**章面向2040年能源与矿业领域世界工程科技发展态势
科技创新是推动社会进步和经济发展的关键要素，能源和矿产资源作为社会发展的关键物质基础，其领域工程科技的发展对人类文明的进程有着深远的影响。当今世界，国际政治经济形势日趋严峻复杂，各国安全问题备受关注，绿色低碳成为全球共识，能源与矿业科技正在迎来前所未有的变革与机遇。世界各国纷纷围绕未来能源与矿产发展战略开展有组织的科技创新布局，以科技创新发展应对全球能源和资源挑战，确保经济社会的可持续发展。
**节世界能源与矿业领域工程科技发展状况及国际先进水平
为应对气候变化，绿色低碳发展成为必然路径。世界各国基于自身资源禀赋和技术优势，在煤炭、油气、电力、核能、可再生能源、非能源矿产勘查和非能源矿产开采等子领域，从战略高度实施了多项重大科技计划。在此过程中，领域科技创新成果不断涌现，绿色智能煤矿、新一代油气技术、智能电网、第四代核电及新一代核电技术、大兆瓦风机、高效光伏、找矿预测技术等具有重大产业变革前景的颠覆性技术应运而生，能源科技和装备快速迭代升级。
一、能源与矿业领域世界各国正在开展的重大科技计划及其预期成果能源与矿产资源是经济社会可持续发展的物质基础与基本动力源。当前，上一轮科技和产业革命所提供的动能已经接近尾声，传统经济体制和发展模式的潜能趋于消退，新一轮科技和产业革命正在创造历史性机遇，全球处于产业、经济和社会加速变革的时期。
在全球气候变化的大背景下，加快能源清洁低碳转型已成为国际社会的共识和全球发展趋势。在能源利用总量不断增长的同时，能源结构也在不断变化。据统计，2023年世界一次能源消费达211亿tce，其中石油占31.7%，煤炭占26.5%，天然气占23.3%，核能占4.0%，水能占6.4%，其他可再生能源占8.2%①（Energy Institute，2024）。相关研究表明，到2040年，世界能源需求仍将继续增长，而能源结构也将持续变化，其中非化石能源的比重将不断上升，预计到2040年，其在一次能源中的占比将从目前的18.2%提高到35%以上（IEA，2024a）。
世界主要国家和地区基于各自能源资源禀赋特点和技术优势，从能源战略的高度制定各种能源科技计划，如美国的《全面能源战略》（All of the Above Envergy Srtategy）、欧盟的《2050能源路线图》、日本的《面向2030年能源环境创新战略》（2030年エネルギー環境イノベーション戦略）②、俄罗斯的《2035年前能源战略》等。
（一）煤炭子领域
高效、节能、节水和清洁是煤炭利用的发展方向，积极开发新一代清洁、高效和污染物“近零排放”技术，实现CO2减排是世界燃煤发电技术发展的热点和难点。世界主要用煤国家均在致力于研发先进超超临界高效发电技术、700℃超超临界燃煤发电技术、IGCC技术、碳基固体氧化物燃料电池（solidoxidefuelcell，SOFC）高效发电技术、IGFC发电技术、燃煤污染物“近零排放”技术以及CCUS技术等。
美国于2014年5月发布《全面能源战略》，承诺在清洁煤技术方面投入近60亿美元，研发提高新建燃煤电厂效率和CO2捕集效率。2018年11月，美国能源部（Department of Energy，DOE）发布了“Coal FIRST”[灵活（flexible）、创新（innovative）、弹性（resilient）、小型（small）、变革（transformative）]计划，旨在开发先进煤电厂，提供安全、稳定、可靠的近零排放电力，煤炭燃烧后进行碳捕集是该计划的重要组成部分（何芳，2015）。
日本在2016年4月发布《能源环境技术创新战略2050》（エネルギー環境イノベーション戦略（案）），提出将要重点推进的五大技术创新领域，其中在CO2固定及有效利用领域，要开发先进高效的CO2分离、回收、循环利用技术[如碳捕集与封存（carbon capture and storage，CCS）、生物固碳和人工光合作用等]。预计到2040年，日本将严控煤炭消费和煤电规模，推动CCS技术的发展与煤电产业转型升级。
澳大利亚在1992年提出的“煤炭行业研究计划”（Australian CoalIndustry’s Research Program，ACARP）是煤炭开采业一项长期的科研协作计划，该计划在井工矿、露天矿、洗选、温室气体减排等方面的研究引领着煤炭行业的发展。预计到2040年，澳大利亚在煤炭领域的智能化、安全和清洁开采体系将更加完善。
（二）油气子领域
当前世界正经历百年未有之大变局，在能源结构加速转型与经济逆全球化趋势下，油气产业发展面临新的机遇和挑战。持续提升油气资源的开采效率和采出程度，积极拓展海域、非常规等新领域勘探与开发，探索人工智能、大数据技术在油气领域的应用，成为主要油气资源国和大型石油公司的重大发展战略和实施举措。
2000年来，DOE持续投资开发提高采收率的技术。2019年，DOE化石能源办公室拨款8800万美元用于加强油气采收技术的成本分摊研究和开发项目（赵纪东，2019），CO2驱油已成为美国**大提高石油采收率技术，微生物驱油等技术也在持续研发进程中。1990—2008年的近20年里，DOE共支持了47个微生物采油研究项目（任厚毅和吴秀芳，2008）。在非常规油气开发方面，美国从20世纪70年代开始布局页岩油气技术攻关，其2005年的《能源政策法案》（Energy Policy Act of 2005）规定，10年内政府每年投资4500万美元用于包括页岩气在内的非常规天然气研发。2018年，DOE花费3000万美元用于非常规油气复苏的成本共享研究与开发（王立伟，2018）。2019年，DOE化石能源办公室根据《资助机会公告》（Funding Opportunity Announcement）支持12项非常规油气开发项目，以加强非常规油田的地质认识，提高非常规油气资源的*终采收率（李小燕和王立伟，2019）。经过数十年的持续探索，美国成功发展了水平钻井和水力压裂等页岩油气勘探开发技术。
俄罗斯开展了内源微生物驱油技术研究，并进行了较大规模的工业化应用，在罗马什金、巴什基尔和鞑靼等老油田取得了良好效果，可采储量和单井产量均显著提高（罗娜和穆红梅，2024；雷光伦，2001）。
挪威的国家石油公司（Statoil ASA，STO；现更名为Equinor）在2014年专门成立了提高原油采收率的业务部门，该公司在北海油区诺恩（Norne）油田成功开展了大规模微生物驱油技术试验，并将微生物提高采收率技术作为今后研究的主要方向。
（三）电力子领域
当今世界，电力科技创新浪潮迭起，世界主要国家大力推动编制电力中长期科技战略规划，旨在准确把握、及时布局电力科技创新的方向和重点，以掌握竞争、发展的主动权。
美国国家科学院于2021年发布的《美国电力行业的未来》（The Future of Electric Power in the United States）阐述了未来电网的新技术、电网结构、运行模式以及商业模式，并在建设现代化、可持续发展、稳定可靠的未来电网方面提出了政策与投资的建议。其中，为促进屋顶太阳能和电池储能等技术的商业化，提高电力供应的可靠性，该文件对电网边缘技术的普及程度提出了相应的要求，并提出加大分布式发电与储能规模、发展微电网、开发能量管理系统等。
欧洲面向可再生能源系统和未来的电力系统提出了近期、中期及长期的研究计划，其研究重点放在能量储存和电能质量的保证方面，包括现有配电网技术、提高电能传输能力和减少损耗的新型网络技术、广域通信技术、提高供电质量的电力电子技术以及静态储能装置。
日本以虚拟电厂（virtual power plant，VPP）为代表的新技术、新业态和新模式迅速崛起。VPP广泛利用大数据、云计算、人工智能、区块链、移动互联、物联网、边缘计算等信息与智能技术，通过优化运行控制与市场交易，实现电源侧多能互补与负荷侧灵活互动，为电网提供电能、调峰、调频、备用等服务，是能源电力领域迅速实现数字化转型的典型应用。
（四）核能子领域
核能具备能量密度高、单机功率大、运行稳定、系统紧凑等突出优势，适合承担大型电网的基本负荷及关键调峰，是全球大国能源战略和应对全球气候变化*现实的战略选择之一，可以在未来全球能源结构转型过程中，大规模替代化石能源，将在全球清洁低碳、安全高效能源结构中发挥不可替代的作用。
《美国核能创新路线图》（A Roadmap for U.S.Nuclear EnergyInnovation）明确了未来20—30年核能发展的四大战略目标：一是研发提高可靠性、保证核电安全性并延长核电寿命的技术和解决方案，支持核电延寿至60年以上；二是创新概念与先进技术，发展核能先进研发与设计技术，研发安全、经济、多用途的新型先进反应堆，从而保障能源安全并提高应对气候变化的能力；三是开发支撑核能可持续发展的核燃料循环技术；四是通过研究认知核扩散和核恐怖主义风险。DOE通过实施“先进反应堆示范计划”（Advanced Reactor Demonstration Program，ARDP），筛选了技术方案先进且应用前景广阔的新一代核电方案，重点支持关键技术攻关及示范工程建设，如泰拉能源的行波堆、西屋公司的铅冷快堆、阿贡国家实验室的一体化闭式循环快堆等，预计2030年完成示范工程建设，2035年左右具备商业化推广应用条件。
同时，美国还积极推进多用途创新型小堆的研发，已在超小型空间反应堆/核电源上取得突破。2018年，美国国家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）完成了千瓦级电源计划（Kilopower）千瓦级空间用核反应堆设计和测试。
俄罗斯在先进小堆研发、第三代核电、液态金属快堆及乏燃料后处理等技术领域处于****地位，通过实施《21世纪上半期俄罗斯核电发展战略》（Strategy of Nuclear Power Development in Russia in the First Half of the 21 Century），明确研发先进核能技术，确保核安全，实现闭式燃料循环的发展目标。水-水动力反应堆（Vodo-Vodyanoi Energetichesky Reator，VVER）是俄罗斯研发的第三代压水堆，是确保俄罗斯全球核电市场存在的核心技术。随后俄罗斯研发并推出了VVER-1000、VVER-1200（AES-2006）等核电技术。2017年，俄罗斯国家原子能公司（State Atomic Energy Corporation Rosatom，ROSATOM）确定了VVER技术优先发展目标：一是基于VVER-1200建造和运行经验，向VVER-TOI（Tipovoj Optimizirovannyj Informatizirovannyj）技术过渡，推动VVER-TOI项目在国内外的建设；二是研发VVER四代超级反应堆；三是以海外市场为目标，研发100—700MW中小功率反应堆。同时，推进核能“突破”创新计划，重点发展可增殖燃料快堆等第四代核能系统。
英国在2022年4月发布的《英国能源安全战略》（British Energy Security Strategy―Secure，Cleanand Affordable British Energy for the Long Term）①中宣布，将开发8个新的大型核电项目，加快先进核技术开发，包括小型模块化反应堆和先进模块化反应堆。到2050年，英国核电总装机容量将达到2400万kW，约占预计电力需求的25%。
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