能源高新技术引进与交流爆发式上升。能源机械与高新技术与产品的引进与交流成为能源技术合作的重要组成部分，仅2005年，以能源类产品为主的高新技术产品进出口就高达2.99亿美元，比2000年增长897.33%。其次，合作对象与领域广泛，涉及技术领先。这一时期的能源技术合作对象遍及38个国家和地区，合作项目既涉及传统能源的综合利用，又涉及清洁能源和新能源开发。
合作水平和档次均有显著提高，部分技术合作成果在国际上处于领先地位。在煤炭领域，2004年中澳合作的“煤升温氧化过程中氡在煤岩体中迁移研究”项目，不仅建立了中澳合作实验室，还被广泛用于生产中，是一项具有自主知识产权、已走出国门且处于国际领先水平的先进技术。2010年山西国际能源集团与美国空气化工产品公司签署合作协议，合作研发用于二氧化碳排放进行纯化的碳捕获装置。
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该项目所使用的技术在业内处于领先地位，被中国国家能源局纳入美中化石能源协议清洁能源。在电力生产部门，延续前一阶段变输煤为输电战略，本阶段电力项目合作迈上了新的高度。
电网一方面将山西省的火电输送至南方缺电地区，另一方面也可将南方富余的水电调配至华北电网，调剂余缺。这条输电线路是中国自主知识产权的交流输电项目，在全球具有领先水平。山西省通过参与该项目建设吸收了大量先进的交流输电、装备制造、工程设计、建设和运行技术，也有力地推动了省内光伏和风力发电的生产技术水平，有效地促进了其能源结构的转变和能源替代进程，同时也确立了在中国国内电网建设与运行中的重要地位。
在新能源领域，2007年山西能源集团开始与掌握煤层气勘探和开发核心技术和大批关键技术的中国石油合作开发山西的煤层气资源，使得山西在煤层气资源方面的优势得以发挥，并促进了山西煤层气综合利用技术的迅速提高，极大地提升了山西清洁高效利用能源的能力。此后，山西在煤层气开发利用方面始终处于国内领先地位，提供了全国90%以上的煤层气产量。
再次，合作关系稳定。逐渐形成常规、稳定的能源技术合作关系，便于合作项目的持续、深度推进。2004年起，山西每年在北京举办国际科技合作研讨会，广泛吸收、引进国际国内的先进技术用于改进其能源合作技术水平，促进资源型经济转型发展。山西省也一改输出能源、输入技术的单一能源合作形式，形成了能源要素、能源加工技术、能源衍生品等多元产品双向合作的新型合作关系，能源生产技术显著提高。
在煤炭的清洁高效利用方面，2005年中国科学院山西煤化所与美国太平洋西北国家实验室建立了合作关系，并确定了互访交流机制，共同进行学术交流和技术研发。最后，实现能源合作演进趋势。能源技术合作多与能源投资合作和能源治理合作捆绑开展，能源合作的规模效应逐渐显现。随着煤炭产业整合和大煤矿、大项目合作的深入，以煤炭技术和企业管理为主的能源技术合作持续推进。
如2005年由中美双方合作建立的山西亚美大宁煤矿以建设世界领先的现代化高产高效煤矿为目标，采用了美国JOY公司的大功率采煤机、德国DBT公司的液压支架和澳大利亚VLD-1000系列深孔定向千米钻机实施煤层瓦斯抽放等世界先进技术和生产设备，使其在技术水平和企业转型等方面均处于当时国内甚至世界领先地位。该企业始终坚持引进和吸收世界先进采矿技术和经营理念，聘请国外专业人员为员工进行培训，以提升员工的知识结构和操作能力。
同时引进了外籍管理人员8人，其中包括高级管理人员1人；引进中级岗位管理人员12人，一般管理及技术岗位人员引进比例占员工总数的23%。这在以往山西省的能源合作中是较为少见的。尽管如此，传统化石能源相关的技术合作仍然是山西省能源技术合作中的重要组成部分，在2009-2012年山西省开展的重点能源技术国际合作项目中，煤炭相关领域的合作仍占到了40%以上。
但是，合作内容正在向清洁、高效利用方向变化，技术合作深度和广度均有所提高。首先，签署大批能源治理长期合作协议。在能源投资合作和能源技术合作的带动下，这一阶段山西与省外的能源治理合作获得了长足的发展，签署了一批战略合作协议，能源治理合作不仅在数量上明显增加，在质量和合作档次上也得到了明显提高。
2004年中欧环境管理合作计划在山西启动。2005、2006年山西焦煤分别与安阳钢铁集团和唐山钢铁股份有限公司签署中长期战略合作协议，以确保形成长期稳定合作关系，在各自的企业管理、煤炭使用技术、化工、钢铁及煤炭市场、行业动态等方面进行广泛交流，同时在国家法律允许的范围内，对投资和拓展融资渠道方面的合作进行探讨。
2005年开始的中国科学院山西煤化所与美国太平洋西北国家实验室的合作交流，不仅成为山西重要的能源技术合作项目，还为山西今后开展深度能源治理合作提供了范本。2007年中国石油天然气股份公司华北油田分公司与山西能源产业集团建立了合作关系，共同开发山西省的煤层气资源。同时，在维护矿权和改善矿区所在区域能源治理局面混乱等方面均有重要的意义，为山西此后的煤层气开发治理提供了宝贵的经验。
2008年山西省分别与山东、河北、湖南签署间经济领域战略合作框架协议，全面加强山西与三省间在能源输出、项目合作开发、煤层气、煤化工及特高压输电等领域的交流与合作。2009年山西能源交通公司与华电集团签署了战略合作协议，涉及新能源发电、能源物流等项目。
其次，尝试开展多国能源企业治理合作。2007年12月，经国家和山西省批准，山西国际能源集团和韩国电力公社、德意志银行两个世界500强企业以及日本电源开发株式会社、中国电力株式会社共同出资组建中外大型合资能源企业——格盟国际能源有限公司。该企业在日后山西传统能源的清洁、高效利用和新能源开发利用等方面为山西做出了巨大的贡献，成为山西资源型经济转型过程中的重点贡献企业。
最后，长期能源治理合作开展不足。受宏观政策影响，2009年以后山西省参与的能源治理合作更为频繁，合作对象较为广泛，既有国内相关部门、地方、中央能源企业、高校与科研院所等，也有国外地方等，但仍以对内合作为主，签订长期合作协议的大多是国内外能源企业，与各级和科研院所间的合作体现出偶发性和行政分派性特点，即使在企业间，实质性能源治理活动的稳定开展也仍有不足。
此外，能源治理合作的能源种类主要集中于传统优势产业——煤炭、电力等方面，到2012年开始逐渐出现新能源产业方面的能源治理合作活动。由2009-2012年山西省能源投资合作、能源技术合作和能源治理合作开展情况可以看出，在能源利用趋势和政策约束的影响下，能源需求结构发生了质的变化，能源投资合作逐渐由传统能源转向新能源和可再生能源。
但是，可再生能源和新能源产业的一些技术瓶颈尚未突破，新能源产品的供给尚无法满足市场需求。同时，传统能源产业发展中暴露出的技术和管理治理手段落后的问题也制约了传统能源行业和资源型经济的发展，因而，在这一阶段，传统资源型省份参与的能源技术合作和能源治理合作大多是围绕传统能源产业的技术更新、治理效能和提质增效等开展的，这符合资源型省份在这一阶段的现实要求。
通过全文能源合作开展情况的梳理，可以看出，本阶段山西省能源合作的规模和质量全面提升，在能源贸易合作和能源投资合作为主基础上，能源技术合作也大量出现，能源合作在类型上进一步演进。由机理分析和实证检验可知，能源技术合作的出现，不仅能进一步优化资源型经济的产业结构，也必将整体提升要素的生产效率，产生溢出作用。
由于能源技术合作大量出现，且质量显著提高，在垂直层面的均衡效应会大大削弱能源贸易合作和能源投资合作产生的极化效应，同时，本阶段能源贸易规模的下降及能源投资合作质量的提高都将弱化能源要素的主体地位，具体表现如下。
首先，收入效应不降反增。尽管这一阶段受到煤炭出口和能源外调量两次下降的影响，山西能源产业的收入仍然明显提高。这与能源贸易合作结构调整关系密切。如前文所述，尽管能源合作量远远低于煤炭，但是焦炭、洗煤、电力等二次能源的贸易合作仍然保持了稳步上升趋势。虽然在绝对量上，二次能源远不及原煤的贸易量，但是二次能源的附加值相对较高，因此收入效应增加明显。
