现代能源科学与工程：从石油到可持续能源的转变与挑战.

工程3（2017）436主题洞察当代能源科学与工程克里斯·格雷格昆士兰大学教授1. 介绍能源对任何现代经济都至关重要，因为它能够提供照明，烹饪，加热和冷却，运输以及社会所需的大多数商品的工业生产。因此，获得可靠和负担得起的现代能源服务是全世界社会、政府和工业的优先事项。2015年，联合国[1]报告称，生活在世界上最富裕国家的12.5亿多人享受着现代能源服务的广泛提供所带来的社会、经济和人口健康福利。与此同时，较贫穷国家的30多亿人无法获得足够的能源服务，甚至无法满足他们最基本的需求[2]。中国提供了一个国家能源的普及。2000年至2016年期间，一次能源消费量增长了三倍[3]，这使得GDP增长了近10倍[4]。然而，这种过渡在带来巨大社会和经济利益的同时也带来了环境后果，使人们对这种过渡的可持续性产生了疑问。2. 能源转型和可持续性现代能源服务的提供已经由低成本、丰富的化石燃料支撑，这些化石燃料是能量密集的、可运输的和可储存的，并且可以容易地转化为有用的能量载体，例如电力和用于烹饪、加热和运输的燃料2016年，化石燃料占全球一次能源使用总量的85%以上，中国的贡献更大，达到87%[3]。化石燃料的这种利用已经导致了严重的生态后果，特别是与烟道气中的颗粒相关的空气污染以及与燃烧固有的二氧化碳（CO2）虽然现代技术可以避免严重的空气污染问题，但二氧化碳的产生和排放对化石燃料的利用提出了巨大的挑战因此，最近能源相关研究的大部分焦点都是由能源经济脱碳的迫切需要所对于工程师来说，重点是设计低碳能源系统，使全球人口能够获得可靠和负担得起的能源服务，而不会导致气候变化。这项研究可以分为四个主要类别：• 能源安全;• 减少与矿物燃料利用有关的二氧化碳排放• 零碳能源系统;以及• 能源经济系统分析。2.1. 能源安全能源安全是各国经济复原力的核心。资源枯竭和对进口的依赖对目前的能源安全构成威胁。工程师们希望通过不依赖于稀缺资源的替代技术来加强能源安全。可再生能源提供了这样的替代品。本期的几篇文章提到了能源安全，大多数文章关注可再生能源和二氧化碳减排。本期的两篇文章虽然与可再生能源无关，但特别关注加强中国能源安全的机会。王和黄的文章题为“中国智能采矿的最新技术发展”，回顾了煤矿自动化的最新发展，涵盖了智能机器，信息技术，实时数据处理和自动化，所有这些都可以提高煤炭开采的生产力和效率，为中国的能源安全带来积极的结果。Liu等人的文章这篇题为“费托催化剂中的颗粒尺寸和晶相效应”的文章是基于中国对石油进口的依赖以及中国煤相对于石油的相对丰富程度。 本研究旨在提高从煤、天然气或生物质合成气转化为运输燃料的效率并降低成本。2.2. 减少与化石燃料利用相关的二氧化碳有三种方法可以减少化石燃料的排放。第一个目标是提高生产效率，并将初级能源转化为生产用能源载体。这些努力在很大程度上是由私营部门推动的，特别是在该部门工作的工程、建筑和制造公司工程院士的工作更侧重于各种配置的碳捕获和储存（CCS）。库克在本期发表的题为“CCS在清洁能源未来的研究开发和部署：澳大利亚过去20年的经验教训”的文章http://dx.doi.org/10.1016/J.ENG.2017.04.0262095-8099/© 2017 THE COMEORS.由爱思唯尔有限公司代表中国工程院和高等教育出版社有限公司出版。 这是CC BY-NC-ND许可证下的开放获取文章（http：//creati v ecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect工程杂志主页：www.elsevier.com/locate/engC.格雷格/工程3（2017）436-438437排放它还讨论了这种技术对于实现全球减排目标所必需的可能性，并概述了部署的挑战和国际合作的必要性。地质学家和石油工程师正致力于研究如何在地质油藏中长期有效地储存超临界CO2。化学和机械工程师倾向于关注提高效率和降低从工业气流中分离二氧化碳的成本的技术，例如燃煤和天然气发电厂，钢铁生产的高炉和水泥生产。尽管目前大多数碳捕获工厂利用胺吸附分离出CO2，但膜技术被认为是降低与CO2捕获相关的成本和能耗的新兴机会。Brinkmann等人的文章（本期），标题为2.3. 零碳能源系统一些可再生资源以及核能提供（接近）零碳能源服务。风能、太阳能、水能、地热能、潮汐能和波浪能以及在某些情况下生物量能源提供了这种机会，特别是在发电方面。水电和核电目前为全球发电提供了最高的（接近）零碳贡献，分别为16%和10.5%，其次是风能（3.8%）和太阳能（1.4%），其余（生物质，地热，潮汐和波浪能）贡献了2.3%。可再生能源电力，特别是风能和太阳能的前景似乎比核能更好，因为前者受到强大的公众支持和财政激励的推动。风能和太阳能也得到了研究部门的大力支持。激励措施、制造规模和研究成果的结合导致风能和太阳能发电能力的成本大幅降低;因此，大多数预测都认为太阳能和风能发电将大幅扩张[5]。有两种太阳能发电技术，太阳能光伏发电（PV）和太阳能热发电;迄今为止，太阳能光伏发电为部署做出了主要贡献。风力发电，特别是陆上应用，是一项成熟的技术，目前的创新集中在增加风力涡轮机的规模和控制方法，以增强功率捕获和管理必要时的甩负荷。Yuan和Tang（本期）的文章题为大部分太阳能光伏技术部署依赖于基于硅晶片的太阳能电池。预计太阳能的快速吸收有可能暴露出与缺乏灵活性和形状因素相关的局限性，以及材料供应链的脆弱性。大量的研究工作集中在硅晶片基PV的潜在替代品上，最受关注的是在玻璃或聚合物基板上包含非常薄的Cu（In，Ga）Se2（CIGS）半导体涂层的在这个问题上，Sun等人的论文，标题为题为他们的表现随着时间的推移。风能和太阳能面临的主要挑战是，它们的供应是可变的，并且间歇性地产生电力，随着这些可再生能源的可再生性增加，对系统的可靠性和成本产生负面影响[6，7]。储能已成为研究人员、政策制定者和电力公司非常关注的领域，以努力解决这些不稳定性问题。能量储存技术涉及将电能转换成势能，例如，以高架水储存（抽水）、地下多孔水库中的压缩空气大多数储能研究的重点是在电池、电容器和燃料电池中储存电化学能。抽水蓄能是目前最具可扩展性和最经济实惠的能源储存选择[7]。Zuo和Liu（本期）的文章题为2.4. 能源经济系统分析能源系统分析是一个研究领域，涉及能源系统的描述和建模以及其经济竞争力的分析这种研究可以侧重于具体的技术机会，也可以侧重于部门、区域、国家甚至全球能源转型的综合评估。世界各地的少数研究小组致力于将能源、环境趋势和更广泛的经济联系起来的综合评估研究。陈先生（本期）发表的题为《考虑2030年碳排放达峰约束的中国能源供需模型实证研究》的文章对上述研究进行了实证分析。本文预测了一次能源的技术和燃料组合，以及关键人口、GDP、能源弹性和经济结构（一次能源、二次能源、服务业、工业部门等）转变的轨迹。鉴于中国对气候减缓的国际承诺，3. 总结能源服务对任何现代经济都至关重要，是人类福祉和经济生产力的基础。迄今为止，现代能源服务一直由化石燃料提供，导致严重的环境后果-特别是与气候变化有关的后果，这是由于温室气体排放造成的。在这一期中，我们回顾了当代能源相关的研究，重点是中国。最近的许多工程研究都集中在设计和改善低碳能源系统的性能上这些措施既包括可再生能源技术，也包括利用CCS减少燃煤发电的排放。一些文件还侧重于系统一级的能源安全挑战和与减排承诺相关的能源转型的全经济评估。引用[1] 联合国经济和社会事务部人口司。《世界人口前景：2015年订正本》。NewYork：United Nations; 2015.[2] 国际能源机构、世界银行。2017年人人享有可持续能源在可持续能源方面取得进展华盛顿特区：Wold Bank; 2017年。[3] 英国石油公司英国石油公司世界能源统计评论伦敦：英国石油公司;2017年。[4] 世界银行中国数据[互联网]。华盛顿特区：世界银行集团，c2017 [引自2017年8月5日]。可从以下网站获取：http://data.worldbank.org/country/中国。438C.格雷格/工程3（2017）436[5] 国际能源署。2016年世界能源展望巴黎：国际能源部; 2016年。[6] 国际能源署可再生能源一体化电网中的作用：技术简介。2015年。[7] 国际能源署。转型的力量：风能、太阳能和灵活电力系统的经济性巴黎：国际能源署，2014年。