搭建跨學科產學研合作創新平臺促進我國能源與水協同安全保障

◎ 中國工程院院士 劉 合

黨的十八大以來，習近平總書記對能源與水安全作出了一系列重要論述，指出“水安全是涉及國家長治久安的大事”，強調“能源的飯碗必須端在自己手里”，要求全面促進資源節約集約利用資源，大幅度降低能源和水消耗強度。2020年在第七十五屆聯合國大會上，習總書記向國際社會鄭重承諾2030年實現“碳達峰”、2060年實現“碳中和”的遠景目標，對我國經濟社會的低碳綠色發展提出新的要求。能源是打贏“雙碳戰役”的主戰場，水是實現“雙碳目標”的潛力股，必須加快能源與水的產學研深度融合創新，切實保障我國能源與水的協同安全，促進經濟社會低碳轉型。

一、能源與水協同安全保障是我國高質量發展的重要基石

水和能源是人類社會賴以生存和發展的物質基礎和戰略資源。在經濟全球化背景下，人口增長、經濟發展正在不斷擴大對水和能源的巨大需求。根據聯合國預測，全球人口預計在未來30年將再增加20億人，一次能源需求增加30%，發展中國家總用水量將增加50%，發達國家將增加18%。在全球氣候變化、人口增長和城市化等要素的驅動下，水和能源需求的持續增長將是人類社會保持長期穩定發展必須應對的重大挑戰。尤其我國是全球最大的能源生產國和消費國，同時也是水資源緊缺國家之一，能源安全和水安全是關系國計民生的全局性、戰略性問題，是國家安全戰略和總體國家安全觀的重要組成部分。

能源與水是相對獨立又緊密關聯的互饋系統，在氣候變化背景下，兩者的關系更為復雜，并受氣候變化影響顯著，不穩定性加劇。幾乎任何一種形式的能源生產都需要水，其中煤炭產業從供應鏈上游的煤炭開采和選洗，到下游的發電廠冷卻和煤灰控制，以及煤化工產業都伴隨著大量的水資源消耗，而開發過程易對水、土、氣等生態環境要素產生較大影響。反過來，水資源利用的每個步驟都需要能源，為抽水、運水、水處理和水循環設備提供動力，南水北調工程及海水淡化工程恰恰是以電取水的最好例證。因此能源與水協同優化調控對于能源與水安全、生態文明建設和雙碳目標實現具有重大現實意義。

當今世界正經歷百年未有之大變局，受單邊主義、保護主義與新冠疫情等因素影響，我國正處于經濟高速增長階段轉向高質量發展階段，推動經濟發展質量變革、效率變革、動力變革，能源與水對經濟發展的約束性將進一步增強。氣候變化已成為全社會共同挑戰，綠色低碳已成為全球發展的大趨勢，在國內資源需求和國際環境不確定性呈雙升態勢，以及能源對外依存度提高的情況下，提升我國能源自給率和發展清潔能源極為迫切，這需要重視能源與水的關聯性，加強能源與水安全協同發展戰略研究。

二、我國亟需加快構建能源與水協同安全保障科技創新體系

開展氣候變化和雙碳目標下的紐帶關系研究。為實現氣候變化對能源與水資源安全的最小化影響，保障雙碳目標的順利實施，需開展氣候變化背景下水-能源-碳排放三者的協調發展研究。一是提高極端氣候變化影響下化石能源行業安全生產、穩定運行、增產高產的能力；二是避免大旱大澇的重大影響，提高水資源保障經濟社會發展可持續發展能力；三是重視氣象災害和氣候變化影響，通過多種手段增強能源與水系統適應氣候變化能力。

研發能源開發利用保水節水減排技術與裝備。為進一步降低能源開發的生態環境影響，提高用水效率，創新顛覆性技術和深度超常規替代技術是重要的發展方向，具體包括在取用水、采出水、污水處理等各個環節采取有效節水技術，進一步強化水的循環再生利用；發展適度壓裂技術，在保證最大動用井間儲量的同時，合理設計水力壓裂最優規模，減少水資源用量；利用氮氣（N2）泡沫壓裂、二氧化碳（CO2）壓裂和液化石油氣（LPG）壓裂技術代替水作為壓裂介質，進行儲層改造，提高單井產量。

加大水資源開發利用節能降耗減排技術與裝備研發。水的開發、利用和再生回用需能源支撐，隨著水資源開發利用難度的增加，解決高耗能問題是保障水資源安全的重要議題。尤其需要在黃河上中游、南水北調受水區等典型地區，研發低耗能集約化節水配水及非常規水源開發利用工程技術及設備。一方面在具備海水淡化的地區，研發分布式可再生能源微網技術，直接利用風能、太陽能等清潔能源發電生產高品質的生活和飲用水，解決海水淡化的新能源利用問題。另一方面，加大水污染治理領域新工藝、新產品的研究，推廣排放少、能耗小、成本低的污水處理技術，緩解目前治污過程高耗能的現狀。

開發水能資源開發科學規劃與生態智能管理技術。在信息化戰略及新時代水利發展改革的驅動下，水能資源開發應充分借助信息技術飛速發展的契機，探索進一步提升水能開發規劃和生態管理的智慧化水平。具體包括結合遙感、地理信息系統和多維決策技術，綜合考慮水能-糧食關系、災害風險、氣候變化、環境保護和社會經濟，建立流域可持續水電開發優化規劃評估模型；借鑒適應性管理理念，利用最大互信息系數、受試者工作特征曲線等新一代數據挖掘方法，以及深度學習、強化學習等人工智能算法，從需求量化、方案設計、效果評估等關鍵環節，創新水電生態環保措施的運行管理技術，形成具有效果反饋機制的生態環保措施適應性閉環管控體系。

創新能源與水綜合管理政策與機制。通過機制創新保障能源與水的協同安全是實現能源與水綜合管理的必然選擇。加強非常規水源利用，將礦井涌出水作為地下水納入水量控制指標，避免水賬不清、水量浪費；積極探索海綿礦區建設，通過水量-水質-水生態協同管理，提高礦區水資源利用效率；探索建立能源基地供水保障機制，在水資源承載能力允許的前提下，最大程度保障能源基地供水能力；完善與能源行業相關的水權交易、生態補償和階梯水價機制，促進能源行業進一步節水，保障區域水資源和水生態環境系統的安全穩定。

三、組建跨學科產學研創新聯合體，完善能源與水協同安全科技支撐平臺

中美清潔能源聯合研究中心（簡稱“CERC”），旨在通過中美雙方開展清潔能源科技合作，采取產學研聯盟的合作方式，開創了面向市場的合作模式。為促進中美科技合作和推動我國能源與水協同安全與保障，2015年在中國科技部的領導下，CERC“能源與水”中方產學研聯盟（以下簡稱“能源與水”聯盟）成立。“能源與水”聯盟包括中國石油集團科學技術研究院、中國水利水電科學研究院、國電新能源技術研究院、國家氣候中心、長江三峽集團公司、清華大學、北京大學等26家單位，凝聚了各自領域技術實力最突出的高校、科研院和企業界等重要的利益相關者，通過合作的方式集成了優勢研發力量。

在國家重點研發計劃“政府間國際科技創新合作重點專項”的資助下，“能源與水”聯盟與美國加州大學體系、勞倫斯伯克利國家重點實驗室等相關研究機構、企業代表組成的“能源與水”美方產學研聯盟簽訂了5年合作協議，雙方建立了良好的溝通渠道，以靈活、對等和面向市場的模式開展合作，取得了多項重大聯合創新成果，創新了火電廠水資源減量利用技術，開發了完整的二氧化碳無水壓裂、可持續水電、氣候變化對能源與水影響評估等關鍵技術體系，提升研發成果轉化率，在節能減排與能源資源高效利用方面發揮了支撐引領的示范作用，為應對氣候變化和能源與水資源安全保障挑戰提供了重要的科技支撐。項目打通創新和產業鏈條，技術成果已在國家能源集團、吉林油田、溪洛渡和葛洲壩水電站等工程中得到應用，產生了重大經濟生態與國際合作效益。

氣候變化是全人類面臨的最大挑戰之一。能源行業是二氧化碳排放的主要來源，2019年能源相關活動約占我國全社會碳排放比重的八成，而近年來再生水、外調水和淡化海水等高耗能水源的使用也加劇了供用水行業的碳排放規模。能源與水相關部門的減排是應對氣候變化的關鍵。面對碳中和、碳達峰目標要求，能源和水作為傳統行業，更應該將創新發展置于首要位置。領域內國家級研究力量應與企業共同建立長效合作機制，組建面向雙碳目標的能源與水產學研創新聯合體，推動創新成果的不斷涌現和生產力轉化，助力我國經濟社會高質量低碳發展。

一是集中力量發展先進深度脫碳技術。建議開展二氧化碳驅油提高采收率技術攻關與碳中和工程示范，創新能源與化工等高碳行業綠色低碳發展新路徑，探索社會水循環減碳途徑及低碳配置策略，支撐碳中和目標下的能源與水協同安全保障。

二是整合優勢科技資源，推進跨學科科技平臺建設。建議能源、水及氣候氣象等領域國家重點實驗室、國家工程技術中心、國家國際科技合作基地等國家級平臺強強聯合，深入推進學科交叉、跨界融合，識別水-能源-碳排放間的動態關系，健全科技創新體系，加強能源-水的復合型專業人才培養，完善能源與水協同安全科技支撐平臺。

三是健全以市場為導向的科研機制。市場是檢驗科技成果的試金石，企業則是直接面向市場的主體，也是實現科技創新有效轉化的主體。應持續支持有實力的企業或與高校、科研機構共同擔任產學研創新聯合體牽頭單位，共同承擔大型研發項目，加速科研成果轉化。

四是積極鼓勵國內產學研各部門與國外同行開展技術合作。實現可持續發展是全球各國的共同發展目標，科技創新是實現節水、節能、減碳、綠色發展的根本出路。國內產學研各部門仍需聚焦國際前沿，與國際頂尖研究團隊保持密切的交流與合作，引進先進技術，積極組織消化、吸收和再創新工作。

油田CO2無水壓裂現場

四、創新新時期能源與水產學研創新平臺系統國際合作機制

目前，全球已有超過130個國家和地區提出了碳中和目標，其中大部分計劃在2050年實現，如歐盟、英國、加拿大、日本、新西蘭、南非等。世界各國正將“碳中和”目標轉化為國家戰略，隨著全球競爭的趨勢日趨凸顯，大國博弈持續加劇。

我國能源與水產學研創新平臺更需要著眼于全球化的競爭，加快創新步伐，在節能減排方面發揮示范引領作用。在國際合作過程中，由于合作各方在制度、文化、目標、關注點等方面可能存在差異及技術壁壘思想，新時期的產學研國際合作需要創新合作機制。合作交流中不僅要注重技術創新與實踐，還要在遵守外交規范的前提下，通過交流合作實現互利共贏。合作過程中應基于一致性目標，充分考慮知識產權保護和共享、合作內容技術特點以及具體合作方的研究優勢，采用靈活的科技合作模式，制定適當的交流互訪機制、信息共享機制、拓展協作機制，發揮聯合優勢，促進技術推廣，共享發展機遇。

讓我們瞄準世界科技前沿，把握新時代科技創新的要求，推動能源與水產學研深度融合科技創新體系建設，增進我國能源與水協同安全保障能力與水平，并提高我國在這一領域的國際競爭力和話語權，共同應對全球氣候變化對人類的挑戰。