搭建跨学科产学研合作创新平台促进我国能源与水协同安全保障

◎ 中国工程院院士 刘 合

党的十八大以来，习近平总书记对能源与水安全作出了一系列重要论述，指出“水安全是涉及国家长治久安的大事”，强调“能源的饭碗必须端在自己手里”，要求全面促进资源节约集约利用资源，大幅度降低能源和水消耗强度。2020年在第七十五届联合国大会上，习总书记向国际社会郑重承诺2030年实现“碳达峰”、2060年实现“碳中和”的远景目标，对我国经济社会的低碳绿色发展提出新的要求。能源是打赢“双碳战役”的主战场，水是实现“双碳目标”的潜力股，必须加快能源与水的产学研深度融合创新，切实保障我国能源与水的协同安全，促进经济社会低碳转型。

一、能源与水协同安全保障是我国高质量发展的重要基石

水和能源是人类社会赖以生存和发展的物质基础和战略资源。在经济全球化背景下，人口增长、经济发展正在不断扩大对水和能源的巨大需求。根据联合国预测，全球人口预计在未来30年将再增加20亿人，一次能源需求增加30%，发展中国家总用水量将增加50%，发达国家将增加18%。在全球气候变化、人口增长和城市化等要素的驱动下，水和能源需求的持续增长将是人类社会保持长期稳定发展必须应对的重大挑战。尤其我国是全球最大的能源生产国和消费国，同时也是水资源紧缺国家之一，能源安全和水安全是关系国计民生的全局性、战略性问题，是国家安全战略和总体国家安全观的重要组成部分。

能源与水是相对独立又紧密关联的互馈系统，在气候变化背景下，两者的关系更为复杂，并受气候变化影响显著，不稳定性加剧。几乎任何一种形式的能源生产都需要水，其中煤炭产业从供应链上游的煤炭开采和选洗，到下游的发电厂冷却和煤灰控制，以及煤化工产业都伴随着大量的水资源消耗，而开发过程易对水、土、气等生态环境要素产生较大影响。反过来，水资源利用的每个步骤都需要能源，为抽水、运水、水处理和水循环设备提供动力，南水北调工程及海水淡化工程恰恰是以电取水的最好例证。因此能源与水协同优化调控对于能源与水安全、生态文明建设和双碳目标实现具有重大现实意义。

当今世界正经历百年未有之大变局，受单边主义、保护主义与新冠疫情等因素影响，我国正处于经济高速增长阶段转向高质量发展阶段，推动经济发展质量变革、效率变革、动力变革，能源与水对经济发展的约束性将进一步增强。气候变化已成为全社会共同挑战，绿色低碳已成为全球发展的大趋势，在国内资源需求和国际环境不确定性呈双升态势，以及能源对外依存度提高的情况下，提升我国能源自给率和发展清洁能源极为迫切，这需要重视能源与水的关联性，加强能源与水安全协同发展战略研究。

二、我国亟需加快构建能源与水协同安全保障科技创新体系

开展气候变化和双碳目标下的纽带关系研究。为实现气候变化对能源与水资源安全的最小化影响，保障双碳目标的顺利实施，需开展气候变化背景下水-能源-碳排放三者的协调发展研究。一是提高极端气候变化影响下化石能源行业安全生产、稳定运行、增产高产的能力；二是避免大旱大涝的重大影响，提高水资源保障经济社会发展可持续发展能力；三是重视气象灾害和气候变化影响，通过多种手段增强能源与水系统适应气候变化能力。

研发能源开发利用保水节水减排技术与装备。为进一步降低能源开发的生态环境影响，提高用水效率，创新颠覆性技术和深度超常规替代技术是重要的发展方向，具体包括在取用水、采出水、污水处理等各个环节采取有效节水技术，进一步强化水的循环再生利用；发展适度压裂技术，在保证最大动用井间储量的同时，合理设计水力压裂最优规模，减少水资源用量；利用氮气（N2）泡沫压裂、二氧化碳（CO2）压裂和液化石油气（LPG）压裂技术代替水作为压裂介质，进行储层改造，提高单井产量。

加大水资源开发利用节能降耗减排技术与装备研发。水的开发、利用和再生回用需能源支撑，随着水资源开发利用难度的增加，解决高耗能问题是保障水资源安全的重要议题。尤其需要在黄河上中游、南水北调受水区等典型地区，研发低耗能集约化节水配水及非常规水源开发利用工程技术及设备。一方面在具备海水淡化的地区，研发分布式可再生能源微网技术，直接利用风能、太阳能等清洁能源发电生产高品质的生活和饮用水，解决海水淡化的新能源利用问题。另一方面，加大水污染治理领域新工艺、新产品的研究，推广排放少、能耗小、成本低的污水处理技术，缓解目前治污过程高耗能的现状。

开发水能资源开发科学规划与生态智能管理技术。在信息化战略及新时代水利发展改革的驱动下，水能资源开发应充分借助信息技术飞速发展的契机，探索进一步提升水能开发规划和生态管理的智慧化水平。具体包括结合遥感、地理信息系统和多维决策技术，综合考虑水能-粮食关系、灾害风险、气候变化、环境保护和社会经济，建立流域可持续水电开发优化规划评估模型；借鉴适应性管理理念，利用最大互信息系数、受试者工作特征曲线等新一代数据挖掘方法，以及深度学习、强化学习等人工智能算法，从需求量化、方案设计、效果评估等关键环节，创新水电生态环保措施的运行管理技术，形成具有效果反馈机制的生态环保措施适应性闭环管控体系。

创新能源与水综合管理政策与机制。通过机制创新保障能源与水的协同安全是实现能源与水综合管理的必然选择。加强非常规水源利用，将矿井涌出水作为地下水纳入水量控制指标，避免水账不清、水量浪费；积极探索海绵矿区建设，通过水量-水质-水生态协同管理，提高矿区水资源利用效率；探索建立能源基地供水保障机制，在水资源承载能力允许的前提下，最大程度保障能源基地供水能力；完善与能源行业相关的水权交易、生态补偿和阶梯水价机制，促进能源行业进一步节水，保障区域水资源和水生态环境系统的安全稳定。

三、组建跨学科产学研创新联合体，完善能源与水协同安全科技支撑平台

中美清洁能源联合研究中心（简称“CERC”），旨在通过中美双方开展清洁能源科技合作，采取产学研联盟的合作方式，开创了面向市场的合作模式。为促进中美科技合作和推动我国能源与水协同安全与保障，2015年在中国科技部的领导下，CERC“能源与水”中方产学研联盟（以下简称“能源与水”联盟）成立。“能源与水”联盟包括中国石油集团科学技术研究院、中国水利水电科学研究院、国电新能源技术研究院、国家气候中心、长江三峡集团公司、清华大学、北京大学等26家单位，凝聚了各自领域技术实力最突出的高校、科研院和企业界等重要的利益相关者，通过合作的方式集成了优势研发力量。

在国家重点研发计划“政府间国际科技创新合作重点专项”的资助下，“能源与水”联盟与美国加州大学体系、劳伦斯伯克利国家重点实验室等相关研究机构、企业代表组成的“能源与水”美方产学研联盟签订了5年合作协议，双方建立了良好的沟通渠道，以灵活、对等和面向市场的模式开展合作，取得了多项重大联合创新成果，创新了火电厂水资源减量利用技术，开发了完整的二氧化碳无水压裂、可持续水电、气候变化对能源与水影响评估等关键技术体系，提升研发成果转化率，在节能减排与能源资源高效利用方面发挥了支撑引领的示范作用，为应对气候变化和能源与水资源安全保障挑战提供了重要的科技支撑。项目打通创新和产业链条，技术成果已在国家能源集团、吉林油田、溪洛渡和葛洲坝水电站等工程中得到应用，产生了重大经济生态与国际合作效益。

气候变化是全人类面临的最大挑战之一。能源行业是二氧化碳排放的主要来源，2019年能源相关活动约占我国全社会碳排放比重的八成，而近年来再生水、外调水和淡化海水等高耗能水源的使用也加剧了供用水行业的碳排放规模。能源与水相关部门的减排是应对气候变化的关键。面对碳中和、碳达峰目标要求，能源和水作为传统行业，更应该将创新发展置于首要位置。领域内国家级研究力量应与企业共同建立长效合作机制，组建面向双碳目标的能源与水产学研创新联合体，推动创新成果的不断涌现和生产力转化，助力我国经济社会高质量低碳发展。

一是集中力量发展先进深度脱碳技术。建议开展二氧化碳驱油提高采收率技术攻关与碳中和工程示范，创新能源与化工等高碳行业绿色低碳发展新路径，探索社会水循环减碳途径及低碳配置策略，支撑碳中和目标下的能源与水协同安全保障。

二是整合优势科技资源，推进跨学科科技平台建设。建议能源、水及气候气象等领域国家重点实验室、国家工程技术中心、国家国际科技合作基地等国家级平台强强联合，深入推进学科交叉、跨界融合，识别水-能源-碳排放间的动态关系，健全科技创新体系，加强能源-水的复合型专业人才培养，完善能源与水协同安全科技支撑平台。

三是健全以市场为导向的科研机制。市场是检验科技成果的试金石，企业则是直接面向市场的主体，也是实现科技创新有效转化的主体。应持续支持有实力的企业或与高校、科研机构共同担任产学研创新联合体牵头单位，共同承担大型研发项目，加速科研成果转化。

四是积极鼓励国内产学研各部门与国外同行开展技术合作。实现可持续发展是全球各国的共同发展目标，科技创新是实现节水、节能、减碳、绿色发展的根本出路。国内产学研各部门仍需聚焦国际前沿，与国际顶尖研究团队保持密切的交流与合作，引进先进技术，积极组织消化、吸收和再创新工作。

油田CO2无水压裂现场

四、创新新时期能源与水产学研创新平台系统国际合作机制

目前，全球已有超过130个国家和地区提出了碳中和目标，其中大部分计划在2050年实现，如欧盟、英国、加拿大、日本、新西兰、南非等。世界各国正将“碳中和”目标转化为国家战略，随着全球竞争的趋势日趋凸显，大国博弈持续加剧。

我国能源与水产学研创新平台更需要着眼于全球化的竞争，加快创新步伐，在节能减排方面发挥示范引领作用。在国际合作过程中，由于合作各方在制度、文化、目标、关注点等方面可能存在差异及技术壁垒思想，新时期的产学研国际合作需要创新合作机制。合作交流中不仅要注重技术创新与实践，还要在遵守外交规范的前提下，通过交流合作实现互利共赢。合作过程中应基于一致性目标，充分考虑知识产权保护和共享、合作内容技术特点以及具体合作方的研究优势，采用灵活的科技合作模式，制定适当的交流互访机制、信息共享机制、拓展协作机制，发挥联合优势，促进技术推广，共享发展机遇。

让我们瞄准世界科技前沿，把握新时代科技创新的要求，推动能源与水产学研深度融合科技创新体系建设，增进我国能源与水协同安全保障能力与水平，并提高我国在这一领域的国际竞争力和话语权，共同应对全球气候变化对人类的挑战。