《2018年世界前沿科技发展态势及2019年趋势展望——能源篇》

  • 来源专题:中国科学院文献情报先进能源知识资源中心 |领域情报网
  • 编译者: guokm
  • 发布时间:2019-02-18
  • 世界能源领域2018年发展态势   

    全球应对气候变化支持力度加大。尽管美国退出《巴黎协议》,但绝大多数国家或国际组织仍积极采取措施应对气候变化。欧盟发布新的长期战略,力争到2050年实现零温室气体排放。英国发布新电动汽车战略--《零排放之路》,为禁止燃油车销售制定详细计划。德国、日本、波兰、丹麦等国纷纷发布新能源战略,支持可再生能源发展。世界银行集团宣布未来五年投入2000亿美元用于支持各国实施气候行动。   

    国际油气市场形势复杂。 世界能源供需格局不断变化,石油输出国组织“欧佩克”和以俄罗斯为首的产油国同盟达成协议,将显著削减石油产量以缓解全球石油供应过剩。特朗普政府发布“平价能源计划”,加大煤及石油天然气生产,并制裁产油国伊朗。在美国制裁压力之下,法国托塔尔公司、法国道达尔石油公司、英国石油公司等国际能源巨头纷纷退出伊朗项目。卡塔尔宣布于2019年1月1日起退出石油输出国组织“欧佩克”,将在一定程度上削弱“欧佩克”在国际石油市场的影响力。  小型模块化反应堆发展势头良好。 全球多个核电大国正逐步实践和应用小型模块化反应堆技术(SMR),并将其列入本国核能发展战略。美国已提出小型反应堆是其占领核电技术制高点的新技术,并计划到2025年投入100亿美元来部署小型模块堆产能。俄罗斯首座浮动核电站“罗蒙诺索夫院士号” 由两座小型反应堆组成,发电量达70兆瓦,已首次实现持续链式反应。韩国SAMRT小堆、阿根廷CAREM小型堆等也都由概念设计阶段步入发展实践阶段。  

    电池储能备受关注,新技术层出不穷。 在电动汽车的带动下,电池储能技术成为多国研发热点,新研究成果佳音频传。美国宾州州立大学通过一种新型的电池结构和充电策略,实现动力电池可在任何温度下的快速充电。英属哥伦比亚大学发明新生物太阳能电池技术,借助细菌可将阳光转变成能量。加州大学洛杉矶分校成功开发出一种高效的薄膜双层太阳能电池,其能量转化效率高达22.4%。美国与沙特合作开发出一种新集成太阳能液流电池设备,效率高达14.1%。英国剑桥大学圣约翰学院通过半人工光合作用,成功将阳光转化为燃料。  

    世界能源领域2019年趋势展望   

    全球能源供应呈多元化趋势。 在国际能源格局动荡的背景下,各国都在不断调整能源供应结构,以期能源来源更多元化。法国计划到2035年将核反应堆发电量占比从目前的75%降至50%,以减少对核能的依赖并促进可再生能源发展。日本新“能源基本计划”确定在2030年之前将可再生能源、核能、煤炭、液化天然气的发电比例维持在20%-30%之间。波兰公布2040能源政策草案,计划大幅增加核电和可再生能源在能源结构中的比例,以不断降低对煤炭的依赖。韩国政府将制定利用更多天然气和可再生能源的能源路线图,以期到2030年将可再生能源占比提升至20%。   

    先进核技术继续成为各国研究热点 。麻省理工学院的报告认为,先进、非常规核反应堆将在2030年颠覆当前的核能行业。各国政府对先进核电技术的关注必将加快其投入使用进程。特朗普政府签署的《能源部研究与创新法案》、《核能创新能力法案》等将促进下一代核反应堆技术的发展,并在资金上大力支持新型核电技术的研发。欧盟明确小型堆发展目标,计划2030年前在欧洲投入使用。英国政府为核聚变项目提供资金支持并将开展先进核反应堆燃料关键项目研究。俄罗斯首座浮动核电站“罗蒙诺索夫院士”号将于2019年率先进入发电测试阶段。美国、英国、加拿大、日本等国将继续开展不同层次的小型模块化反应堆技术的研发合作。  

    动力电池全球化竞争日益激烈。 欧洲逐渐重视动力电池产业,中日韩进一步拓展国际市场。欧盟成立“欧盟动力电池联盟”,促进欧洲电池产业发展。德国化学巨头巴斯夫将建立首个锂电池负极材料生产基地,进军动力电池领域。瑞典初创企业Northvolt将与宝马集团和优美科共同建立电池全生命周期循环系统。中国宁德时代将在未来几年投资2.4亿欧元,在德国图林根州建立电池生产基地和智能制造技术研发中心。韩国LG化学计划在2023年前分阶段在中国工厂投入128亿元生产动力电池。日本松下将与美国电动汽车制造商特斯拉合作在中国投建超级电池工厂。2019年电池储能领域的竞争将愈发激烈。

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    • 编译者:冯瑞华
    • 发布时间:2021-03-03
    • 世界先进制造领域2020年态势总结 受新冠疫情影响,全球制造业发展滞缓。2020年,全球制造业受新冠肺炎疫情影响严重。前半年制造业处于严重萎缩状态,5月份全球制造业PMI指数跌至40%以下,降至2018年以来最低谷。后半年全球经济开始复苏,制造业缓慢回升。世界主要国家均采取各类措施刺激发展,对冲疫情影响。美国启动“大众企业贷款计划”,以支持受疫情影响的中小企业。英国通过降息、拨款、拟定创业就业计划等措施,应对出现的失业潮。欧盟签署总额5400亿欧元的紧急救助计划,并酝酿采取措施吸引制造业回归,降低供应链外部依赖。德国信贷扩张,国家为企业提供不设上限的贷款金额,同时为小微企业提供500亿欧元的紧急援助,保障就业。 5G技术赋能工业领域,促进智能制造新发展。英国投资900万英镑启动名为“5G-Encode”的5G技术与制造业融合项目,将探索工业环境中专用5G网络的新业务模型,研究5G在改善复合材料设计和生产过程中的实际应用。韩国现代重工集团与电信运营商KT公司合作开发基于5G网络的先进智能船厂解决方案,进一步提升自主机器人技术,以提高效率和安全性。法国施耐德电气和Orange电信在勒沃德勒伊工厂部署工业领域的室内5G通讯基础网络,通过5G技术将增强现实技术应用于运维活动,并部署远程机器人实现远程观察,旨在将5G技术应用于现代工业环境,打造可靠、可扩展、可持续的连接解决方案,以满足未来工业需求。英国电信(BT)与伍斯特郡5G测试平台(W5G)开展合作,加速实时5G专用网络建设,促进实现制造过程的智能化、动态化和全自动化,推动工业4.0和智能制造发展。 数字孪生技术与解决方案帮助制造业效能大幅提升。美国Authentist公司将Nebumind公司的数字孪生工具集成到制造执行系统中,生成“数字孪生”可视化效果,将3D打印设备参数和传感器数据与原始零件几何形状融合,帮助用户识别各零件的问题区域,提高检查效率,使返工需求识别速度可提高10倍。南卡罗来纳大学为美海军舰船开发“数字孪生”系统,以提高美海军舰船动力系统和平台的韧性、效率、适应性和自主性,并为舰船上昂贵的电气部件提供实时监测和预测性维护。英国宇航系统公司采用数字孪生技术对第六代战斗机“暴风”的概念外形进行设计和测试,同时试飞员能够在陆基模拟器上驾驶战机,数字孪生后续还可为飞机全生命周期的各环节提供支持。 3D打印技术与成果持续更新,行业应用逐步深化。美国马萨诸塞大学开发出一种融合了注塑元素的新型3D打印技术。该方法先3D打印出外壳结构,然后向空腔内注射塑料进行填充,其打印速度比传统的FDM技术快3倍。美国橡树岭国家实验室利用3D打印技术,在3个月内完成了核反应堆原型的设计与制造,并利用制造过程中的持续监测和人工智能技术完善原型堆的设计,以进一步评估材料和性能。美国3D打印初创公司Relativity Space完成了其3D打印火箭发动机Aeon 1的首次地面全周期点火运行实验。Aeon 1共含100多个零件,平均制造周期仅为一个月,其成本和工序都大大减少。美陆军立项研究利用增材制造技术开发下一代弹药,以增强弹药的穿透能力和杀伤力,帮助实现更高的初速度和更远的射程。 世界先进制造领域2021年趋势展望 机器人技术与应用齐头并进,商业落地进程提速。机器人基础与前沿技术迭代速度将持续增快,主要将围绕人工智能、人机协作等方向展开;全球服务机器人市场空间广阔,规模将不断扩大。机器人公司波士顿动力积极开发配件,帮助已实现商业化的Spot机器人应用程序更加多样化,2021年将为其配备机械臂,以执行开关门和物品拾取等任务,同时还将配备自充电基座,使其能够在无人操作环境下自行返回充电。韩国SK电讯和日本欧姆龙合作开发出搭载了AI、5G、机器人自动控制等尖端技术的防疫AI机器人,这种机器人可与搭载5G网络的服务器实时交换数据,执行建筑物消杀、体温检查、驱散聚集人群等任务。预计这种机器人2021年起将向国外出口。 智能工厂建设推进,助力制造业升级转型。作为智能制造的重要载体,智能工厂成为未来制造业发展的必然趋势。2020年,世界经济论坛已遴选出54家灯塔工厂作为全球智能工厂标杆,预计2021年全球智能工厂建设步伐将进一步加快。日本发那科集团上海智能工厂三期项目开建,该工厂将通过发那科的工程集成及技术服务能力,利用其IoT、AI等智能制造技术,建成集生产、研发、展示、销售、系统集成与服务为一体的机器人超级智能工厂。韩国中小企业和创业部计划在2025年前将智能工厂的推进率从22%提高到30%,将其数量增加至1000家,并从中选出代表不同的行业的100家工厂作为“灯塔”,在工业园区建立数字集群,推动制造业与第一、三产业结合。 人工智能技术与制造业深度融合成为重要趋势。市场研究机构Research and Markets发布《制造业中的人工智能——到2027年的全球预测》报告,指出制造业中的人工智能技术在2019年~2027年预测期内年复合增长率可达39.7%,预计到2027年将达到270亿美元。英国信息技术公司AVEVA与加拿大Axonify公司共同推出基于人工智能的微学习解决方案,提供具有丰富扩展现实功能的仿真培训,以及用于教学设计和课程开发工具的一体化教学平台,首创在制造业培训领域借助人工智能技术对员工进行个性化高效培训的范例。德国开发出可监测机器人装配线故障的智能系统。这种智能系统基于人工智能算法,可忽略不相关的背景噪音,并区分多个目标声音,通过监测机器人正确作业时本应发出的声音来判断其是否正常工作,以进行预测性维护。Geek+物流机器人公司应用先进机器人和人工智能技术,依托稳定可靠的硬件和高效算法大幅提升全球性供应链智能化水平,使物流更经济实用、高效率、灵活、安全和敏捷。 政策支持与技术进步齐发力,助推自动驾驶汽车发展。IDC《全球自动驾驶汽车预测报告(2020~2024)》显示,预计2021年全球L1~L5级自动驾驶汽车出货量将达到3605万辆。中国工信部发布的《汽车驾驶自动化分级》从2021年1月1日起正式实施。该文件明确了自动驾驶汽车的分级定义、分级原则,将为后续相关法律法规与标准的出台提供支撑。英国政府计划在2021年将自动驾驶汽车合法化,允许自动驾驶车辆在高速公路的慢车道上以不高于112公里的时速行驶。Waymo公司计划在2021年与俄亥俄州交通研究中心(TRC)开展合作,共同打造囊括丘陵以及密集型城市环境的全新测试场地,以便在不常见或危险性较大的场景中对自动驾驶汽车进行测试。中国无人驾驶卡车公司图森未来获得美国卡车制造商Navistar投资,双方将共同研发L4级无人驾驶卡车,并计划在2024年前实现量产。
  • 《新材料2020年前沿科技发展态势及2021年趋势展望》

    • 来源专题:中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
    • 编译者:冯瑞华
    • 发布时间:2021-03-03
    • 世界新材料领域2020年态势总结 发达国家针对新材料领域展开新一轮布局。美国国家科学基金会先后向“材料研究科学与工程中心”和“化学创新中心”合计投入约2.6亿美元,围绕材料、化学领域制定新研究计划,旨在通过与跨学科、多机构的团队开展合作,应对相关领域挑战,并推动新技术发展。日本产业经济省发布2020年日本工业技术展望报告,提出2050年前重要技术研发方向,并指出应将一定资源集中于作为所有领域基础的材料技术。英国商业、能源与产业战略部正式启动“可持续复合材料计划”,着眼于复合材料的全生命周期,确保其满足未来飞机、汽车与风电涡轮机等领域发展需要。 美欧韩高度关注原材料供应链安全问题。美国能源部宣布提供1800万美元的基础研究资助,旨在推动关键矿物和稀土元素供应链的研究与开发,保障美国能源和国家安全。欧盟委员会修订了关键原材料清单,将稀土等30种具有重大经济和战略价值的原材料纳入清单,同时公布行动计划,力求扩大供应商网络,减少对第三国的依赖。韩国政府发布材料、零组件和设备2.0战略,大幅扩充战略产品的供应链管理名录,促进“制造业回流”,意图打造零部件产业强国和尖端产业世界工厂。 新型高功率电子器件推动信息产业快速发展。瑞士洛桑联邦理工学院研制出一种由间距20纳米的双金属片组成的高功率太赫兹器件。这种器件可在皮秒时间内产生高强度太赫兹电磁波,未来有望广泛应用于安防、医疗和通信等领域。俄罗斯开发出世界上最紧凑的绿光半导体激光器,对构造光芯片、微传感器和其他使用光作为信息传输和处理媒介的器件领域具有积极推动作用。美国海军研究实验室开发出应用于5G技术的新型氮化镓基谐振隧穿二极管(RTD)。该电子器件打破了传统器件的电流输出与开关速率纪录,能使应用程序获取毫米波范围内的电磁波以及太赫兹频率。 新能源材料推动电池行业创新发展。美国华盛顿州立大学开发出媲美锂电池的钠离子电池,在1000次循环充电后仍能保持80%以上的电量。该项研究使利用丰富而廉价材料开发一种可行电池的技术成为可能。澳大利亚昆士兰大学开发出能量转换效率高达16.6%的新型量子点太阳能电池,比此前世界纪录高出近25%,有助于进一步研发柔性、透明太阳能电池。韩国科学技术研究院开发出新型硅负极材料,可将电池容量提升4倍,并且支持快速充电,预计将使电动车续航里程翻倍。 颠覆性新材料技术不断涌现,带来高技术产业新变革。在二维材料方面,美国斯坦福大学利用二维材料制备出的超薄异质结构,表现出优异的隔热性能,有望用于电子器件超轻隔热罩。瑞士洛桑联邦理工学院设计出的一种基于二维半导体材料的新型器件,可用于构建类似于大脑神经元的节能电子系统,未来有望应用于可穿戴设备和人工智能芯片领域。在智能材料方面,英国剑桥大学研发出一种人造变色皮肤,在光照或加热时会变色。中国天津大学成功研发出“全天候自愈合材料”。该材料能在严寒、深海和强酸碱等极限条件下快速自愈合,有望成为机器人、深海探测器和极端条件下各类高科技设备的“超级电子皮肤”。在超材料方面,美国南加州大学受鲨鱼皮肤启发,研发出可控制声波传播方式的新型智能声学超材料。土耳其毕尔肯大学与英国曼彻斯特大学合作设计出一种模块化超材料,可用于数据加密和可逆解密。 世界新材料领域2021年趋势展望 机器学习技术推动新材料研发新变革。传统的新材料研发过程主要依赖科学直觉与实验判断,再加上大量的重复性实验来完成验证。而借助机器学习技术,新材料的研发和应用周期有望缩短一半以上。例如,美国能源部利用机器学习技术加速从新材料发现到大规模部署的过程,消除测试评估候选材料性能等瓶颈;日本利用机器学习工艺研发铝合金等新材料;英国采用机器学习技术预测锂离子电池安全状况。2021年,美日欧等国家和地区仍将进一步推动机器学习技术在新材料研发中的应用,以争夺未来科技竞争制高点。 新兴产业快速发展促使新材料产品不断更新换代。近年来,高端装备、电子信息、新能源、生物医用、3D打印及节能环保等新兴产业领域保持较快发展势头,这对关键基础材料提出新的挑战和需求。美欧日韩等发达国家出台一系列相关科技政策,如美国《国家纳米技术计划》、日本《第五期科学技术基本计划》、韩国《第四次科学技术基本计划》,旨在助推新材料技术及产品研发,使其更好地满足新兴产业发展需求。2021年,先进信息材料、新能源材料、生物医用材料、节能环保材料、3D打印材料等新材料产品将大量涌现,为新兴产业的发展提供支撑作用。 新材料继续向绿色化、轻量化、智能化方向转型升级。近年来,环境污染、能源短缺的问题日渐突出,节能、环保、轻量化逐渐成为新材料发展的主要趋势之一。2021年,高强轻合金、特种合金、碳纤维以及新型环保材料等技术将加速突破,引领航空航天、电力电子、新能源等产业深度变革。同时,随着智能制造的快速发展,新材料技术正加速向智能化方向发展。2021年,自修复材料、自适应材料、新型传感材料、4D打印材料等智能材料技术将大量涌现,为生物医疗、国防军事以及航空航天等领域发展提供支撑。