新能源

新能源是相对常规能源的广义概念^[注1]，^[4]主要指还没有被大规模利用，正在积极研发开发的能源，或者是采用新技术和新材料，在新技术基础上系统地开发利用的能源。^[5]联合国开发计划署（UNDP）将新能源细分为大中型水电，风能、小水电、现代生物质能等新可再生能源，以及传统生物质能共三大类。^[4]新能源普遍具有绿色、低碳，不存在资源枯竭风险，能源价格低等特征。^[6]

19世纪70年代至20世纪初，发电机与内燃机等技术发展使石油、天然气在一次能源中占比超过了煤炭，成为主导能源；同时，电力的出现作为清洁高效的二次能源，革新了人类能源使用方式。^[6]20世纪70年代以来，相继爆发的中东战争、两伊战争、海湾战争等，分别引发了石油危机。^[7]这一时期，氢能经济作为可持续能源方案被首先提出。^[8]1981年，联合国召开了“联合国新能源和可再生能源会议”，会议提出以新技术和新材料为基础，推动传统的可再生能源得到现代化的开发和利用，利用新能源来取代资源有限的传统能源。^[4][7]进入21世纪，以风电和太阳能为主的新能源发展受到重视。^[6]2015年至2021年，中国新能源领域研究产出位居全球第一，紧随其后的是美国、德国、韩国和日本。^[9]2022年，国际可再生能源署（IRENA）^[注2]发布《世界能源转型展望》，提出在可再生能源、绿色氢和可持续现代生物质能推动下，实现所有最终用途脱碳。^[注3][12]2023年，全球总发电量约29%来自可再生能源。^[13]

截至2015年，全球有173个国家分别制定了各自的新能源发展目标，同时，新能源在全部能源消费中的比例正在不断上升。而能源变革将把人类生活带入一个全新的电气化时代，比如，风力、太阳能的电力生产方式更加简单，大量燃烧及旋转设备将被取代；在占石油消耗约70%的交通运输领域，氢能和蓄电池将取代内燃发动机作为动力；储能产品改善了电力系统的运营效率并延长升级改造周期，从而降低投资和用电价格。^[6]

新能源是目前还没有大规模利用、正在积极研究开发的能源，或者采用新技术和新材料，在新技术基础上系统地开发利用的能源。新能源是相对于常规能源而言的，在不同历史时期和科技水平下，新能源的含义也不相同。^[2]各国对新能源和可再生能源称谓有所不同，^[注4]但共同的认识是，除常规的化石能源和核能^[注5]之外，其他能源都可称为新能源或可再生能源。^[3]按照国际能源署（IEA）推荐，新能源主要为太阳能、地热能、风能、海洋能、生物质能、氢能、水电（主要指小水电）和可控核聚变能。^[2][3]而联合国开发计划署（UNDP）则是将新能源细分为大中型水电，风能、小水电、现代生物质能等新可再生能源，以及传统生物质能共三大类。^[4]

新能源有三个主要特征。一是绿色、低碳，如风电、光电让人与自然更加和谐友好；二是不存在资源枯竭风险，比如，与煤炭、石油和天然气相比，风力和太阳能可谓取之不尽、用之不竭；三是能源价格低，在新一轮的能源转型中，新能源生产边际成本趋近于零，而且随着技术进步和规模化带来的单位造价持续下降，用不了多久，新能源的使用价格将全面低于传统化石能源的价格。^[6]

18世纪末到19世纪，以蒸汽机发明和煤炭大规模利用为主要标志，人类能源使用从薪柴时代迈入煤炭时代。19世纪70年代到20世纪初，以发电机、内燃机等的发明与使用为标志，石油、天然气在一次能源消费结构中的占比超过了煤炭，成为人类生产和生活的主要能源；期间，电力作为清洁、便利的二次能源，改变了人类能源使用的方式。^[6]

20世纪70年代以来，相继爆发的中东战争、两伊战争、海湾战争等政治因素，分别引发了3次石油危机。^[7]氢能经济作为可持续能源方案在20世纪70年代首先提出，人们希望以用之不竭的太阳光驱动，把水分解为氢气和氧气。^[8]进入21世纪，随着人类技术进步和环保意识日益提高，以风电和太阳能为主的新能源发展受到重视。^[6]

2004年，英国政府在能源领域宣布重点发展组合技术，包括可再生能源创新、碳减排技术和氢能发展技术等。^[14]

2005年8月，美国政府颁布《能源政策法》加大对太阳能、地热能、生物质能的资助力度；^[14]之后出台《清洁能源法》以促进清洁可再生能源发展。^[14]

2006年3月，经欧盟25国公布《能源政策》绿皮书确定绿色能源是欧盟未来能源安全战略发展的核心，其主要内容包括鼓励对绿色能源的研究、开发与利用，发展水、风、地热、潮汐等绿色可替代能源。^[14][15]

2011年7月，德国制定“能源转型计划”，旨在用太阳能、风能以及其他可再生能源取代煤炭、天然气等化石燃料，减少碳排放。^[16]

2015年，德国50Hertz输电公司在玻罗的海沿岸到捷克边境地区电网范围内的清洁能源供电比例达49%，其中38%来自太阳能和风能。输电公司总部时刻监控太阳能和风能的实时发电量，同时购买风力风向预测报告和太阳强度预测报告，其风力预测准确率达96%~98%，太阳强度预测准确率达93%~95%。其精确的预测避免了2015年的“日食电力大崩溃”。^[16]同年，全球可再生能源发电新增装机容量首次超过常规能源发电装机。^[6]

2016年，德国可再生能源利用占比达32%，在每年5月的某一天，德国全境能源供应都来自可再生能源。^[16]

2018年，中国对可再生能源投资达912亿美元，约占世界的三分之一；美国可再生能源投资485亿美元；欧盟为612亿美元。联合国再生能源咨询机构REN21的一份报告显示，至2019年，中国连续七年成为全球可再生能源最大投资国。^[17]

2020年，德国联邦议会通过《可再生能源法》修正案，取消光伏发电上限限制及风电建设“一公里”要求。^[12]

2022年，国际可再生能源署（IRENA）^[注2]发布《世界能源转型展望》提出在可再生能源、绿色氢和可持续现代生物质能推动下，以电气化和能源效率为主要驱动力，实现所有最终用途脱碳。^[注3][11]

英国《自然》增刊《2022自然指数-能源》^[注6]数据显示，2015年至2021年，中国清洁能源领域研究产出位居全球第一，紧随其后的是美国、德国、韩国和日本。^[9]

2023年，全球总发电量约29%来自可再生能源。^[13]截至2023年底，中国可再生能源发电总装机达15.16亿千瓦，占全国发电总装机的51.9%，接近全球可再生能源发电总装机的40%。其中，水电总装机4.22亿千瓦、风电总装机4.41亿千瓦、光伏总装机6.09亿千瓦。同期，中国核电发电装机容量为5691万千瓦；^[18]

2024年4月，《中华人民共和国能源法（草案）》公开征求意见，明确中国将可再生能源列入能源发展优先领域。^[19]

太阳能（solar energy）是太阳内部高温核聚变反应所释放的辐射能，^[23]由太阳中的氢经过聚变而产生，以辐射形式每秒钟向太空发射3.8×1019MW能量，其中有二十二亿分之一投射到地球表面，地球一年中接收到的太阳辐射能为1.8×1018千瓦小时，是全球能耗的数万倍；^[24]太阳照亮地球40分钟所产生的能量，相当于全世界人类消耗的能量总量。太阳能取之不尽用之不竭，地球上所需的能量直接或间接来自太阳能，而太阳能是绝对清洁、无污染的。^[21]太阳能光热发电作为世界各国新能源利用的前沿科技，具有零消耗、零污染、零排放和寿命周期长的优势，^[25]且对资源无地理限制，只需很短时间获得。其缺点是光电转换效率不高，约15%左右，且不稳定；太阳能发电需选择合适的太阳辐射，在阳光不足的阴天或雨天，太阳能光伏转换的效率会大大降低。此外，太阳能集热材料也有待改进、光伏发电成本较高等。^[21]

地热能（geothermal energy）是地球内部蕴含的热能，是驱动地球内部一切热过程的动力源，其热能以传导形式向外输送。^[26]地热能是由地壳抽取的天然热能，来自地球内部的熔岩并以热力形式存在，是引致火山爆发及地震的能量。^[27]地热能利用储存在内层的地球热量，并在地下吸收热量，用于热泵、发电和供暖等各种用途。^[28]其中，深层地热能应用有地热发电和直接利用；浅层地热应用主要是地源热泵和水源热泵。^[27]地热能优点是地热源无间歇性，稳定性好，地热发电平均利用系数高达80~90%，远高于光电、风电等；带动系数高，具多种综合利用价值如旅游等相关产业；环境友好，仅钻井过程中有一些硫化氢（H2S）释放，合理回灌条件下可基本做到零排放；成本低，瑞士信贷银行最新评估地热电成本约每千瓦小时3.6美分，大大低于太阳能、风能和煤电等。^[27]由于海底可以找到丰富的地热资源，地热能的增长潜力取决于海上钻探技术的进步。^[28]

风能（wind energy）是地球表面空气流动所形成的动能。风能是太阳能的一种转化形式。地球上和大气层中各处接收到的太阳辐射能能量不同，温度不同，从而引起各处大气层压力分布不平衡，在气压梯度作用下，空气流动形成风能。风能的大小决定于风速和空气的密度。^[29]风能属蕴藏量丰富、永不枯竭、清洁无污染的可再生能源，^[30]其利用历史可追溯到公元前5000年，当时风能被用来推动尼罗河沿岸的船只；公元前200年，中国使用了简单的风力水泵，波斯和中东地区使用带有编织芦苇叶片的风车研磨谷物。风力发电的主要优势，一是运营成本低；二是与化石燃料和核能相比，在经济上具有竞争力；三是设计寿命长（约30年）。其缺点在于风力发电是间歇性的，且建设成本高，特别是海上风电场。目前，通过运营海上风电场获得的效率优势并不能弥补更高的初始资本、运营和维护成本。而且，大型风电场产生视觉污染、涡轮机噪音高。在实践中，大部分风吹过海洋难以或不可能被利用；此外，由于全球风向模式导致的地理限制使一些地区的风力较弱。^[28]

海洋能（ocean energy）通常是指蕴藏在海洋中的可再生能源，包括潮汐能、波浪能、海流能（潮流能）、海水温差能、海水盐差能及海草燃料能等。广义的海洋能源还包括海洋上空的风能、海洋表面的太阳能及海洋生物质能等。^[31]海洋能按储存形式可分为机械能、热能和化学能。其中，潮汐能、海流能和波浪能为机械能，海水温差能为热能，海水盐差能为化学能。海洋能是一种具有巨大能量的可再生能源，其蕴藏丰富，分布广且清洁无污染，^[32]地球海水容积达1.37×109立方千米。^[33]但能量多变且不稳定，开发比较困难；但地域性强，能量密度低，利用效率不高，经济性差。^[32]由于海洋能目前尚不成熟，且与其他能源相比，全球兴趣较小，仅小型热带岛屿可能具有更好的前景。这是由于辅助效益（淡水、水产养殖、空调等）对其经济可行性的贡献。在日本、夏威夷、印度、中国、巴哈马和美属维尔京群岛，已经尝试了这些系统的部署，并取得了各种成果。^[28]

潮汐能

潮汐能（Tidal Energy）是潮汐运动时产生的能量，是人类利用最早的海洋动力资源。中国在唐朝沿海地区就出现了利用潮汐来推磨的小作坊；11~12世纪，法、英等国也出现了潮汐磨坊；20世纪，人们开始利用海水上涨下落的潮差能来发电，^[32]潮汐能量与潮差大小和潮量成正比。^[33]据估计，全世界的海洋潮汐能约有20亿多千瓦，每年可发电12400万亿度。世界上第一个也是最大的潮汐发电厂就处于法国的英吉利海峡的朗斯河河口，年供电量达5.44亿度。^[32]

波浪能

波浪能（Wave Energy）主要是由风的作用引起的海水沿水平方向周期性运动而产生的能量。波浪能是巨大的，一个巨浪就可以把13吨重的岩石抛出20米高，一个波高5米，波长100米的海浪，在一米长的波峰片上就具有3120千瓦的能量，由此可以想象整个海洋的波浪所具有的能量该是多么惊人。据计算，全球海洋的波浪能达700亿千瓦，可供开发利用的为20~30亿千瓦，每年发电量可达9万亿度。^[32]波浪能量与波高的平方和波动水域面积成正比。^[33]

海流能

海流（Ocean Currents）遍布大洋，纵横交错，川流不息，其蕴藏的能量可观。例如世界上最大的暖流-墨西哥洋流，在流经北欧时为1厘米长海岸线上提供的热量大约相当于燃烧600吨煤的热量。据估算世界上可利用的海流能约为0.5亿千瓦，且利用海流发电并不复杂。^[32]

海洋温差能

海洋温差能（Ocean Thermal Energy）又叫海洋热能。海水热容量很大，其容纳的热量约有99.99%来自太阳辐射，因此，海水热能随着海域位置的不同而差别较大。^[32]低纬度海面水温较高，与深层水形成温度差，可产生热交换，其能量与温差的大小和热交换水量成正比。^[33]海洋热能是电能的来源之一，可转换为电能的有20亿千瓦。1881年，法国科学家德尔松石（Delzonite）首次提出海水发电的设想，但直到1926年，他的学生克劳德（Claude）才实现老师的夙愿。^[32]

海水盐差能

海水盐差能（Salinity Gradient Energy）又称海水化学能。一般在河口水域，因入海径流淡水与海洋盐水间有盐度差，若隔以半透膜，淡水向海水一侧渗透，可产生渗透压力，该能量与压力差和渗透能量成正比。^[33]

生物质能（biomass energy）蕴藏在生物质中，是由绿色植物通过叶绿素将太阳能转化为化学能储存于生物质内部的能量，^[34]是可再生能源中唯一具备多元化利用的能源品类。生物质能可转化为固体燃料、液体燃料和气体燃料。^[35]

生物质能主要用于发电、供热（冷）、交通燃料和工业原料等。^[35]其中，生物燃料对环境和公共卫生会产生一些不利影响，如粮食短缺和不平衡、单一栽培、环境污染和生产成本高等。^[28]据计算，世界生物质储存能量比目前全球能源消费总量大2倍。^[35]丹麦生物质直燃发电年消耗农林废弃物约150万吨，提供其电力供应的5%；德国利用生物废弃物干法发酵生产沼气用于热电联产，约占其电力能源的7%；美国和奥地利生物质能源分别占一次能源消费量的4%和10%。^[36]中国主要生物质资源年产生量约34.9亿吨，生物质能开发潜力约4.6亿吨标准煤；至2021年利用量仅0.6亿吨标煤，未来生物质能源化利用潜力巨大。^[35]

氢能（hydrogenic energy）是燃烧氢所获取的能量。^[37]氢的能源优势突出，其来源丰富、能量密度高、清洁无污染、^[38]储运性好。^[37]氢元素约占宇宙物质总量的81.75%，在地球水体中储量丰富；^[注7]氢气燃烧热值高，是汽油的3倍、酒精的3.9倍、焦炭的4.5倍；氢气燃烧产物只有水，^[38]使用氢气储存能量取决于其生产过程。当前主要的氢气来源中，天然气占比48%，石油占比30%，水电解占比4%。其中，绿氢通过利用可再生能源电解水的技术制取。氢能与其他可再生能源的整合应用具有发展潜力。^[28]氢能利用包括燃料电池、燃气轮机（蒸汽轮机）发电、MH/Ni电池、内燃机和火箭发动机等。^[3]氢能利用技术包括制氢技术、氢提纯技术和氢储存与输运技术。其中，制氢技术有化石燃料制氢技术、电解水制氢、固体聚合物电解质电解制氢、高温水蒸气电解制氢、生物制氢技术、生物质制氢、热化学分解水制氢及甲醇重整、H2S分解制氢等；储存技术包括液化储氢、压缩氢气储氢、金属氢化物储氢、配位氢化物储氢、有机物储氢和玻璃微球储氢等。^[3]中国是世界第一产氢大国，年产能超过2000万吨，其中，煤、天然气、石油等化石燃料生产的氢气约占70%，工业副产气体制氢约占30%，电解水占不到1%。^[8]

核聚变能是轻原子核（氘和氚）结合成较重原子核（氦）时放出的巨大能量。^[39]氢在高温高压下发生核聚变，氢原子聚变成氦原子反应产生巨大能量，是人类社会未来极重要的能源。^[37]氢是宇宙中最小原子，有三种同位素氕（H）、氘（D）、氚（T），氘原子和氚原子在一定条件下发生聚合，会产生一个氦原子和一个中子并释放更多能量。^[40]海洋中氚储量是取之不尽用之不竭的清洁能源，560吨氚可为全世界提供一年消耗所需能量；^[3]海水中的重水存在大量D-T（氘核与氚核）。^[24]核聚变反应堆不产生硫、氮氧化物等污染物质，不释放温室效应气体；^[24]核聚变产物氦是自然界广泛分布的惰性气体，其无色、无味、无辐射，^[40]中子对堆结构材料的活化仅产生少量较易处理的短寿命放射性物质。核聚变危险性极小，一旦发生故障，堆内温度下降，核聚变反应会自动停止。^[24]

小水电是一种清洁、经济可靠的可再生能源。小水电水库建设和土建施工工程量较小，投资成本较低，生命周期约50年。截至2015年，亚太地区约占全球小水电份额的70.29%，在全球小水电开发市场中居主导地位，欧洲占该份额的12.91%。^[41]水力发电是一种零排放源，但也有许多缺点，如人口流离失所、建设和退出成本高、影响生态环境如当地动植物、土壤侵蚀和堆积、水质等，并可能增加洪水风险，如在印度北部喜马拉雅地区发生的一些洪水与水电项目的问题有关。2019年，水力发电占全球能源的7%，占所有可再生能源的60%以上。^[28]

来源充裕

新能源主要来自于大自然，资源丰富且随时可用。除此之外，还具有可回收利用的优势，能确保其供应丰富。^[28]

可持续性

新能源具有相当大的可持续性和持久性。新能源高效，可消除空气污染，不会对环境造成太大伤害；除了零排放、低排放带来的环保特性外，还是可持续能源。^[28]

环境友好

新能源要么来自大自然，如太阳、风、潮汐、地球、热量等，要么是通过自然材料转化为能量，因此，其大多对环境的危害很小或没有，在减少温室气体排放方面作用显著。^[28]

本地可用

使用新能源的主要优势是很容易在本地获得，因此，在新能源的广泛利用方面，无需承担网络成本。^[28]

分布广泛

新能源广泛分布在世界各地，可改善各地社会经济条件，为边远地区人民提供脱贫救助。^[28]

间歇性

间歇性，意指有波动性而不可调度。部分新能源，如太阳能，会因昼夜、四季的周期变化外，还常常受云层变化的影响，导致其有间歇性；风能因对天气敏感，具有输出波动，因为此类能源又被称为间歇性再生能源，有间歇性、可变性、随机性、不可调度的特性，无法为电网提供除提供一定能量以外的各种附加和强制性服务；同时，由于可变可再生能源易造成电力系统的不稳定。因此，部分新能源利用领域，需要采用技术手段来补偿电力系统的不稳定。^[42]

能量密度低

新能源是来自大自然补充但流量有限的能源，虽然在持续时间上几乎是取之不尽用之不竭的，但每单位时间内可用的能量却是有限的。^[28]

基础设施依赖

相比化石能源，新能源具有间歇性、随机性、波动性，因此对基础设施更为依赖。由于输电通道不足，一些地区新能源送出困难；由于充电桩数量不够，充电难是电动车使用的主要问题。^[43]

技术要求高

新能源的开发和使用往往有较高的技术要求，比如：为保障生态安全，大规模光伏电站建设时需要完善地面定位监测站点建设，并定量分析评估气候、土壤、植被等要素及生态环境的因素；^[44]在风电机组运行寿命结束时，采用新材料或制造方法实现叶片的可回收利用，是风电行业新的研究方向；^[45]甲醇重整燃料电池在重整过程得到的氢气中包含了一氧化碳等有毒气体，需提纯并降温（从超过200℃降到约80℃），要求投入额外的设备。^[8]

生产成本高

新能源的开发和使用往往有较高的成本，比如：水是最重要且唯一清洁的氢能来源，但受到电解效率低下和生产成本高的限制。^[28]

新能源关键技术包括核能技术、太阳能技术、生物质能技术、风能技术、锂电池技术、地热能技术、海洋能技术等。其中核能技术与太阳能技术是新能源技术的主要标志。^[24]

太阳能光伏发电是利用半导体的光生伏打效应将太阳辐射能直接转换为电能。^[24]光伏发电最基本单元是光伏电池。光伏电池具有光、电转换特性，可直接将太阳辐射能转换成直流电；其特有的电特性是借助在晶体硅中掺入某些元素（如磷或硼等），从而在材料的分子电荷里造成永久的不平衡，形成具有特殊电性能的半导体材料。在阳光照射下具有特殊电性能的半导体内可产生自由电荷，这些自由电荷定向移动并积累，从而在其两端闭合时便产生电能，即“光生伏打效应”，简称光伏效应。一般，工厂、商业建筑屋顶面积大，屋顶开阔平整，适合安装光伏阵列以节省电费；农村建设分布式光伏系统可提高用电保障和电能质量。分布式光伏并网发电系统主要由光伏组件、逆变器、支架和线缆、汇流箱、交直流配电柜及监控系统等组成。而离网型光伏系统与其它能源互补微网发电系统适合在边远农牧区及海岛使用。^[46]

让太阳电池在变“柔”的同时保持高效、轻质、大面积、低成本，是科学家努力的目标，单晶硅太阳电池能将太阳光能转换成电能的光电转换效率可达26.8%的理论极限。中国科学院上海微系统与信息技术研究所研究团队发现硅片的“力学短板”，即单晶硅太阳电池在被外力弯曲时，其裂痕总是从硅片边缘的“V”字型沟槽产生。通过处理让沟槽从“V”变成“U”，60微米厚的单晶硅太阳电池最小弯曲半径可达5毫米以下，还能重复弯曲，弯曲角度超过360度，在柔韧性增强的同时基本不影响太阳电池的光电转化效率。这项技术在可穿戴电子、光伏建筑一体化、航空航天等领域拥有巨大发展空间。^[47]

光电化学电解水技术是太阳能制氢方式之一，借由太阳能与催化剂将水分解成氢与氧。^[48]

光分解水制氢的本质是半导体材料的光电效应。当入射光的能量大于等于半导体的能带时，光能被吸收，价带电子跃迁到导带，产生光生电子和空穴。电子和空穴迁移到材料表面，与水发生氧化还原反应，产生氧气和氢气。^[49]

2018年，苏格兰赫瑞瓦特大学（Heriot-Watt）教授与耶鲁大学、香港城市大学、华东理工大学携手改良太阳能制氢技术，让氢气逐步成为再生能源一环节。以往PEC电解水技术需要消耗1.23电子伏特（eV），且只有某一UV波段才能促使其进行反应，导致大范围光谱被浪费。该团队研发酸碱值差异设计，将能量需求降至0.35eV，透过单独改变每个电极的pH值，让电解水制程的热力学全然不同，使PEC电解水技术可用范围更广的光谱、更便宜的方法来运作。目前该技术已应用于燃料电池中。^[48]

甲醇和水的蒸气进入重整室通过高温（约250℃）反应后，最终产物是二氧化碳和氢气，成分比例1∶3，但氢气中会掺杂着微量的一氧化碳。经过气体提纯后，高纯度的氢气进入燃料电池系统中，一氧化碳经过氧化后与二氧化碳一同排到大气中。氢气进入燃料电池系统后，后续过程与普通的燃料电池汽车无异，相比建设和运营加氢站网络，甲醇重整仅需在加油站的基础上增加甲醇水加注功能，设备更换成本低，操作方便。^[8]

核聚变又称核融合、融合反应或聚变反应，是指由质量小的原子，主要是指氘或氚，在一定条件下（如超高温和高压），发生原子核互相聚合作用，生成新的质量更重的原子核，并伴随着巨大的能量释放的一种核反应形式。原子核中蕴藏巨大的能量，原子核的变化往往伴随着能量的释放。如果是由轻的原子核变化为重的原子核，叫核聚变，如太阳发光发热的能量来源就是太阳的核心部分在一刻不停地发生着核聚变反应。因此，核聚变技术也是一种实现太阳能级能源的方法，被科学家们称为“人造太阳”。^[39]

人类利用核聚变能一般采用磁约束和惯性约束控制。1968年，俄国科学家首先提出用“托卡马克（Tokamak）”方法来约束核聚变；欧盟最早攻克磁约束技术，1984年，欧洲多国共同合作建成欧洲联合环状反应堆（Joint European Torus，JET）；2023年7月30日，美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室的国家点火装置（NIF）系采用“激光惯性约束”制造。^[40]2023年，中国聚变研究实现多项技术成果，在氚回收、等离子体稳态高约束等方面提升聚变落地可行性。国际原子能机构2023年12月发布的报告显示，中国全超导托卡马克核聚变实验装置创造403秒稳态高约束等离子体运行时长的新纪录，为2023年全球可控核聚变行业实现的三项重要进展之一。^[39]

近年来，核聚变技术取得了突破性的进展。随着高温超导技术、人工智能技术等的发展和应用，核聚变反应的可控性和稳定性得到了极大的提升。同时，新型材料的研发也为核聚变装置的制造提供了有力支持。这些技术突破为核聚变的商业化应用奠定了坚实的基础。据Coherent Market Insights和SkyQuestt测算，预计2024年全球核聚变市场规模将达到约3312.6亿美元，预计到2031年将达到4915.5亿美元，2024年至2031年的复合年增长率为5.8%。^[39]

新能源材料覆盖了镍氢电池材料、锂离子电池材料、燃料电池材料、太阳能电池材料、反应堆核能材料、发展生物质能所需的重点材料、新型相变储能和节能材料等。其中，发挥重要作用的新能源材料有锂离子电池关键材料、镍氢动力电池关键材料、氢能燃料电池关键材料、多晶薄膜太阳能电池材料、LED发光材料、核用锆合金等。^[50]

多晶硅是太阳能光伏发电产业最基础的原材料。^[51]晶硅太阳能电池寿命30年，基本免维护，寿命期内平均发电量1.5×30=45千瓦时，折标煤为19.73克标准煤/千瓦时，仅煤电的1/17。^[52]全球太阳能电池市场目前以晶体硅电池为主，发达国家单晶硅电池转换率相继达到20%以上，多晶硅电池实验室转换效率达到17%。美国研制的高效堆积式多结砷化镓太阳能电池转换率达到31%，IBM公司多层复合砷化镓太阳能电池的转换率达到40%。^[50]

核反应堆材料普遍使用锆合金作为堆芯结构部件和燃料元件包壳材料，Zr-2、Zr-4和Zr-2.5Nb是水堆用的三种最成熟的锆合金。在新一代压水堆电站中，新型锆合金获得广泛应用。其中，美国、法国和俄罗斯等国家开发的新型Zr-Nb系合金具有抗吸氢能力强，耐腐蚀性能、高温性能及加工性能好等特性，能满足60GWd/tU甚至更高燃耗的要求，并可延长换料周期；法国采用M5合金制成燃料棒，经在反应堆内辐照后表明，其性能大大优于Zr-4合金；法国法玛通公司的AFA3G燃料组件采用M5合金作为包壳材料等。^[50]

小型锂离子（Li-ion）电池在信息终端产品（移动电话、便携式电脑、数码摄像机）中的应用占据垄断性地位，新能源汽车用锂离子动力电池和新能源大规模储能用锂离子电池前景广阔。近十年来，锂离子电池比能量由100千瓦时每千克增加到180千瓦时每千克，比功率达到2000瓦/千克，循环寿命达到1000次以上，其中开发具有优良综合性能的正负极材料、工作温度更高的新型隔膜和加阻燃剂的电解液是提高锂离子电池安全性和降低成本的重要途径。^[50]

全球已经批量生产的混合动力汽车大多采用镍氢动力电池。镍氢电池与常用的镍镉电池相比，容量可以提高一倍，没有记忆效应，对环境没有污染。镍氢动力电池发展方向为方形密封、大容量、高能比，其核心是储氢合金材料，主要使用的是RE（LaNi5）系、Mg系和Ti系储氢材料。^[50]

氢燃料电池是将氢气和氧气的化学能直接转换成电能的发电装置。^[53]燃料电池的燃料电池电堆是核心部件，它负责将化学能转化为电能。^[53]在材料及部件方面的研究包括电解质材料合成及薄膜化、电极材料合成与电极制备、密封材料及相关测试表征技术等。^[50]如，采用金属有机框架（MOF）固体电解质材料，使用低酸度客体分子，可获得具有高导电性和耐用性的材料，从而提高氢燃料电池效率。^[53]

新能源用于发电的方式有太阳能发电（离网型太阳能光伏发电、并网型太阳能光伏发电、太阳能光热发电、工业用光伏电源）、风力发电（离网型风力发电和并网型风力发电）、生物质发电（大中型沼气工程供气和发电、生物质直接燃烧发电、生物质气化供气和发电、城市固体垃圾发电）、地热发电和水力发电（并网水电站、离网小型水电站）等。^[54]2023年全球新能源发电新增装机5.1亿千瓦，其中，中国新增装机突破3亿千瓦。中国新能源发电装机规模从2013年不到1亿千瓦，到2023年超10亿千瓦，完成10倍增长，占比超全球的三分之一。截至2024年6月底，中国新能源发电装机规模首次超过煤电。^[43]

世界最大装机容量和最大熔盐罐储热量的太阳能光热项目是迪拜马克图姆太阳能公园四期，其占地44平方千米，总体装机容量950兆瓦，光热项目总装机容量700兆瓦。该项目在白天利用熔盐大量储存阳光充沛时产生的热能，在夜间或阴天时提供稳定电力，可24小时连续稳定地将太阳能转化为电能。^[25]截至2022年，世界太阳能光伏装机容量一半在中国、美国和欧盟。其中，欧盟、中国和美国分别在2015年、2016年末和2021年初达到1亿千瓦。^[55]据国际可再生能源署测算，为实现巴黎气候协定目标，2030年全球光伏累计装机量需超过54亿千瓦，是2023年全球累计装机量的4倍左右。^[43]

欧洲是世界领先风力发电地区之一。2022年，风电占欧盟用电量的16%，其中，陆上风电占装机容量的92%。据欧洲议会2023年9月提出的目标，到2030年欧盟国家可再生能源占总能源消费的比例将达到42.5%，大规模提高风电装机容量将是实现此目标的主要措施之一。^[56]至2023年6月，中国风电装机总容量约为3.89亿千瓦；^[57]2023年12月，中国在运最大陆上风电基地中国广核集团兴安盟300万千瓦风电项目全容量并网。^[58]海上风电也是各国推进能源转型重要的战略方向，^[59]从丹麦1991年建立的全球首个海上风电场，至2019年底，全球已建成150多个海上风电场。^[60]2022年12月中国下线的采用全球规模最大最长的海上抗台风型叶片的超大容量海上风电机组，其年发电量6700万千瓦时，相当于8万名居民的年总用电量，可减少二氧化碳排放6.5万吨。^[61]

海洋能发电包括潮汐发电、波力发电、潮流发电、海洋温度差发电、海流发电和盐差能发电等。^[62]其中潮汐发电和小型波浪发电技术已经实用化。^[63]2016年，世界上第一个潮汐能发电场项目在苏格兰开始运行，采用水下涡轮机并由海洋潮汐驱动。^[64]2012年开始，中国加大海洋能海上试验场建设并规划建设了山东威海、浙江舟山、广东万山三大国家海洋能试验场及示范基地。^[65]

新能源的热利用包括太阳能热利用（太阳能照明系统、太阳能交通工具、太阳能光伏海水淡化系统、光伏水泵、太阳能户用热水器、太阳能集中供热系统、太阳能空调系统、零能耗太阳能综合建筑）和地热能热利用（地热供暖，地源热泵供暖和/或空调、地下热能储存系统）。^[54]其中，地热能广泛地应用于工业加工、民用采暖和空调、洗浴、医疗、农业温室、农田灌溉、土壤加温、水产养殖、畜禽饲养等各个领域。^[27]地热直接利用总设备容量份额依次为地源热泵（占69.7%）、洗浴游泳（占13.2%）和常规地热供暖（占10.7%），温室、水产、工业、融雪等所占比例很小。由于地源热泵的节能、减排优势，世界地源热泵的增长远超地热直接利用和高温地热发电的发展速度，主要集中在北美、欧洲和中国，排名前5的国家分别是美国、中国、瑞典、挪威和德国。^[27]

乙醇对排放很友好，可作为其他燃料（如汽油、喷气机和柴油）的替代品或补充。在美国，E10（汽油与10%乙醇的混合物）是一种常见汽车燃料；E85是含85%乙醇的汽油混合物，可与柔性燃料发动机一起燃烧；使用高乙醇汽油的汽车，其有害尾气排放很少。^[28]2014年，美国和巴西大豆生物柴油产量均超过200万吨；印度尼西亚棕榈生物柴油产量超过380万吨。^[36]

氢的属性有能源属性和化学材料属性，广义的氢能是各种工业化的过程，通过将二氧化碳和氢结合变成甲醇等储存下来，各种烯烃、芳烃化学品都可经由甲醇获得，从而实现绿色生产。^[66]2024年，中国中煤集团在内蒙古鄂尔多斯上马10万吨绿色甲醇^[注8]规模化生产项目；华电集团在辽宁铁岭生产10万吨甲醇，青海启动10万吨甲醇生产项目。新能源汽车也是氢能利用的先行领域，^[66]使用氢能燃料电池作为电动汽车电源一直是人类汽车发展的目标之一。^[50]其燃料气体来源丰富、效率高、无噪声、无污染，符合节约能源和生态环保的政策趋势，行业发展趋势向好。2017年至2021中国氢燃料电池产能年复合增速达39%，2021年，中国氢燃料电池产能规模超过420兆瓦。^[53]

2023年12月，比亚迪宣布在匈牙利建新能源乘用车生产基地，成为中国电动汽车企业在欧盟的首个汽车工厂，预计3年内建成投运。^[67]

2024年5月，中国石化同法国道达尔能源签署了战略合作框架协议，将共同挖掘油气勘探开发、天然气和液化天然气（LNG）、炼油化工、工程贸易及新能源等全产业链的合作机会，以及可持续航空燃料，绿氢，碳捕集、利用与封存（CCUS）等低碳能源领域的合作机会。^[67]

除此之外，中欧还有许多新能源合作项目，比如：万帮数字能源与法国施耐德电气公司组建合资新能源公司，将共同开拓欧洲新能源市场，并就欧洲充电、储能等相关业务签署框架协议。远景科技与法国苏伊士集团签署合作项目协议，将在锂电池回收、绿色能源与碳管理数字平台等领域开展合作；与法孚集团将在欧洲开发风电、绿氢、绿氨等新能源项目。^[67]

1997年中美双方发布联合声明，确定了清洁能源合作领域，签订了《中美能源和环境合作倡议书》。^[68]2006年，中美双方一致同意将发展新能源作为两国合作的重要领域；2009年，双方签署了清洁燃料领域合作、二氧化碳捕获和封存技术合作等三项合作协议；2011年，双方在智能电网、大规模风电开发、页岩气和航空生物燃料合作方面获得重要进展。^[69]2020年，有关新能源的官方交流合作基本停摆，新能源也成了“脱钩”“去中国化”的领域。2023年11月，中美两国发表关于加强合作应对气候危机的阳光之乡声明。其中就“能源转型”提出，两国计划充分加快两国可再生能源部署，争取到2030年各自推进至少5个工业和能源等领域碳捕集利用和封存（CCUS）大规模合作项目等。^[68]2024年5月，美国特斯拉储能超级工厂在上海临港正式开工，这是继上海超级工厂之后，特斯拉在中国的又一大型投资项目。^[70]

2011年起，英国工程技术学会（IET）可再生能源发电（PRGTM）系列会议轮流在欧洲和中国交替举办。其中，在中国上海举办的第八届可再生能源发电国际会议（RPG 2019）议题涵盖风力发电技术和系统、光伏技术、太阳能热发电、地热能、燃料电池、波浪功率、海流能生物质转化发电等多个技术领域。^[17]2012年起，中国国家能源局和英国商业、能源和产业战略部每年轮流举办中英能源对话。两国政府在技术领域开展多层次深度合作，涉及深远海固定、浮式海上风电项目安装与运维，储能设计与部署，氢能生产、部署与应用，碳捕集、利用与封存，智能电网，电力系统灵活性等领域。2017年以来，英国政府已经支持英企向30余个中国项目提供约12亿英镑可再生能源出口。2019年，英国国际贸易部和中国国家发改委签署关于在第三国合作的备忘录，支持合作开展符合国际标准的可持续低碳项目。^[71]2023年11月，中英氢能合作论坛在曼彻斯特举行。^[72]

中国以亚太经济合作组织（APEC）、东亚峰会、东盟与中日韩领导人会议（10+3）、东盟与中国领导人会议（10+1）和上合组织为平台，加强区域一体化框架下的新能源合作。2010年，中国和东盟领导人发表《中国和东盟领导人关于可持续发展的联合声明》，提出“加强能效、新能源和可再生能源、减排、环保等领域科学研究和技术合作，促进高效、环保、节能技术和清洁技术的应用” 。APEC下设的能源工作组（EWG），是中国开展区域内新能源合作与交流的重要平台。^[73]2024年7月24日，中国国家电投集团云南国际工程公司与老挝王氏投资独资有限公司在第8届中国-南亚博览会暨第28届中国昆明进出口商品交易会绿色能源馆签约仪式上签署合作备忘录，双方将合作开发老挝南部新能源及配套的相关可再生能源项目群，总装机容量约100万千瓦。^[74]

2015年，“中国-埃及可再生能源国家联合实验室”在北京成立。埃及拥有强光照、高风速和丰富的生物质能蕴藏量等发展新能源的优越自然条件，中国在太阳能、生物质能领域具有良好的技术和产业发展优势。^[75]光伏发电是中非清洁能源合作的重要内容。中国援助马里太阳能示范村项目安装了1195套离网太阳能户用系统、200套太阳能路灯系统、17套太阳能水泵系统以及2套集中太阳能供电系统，为数万名当地居民提供了清洁可靠的电力。2019年，中企承建的东非地区规模最大的光伏发电项目肯尼亚加里萨50兆瓦光伏发电站正式投入运营，发电站年均发电量超过7600万千瓦时，可满足7万户家庭共计38万多人口的用电需求。2023年9月，中方在首届非洲气候峰会上宣布实施“非洲光带”项目。将通过合作建设气候友好的“光伏+”项目等方式解决至少约5万户非洲地区无电贫困家庭用电照明问题，助力非洲国家应对气候变化，推进绿色低碳发展。^[76]

截至目前，发展新能源的主要弊端在于二次污染，而新能源二次污染是指在新能源的生产、使用、以及废弃过程中产生的对环境和人类健康有害的污染。尽管新能源被广泛认为是清洁、可再生的能源形式，但其全生命周期仍然可能对环境带来一些负面影响。这些影响主要包括在新能源技术的制造、运输、安装、维护和废弃阶段释放的污染物，以及由于新能源设施建设和运营而引发的环境问题。^[77]

锂电池污染

随着新能源技术的广泛应用，一些二次污染问题逐渐浮出水面。在国家相关部门对新能源汽车的大力支持下，再加上相关技术快速进步发展的情况下，锂电池行业得到了前所未有的强力驱动，市场份额高速增长。与此同时，新能源汽车废旧电池也开启了退役高峰。从动力电池原材料的开采、生产到最终的淘汰，每个阶段对环境都会有不同程度的污染和危害。^[77]

据相关资料显示，平均每生产一辆大型纯电动汽车，会产生约15吨二氧化碳，其中电池占1/3，电池能量越大，生产时所产生的二氧化碳就会越多。而且新能源汽车所采用的锂离子电池等电池种类，包含着稀有金属和有毒物质，例如锂、镍、钴和有机溶剂等，其生产和提取过程可能会引起矿产开采和污染。同时，电池废弃处理需要进行严格的环保处置，以防止对土壤和水源造成二次污染。去年中国新能源汽车淘汰下来的废旧电池超过20万吨，电动车的电池寿命一般在4年到6年，大批量的废旧动力电池开始出现，到了2025年，中国淘汰动力电池会接近80万吨，而正规的新能源动力电池回收利用企业少之又少，因此，新能源汽车电池污染仍然是一个非常严峻的问题。^[77]

风能污染

风电场在建设和运行过程中需要占用大面积的土地和树林，会破坏当地的生态系统平衡，影响当地动植物的栖息地和迁徙路线，还对当地水资源和土壤质量造成影响。风电机组在运行时会产生一定的噪音，对附近居民的生活造成干扰和影响。此外，噪音污染还对当地野生动物造成影响，影响其生活和繁殖。风电机组的旋转叶片对鸟类造成伤害，尤其是大型飞禽和候鸟。^[77]风能发电风机叶片由环氧树脂复合材料制成，其合成材料成分复杂且难以分解和回收，对环境造成威胁。^[45]

光能污染

太阳能电池板的制造需要使用化学品，如硅、镓、铅等，这些物质在生产和处理过程中对环境有害，废弃的太阳能电池板包含有毒元素，需要妥善处理，否则会对土壤和水体造成污染。^[77]

光伏电站建设及规模化的光伏改变了电场周围地表分配，且随着规模不断扩大，势必会对局部地区及周边地区的生态要素环境等产生影响。^[注9][44]每生产1吨光伏发电原材料多晶硅会产生10～20吨四氯化硅，如不妥善处理，将导致环境污染。^[52]

水能污染

水能设施的运行涉及废水排放，其中包含对水生生物有害的物质；小水电的运行会导致河流流态改变，支流河段的水资源枯竭、纵向连通性的丧失、鱼类受伤、鱼类栖息地退化以及鱼类/大型无脊椎动物群落组成的单一化等不可逆的影响不安全的核能设施可能导致辐射泄漏，对周围地区产生严重的次生影响。此外，新能源设施存在着一系列安全隐患，如爆炸、泄漏等，一旦发生将对周边环境和人民的生命安全造成威胁。^[77]

中国国家统计局制定的《国民经济行业分类（GB/T 4754-2017）》，新能源行业被归入电力、热力生产和供应业（国统局代码D44）中的电力生产（D441），包含的统计4级代码有D4413（水力发电）、D4415（风力发电）、D4416（太阳能发电）、D4417（生物质能发电）、D4418（其他电力生产）。^[18]

新能源使人类能源使用从不可再生能源（化石能源和核裂变）逐渐向核聚变能或可再生能源过渡，^[21][3]将人类生活带入一个全新的电气化时代。比如，风力、太阳能电力生产方式更加简单，大量燃烧及旋转设备将被取代；在占石油消耗约70%的交通运输领域，氢能和蓄电池取代内燃发动机作为动力，车辆内核设计将全部实现电气化；储能产品将改善电力系统的整体运营效率并延长升级改造周期，从而降低投资和用电价格。新能源还将推动水能发展，水电站大规模储存能量并可和其他新能源如太阳能、风能电站进行多能互补。^[6]

截至2015年，全球有173个国家分别制定各自新能源发展目标，新能源在全部能源消费中的比例不断上升。^[6]2019年，可再生能源技术占全球所有一次能源的11%，预计到2040年将增加到40%。^[28]欧盟计划到2050年非化石能源在能源消费中的比重将达到75%；瑞典等国家提出到2040年电力消费100%将来自可再生能源；中国提出到2030年非化石能源占全部发电量比重将达到50%，^[6]到2050年太阳能、风能、水能、核能、海洋能等清洁能源电力装机规模将达到36.2亿千瓦至46.4亿千瓦。^[84]

储能

能源消费，主要是电力。从理论上，实践上，新能源（包括水电、核电、风电、太阳能和生物质能）在电力上完成对化石能源的全面替代都是完全可以做到的。事实上，现在有一些欧洲国家已经基本做到了。虽然风电、光伏等都是不稳定电源，波动性问题不可避免，但并不是不能解决。以储能为核心的多能互补的综合能源体系。比如，风、光之间是有互补性的，艳阳高照时，风一般不大，晚上没太阳了，风一般又比白天大；比如，太阳能发电，除了光伏还有光热，光热发电储能小时数能到达16~24个小时，完全可以成为其他新能源的调峰电源，尽管光热目前仍然成本高企，但潜力也很大；除了新能源之间的互补，生物质能、水电、核电、包括传统火电，都能够成为电力系统稳定和调节电源。^[85]

多能互补能够削减新能源的波动性，但不能完全解决，储能仍然是新能源电力体系不可或缺的核心。目前储能技术在不同应用场景中有多种不同的技术路线，但都在快速发展。在电网储能上，有抽水储能、压缩空气储能、飞轮储能等在动力储能上铅酸电池、锂系电池、液流电池钠硫电池等。在当前，储能技术整体上还不能具备足够的经济性。^[85]

产业发展

储能经济性是新能源主导的电力体系的重中之重。但储能经济性的实现并不只是技术问题，更主要的是产业发展问题。比如光伏，当前市场主流的技术路线，晶硅太阳能电池在上世纪五十年代就已经产生、实用化了，但最初成本高，除了军事和航天，谁都用不起。1998年，德国率先开始对光伏绿电上网展开大规模补贴，催生出了光伏的市场和产业，历经20多年发展，现在在很多地区，光伏已经是最便宜的电源。但这过程中，除了市场优势由多晶向单晶的转移，光伏的技术路线并无大的变化。成本的降低在于产业规模扩张，边际生产成本降低，以及工艺技术在市场发展过程中的不断迭代和改进。储能也是一样，其经济性的成熟，需要未来新能源装机发电规模扩张，电力储调需求不断增强带来的市场驱动，也需要国家的政策性支撑和扶持。^[85]

机制性障碍

在未来，新能源，比如光伏，能够分布式安装，还特别有账算，电力自发自用，天然省略了输配电成本。但这对电网企业来说，意味着不仅原来的客户消失了，反过来余电还要卖给自己，利润、效益受影响是必然的。而且进一步的，分布式电站又具有波动性发电峰时最好能够隔墙售电，或者自备储能，而储能又需要必要的规模才能具有经济性，这都要求一个区域性的智慧电网。这就更加会和当前单一大电网的体制相冲突，不仅如此，无论怎样的智慧型局域电网，都离不开一个坚强的大电网的支撑，这就是说，未来新能源的全面发展，要求电网既要让渡利润，又要继续做好骨干支撑。单就电网企业来说，这个账是不划算的，但电网企业也是国企，国企不能只算自己的利润账，还要算国家和社会效益的大帐，经济上为全社会降低用电成本，环境生态上减污染、减碳排放，电网局部小账算不着，但国家社会大账则是大大有利，如何平衡，这需要国家有整体性的法律和政策安排。^[85]

2025年2月27日，国家能源局发布关于印发《2025年能源工作指导意见》的通知。相关通知统筹新能源就地消纳和外送，加强化石能源清洁高效开发利用，推进能源消费侧节能降碳，加快能源消费方式转型，提高非化石能源消费比重。新增新能源发电装机规模2亿千瓦以上，发电量达到10.6万亿千瓦时左右，跨省跨区输电能力持续提升。科学谋划“十五五”“沙戈荒”新能源大基地布局方案，稳步推进重大水电工程建设，积极推动海上风电项目开发建设，加大光伏治沙、光热项目建设力度以及拓展新能源应用场景，在工业、交通、建筑、数据中心等重点领域大力实施可再生能源替代行动，支持零碳园区建设和光伏建筑一体化，更好促进新能源就地消纳等相关政策。^[86]