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包信和院士:煤炭如何迎来“第二春” | 双碳之路无限可能 煤的形成

开篇语:作为世界上最大的发展中国家、能源消费国,“双碳”目标对我国能源高质量发展提出了更高要求,如何在国家能源安全得到有效保障的前提下,寻求更具韧性、包容性和可持续性的能源生产与消费方式,是实现“双碳”目标的关键。

中国的科学家团体正在贡献智慧,为“双碳”助力。新型清洁能源开发技术、储能技术、化石能源的清洁使用技术……这些科技创新技术正在一点点改变我们的生活,给“双碳”绘上了绿色的底色。

煤炭是我国能源结构的中流砥柱。在实现“双碳”目标过程中,能源结构改革是非常重要的一个环节。在这个过程中,煤炭将扮演什么样的角色?我国在煤炭转化的研究中都取得了哪些关键的进展呢?为此,我们采访了中国科学技术大学校长包信和院士。

专家介绍

包信和

研究员,现任中国科学技术大学校长。2009年当选为中国科学院院士;2011年当选为发展中国家科学院院士;2016年当选为英国皇家化学会荣誉会士。包信和长期从事新型催化材料的创制和能源清洁高效转化过程的研发,在催化基础理论的发展和新催化剂开发、应用等方面取得了重要研究成果。包信和院士带领团队在催化基础研究和应用领域耕耘20余载,提出了"纳米限域催化"等新概念,荣获2020年度国家自然科学奖一等奖。

(图片来源:veer图库)

(本文根据采访内容整理)

我们应该如何理解“双碳”?

您是如何理解碳达峰、碳中和这两个概念的?

:一个国家,特别是像中国这样的发展中国家,发展过程中一定要进行工业生产,而生产是需要使用大量能源的。目前我们使用的能源主要是化石能源,燃烧之后会产生二氧化碳,因此在能源使用过程中就要排放碳。近几十年来,由于我国的经济一直在高速发展,所以能源的用量(包括碳的排放量)就一直在上升。所谓碳达峰,也就是希望我国尽快达到碳排放的最高值。我国现在希望在2030年以前实现碳达峰。

实现碳达峰之后,我们要采取各种方法,在减少二氧化碳排放的同时,增加对二氧化碳的处理,最终使每年碳的排放量能够等于碳的自然吸收量加上处理掉的量,使二氧化碳的产生和清除达到平衡,这个平衡就叫做碳中和。

您认为我国要实现“双碳”目标,最重要的难题是什么?

:我国能源生产占据了碳排放的80%以上。所以,要想按期实现碳达峰和碳中和的目标,最需要关注的就是能源。有三个环节需要我们重点关注:首先是清洁能源的获得环节,也就是本身不会产生大量碳排放的能源;第二是能源的使用环节,也就是研究如何在能源使用过程中减少碳排放;第三个环节就是排放环节,如何在这个环节中将要排放的碳进行吸收、处理。

(图片来源:veer图库)

通过节能减排就能够实现“双碳”目标吗?

:这是一个误区。国家要发展,要产生社会价值和GDP,一定需要能源,因此社会需要的能源肯定是增加的。节能减排可以帮助我们提高能效(产量一致的情况下能耗降低),但是不会改变社会能耗增加的事实。也就是说,虽然节能减排能降低碳的排放,但要同时实现社会的发展和“双碳”目标,单靠节能减排是不够的

在实现“双碳”目标过程中,科技怎样给我们“赋能”?

:科技赋能主要体现在两个方面:新材料和新思路的提出,以及机制和原理的探索

在新材料和新思路方面,例如,现在太阳能电池材料主要是用硅,但是有一种新思路,不是完全用硅,而用一种叫钙钛矿的材料。钙钛矿材料从被发现到应用在太阳能转换上,仅用了十年左右的时间,但它的效率已经达到23%-25%,与硅材料有一定的可比性了。

那么这些材料为什么能够将太阳能转化为电能呢?这就是科技赋能的另一个角色:机制和原理的探索。通过研究我们发现,太阳光所携带的能量,能够将这些材料中的电子激发出来,从而形成电流。太阳光中不同组分的能量是不同的,而不同材料中的电子被激发时,所需要的能量也是不同的。了解这个发电机制之后,很多科学家开始研究叠层太阳能电池,将硅和钙钛矿材料叠在一起,能够充分利用光的不同组分,使光能转换效率进一步提高。目前最好的叠层电池能够实现30%左右的转换效率,比单独材料制备的电池又要高出好多。

您认为我国实现“双碳”目标主要面临哪些困难和挑战?

:主要的压力来自于两点:首先,我国的碳排放量本来就很大;其次,我国有较高的经济发展需求。

我国的情况和西方国家不同。欧洲发达国家基本上在上世纪80年代就已经实现了碳达峰,美国也在2005年左右实现了碳达峰。这些国家承诺在2050年实现碳中和,也就意味着他们有较长的时间来妥善安排进程。而且,发达国家的经济增速已经放缓,对能源的需求增速也不会有较大增量。

但是,现阶段我国的人均GDP与西方国家相比还有较大差距,经济发展的速度仍然较快,能源需求还会进一步的增长,目前还没有实现碳达峰;在这一情况下,还需要同时考虑实现碳中和的问题。即便我们承诺2060年实现碳中和,留给我们的时间与西方国家相比,也少了很多,主要的压力也是来源于此。

提出碳达峰和碳中和概念时,美国跟欧洲的人均GDP达到了2.5万美元左右,而我国是1万美元左右,就好比一个青春期的孩子正是需要大量营养来长身体的时候,突然被限制了吃饭的量,这是一个比较大的挑战。我们只能通过改善“饮食”结构,在饭量不增加的情况下也能获得充足的营养,这个转变是非常困难的,这也是另一个压力的来源。

(图片来源:veer图库)

实现“双碳”目标,我国有哪些优势?

:首先,在新能源的生产方面,我们的太阳能、风能和水能发电装机容量都在世界前列;而很多新能源生产所需要的设备和材料也都是来自中国,这些都是我们在清洁能源生产方面的先发优势。

其次,中国幅员辽阔,能量资源丰富,这也是我国发展清洁能源的一个优势。因为无论是发展风能还是太阳能、甚至水能,都需要较大的场地,我国中西部地区的广阔土地会成为新能源未来发展的大舞台。

第三,在舆论层面和文化层面上,中国的大众/公众也是比较接受可再生能源的。一个新概念、新事物,如果不能得到大家的认可,也就无法大范围地推广了。

另外,近年来,我国在科技发展上的投入非常大。前面我们提到“双碳”目标的实现需要科技赋能,所以中国在新能源科技的各个方面都有非常大的投入,也掌握了一些世界领先的技术。

(图片来源:veer图库)

您心目中的能源梦是什么样的,能谈一下吗?

首先是能源安全得到保障。像现在俄乌冲突以后,欧洲在能源上面临的危机就很有警示意义。所以我的能源梦首要一点就是要有能源可用,要让我们的国家在能源上实现安全、自立、自主,这是我们科技工作者希望能够给国家做的贡献。

第二,希望能源的生产和使用过程当中能够对生态环境友好。因为人类世世代代生活在地球上,当然也包括我们子孙后代,在我们的发展过程当中,不能因为能源的使用给子孙后代留下隐患。

第三,就是能够让能源的获取更加便利、更加便宜。未来如果聚变能能够突破,那么从某种意义上来说,人类就可以源源不断地获取廉价的清洁能源了,这也是我能源梦中的图景。

煤炭如何迎来“第二春”?

煤炭是一种非清洁能源,为什么我们还要使用和研究呢?

:煤炭首要的特点是能量密度非常高,也就是说单位体积内产生能量很多;相比之下,风能和太阳能的单位面积上产生的能量较小。我们的生产生活需要大量的能量,因此煤炭这一化石能源很有优势。

在化石燃料中,中国的煤储量相对于石油和天然气来说,还是比较高的。根据前几年的资料,我们现在探明的煤储量大概有1.5万亿吨,以我国现在每年开采40亿吨左右的速度计算,再考虑开采和使用技术的发展,我国的储量供应三百年或者更长时间,应该是没有问题的。也就是说,从能源安全的角度来讲,煤炭能源还是会在我国未来发展中扮演重要的角色,不是短时间内就能弃用的。目前,煤在我国能源结构的比重要占60%左右,所以即便煤可能有污染的问题,也不可能说不用就不用。

另外,现在我国的石油对外依存度达到了74%。万一在运输和贸易过程中发生一些意外,那么我国的石油安全就会产生问题。在这种情况下,我们希望能用自身比较丰富的煤炭资源作为石油的替代品

最后一个因素是成本。总体来讲,相对于新能源,煤炭的价格还是比较低的,在考虑经济效益的情况下,煤炭的使用还是主流。因此,在一段时间之内,煤的使用不可能被替代。

也正是由于煤炭不可替代性,对煤炭的研究就变得非常重要。在“双碳”目标的实现过程中,在我们找到比煤炭更加优秀的替代品之前,不能先否定煤炭,而是要用科技手段将煤炭的使用变得绿色化,实现清洁、低碳、高效。

(图片来源:veer图库)

从化工角度来讲,煤还有哪些价值呢?

:把煤转化成其它化学品,包括与石油类似的液体燃料,也是一个比较重要的方向。

液体燃料是我国比较缺乏的资源。在很早之前,中国就把煤转化列为一项战略技术,以防备极端情况下的石油断供问题。把煤炭转化为液体燃料,与目前的国际油价相比是不经济的,因此不适合大规模生产,其价值主要体现在其战略性上。

但是经过多年努力以后,通过探索和改善,我们发现煤的转化不只是一个战略储备性的技术,在某些层面上也能够实现经济效益。例如刘中民院士的研究(把煤通过甲醇变成烯烃的技术),在经济上已经可行了,也就是说用煤炭来生产烯烃是可以赚钱的,那么就可以大力发展了。

煤炭转化——超级变变变!

煤如何直接制低碳烯烃?相关研究与“双碳”有何关系?

:出于国家战略的需要,一战后德国就有人开始研究把煤转化成液体燃料或者其他化学品。因为德国的石油资源也不多,但是煤炭储量还可以。所以德国人把煤经过汽化,再用催化的方法转化成油(低碳烯烃)。

从现在的视角来看,这个方法有一些问题。首先,煤炭中的氢含量相对于石油来说比较少,因此过程中需要消耗水来提供氢;而水中除了氢还含有氧,这些氧就会以二氧化碳的形式排放出来。据估算,以煤为原料生产一吨石油制品,需要消耗10吨左右的水,同时排放10吨左右的二氧化碳。所以,这种方法会消耗大量的水资源并产生大量碳排放,是不符合“双碳”目标要求的。另外,这种方法产生出来的烯烃碳链长度非常复杂,需要经过重新炼制才能够获得符合要求的产品。

在消耗水、碳排放和选择性差这三个问题上,我们课题组的研究内容主要指向其中的两个。首先,我们的生产过程中可以做到不用水。第二,我们的工艺选择性很强。例如,在筛选2个碳原子到4个碳原子的烯烃过程中,选择性可以达到90%。

虽然从原理上来看没有减少二氧化碳的排放,但是我们用一步就能实现原来要三步才能做成的过程,流程缩短了,也就降低了能耗,从而间接地实现了减排。

如果使用新能源技术产生的氢来代替水,那么就不需要排出氧,这样从原理上就可以减少煤炭转化过程中的二氧化碳排放了。因此,煤炭转化的新技术如果能与氢能源技术的发展耦合起来,那么就可以进一步有助于实现“双碳”目标。

(图片来源:veer图库)

在煤的优化利用方面,现在已经有哪些有益的探索,您能给我们举几个例子吗?

:我们的努力方向有很多,主要围绕如何在煤转化过程当中降低二氧化碳的排放

首先是将煤炭转化为含氧的产品的研究,例如转化为乙醇或者乙二醇,这样就可以减少二氧化碳排放。另外,我们还进行了过程优化方面的研究,通过提高效率的方式来降低二氧化碳排放。

另外,我们也探究新的煤炭转化机制。根据前面的介绍,煤的转化过程需要先汽化,而现在的汽化方式是与氧气反应。由于引入了氧元素,后面需要以二氧化碳的形式将氧元素排掉。所以,要从根本上解决煤转化过程二氧化碳的排放问题,就需要在煤转化过程中不使用氧气。我们现在与中科大合作,通过高温等离子体加热的方法使煤炭直接发生转化,不需要使用氧气,就不排放二氧化碳了。

我们也有研究组在碳处理方面取得了不错的进展,例如将二氧化碳与氢或者甲烷直接进行反应,生成化学品,效率非常高。只要能解决好产量放大的问题,就可以在碳中和过程中发挥作用。

“轮到我们中国人想点事情做了”

根据报道,您之前在和外国交流的过程中曾经提到过:“你们已经想出来的已经很多了,现在也该轮到我们中国人想点事情做了。”这句话体现了我国科研工作者的自信。您认为这份自信的来源是什么?

:说这句话的时候,是欧洲某家大型跨国公司请我们去交流,我们详细讲了我们煤经合成气转化的工作,如何实现一步转化。对方其实也一直在做类似的工作,但是没有想到这一点,他们感到很懊恼。我就说了那句话。

我想,这个自信是一种基于事实的、发自内心的一种确信,是经过很多事实论证以后,确信我们的成果比他人的好。

中国现在有很多方面已经走在外国前面了,但是不能盲目自信。盲目自信可能是因为我们对别人不了解,或者把我们单个进展的领先夸大成整个系统上的领先,这是不对的。

我认为我们一定要自立自强,要有自信,但是我们的自信要基于事实,不要因一个小的突破而沾沾自喜,而是要着眼于最终的整体成果。只要能做出一些大家公认的成果,就可以赢得别人对我们的尊重和认可,这才是自信的真正来源。


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来源:科学大院

编辑:深浅

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