新技术助力能源更清洁更低碳

　　 碳中和，是指人类活动排放的二氧化碳被人为作用和自然过程所吸收。研究显示，当前全球每年排放约400亿吨二氧化碳，其中14%来自土地利用，86%源于化石燃料利用。这意味着，实现碳中和，必须变革以化石能源为主导的能源体系，构建以风、光、水、核等为主体的非碳能源新结构。
　　碳中和硬约束下，并非摒弃化石能源。为降低化石能源使用过程中的碳排放，科研人员正在探索清洁化利用技术。同时，在交通、工业等领域，研究用氢能、电能等替代化石能源，多管齐下，支撑减排降碳。
　　化石能源清洁利用
　　既获得化学品，又尽量少排放二氧化碳
　　据统计，我国一次能源消费中，非碳能源只占15%，另外85%主要是煤、油、气。其中，煤炭在一次能源消费中占比接近60%。
　　近年来，煤炭占我国一次能源消费的比重持续下降，但未来一段时间内，煤炭在能源结构中依旧重要。在此情况下，有必要研究煤炭清洁利用，减少二氧化碳排放，煤化工被认为是一条路径。
　　中科院院士、中国科技大学校长包信和介绍，现阶段，我国煤炭有两种主流利用方式，一是大量作为能源，直接燃烧发电；二是作为原料，通过煤化工等手段，制备化学品。我国对化学品需求量很大，又不可能像国外一样，完全依赖石油化工来生产，因此，利用煤炭转化制备化学品比较现实、可靠。
　　以煤为原料制备化学品，离不开碳、氢、氧三个元素的反应变换。因此，煤的结构及反应过程，决定其燃烧一定会产生二氧化碳。据测算，燃烧1吨煤大约排放3吨二氧化碳，且煤化工项目往往又是用水大户，煤气化、合成及后续产品纯化、分离等环节，均离不开水。
　　有没有一种方法，既能实现煤转化的目的，又不用排放大量二氧化碳？朝着这个方向，科学家正在探索新的化学反应方式。
　　包信和解释，石油化工通过催化、蒸馏、裂解等方式，把大分子变成小分子，从而得到烯烃、芳烃等产品。这一过程就不需要很多水，也不会过多排放二氧化碳，即可将油分子＂吃干榨净＂。从分子式结构来看，煤和油的差别不大，区别主要在反应过程。如果能换一种方式实现煤转化，即将煤中的大分子像石油炼制一样直接＂剪开＂，也可以在少用水、少排放碳的同时，拿到所需的产品。
　　化石能源对一个国家来说，是珍贵的资源，但直接燃烧，二氧化碳的排放量比较大。科学家正在努力，把化石能源更多当原材料来利用，从而加工成产品。
　　比如，＂吃干榨净＂石油，科研人员创新了比较精准的炼油方法，一些＂分子炼油＂技术大大提高了石油资源的利用效率。有专家设想，未来80%的原油可以变成烯烃、芳烃，进而生产合成塑料、橡胶、纤维等材料，作为工业生产化学原料，减少石油的直接燃烧。
　　推动氢能规模应用
　　研究高效、便利、低成本获取＂绿氢＂的途径
　　＂精准剪接＂煤分子，完成煤炭清洁利用，实现这一构想离不开先进、高效的催化剂，同时还要摒弃传统的氧助气化过程，有＂绿氢＂的帮助才能做到。
　　氢气在自然界不存在，需要人工获取，还要储存、转换和应用。所谓＂绿氢＂，是指通过风能、光能等可再生能源发电，再用清洁的电力分解水制备出的氢气。这被认为是未来获取氢能的主要方式。但电解水制氢的成本比较高，全球每年消耗的5000万吨左右氢气中，仅有4%来自电解水，而且所用电能也非全部来自可再生能源。大多数氢气来自化石能源，其中又以煤制氢价格最便宜。但以煤制氢，又免不了排放二氧化碳。
　　科研人员正在开发高效、便利、低成本获取＂绿氢＂的途径。比如，发展大规模、低能耗、高稳定性的电解水制氢新技术，通过材料和过程的创新降低能耗和成本等。专家认为，如果人们能够比较经济地获得＂绿氢＂，未来就能形成一条比较完善的氢能产业链，推动氢能在各个行业的应用，最终甚至会形成一套独立于石油天然气和电力的新体系。
　　氢气的价值远不止助力煤炭清洁利用。包信和认为，氢能利用效率高、无污染，还能与多种能源耦合，可以说是实现碳中和目标的关键。当今能源体系是由化石能源产生电力、液体燃料，再到达最终用户。在未来能源构架中，氢能将与电力一起居于核心位置，为终端用户供能。
　　在能量释放效率上，氢燃料电池技术比内燃机更高，氢气有潜力取代汽油，在交通领域有广阔的应用前景。又如，传统的炼钢方式，主要通过焦炭燃烧提供还原反应所需要的热量，并产生还原剂一氧化碳，将铁矿石还原得到铁，再把铁炼成钢，整个过程会产生大量的二氧化碳；氢能炼钢则利用氢气替代一氧化碳做还原剂，其还原产物为水，从而极大降低炼钢的二氧化碳排放。＂以氢代煤＂有望引领钢铁行业绿色转型。
　　氢能要想大规模使用，除了需降低制备成本外，储存和输运也是必须克服的难题。针对这一痛点，我国科研人员探索＂液态阳光甲醇＂技术路线，即将＂绿氢＂与二氧化碳结合制成液态甲醇。将太阳能等可再生能源储存在甲醇中，提供了一条可再生能源储存和输运的新模式。这样不仅可以解决氢气储运问题，还能中和二氧化碳。此外，甲醇使用后分解得到的二氧化碳和水，又是下一轮循环的载体。
　　中科院院士、中国科学院大连化学物理研究所太阳能研究部部长李灿介绍，经过多年攻关，我国完成了全球首套直接利用太阳能＂液态阳光甲醇＂合成技术的规模化示范工程，正在推广10万吨级＂液态阳光甲醇＂合成技术的工业化应用。
　　支撑可再生能源并网
　　探索大容量、安全、稳定的储能技术
　　我国太阳能资源十分丰富。据专家测算，在我国有条件的农村屋顶都装上光伏，初步估计将有20亿千瓦的安装容量。这意味着一年能发电3万亿千瓦时，占到未来全国总电力需求的20%左右。
　　实现碳中和，必须构建以风、光、水等为主体的非碳能源新结构。然而，风、光等为代表的可再生能源，有发电波动性和间歇性等短板，如果规模化并网，会影响电网稳定运行。为支撑大规模并网，可再生能源必须与有效的储能结合起来。作为能源存储转换的关键，储能系统能够提高多元能源系统的安全性、灵活性和可调性。
　　专家介绍，在电源侧，储能技术可联合火电机组调峰调频、平抑新能源出力波动；在电网侧，储能技术可支撑电网调峰调频，在系统发生故障或异常时，保障电网运行安全；在用户侧，储能技术可实现用户冷热电气等方面综合供应。
　　目前，大规模储能技术也存在一些缺陷。除了成本比较高之外，安全也是储能产业的瓶颈。针对这些痛点，科技界和产业界正在探索大容量、安全、稳定的储能技术。比如，在储能材料上，朝着低成本、高储能密度、高循环稳定性、长周期存储的方向发展；在储能装置上，正从关注单体设备效率、成本，转向满足差异性需求的高品质供能、储用协调方向。
　　业内专家表示，近年来，各种新型储能技术不断有突破，且尝试了一些场景实现示范应用，包括氢储能技术、电磁储能和飞轮储能等等。储能技术路线不同，适合的场景也不一样，未来还需进一步研究，综合考虑技术成熟度与场景匹配度。
　　中国工程院院士杜祥琬表示，从碳达峰走向碳中和，发达国家一般要用45年至70年，我国仅预留了30年时间，困难更大，富有挑战性，但也是一个发展的机遇。
　　＂‘碳中和’将是一次经济社会的大转型，是一场涉及广泛领域的大变革，谁在技术上走在前面，谁将在未来国际竞争中取得优势。＂中科院院士丁仲礼表示，我国需要积极研究与谋划，谋定而动，系统布局，力争以技术上的先进性获得产业上的主导权。