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若非特别说明，本文所用全球能源经济数据主要来自BP、美国能源信息署（EIA）和国际货币基金组织（IMF），专利数据主要来自德温特（Derwent）与智慧芽（PatSnap）专利文献数据库，数据截止时间均为2021年1月15日。。

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）[1]。两个层级的能源结构逐级包含。

图1 人类文明纪元与能源体系结构的相关性

图2 世界能源体系演替图谱资料来源：参考文献[1]

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[2]。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[3]，低能核聚变在2018年前后的重大突破[4]，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。