世界能源结构包含“能源体系结构”和“能源系列结构”两个层次，分别对应能源结构的代际和代内转型。人类发展已临近文明奇点，这轮能源结构转型布局需要同时兼顾从石油主导的传统能源系列向天然气主导的低碳能源系列转型，以及从化石能源体系向核能能源体系转型，涉及千年之大变局。作为工业文明纪元的最后一种世界主导性能源，天然气承载着能源文明，并在世界能源体系结构转型中充当着重要的桥梁作用。

经合组织主要国家的能源结构转型具有“中高基值、双增长和单替代”特征；如果为双替代，则分段错峰。其中，不参与结构调整的能源转型基系主要包括清洁化石能源、水电和安全核能，三者在国家一次能源结构中的占比为50%～60%；双增长主要指天然气和可再生能源；单替代主要指煤炭等不符合低碳发展的化石能源。这些国家的碳排放达峰主要为产业结构、能源结构、人口结构、节能减排技术四大因素的综合效应，其中首要因素是产业结构调整和节能减排技术进步。需要围绕保障能源供给安全、传承能源文明和创建核能时代新优势开展能源结构转型。

中国一次能源消费将长期保持温和增长，预计2050年将达到38亿～43亿吨油当量；同期将实现从“煤炭为主体、石油为主导”的中高碳能源系列向“清洁化石能源为主体、多能并举”的低碳能源系列转型；清洁化石能源和零碳能源在一次能源结构中占比约为60%。建议充分发挥天然气、可再生能源、小型核反应堆在能源结构转型中的桥梁作用，采用“1+4+10”的立体战略结构，沿5条战略发展路线，分3个阶段，并行推进、有机协同。

能源是人类文明的基石，伴随文明发展而演替，这种演替主要通过能源结构转型得以实现。新一轮世界能源结构转型大体始于1998年，内因是传统能源系列老化、页岩气革命、可再生能源技术进步及核聚变技术发展，外因是人类对能源需求的持续增长及环境可持续发展对低碳经济的需求，总体表现为从中高碳能源系列向低碳清洁能源系列进化。2019年，煤炭在中国一次能源结构中的占比高达57.64%，中国的煤炭消费和碳排放分别占世界总量的51.7%和28.8%，均居世界首位。2020年9月，中国政府对国际社会庄严承诺，碳排放力争在2030年前达峰，努力争取2060年实现碳中和。国家能源结构转型迫在眉睫。然而，在重塑能源结构之前，还有若干基础性和关键性问题亟待厘清。笔者基于近年来的全球大数据研究与能源实践，就能源结构转型的若干问题进行了思考。

1 从人类文明发展的视角看世界能源结构转型

从人类文明发展的视角看，能源结构包含“能源体系结构”和“能源系列结构”两个层级。“能源体系结构”指能量密度相近、能源生产和能源利用技术复杂程度相当的一组能源共生关系，与人类文明发展的特定历史阶段相适应。例如，远古可再生能源体系、传统可再生能源体系、化石能源体系、核能能源体系分别对应新石器时代、农业文明纪元、工业文明纪元和未来的智慧文明纪元（见图1）。而“能源系列结构”则是指在特定能源体系中，各类一次能源类型之间的结构占比和相互关系，通常以主导性能源类型作为特定能源系列的标识和定代依据，例如煤炭时代、石油时代等（见图2）；各能源世代的时间区间以世界主导性能源更替点为划代依据（图2中的红点）。两个层级的能源结构逐级包含。



与之相应，“能源结构转型”也具有两个级次。其中，“能源体系结构转型”与人类文明纪元更替相应，属于跨纪元转型（或代际转型），是人类历史上最重要、影响最深远、颠覆性最强的能源结构转型。典型如18世纪工业革命兴起时，化石能源体系登上历史舞台，开启替代传统可再生能源体系之旅（1769－1883年）。英国主导了这次能源体系结构变革，由此拉开了世界工业文明纪元的序幕，影响人类社会近300年的发展。“能源系列结构转型”则是指同能源体系中的主导性能源更替，例如石油替代煤炭、天然气替代石油等，属于纪元内转型（或代内转型），影响人类社会50～80年发展。从化石能源体系向核能能源体系的转型不仅属于代际转型，而且由于处于人类文明“奇点（singular point）”，因而将伴随影响千年的人类历史剧变。

自寒武纪大爆发以来的5.4亿年中，地球生命及人类文明转折点的时间间隔呈指数规律递减，因而在图1的对数坐标系中满足直线关系。按照该规律预测，下一个文明转折点的时间大体出现在2090年前后。该时间与图2中利用能源大数据预测的核能替代天然气成为世界主导性能源的时间基本一致。核聚变能和人工智能作为下一个文明纪元的两大类标志性技术，其技术进展支持该预测。

在核能领域，目前世界主要大国都在沿小型核反应堆、可控核聚变和低能核聚变（low energy nuclear reactions, LENR）三个方向的几十条技术路线进行攻关。其中，小型核反应堆为核裂变与核聚变之间的过渡性技术形态，适用于独立工业供能，多种小型核反应堆将在未来10年内投入商业运行。可控核聚变将主要替代大型燃煤发电等集中供能系统；低能核聚变因具有高能量密度、分布式、微型化、低成本等特征，主要替代分布式、移动式、节点式民居能源（汽柴油、可再生能源、民居燃料等），尤其具有颠覆性。根据磁约束聚变研究进展与技术发展规划，低能核聚变在2018年前后的重大突破，结合历史上新一代主导性能源技术发展规律，预计包括中国在内的世界主要大国的核聚变在2040年前后投入商用是可能的。但各类核聚变从宣布技术革命到成为世界主导性能源还需要漫长的时间。历史上，蒸汽机/内燃机/燃气轮机（发电）和LNG技术，从技术发明到商业化应用大体用了20～30年；从商业化到成为世界主导性能源，分别经过了116、107和85年（预计），且时间间隔在对数坐标系中也呈直线变化。

库兹韦尔基于信息技术大数据和人工智能技术进展，预测2040－2046年为人类文明奇点[5]。近年来，机器实时学习、类脑计算、脑机接口与意念转化[8]等人工智能关键技术的重大进展支持其判断。但从人工智能技术突破到新文明形塑还需要特定的历史过程；结合图1、2分析，大约要到2090年前后机器智能才能普遍超过传统人类智慧，智慧文明初现。故本文倾向于认为文明奇点将出现在2040－2090年这一历史区间。

从更细的历史分析粒度看，人类能源发展史其实就是一部世界主导性能源更替史，而且世界主导性能源具有能量密度不断增高、碳排放逐渐减小、更替周期渐次缩短、技术复杂性和先进性不断增强的趋势。在这个历史舞台上，领衔主演不断更替，但配角从不离场，因此能源多元化程度不断增加。由于人类文明持续进化，故该趋势不可逆。

预测结果显示：天然气将在2032年前后取代石油成为世界主导性能源；核能将在2040年前后登上历史舞台，大约在2087年前后取代天然气成为世界主导性能源，人类由此走向能源自由。当前世界正在经历从石油为主导的传统能源系列向以天然气为主导的低碳能源系列转型，并为即将来临的核能时代做好准备。作为工业文明的最后一种能源形态，天然气主导的低碳能源系列充当着世界能源体系转型的桥梁，并将伴随文明奇点50年过渡期的史诗级社会剧变。只有成功实现这一轮向低碳能源系列的转型，并掌握核聚变技术发展主动权的国家，才能最终在即将来临的智慧文明纪元跻身世界前列。

2 能源文明与天然气在能源转型中的桥梁作用

能源文明就是与特定能源形态相应的，人类在政治、经济、金融、军事、外交、科技、文化和生活方式等各方面所发生的改变，以及由此创造出的物质财富和精神财富的总和；包括能源科技共同体、能源领域的生产力与生产关系、能源消费形态与消费文化等。对于世界主要国家而言，成功的能源结构转型就是通过新旧动能转换，在保障国家能源可持续、科技可持续、经济可持续、环境可持续、文明可持续基础上，借助新的能源优势创建更先进的能源文明，并能通达终极能源安全（核聚变能）。因此，国家对未来能源结构的选择不仅仅是量的满足，还需要保持能源的先进性和可持续发展性。

石油文明是由其能量、物质、金融三重属性和特殊赋存环境决定的。石油因物质组分比天然气丰富，碳排放系数为天然气的1.32倍，热值为LNG的81.96%，因而将先于天然气向化工领域转移。石油金融属性的迁移会涉及国际金融体系重构。但因核能具有无穷大能量总体，不具备作为国际货币载体的稀缺性，故在石油被替代前，其金融属性必须先转移，但国际社会显然没有为此做好准备。因此，需要以天然气为桥梁，以两者的地质共生性和产业协同性确保国际金融载体平稳换轨。由于石油赋存于地壳深部，涉及深海、极地、沙漠等特殊地理环境，世界油气钻探前沿必须持续挑战科技“无人区”，因此油气行业自一战以来一直是世界科技前沿向产业转移的最重要的工业领域，并持续引导人类深入探索地学规律。

但石油工业过去150年仅找到了“前半桶石油”，只解决了与常规油气相关的部分地学规律，以线性、显性规律为主。进入核能时代之后，人类将进入智慧文明纪元并开始全面深空探索。因此，从世界科技可持续发展角度，在进入核能时代前，需要经历天然气能源时代，通过智能化钻采机器实时学习和揭示那些发生在井筒环空、油藏渗流空间、压裂过程等地质与工程环境的大量非线性隐蔽性规律。

事实上，油气行业恢弘庞大的工业系统涵盖了世界大部分科技领域（见图3）。当前世界油气智能钻采技术前沿已实现单技术链闭环智能化，机器智能已从数字孪生进入机器实时学习阶段。其中，智能钻头、油藏纳米机器人、海底工厂等标志性技术所必须的井下MEMS/NEMS、超硬材料（金刚石）3D打印、井下材料分子制造和原位自组装、井下激光与脉冲中子等核心技术，代表一个国家工业制造和信息技术的顶级水平。未来的量子金刚石芯片等井下量子科技、仿生钻采系统、地下智慧工厂等技术形态则展现出对下一轮世界科技革命广泛而强烈的需求驱动。因此，需要以天然气承前启后，将油气科技作为人类文明进化的前驱体融入新的文明纪元，以确保能源结构转型时不会出现文明断层或文明倒退。事实上，石油科技能雄踞世界工业技术体系的塔尖，主要受益于在“无人区”持续挑战世界级难题。这种挑战性是可再生能源所不具备的。


因此，从能源文明发展的角度，唯有天然气能够作为跨越化石能源体系和核能能源体系的桥梁，通达终极能源安全，并实现能源文明可持续发展。

原标题： 关于能源结构转型若干问题的思考