中國科學(xué)院院士包信和：能源大變革帶來產(chǎn)業(yè)新機遇

　　□實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)，我國產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和能源結(jié)構(gòu)變革是關(guān)鍵?；谖覈茉唇Y(jié)構(gòu)特征及行業(yè)發(fā)展趨勢，發(fā)展可再生能源、加快電氣化進程成為必由之路

　　□第四次能源革命，其關(guān)鍵在于材料科學(xué)和制造技術(shù)的進步和突破。在電力端，加快發(fā)展低碳和非碳能源;在消費端，能電則電、能氫則氫;在固碳端，發(fā)展負碳技術(shù)

　　□從能效提高的角度來看，太陽能未來的發(fā)展趨勢必然是疊層

　　近日，中國科學(xué)院院士包信和做客上海證券報主辦的第六期“上證·院士說”，發(fā)表題為《應(yīng)對“雙碳”目標(biāo)的產(chǎn)業(yè)變革邏輯和技術(shù)需求》的主旨演講，并接受了上海證券報記者專訪。包信和認為，在“雙碳”背景下，能源大變革對技術(shù)和設(shè)備帶來新需求，必將催生產(chǎn)業(yè)新機遇。

　　發(fā)展可再生能源 加快電氣化進程

　　雖然有不同的聲音，但二氧化碳排放對溫室效應(yīng)會產(chǎn)生影響已成為全球共識。同時，近年來，典型的非二氧化碳氣體甲烷的減排也越來越受到全球關(guān)注。

　　與歐美相比，我國實現(xiàn)碳中和是一場硬仗。“從底層邏輯來看，‘雙碳’不是別人讓我們做的，而是我們內(nèi)生的需求，是破解資源環(huán)境約束突出問題、推動經(jīng)濟結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型升級、實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的迫切需要。”包信和認為，實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)，我國產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和能源結(jié)構(gòu)變革是關(guān)鍵。堅持先立后破，調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，降低能源強度是必經(jīng)之路。

　　基于我國能源結(jié)構(gòu)特征及行業(yè)發(fā)展趨勢，發(fā)展可再生能源、加快電氣化進程成為必由之路。包信和解釋稱，即便到2050年，預(yù)估仍將有大約40%的領(lǐng)域不能實現(xiàn)電氣化替代。在此情景下，氫能替代傳統(tǒng)的碳基化石能源可以作為重要的補充。

　　就像電能一樣，氫能屬于二次能源。目前，全球大約95%的氫能來自煤、油、氣等化石能源，由于這些過程會排放大量二氧化碳，通常被稱為灰氫。把過程中產(chǎn)生的二氧化碳捕集和處理掉(如CCS等)，所得的氫能被稱為藍氫。通過可再生能源制氫，則所得的氫能被稱為綠氫。

　　包信和認為，從環(huán)保清潔角度來看，綠氫是發(fā)展的必然，而綠氫的關(guān)鍵是可再生能源的獲得和氫制備。

　　包信和總結(jié)了第四次能源革命的三大特征：能源資源從化石能源向可再生能源轉(zhuǎn)變;能源結(jié)構(gòu)從高碳向低碳和無碳轉(zhuǎn)變;能源產(chǎn)業(yè)由資源屬性向制造屬性轉(zhuǎn)變。

　　“‘雙碳’目標(biāo)下的新一輪能源革命是新興產(chǎn)業(yè)的機遇。”包信和認為，第四次能源革命，其關(guān)鍵在于材料科學(xué)和制造技術(shù)的進步和突破。在電力端，加快發(fā)展低碳和非碳能源;在消費端，能電則電、能氫則氫;在固碳端，發(fā)展負碳技術(shù)。

　　包信和分析了近期我國實現(xiàn)碳中和的途徑：化石能源是保障，可再生能源是核心，氫能技術(shù)是關(guān)鍵，CCS、CCUS等負碳技術(shù)可以作為兜底。

　　疊層技術(shù)是太陽能提效的重要路徑

　　包信和認為，可再生能源將成為我國未來能源的主體，太陽能將在未來可再生能源規(guī)模化利用中占有重要位置。從能效提高的角度來看，太陽能未來的發(fā)展趨勢必然是疊層。

　　包信和介紹，現(xiàn)有理論表明，晶硅有其效率轉(zhuǎn)化的極限，大約在30%;通過疊加新材料，太陽能發(fā)電效率可進一步提升，實現(xiàn)太陽光能分級利用和“吃光榨盡”。在太空中應(yīng)用的太陽能電池已可疊到5層、6層，轉(zhuǎn)化效率可超過36%，目前由于成本太高，不適合民用。

　　近年來，鈣鈦礦技術(shù)發(fā)展很快。根據(jù)已有報道，目前晶硅-鈣鈦礦疊層電池效率可達到33.7%。包信和認為，鈣鈦礦有廣闊的發(fā)展前景，也是市場關(guān)注熱點。但當(dāng)下鈣鈦礦在穩(wěn)定性、放大特性、環(huán)保等方面仍存在很大挑戰(zhàn)。

　　3C-SiC是受關(guān)注的下一代光伏電池材料，理論研究認為，它應(yīng)該展現(xiàn)出良好的光電特性。包信和介紹，如果實現(xiàn)理論預(yù)計的寬帶中間態(tài)太陽電池的開發(fā)，其轉(zhuǎn)換效率有望超過60%。但目前尚未實現(xiàn)突破，現(xiàn)有轉(zhuǎn)換效率只有百分之十幾。

　　關(guān)于高效太陽能電池的發(fā)展趨勢，包信和認為，目前來看，疊層的方向是明確的。多種光電半導(dǎo)體材料如何高性能疊合、寬禁帶半導(dǎo)體材料能不能制備出來，還需要大量研究。此外，為了實現(xiàn)全光譜的轉(zhuǎn)化，窄禁帶半導(dǎo)體材料、量子點也值得關(guān)注。

　　氫能技術(shù)突破任重道遠

　　氫能，被各界寄予厚望。近年來，電解水制氫技術(shù)逐步成熟，但不同的技術(shù)路線發(fā)展程度存在差異。

　　包信和介紹，目前最為成熟的堿性電解器其電解效率在75%左右，缺點在于效率偏低，且堿液對環(huán)境有污染風(fēng)險。相比堿性電解器，在特定應(yīng)用場景(如車規(guī)級氫能、波動性可再生能源)中，質(zhì)子交換膜電解器(PEM)優(yōu)勢日漸明顯，其電解效率可達80%左右。國際上許多新建項目已開始選用PEM電解槽，其市場滲透率預(yù)期會逐步擴大。其挑戰(zhàn)在于需要用到貴金屬催化劑和高價的質(zhì)子傳導(dǎo)膜，投資較高。

　　陰離子交換膜(AEM)和固體氧化物(SOEC)作為新興技術(shù)潛力巨大，也是國際研發(fā)的重點。但前者在規(guī)模量產(chǎn)前在離子傳導(dǎo)膜的長期穩(wěn)定性、設(shè)備的耐久性和制造工藝上還有待提升，后者目前處在基礎(chǔ)材料研發(fā)和完善階段，還有大量的研究工作要做。

　　包信和介紹，作為最新的電解水技術(shù)，AEM電解槽的潛力在于將堿性電解槽的低成本與PEM的簡單、高效相結(jié)合。該技術(shù)能使用非貴金屬催化劑、無鈦部件，并和PEM一樣能在壓差下運行。但目前，AEM存在化學(xué)、機械穩(wěn)定性的問題，影響壽命曲線。

　　現(xiàn)有的固體氧化物(SOEC)電解槽一般都在高溫(700—800攝氏度)下運行，動力學(xué)上的優(yōu)勢使其可使用廉價的鎳電極。如利用工業(yè)生產(chǎn)中的高品質(zhì)余熱，假設(shè)條件是能源輸入為75%電能和25%水蒸氣中的熱能，預(yù)計SOEC的系統(tǒng)效率近期內(nèi)有望達到85%，理想條件下可達到90%。

　　SOEC電解槽進料為水蒸氣，若添加二氧化碳后，則可生成合成氣，比如氫氣和一氧化碳的混合物;還可再進一步生產(chǎn)合成燃料，比如柴油、航空燃油。

　　包信和表示，耐久性是SOEC目前遇到的重要問題。熱化學(xué)循環(huán)，特別是系統(tǒng)停、啟時都會加速老化，降低使用壽命。提升SOEC的性能、耐久性和降低操作溫度是目前歐美研發(fā)的重點。

　　包信和介紹，采用目前的技術(shù)，要制一公斤氫，如果用堿性方法，大概需要50度電;質(zhì)子膜方法，大約也需要47—48度電;SOEC大約需要37—38度電，要求水蒸氣溫度150—180攝氏度。

　　電解水制氫技術(shù)的發(fā)展前景，有兩個關(guān)鍵影響因素：一是設(shè)備投資;二是電價。從投資角度來看，電解水制氫投資前景如何?不包括氧氣應(yīng)用和碳價，包信和分享了一種估算方法：電價(元)×50+5元(設(shè)備折舊)+利潤，三者之和大約是每公斤氫的價格。

　　包信和介紹，目前化石能源制氫成本大約一公斤10元—15元;到2050年，電解水制氫成本大約能降到12元—13元。如果考慮到碳稅等環(huán)保因素，電解水制氫的經(jīng)濟性將更凸顯。

　　包信和院士是我國化學(xué)物理領(lǐng)域一位杰出的科學(xué)家，主要從事能源高效轉(zhuǎn)化相關(guān)的表面科學(xué)和催化化學(xué)基礎(chǔ)研究。

　　催化是化學(xué)的核心領(lǐng)域。在學(xué)術(shù)界，具體的催化過程、催化機理至今尚不明晰，長期以來被視為“黑匣子”。經(jīng)過20余年探索，包信和院士帶領(lǐng)團隊系統(tǒng)創(chuàng)建了具有廣泛意義的“納米限域催化”概念，該成果榮獲2020年度國家自然科學(xué)獎一等獎。(來源：上海證券報記者 劉雪 仲茜)