開篇語
作為世界上最大的發(fā)展中國家、能源消費國，“雙碳”目標對我國能源高質(zhì)量發(fā)展提出了更高要求，如何在國家能源安全得到有效保障的前提下，尋求更具韌性、包容性和可持續(xù)性的能源生產(chǎn)與消費方式，是實現(xiàn)“雙碳”目標的關(guān)鍵。
中國的科學(xué)家團體正在貢獻智慧，為“雙碳”助力。新型清潔能源開發(fā)技術(shù)、儲能技術(shù)、化石能源的清潔使用技術(shù)……這些科技創(chuàng)新技術(shù)正在一點點改變我們的生活，給“雙碳”繪上了綠色的底色。
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(xué)技術(shù)大學(xué)校長包信和院士。
專家介紹
包信和
研究員，現(xiàn)任中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)校長。2009年當選為中國科學(xué)院院士；2011年當選為發(fā)展中國家科學(xué)院院士；2016年當選為英國皇家化學(xué)會榮譽會士。包信和長期從事新型催化材料的創(chuàng)制和能源清潔高效轉(zhuǎn)化過程的研發(fā)，在催化基礎(chǔ)理論的發(fā)展和新催化劑開發(fā)、應(yīng)用等方面取得了重要研究成果。包信和院士帶領(lǐng)團隊在催化基礎(chǔ)研究和應(yīng)用領(lǐng)域耕耘20余載，提出了"納米限域催化"等新概念，榮獲2020年度國家自然科學(xué)獎一等獎。
（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。
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(xué)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。
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(fēng)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(fēng)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)。
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(fēng)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?？傮w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。
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(xué)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(xué)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(fù)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。
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(xué)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。”這句話體現(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)ソ涣鳎覀冊敿氈v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。
來源：科學(xué)大院
