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包信和院士:煤炭如何迎來“第二春”

撰稿: 科學與中國 發(fā)布時間:2024-09-09

煤炭是我國能源結(jié)構(gòu)的中流砥柱。在實現(xiàn)“雙碳”目標過程中,能源結(jié)構(gòu)改革是非常重要的一個環(huán)節(jié)。在這個過程中,煤炭將扮演什么樣的角色?我國在煤炭轉(zhuǎn)化的研究中都取得了哪些關(guān)鍵的進展呢?為此,我們采訪了中國科學技術(shù)大學校長包信和院士。

(本文根據(jù)采訪內(nèi)容整理)

我們應(yīng)該如何理解“雙碳”?

問:您是如何理解碳達峰、碳中和這兩個概念的?

答:一個國家,特別是像中國這樣的發(fā)展中國家,發(fā)展過程中一定要進行工業(yè)生產(chǎn),而生產(chǎn)是需要使用大量能源的。目前我們使用的能源主要是化石能源,燃燒之后會產(chǎn)生二氧化碳,因此在能源使用過程中就要排放碳。近幾十年來,由于我國的經(jīng)濟一直在高速發(fā)展,所以能源的用量(包括碳的排放量)就一直在上升。所謂碳達峰,也就是希望我國盡快達到碳排放的最高值。我國現(xiàn)在希望在2030年以前實現(xiàn)碳達峰。

實現(xiàn)碳達峰之后,我們要采取各種方法,在減少二氧化碳排放的同時,增加對二氧化碳的處理,最終使每年碳的排放量能夠等于碳的自然吸收量加上處理掉的量,使二氧化碳的產(chǎn)生和清除達到平衡,這個平衡就叫做碳中和。

問:您認為我國要實現(xiàn)“雙碳”目標,最重要的難題是什么?

答:我國能源生產(chǎn)占據(jù)了碳排放的80%以上。所以,要想按期實現(xiàn)碳達峰和碳中和的目標,最需要關(guān)注的就是能源。有三個環(huán)節(jié)需要我們重點關(guān)注:首先是清潔能源的獲得環(huán)節(jié),也就是本身不會產(chǎn)生大量碳排放的能源;第二是能源的使用環(huán)節(jié),也就是研究如何在能源使用過程中減少碳排放;第三個環(huán)節(jié)就是排放環(huán)節(jié),如何在這個環(huán)節(jié)中將要排放的碳進行吸收、處理。

(圖片來源:veer圖庫)

問:通過節(jié)能減排就能夠?qū)崿F(xiàn)“雙碳”目標嗎?

答:這是一個誤區(qū)。國家要發(fā)展,要產(chǎn)生社會價值和GDP,一定需要能源,因此社會需要的能源肯定是增加的。節(jié)能減排可以幫助我們提高能效(產(chǎn)量一致的情況下能耗降低),但是不會改變社會能耗增加的事實。也就是說,雖然節(jié)能減排能降低碳的排放,但要同時實現(xiàn)社會的發(fā)展和“雙碳”目標,單靠節(jié)能減排是不夠的。

問:在實現(xiàn)“雙碳”目標過程中,科技怎樣給我們“賦能”?

答:科技賦能主要體現(xiàn)在兩個方面:新材料和新思路的提出,以及機制和原理的探索。

在新材料和新思路方面,例如,現(xiàn)在太陽能電池材料主要是用硅,但是有一種新思路,不是完全用硅,而用一種叫鈣鈦礦的材料。鈣鈦礦材料從被發(fā)現(xiàn)到應(yīng)用在太陽能轉(zhuǎn)換上,僅用了十年左右的時間,但它的效率已經(jīng)達到23%-25%,與硅材料有一定的可比性了。

那么這些材料為什么能夠?qū)⑻柲苻D(zhuǎn)化為電能呢?這就是科技賦能的另一個角色:機制和原理的探索。通過研究我們發(fā)現(xiàn),太陽光所攜帶的能量,能夠?qū)⑦@些材料中的電子激發(fā)出來,從而形成電流。太陽光中不同組分的能量是不同的,而不同材料中的電子被激發(fā)時,所需要的能量也是不同的。了解這個發(fā)電機制之后,很多科學家開始研究疊層太陽能電池,將硅和鈣鈦礦材料疊在一起,能夠充分利用光的不同組分,使光能轉(zhuǎn)換效率進一步提高。目前最好的疊層電池能夠?qū)崿F(xiàn)30%左右的轉(zhuǎn)換效率,比單獨材料制備的電池又要高出好多。

問:您認為我國實現(xiàn)“雙碳”目標主要面臨哪些困難和挑戰(zhàn)?

答:主要的壓力來自于兩點:首先,我國的碳排放量本來就很大;其次,我國有較高的經(jīng)濟發(fā)展需求。

我國的情況和西方國家不同。歐洲發(fā)達國家基本上在上世紀80年代就已經(jīng)實現(xiàn)了碳達峰,美國也在2005年左右實現(xiàn)了碳達峰。這些國家承諾在2050年實現(xiàn)碳中和,也就意味著他們有較長的時間來妥善安排進程。而且,發(fā)達國家的經(jīng)濟增速已經(jīng)放緩,對能源的需求增速也不會有較大增量。

但是,現(xiàn)階段我國的人均GDP與西方國家相比還有較大差距,經(jīng)濟發(fā)展的速度仍然較快,能源需求還會進一步的增長,目前還沒有實現(xiàn)碳達峰;在這一情況下,還需要同時考慮實現(xiàn)碳中和的問題。即便我們承諾2060年實現(xiàn)碳中和,留給我們的時間與西方國家相比,也少了很多,主要的壓力也是來源于此。

提出碳達峰和碳中和概念時,美國跟歐洲的人均GDP達到了2.5萬美元左右,而我國是1萬美元左右,就好比一個青春期的孩子正是需要大量營養(yǎng)來長身體的時候,突然被限制了吃飯的量,這是一個比較大的挑戰(zhàn)。我們只能通過改善“飲食”結(jié)構(gòu),在飯量不增加的情況下也能獲得充足的營養(yǎng),這個轉(zhuǎn)變是非常困難的,這也是另一個壓力的來源。

(圖片來源:veer圖庫)

問:實現(xiàn)“雙碳”目標,我國有哪些優(yōu)勢?

答:首先,在新能源的生產(chǎn)方面,我們的太陽能、風能和水能發(fā)電裝機容量都在世界前列;而很多新能源生產(chǎn)所需要的設(shè)備和材料也都是來自中國,這些都是我們在清潔能源生產(chǎn)方面的先發(fā)優(yōu)勢。

其次,中國幅員遼闊,能量資源豐富,這也是我國發(fā)展清潔能源的一個優(yōu)勢。因為無論是發(fā)展風能還是太陽能、甚至水能,都需要較大的場地,我國中西部地區(qū)的廣闊土地會成為新能源未來發(fā)展的大舞臺。

第三,在輿論層面和文化層面上,中國的大眾/公眾也是比較接受可再生能源的。一個新概念、新事物,如果不能得到大家的認可,也就無法大范圍地推廣了。

另外,近年來,我國在科技發(fā)展上的投入非常大。前面我們提到“雙碳”目標的實現(xiàn)需要科技賦能,所以中國在新能源科技的各個方面都有非常大的投入,也掌握了一些世界領(lǐng)先的技術(shù)。

(圖片來源:veer圖庫)

問:您心目中的能源夢是什么樣的,能談一下嗎?

答:首先是能源安全得到保障。像現(xiàn)在俄烏沖突以后,歐洲在能源上面臨的危機就很有警示意義。所以我的能源夢首要一點就是要有能源可用,要讓我們的國家在能源上實現(xiàn)安全、自立、自主,這是我們科技工作者希望能夠給國家做的貢獻。

第二,希望能源的生產(chǎn)和使用過程當中能夠?qū)ι鷳B(tài)環(huán)境友好。因為人類世世代代生活在地球上,當然也包括我們子孫后代,在我們的發(fā)展過程當中,不能因為能源的使用給子孫后代留下隱患。

第三,就是能夠讓能源的獲取更加便利、更加便宜。未來如果聚變能能夠突破,那么從某種意義上來說,人類就可以源源不斷地獲取廉價的清潔能源了,這也是我能源夢中的圖景。

煤炭如何迎來“第二春”?

問:煤炭是一種非清潔能源,為什么我們還要使用和研究呢?

答:煤炭首要的特點是能量密度非常高,也就是說單位體積內(nèi)產(chǎn)生能量很多;相比之下,風能和太陽能的單位面積上產(chǎn)生的能量較小。我們的生產(chǎn)生活需要大量的能量,因此煤炭這一化石能源很有優(yōu)勢。

在化石燃料中,中國的煤儲量相對于石油和天然氣來說,還是比較高的。根據(jù)前幾年的資料,我們現(xiàn)在探明的煤儲量大概有1.5萬億噸,以我國現(xiàn)在每年開采40億噸左右的速度計算,再考慮開采和使用技術(shù)的發(fā)展,我國的儲量供應(yīng)三百年或者更長時間,應(yīng)該是沒有問題的。也就是說,從能源安全的角度來講,煤炭能源還是會在我國未來發(fā)展中扮演重要的角色,不是短時間內(nèi)就能棄用的。目前,煤在我國能源結(jié)構(gòu)的比重要占60%左右,所以即便煤可能有污染的問題,也不可能說不用就不用。

另外,現(xiàn)在我國的石油對外依存度達到了74%。萬一在運輸和貿(mào)易過程中發(fā)生一些意外,那么我國的石油安全就會產(chǎn)生問題。在這種情況下,我們希望能用自身比較豐富的煤炭資源作為石油的替代品。

最后一個因素是成本。總體來講,相對于新能源,煤炭的價格還是比較低的,在考慮經(jīng)濟效益的情況下,煤炭的使用還是主流。因此,在一段時間之內(nèi),煤的使用不可能被替代。

也正是由于煤炭不可替代性,對煤炭的研究就變得非常重要。在“雙碳”目標的實現(xiàn)過程中,在我們找到比煤炭更加優(yōu)秀的替代品之前,不能先否定煤炭,而是要用科技手段將煤炭的使用變得綠色化,實現(xiàn)清潔、低碳、高效。

(圖片來源:veer圖庫)

問:從化工角度來講,煤還有哪些價值呢?

答:把煤轉(zhuǎn)化成其它化學品,包括與石油類似的液體燃料,也是一個比較重要的方向。

液體燃料是我國比較缺乏的資源。在很早之前,中國就把煤轉(zhuǎn)化列為一項戰(zhàn)略技術(shù),以防備極端情況下的石油斷供問題。把煤炭轉(zhuǎn)化為液體燃料,與目前的國際油價相比是不經(jīng)濟的,因此不適合大規(guī)模生產(chǎn),其價值主要體現(xiàn)在其戰(zhàn)略性上。

但是經(jīng)過多年努力以后,通過探索和改善,我們發(fā)現(xiàn)煤的轉(zhuǎn)化不只是一個戰(zhàn)略儲備性的技術(shù),在某些層面上也能夠?qū)崿F(xiàn)經(jīng)濟效益。例如劉中民院士的研究(把煤通過甲醇變成烯烴的技術(shù)),在經(jīng)濟上已經(jīng)可行了,也就是說用煤炭來生產(chǎn)烯烴是可以賺錢的,那么就可以大力發(fā)展了。

煤炭轉(zhuǎn)化——超級變變變!

問:煤如何直接制低碳烯烴?相關(guān)研究與“雙碳”有何關(guān)系?

答:出于國家戰(zhàn)略的需要,一戰(zhàn)后德國就有人開始研究把煤轉(zhuǎn)化成液體燃料或者其他化學品。因為德國的石油資源也不多,但是煤炭儲量還可以。所以德國人把煤經(jīng)過汽化,再用催化的方法轉(zhuǎn)化成油(低碳烯烴)。

從現(xiàn)在的視角來看,這個方法有一些問題。首先,煤炭中的氫含量相對于石油來說比較少,因此過程中需要消耗水來提供氫;而水中除了氫還含有氧,這些氧就會以二氧化碳的形式排放出來。據(jù)估算,以煤為原料生產(chǎn)一噸石油制品,需要消耗10噸左右的水,同時排放10噸左右的二氧化碳。所以,這種方法會消耗大量的水資源并產(chǎn)生大量碳排放,是不符合“雙碳”目標要求的。另外,這種方法產(chǎn)生出來的烯烴碳鏈長度非常復雜,需要經(jīng)過重新煉制才能夠獲得符合要求的產(chǎn)品。

在消耗水、碳排放和選擇性差這三個問題上,我們課題組的研究內(nèi)容主要指向其中的兩個。首先,我們的生產(chǎn)過程中可以做到不用水。第二,我們的工藝選擇性很強。例如,在篩選2個碳原子到4個碳原子的烯烴過程中,選擇性可以達到90%。

雖然從原理上來看沒有減少二氧化碳的排放,但是我們用一步就能實現(xiàn)原來要三步才能做成的過程,流程縮短了,也就降低了能耗,從而間接地實現(xiàn)了減排。

如果使用新能源技術(shù)產(chǎn)生的氫來代替水,那么就不需要排出氧,這樣從原理上就可以減少煤炭轉(zhuǎn)化過程中的二氧化碳排放了。因此,煤炭轉(zhuǎn)化的新技術(shù)如果能與氫能源技術(shù)的發(fā)展耦合起來,那么就可以進一步有助于實現(xiàn)“雙碳”目標。

(圖片來源:veer圖庫)

問:在煤的優(yōu)化利用方面,現(xiàn)在已經(jīng)有哪些有益的探索,您能給我們舉幾個例子嗎?

答:我們的努力方向有很多,主要圍繞如何在煤轉(zhuǎn)化過程當中降低二氧化碳的排放。

首先是將煤炭轉(zhuǎn)化為含氧的產(chǎn)品的研究,例如轉(zhuǎn)化為乙醇或者乙二醇,這樣就可以減少二氧化碳排放。另外,我們還進行了過程優(yōu)化方面的研究,通過提高效率的方式來降低二氧化碳排放。

另外,我們也探究新的煤炭轉(zhuǎn)化機制。根據(jù)前面的介紹,煤的轉(zhuǎn)化過程需要先汽化,而現(xiàn)在的汽化方式是與氧氣反應(yīng)。由于引入了氧元素,后面需要以二氧化碳的形式將氧元素排掉。所以,要從根本上解決煤轉(zhuǎn)化過程二氧化碳的排放問題,就需要在煤轉(zhuǎn)化過程中不使用氧氣。我們現(xiàn)在與中科大合作,通過高溫等離子體加熱的方法使煤炭直接發(fā)生轉(zhuǎn)化,不需要使用氧氣,就不排放二氧化碳了。

我們也有研究組在碳處理方面取得了不錯的進展,例如將二氧化碳與氫或者甲烷直接進行反應(yīng),生成化學品,效率非常高。只要能解決好產(chǎn)量放大的問題,就可以在碳中和過程中發(fā)揮作用。

“輪到我們中國人想點事情做了”

問:根據(jù)報道,您之前在和外國交流的過程中曾經(jīng)提到過:“你們已經(jīng)想出來的已經(jīng)很多了,現(xiàn)在也該輪到我們中國人想點事情做了?!边@句話體現(xiàn)了我國科研工作者的自信。您認為這份自信的來源是什么?

答:說這句話的時候,是歐洲某家大型跨國公司請我們?nèi)ソ涣?,我們詳細講了我們煤經(jīng)合成氣轉(zhuǎn)化的工作,如何實現(xiàn)一步轉(zhuǎn)化。對方其實也一直在做類似的工作,但是沒有想到這一點,他們感到很懊惱。我就說了那句話。

我想,這個自信是一種基于事實的、發(fā)自內(nèi)心的一種確信,是經(jīng)過很多事實論證以后,確信我們的成果比他人的好。

中國現(xiàn)在有很多方面已經(jīng)走在外國前面了,但是不能盲目自信。盲目自信可能是因為我們對別人不了解,或者把我們單個進展的領(lǐng)先夸大成整個系統(tǒng)上的領(lǐng)先,這是不對的。

我認為我們一定要自立自強,要有自信,但是我們的自信要基于事實,不要因一個小的突破而沾沾自喜,而是要著眼于最終的整體成果。只要能做出一些大家公認的成果,就可以贏得別人對我們的尊重和認可,這才是自信的真正來源。

轉(zhuǎn)載自:科學與中國

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