分。可分为：⑴燃料型能源，如煤炭、石油、天然气、泥炭、木材等；⑵非燃料型能源，如水能、风能、地热能、潮汐能等。
按照能源消耗后是否造成环境污染划分。可分为：⑴污染型能源，包括煤炭、石油等内容；⑵清洁型能源，包括水力、电力、氢能、太阳能、风能以及核能等。
按照能源形态特征划分。可分为：固体燃料、液体燃料、气体燃料；水能、电能、氢能、太阳能、生物质能、风能、核能、海洋能和地热能等。这是世界能源委员会推荐的能源类型划分方式。
二、能源产业创新的主要成果
20世纪90年代以来，世界许多国家大力倡导和推广清洁、干净的新能源，以求在促进经济发展的同时加强环境保护。各国政府对新能源的开发利用给予大力支持，重点推进新能源采集、存储、调节、分配和传输技术的开发，加强新型发电技术等方面的研究，从而促使能源领域的创新活动获得不少突破性的进展。以下主要分析本世纪以来，能源产业的创新进展情况。
（一）电池领域的创新进展
1．电池的内涵。
电池通常表现为在杯、壶、罐、槽等容器的部分空间内，放置电解质溶液和金属电极以产生电流，从而把化学能转化为电能的装置。随着现代科技的发展，电池的内含和外延不断扩大，目前，其概念已经拓展到能产生电能的小型装置，如太阳能电池等。本节拟对氢能、生物质能和太阳能开发，各安排一定篇幅分别阐述，其中含有氢燃料电池、生物燃料电池和太阳能电池等内容，所以，这里不再重复分析这些创新成果。这里着重分析含锂电池、固体氧化物燃料电池，以及其他金属电池等。
2．电池领域的创新成果。
本世纪以来，各国在含锂电池领域的研究，主要集中在开发不同材质的新型含锂电池、具有轻薄柔韧特点的新型含锂电池、大容量高性能的锂离子电池，以及用于电动汽车的锂离子电池。研制高性能锂离子电池阳极材料、高质量锂金属电池阳极材料、高强度锂离子电池阴极材料，以及锂离子电池其他配套材料。研发提高锂离子电池储能量和效率的新技术、提高锂离子电池安全性的新技术；开发降低锂离子电池成本的新工艺、延长锂离子电池寿命的新工艺。
在燃料电池领域的研究，主要集中在研制多材质多用途的固体氧化物燃料电池、把热能转化为电能的燃料电池、用于航海舰船的燃料电池；开发微小型或便携式燃料电池、高效能或高温型的燃料电池。研制燃料电池催化剂，以及超薄电解片、无机复合材料和超级晶格材料等配套材料。开发改善燃料电池性能和降低其成本的新技术。
在其他电池领域的研究，主要集中在研制钠电池、铝电池、镁电池、钙电池等轻金属电池，镍电池、含铜电池、含锑电池等重金属电池，以及贵金属和金属氧化物电池。还探索用无机材料、有机材料和核材料研制新型电池。
（二）氢能开发领域的新进展
1．氢能的内涵。
氢是宇宙空间分布最广泛的物质，据有关部门测定和推算，宇宙质量的四分之三由它构成。氢能是氢的化学能，表现为氢气和氧气反应所产生的能量。氢能燃烧热值高，同等质量的氢燃烧过程产生的热量，约是汽油的3倍。同时，它燃烧的产物是水，属于世界上最干净的能源。不过，氢在地球上主要以化合态的形式存在，通常需要通过工业加工，特别是添加催化剂进行制取。
2．氢能领域的创新成果。
各国在制氢催化剂领域的研究，主要集中在研制二硫化钼、铝钛合金与磷化镍等工业制氢催化剂；开发以金属、金属氧化物和氮化镓为基础的太阳能制氢催化剂。同时，用金属氧化物、合金或金属开发燃料电池制氢催化剂。
在制氢技术领域的研究，主要集中在开发利用太阳能制氢、利用化学方法制氢，以及利用生物方法制氢的新技术。
在制氢设备领域的研究，主要集中在开发以甲醇或乙醇为原料制氢的新装置，开发以水为原料制氢的新设备；研制与氢燃料电池相关的新配件和新装置。
在储氢和用氢领域的研究，主要集中在以金属和金属化合物研制储氢材料及器具，以有机框架聚合物研制储氢装置，以其他材料研制储氢器材；通过金属材料、无机材料和有机材料开发储氢新方法。同时，建设使用氢气必需的加氢设施，完善氢气供应网点，研究安全用氢装置，建设氢能发电站。
（三）生物质能开发领域的新进展
1．生物质能的内涵。
生物质是指一切生命体的有机物质，包括所有微生物、植物和动物以及它们产生的废弃物。以生物质为载体的能量，就是生物质能。它包括有机物中除矿物燃料以外的全部内容，主要有木材及森林废弃物、含油和含糖植物、草料、水生植物、农产品、城市和工农业有机废弃物、动物粪便等。不管生物质能以何种形式表现，其源头都与绿色植物的光合作用相关，它们可转化为常规的固态、液态和气态生物燃料。
2．生物质能领域的创新成果。
各国在生物燃料领域的研究，主要集中在用含油或含糖植物、草类或藻类原料、含纤维素和木质素植物、生产或生活废弃物等制造生物燃料；同时，探索利用微生物来开发生物燃料。
在生物电能领域的研究，主要集中在用甲醇或糖、生产或生活废弃物、细胞内含成分，以及微生物开发生物电池。探索利用垃圾、粪便和生产废弃物发电，研究脱硫菌和海藻细胞等生命体发电。
在研究利用生物质能技术方面，主要表现为探索以蛀木水虱、白蚁等动物拥有的酶，以葡萄藻等植物内含的酶，以土壤真菌、山羊胃细菌以及转基因细菌等微生物拥有的酶制造生物燃料的新技术。探索开发生物柴油、生物乙醇、液态烷烃和甲烷的新技术。同时，探索固体废弃物发电、病毒发电的新技术。
（四）太阳能开发领域的新进展
1．太阳能的内涵。
太阳能通常指太阳光线热辐射产生的能量。人类很早就懂得利用太阳能，如用阳光晒干谷物，制作耐贮藏的干果、干菜、薯丝和淀粉，晒鱼鲞、制海盐等。现代开发利用太阳能，主要是通过光电转换方式用作发电，或者通过光热转换方式为热水器提供能源。在化石燃料日趋减少的情况下，人们越来越重视开发利用太阳能，创新成果随之日益增多。
2．太阳能领域的创新成果。
近年，各国在无机太阳能电池领域的研究，主要集中在硅基太阳能电池、硅薄膜太阳能电池；砷化镓太阳能电池、铜铟硒与铜铟镓硒太阳能电池、碲化镉与硒化镉太阳能电池、钙钛矿太阳能电池，以及碳基太阳能电池等。同时，开发能够充分利用光和热的太阳能电池、环保型太阳能电池，以及高质量电池专用材料和相关技术等。
在有机太阳能电池领域的研究，主要集中在探索并五苯太阳能电池、塑料太阳能电池、染料敏化太阳能电池、聚合物和共聚物太阳能电池，并探索有机太阳能电池的配套材料，以及它们的设计和制造技术等。
在非电池领域开发利用太阳能的研究，主要集中在探索以其他形式利用太阳能发电取暖的方式，及其所需的材料和设备，特别是探索聚光太阳能热发电模式所需的动力设备、热发电系统、新材料和新技术。另外，世界各地还以建设太阳能电站、建造太阳能环保屋等形式，加强对太阳能的开发利用。
（五）风能开发领域的新进展
1．风能的内涵。
风能是指由于空气流动所产生的动能。它存在于地球表面一定范围内，储量大、分布广，是一种可再生的清洁能源。我国是世界上最早利用风能的国家之一，据有关资料记载，殷商时期，人们不仅能够制造船舶，而且已经能够制成帆而利用风力航行。甲骨文用“凡”通假“帆”字，说明殷人行船已经使用帆。另外，农业生产中利用风力提水灌溉，日常生活中利用风力磨面舂米等现象，也可在先秦典籍中觅得踪影。然而，数千年来，风能开发技术发展缓慢，也没有引起人们足够的重视。直到20世纪70年代世界石油危机以来，在全球常规能源告急和生态环境恶化的双重压力下，风能作为新能源的重要组成部分，终于获得了长足发展。
2．风能领域的创新成果。
近年，世界各国日益重视风力发电领域的研究，大力推进风力发电技术研发与项目安排。着力打造陆地风力发电场，抓紧建设海上风力发电站，积极研发空中风力发电装置。
在风力发电设备领域的研究，除了研制新型风力发电风车外，大力推进风力电机的开发，已制成磁悬浮风力发电机、可减少噪音及振动的风力无芯发电机、小型移动式风力发电机、漂浮海上的风力涡轮发电机和垂直轴风力发电机等。同时，还开发出电子设备上用的微型风力电机，以及新式风机转子、高负荷圆柱滚子轴承、增强型风力发电机叶片、巨型风力涡轮机叶片、高性能风机润滑油等风力发电设备的配件。
此外，各国风能开发取得的新成果还有：设计出充分利用风能的节能环保房屋，建造综合利用风能、太阳能和生物能的环保房屋。
（六）核能开发领域的新进展
1．核能的内涵。
核能，也称作原子能，是原子核里的中子或质子，进行重新分配和组合时释放出来的能量。可供开发利用的核能，大体分为两类：一是核裂变能，表现为较重的原子核分裂释放结合能。二是核聚变能，表现为较轻的原子核聚合在一起释放结合能。有人测算过，1公斤煤全部燃烧产生的能量，只能使一列火车开动8米；1公斤裂变原料全部裂变释放出来的能量，可使一列火车开动4万公里；而1公斤聚变原料全部反应释放的能量，可以使一列火车行驶40万公里。更加可贵的是，核聚变反应过程几乎不存在放射性污染。所以，核聚变能可以称得上是未来的理想能源。
2．核能开发与核辐射防治的新成果。
各国在核能开发利用领域的研究，主要集中在开发新一代大中型核裂变反应堆，研制新一代便携式核裂变反应堆。研制磁约束核聚变发电实验装置，研制惯性约束核聚变发电实验装置。提高开发利用放射性资源的安全性，提高处理核废料的安全性。推进核电站建设，推进核电站安全方面的研究和管理。
在核辐射污染防治领域的研究，主要集中在开发防治铀污染和铯污染的新方法；研制防治核辐射污染的新材料、新设备和新药物。
（七）地热能与海洋能开发领域的新进展
1．开发地热能的新成果。
地热能主要由地球深处的熔融岩浆和放射性物质衰变产生，集中分布于岩石圈板块构成边缘的火山和地震多发地区。还有一小部分表面地热能有着不同来源，它们来自太阳的热辐射。地热能属于无污染可再生的天然热能，随着环保意识的增强，人们对合理开发地热资源已越来越重视。
近年，许多国家积极推进地热资源开发，经过多年管理经验和技术创新成果的积累，地热发电效益显著提升。此外，直接利用地热水进行建筑供暖、发展温室农业和温泉旅游等方面也获得较快发展。据有关报道可知，各国在开发利用地热资源领域的研究，主要集中在开发出新型的地热采暖系统，利用“热干岩层法”汲取高温高压的地下水发电，着手建立使用干热岩技术的地热发电站，提出以干热岩技术为基础的增强型地热系统开发方法。
2．开发海洋能的新成果。
海洋能是指蕴藏于海洋中的各种能源，主要包括潮汐能、波浪能、海流能、海水温差能、海水盐度差能等形式。它们都具有可再生性和不污染环境等优点，是一项亟待加强开发利用的新能源。
各国在开发利用海洋能领域的研究，主要集中在开发海洋燃油资源、海洋可燃冰资源。探索利用波浪能发电、洋流和潮汐发电；发明海水与淡水混和发电，用光催化法大幅提高海水发电效率。设计用波浪动能等推动的环保船只模型、研制出具有波浪推动系统的波浪动力船。
（八）动能与热能开发领域的新进展
1．开发动能的新成果。
动能是指物体由于运动而具有的能量，表现为某物体从静止状态至运动状态所做的功，其大小取决于运动物体的质量和速度。人类很早就开始利用动能为生产和生活服务，如发明弓箭利用弹性动能去打猎，利用高位水力动能建造磨坊。
近年，各国对动能的研究，主要集中在人体动能和车辆动能领域。在人体动能资源开发方面，发明用人体运动发电的纳米发电机，开发出主要利用膝关节动能的发电设备，研制利用人体运动全身动能的发电装置，还设计出利用人潮脚步发电的地下发电机。在利用车辆和重力动能方面，开发出泊车发电的“动力路板”，发明依靠重力运动产生电力的重力灯。同时，研发把动能转换为电能的固体材料，研究把动能变为电能的液态材料；研制可利用不规则振荡运动发电的动能采集装置。
2．开发热能的新成果。
热能是物体内部分子运动产生的全部能量，包括分子的平动能和转动能。如白炽灯通电后，灯丝内电子剧烈运动，灯丝发热温度升高，并由消耗电能而获得热能。
近年，各国较多关注人体热能和余热、废热的开发利用。在开发人体热能资源方面，发明了利用体温发电的特殊手表，制成可把人体热量转换成电能的热电装置，开发出利用体温的“个人热管理系统”纳米衣料。在开发余热或废热资源方面，研制出可减少汽车耗油的车辆排热发电技术，探索利用工业生产余热发电的新方法，开发利用农业温室过剩热量、车站余热和电子设备废热等。在开发热能材料方面，推进了碲化铅及其近亲热电材料、多铁性合金热电材料的研制。在开发微型热电装置方面，发明了可把热变成声波发电的微型热声发电机，制成首个热电效应纳米级发电系统。
（九）高效节能环保产品领域的新进展
1．高效节能环保产品的内涵。
高效产品，意味着开发生产出能耗更低、消耗原材料更少，同时品质功能更佳的产品。节能环保产品，表现为采用先进可行技术、经济合理措施，以及环境友好和社会可接受方法制造的产品。研制高效节能环保产品，可以提高产品质量，节约原材料消耗，降低人力成本，特别是可以减少煤炭、石油、天然气和电力等能源消耗等。所以，研发这类产品及其相关技术和设备，也是能源领域创新的重要内容。
2．研发高效节能环保产品的新成果。
各国在高效节能电器设备领域的研发，主要集中在开发高效节能电子元器件，研制高效充电器、节能空调、节能冰箱、节水洗衣机、节能热水器和淋浴器等，研制高效节能仪器设备和智能化和信息化节能装置，研制高效节能动力设备及部件。
在节能环保型交通工具领域的研发，主要集中在开发氢燃料动力汽车、电动汽车、压缩空气与风力驱动汽车，开发氢燃料动力飞机、生物燃料与合成燃料动力飞机、太阳能动力飞机、节能型飞机，开发环保型火车，设计建造节能环保型船舶；研制节能环保交通配套设施等。
在高效先进电力设施建设领域的研发，主要集中在研制用于高效先进电力传输系统的电缆，开展高效先进的超导输电线路试验，研发高效先进的无线电力传输系统，建设高效安全的智能电网系统，同时，建设有利于可再生能源发展的高效基础设施。
——摘自张琼妮与张明龙合著的《产业发展与创新研究》，中国社会科学出版社2019年6月版。
