能源與人類社會(huì)

供稿|夏德宏，蔣濱繁

人類社會(huì)的每一次顛覆性進(jìn)步都與能源科技的突破性進(jìn)展息息相關(guān)：18世紀(jì)中期，以蒸汽機(jī)為代表的第一次工業(yè)革命促進(jìn)了近代城市化的興起；19世紀(jì)中期，以電氣為代表的第二次工業(yè)革命加強(qiáng)了全球合作貿(mào)易；20世紀(jì)中期，以原子能等為代表的新型能源形態(tài)催生了高度便利和高速發(fā)展的第三次工業(yè)革命和信息時(shí)代的來(lái)臨。粗略按照百年一變的社會(huì)發(fā)展周期，現(xiàn)在就是第三次信息科技革命的尾期和第四次科技革命的孕育期。

第四次工業(yè)革命是什么？雖尚無(wú)定論，但從科技發(fā)展規(guī)律來(lái)看，第四次工業(yè)革命一定是針對(duì)現(xiàn)有發(fā)展瓶頸的重大突破，并且形成普適性、可大規(guī)模商用的技術(shù)。那么在社會(huì)高速發(fā)展的當(dāng)下，人類社會(huì)發(fā)展的關(guān)鍵因素和瓶頸是什么，突破這個(gè)制約因素的核心技術(shù)是什么，青年學(xué)生又該如何選擇，才能在新一輪科技革命浪潮中擔(dān)當(dāng)國(guó)家復(fù)興、社會(huì)發(fā)展和人類文明進(jìn)步的使命？

能源：人類社會(huì)發(fā)展的關(guān)鍵

能源是人類社會(huì)發(fā)展的動(dòng)力，是維護(hù)國(guó)家和社會(huì)穩(wěn)定的基石。在經(jīng)歷了“石油危機(jī)”后，美國(guó)開始推進(jìn)能源獨(dú)立戰(zhàn)略。2005年，美國(guó)“頁(yè)巖氣革命”取得成功，油氣產(chǎn)量顯著增長(zhǎng)，能源對(duì)外依存度從曾經(jīng)30%以上的峰值下降至4%左右(2019)[1]。能源獨(dú)立戰(zhàn)略取得突破后，2018年美國(guó)提出“能源新現(xiàn)實(shí)主義”，導(dǎo)致世界能源版圖和政治、經(jīng)濟(jì)等格局發(fā)生巨大變化。由此可見，能源是社會(huì)發(fā)展的關(guān)鍵所在，能源供給更是事關(guān)國(guó)家安全的重大問(wèn)題。

我國(guó)是全球最大的能源生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó)，存在能源利用總量大、效率低、排放重等問(wèn)題。2019年，我國(guó)能源生產(chǎn)總量約39.7億t標(biāo)準(zhǔn)煤，而能源消費(fèi)總量則高達(dá)48.6億t[2]；我國(guó)單位GDP(國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值)能耗是世界平均水平的1.5倍，是日本等發(fā)達(dá)國(guó)家的2.6倍。一方面，我國(guó)能源供需之間存在巨大缺口，油、氣對(duì)外依存度分別高達(dá)70%和45%，嚴(yán)重威脅我國(guó)的能源安全[2]。另一方面，粗放式的能源利用方式產(chǎn)生大量污染物排放，造成大氣霧霾、水污染等頻頻發(fā)生。受上述能源和環(huán)境等制約，我國(guó)的經(jīng)濟(jì)增速也從2007年的13%逐步下降并穩(wěn)定在6%左右(2019年)[2]。

地球上的煤炭、石油、天然氣等常規(guī)能源儲(chǔ)量日趨枯竭，除高碳能源煤炭以外，較為清潔和方便應(yīng)用的石油和天然氣的可開采年限都只有50年左右。面對(duì)日益嚴(yán)峻的能源緊缺問(wèn)題，我們不由得思考，能源緊缺及能源使用過(guò)程中的環(huán)境污染問(wèn)題能解決嗎？我們是否能尋找到永續(xù)的清潔能源解決方案，為我們社會(huì)高速度和高質(zhì)量發(fā)展提供源源不斷的動(dòng)力呢？

永續(xù)能源：社會(huì)發(fā)展瓶頸突破口

理想的永續(xù)能源指幾乎沒(méi)有污染、不會(huì)枯竭、也不受地域和時(shí)域的限制、可以廣泛使用的各種新能源或者可再生能源。例如，海底的可燃冰是一種清潔非常規(guī)能源，地?zé)崮?、風(fēng)能、海洋能等清潔能源則不會(huì)枯竭，地球圈外的太陽(yáng)能則常年普照大地，每天為地球提供超過(guò)我們實(shí)際需求量的光能和熱能且不受地域的限制[3]。通過(guò)科技攻關(guān)，克服上述能源在時(shí)域、地域和能源供給強(qiáng)度等方面的隨機(jī)波動(dòng)，就能為用戶提供穩(wěn)定的高品質(zhì)能源，在不消耗地球能源礦產(chǎn)資源的前提下滿足人類生活和社會(huì)發(fā)展的需求。

生物質(zhì)能源是近年來(lái)得到快速發(fā)展的一個(gè)可再生能源品種。生物質(zhì)能源本質(zhì)上是來(lái)自于太陽(yáng)能，是生物通過(guò)光合作用將水和CO2形成低碳的碳?xì)淠茉磧?chǔ)存了下來(lái)，不僅產(chǎn)生了能源，還吸收了CO2，一舉兩得[3]。太陽(yáng)每天照到地球上的能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于我們?nèi)祟惷刻煜牡哪芰?。因此，理論上只要開發(fā)出高效的生物質(zhì)能收集、轉(zhuǎn)化和利用技術(shù)，就能在完全不消耗化石能源的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)能源的永續(xù)發(fā)展。

圖1所示為一種典型生物能源品種——“油藻”，它具有極大的比表面積，可快速吸收CO2進(jìn)行光合作用，長(zhǎng)成油脂率高的植物體[4]。“油藻”可直接壓榨出油品能源，壓榨后的殘?jiān)勺鳛榉柿?，?shí)現(xiàn)了能源的清潔利用和資源的循環(huán)利用，使能源與環(huán)境問(wèn)題迎刃而解！

圖1 生物質(zhì)能源——“油藻”

生物質(zhì)能源和其他可再生能源一起作為一種潛在的永續(xù)能源，解決了能源源頭供給的問(wèn)題。然而，能源和環(huán)境問(wèn)題不僅僅是要解決“源”的問(wèn)題，更要解決如何高效“用”的問(wèn)題。

能源的“源”和“用”都有隨機(jī)波動(dòng)性：以可再生能源作為“源”時(shí)，能源供給側(cè)的輸出量可能會(huì)因環(huán)境因素的變化而產(chǎn)生波動(dòng)；而能源使用側(cè)的用戶也會(huì)因生活方式或生產(chǎn)調(diào)度等的變化對(duì)能源的需求產(chǎn)生波動(dòng)。為平衡供需關(guān)系并保證能源穩(wěn)定輸出與靈活利用，需在能源供給側(cè)和使用側(cè)間加上一個(gè)緩沖技術(shù)——“儲(chǔ)”能技術(shù)。

因此，完整的能源技術(shù)鏈條包括“源-儲(chǔ)-用”三個(gè)環(huán)節(jié)，三者的協(xié)調(diào)匹配將構(gòu)建能源永續(xù)利用系統(tǒng)，為社會(huì)生活生產(chǎn)提供動(dòng)力。

北科大能源動(dòng)力類專業(yè)：“源-儲(chǔ)-用”全鏈條能源科技

為突破國(guó)家和社會(huì)發(fā)展面臨的能源瓶頸問(wèn)題，北京科技大學(xué)能源動(dòng)力類專業(yè)(簡(jiǎn)稱北科大能動(dòng)專業(yè))面向“源-儲(chǔ)-用”全鏈條能源科技攻關(guān)的關(guān)鍵核心理論與技術(shù)問(wèn)題，以“源”多元化、“儲(chǔ)”靈活化和“用”高效化為目標(biāo)，構(gòu)建了創(chuàng)新性系統(tǒng)解決方案。

多元化“源”

有學(xué)者表示，整個(gè)宇宙都來(lái)自于大爆炸，這實(shí)際是個(gè)能量的大爆炸，為我們提供了多元化的能源。除了前面提到的可燃冰、風(fēng)能海洋能、太陽(yáng)能、生物質(zhì)能等，我們的周圍其實(shí)還有一種更為普遍、能量密度更大的能量——核能，如圖所示2。根據(jù)愛因斯坦的質(zhì)能方程，質(zhì)量和能量間存在的固定關(guān)系。一個(gè)質(zhì)量為m的物體可以通過(guò)核反應(yīng)獲得mc2的能量(c代表光速)，也就是說(shuō)萬(wàn)物皆能！只要開發(fā)出合理的轉(zhuǎn)化利用方法，萬(wàn)事萬(wàn)物都是我們可利用的能量！

圖2 能源無(wú)處不在——多元化的“源”

靈活化“儲(chǔ)”

儲(chǔ)能是使能源供給側(cè)和使用側(cè)柔性銜接的關(guān)鍵，靈活的儲(chǔ)能技術(shù)可極大地提高能源利用效率。儲(chǔ)能技術(shù)主要分為物理儲(chǔ)能和化學(xué)儲(chǔ)能。

常用的物理儲(chǔ)能技術(shù)包括相變儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能和壓縮空氣儲(chǔ)能等[5]。例如，北科大能動(dòng)專業(yè)科研團(tuán)隊(duì)開發(fā)的低谷電相變儲(chǔ)能按需供熱技術(shù)，所研發(fā)的儲(chǔ)熱材料蓄能密度大，低谷電時(shí)蓄存熱量至儲(chǔ)熱材料，用電高峰時(shí)按需將熱量取出外供，實(shí)現(xiàn)了能源的高效利用與靈活調(diào)節(jié)，如圖3(a)所示。

常用的物理儲(chǔ)能技術(shù)包括熱化學(xué)儲(chǔ)能和電化學(xué)儲(chǔ)能等[5]。例如，北科大能動(dòng)專業(yè)科研團(tuán)隊(duì)將熱化學(xué)儲(chǔ)能與工業(yè)余能回收相結(jié)合，通過(guò)設(shè)計(jì)一系列吸熱的化學(xué)反應(yīng)，將各種低品位的余能轉(zhuǎn)化成燃料的化學(xué)能，實(shí)現(xiàn)了余能的全資源化和高值化利用，如圖3(b)所示。

高效化“用”

終端用戶側(cè)使能效提升具有事半功倍的杠桿效應(yīng)。這是由于在能源送到終端用戶之前，要經(jīng)歷開采生產(chǎn)、轉(zhuǎn)化(發(fā)電、氣化或者液化)、輸送等環(huán)節(jié)，而這些環(huán)節(jié)均要消耗大量能源，例如發(fā)電的效率僅約40%～50%。因此，如果提高能源使用終端的能效水平，將會(huì)相應(yīng)減小前序工序的能源消耗，從而大幅度的減消能源的源頭供給壓力。

流程工業(yè)是我國(guó)最大的終端能源用戶，每年能耗約占全國(guó)總能耗的40%以上。但流程工業(yè)不僅能耗總量大，并且能效低、排放重，典型用能裝備平均熱效率僅約38%，而余能排放約占全部輸入能量的50%以上[2]。

圖3 (a) 低谷電相變儲(chǔ)能按需供熱技術(shù)和(b) 熱化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)

因此，為提高終端用能系統(tǒng)能效水平，目前以流程工業(yè)為代表的終端用能系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)為典型用能裝備高效化與清潔化、工藝系統(tǒng)能/質(zhì)協(xié)同化與智能化、余能利用極限化與全資源化。我國(guó)在“十三五”期間布局了15個(gè)工業(yè)節(jié)能領(lǐng)域的國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目，其中北科大能動(dòng)專業(yè)科研團(tuán)隊(duì)承擔(dān)或參與了多個(gè)相關(guān)項(xiàng)目/課題研發(fā)工作，為推動(dòng)我國(guó)能源革命、保障能源安全做出了積極貢獻(xiàn)。

北科大能動(dòng)專業(yè)：能源科技創(chuàng)新人才培養(yǎng)體系

以科研促教學(xué)，依托前沿的能源科技研究，北京科技大學(xué)能源動(dòng)力類專業(yè)構(gòu)建了全鏈條的能源科技創(chuàng)新性人才培養(yǎng)體系，包括能源與動(dòng)力工程專業(yè)、新能源科學(xué)與工程專業(yè)。

能源與動(dòng)力工程專業(yè)

能源與動(dòng)力工程專業(yè)是國(guó)家一級(jí)本科專業(yè)建設(shè)點(diǎn)，北京市“重點(diǎn)建設(shè)一流專業(yè)”。本專業(yè)以能質(zhì)有序轉(zhuǎn)換和協(xié)同利用為主線，培養(yǎng)具備“源-儲(chǔ)-用”全鏈條知識(shí)體系、致力于構(gòu)建高效、清潔、智能的智慧能源系統(tǒng)的精英人才；以提升終端用能側(cè)能效為重點(diǎn)，通過(guò)杠桿效應(yīng)大幅緩解能源源頭供給壓力，保障國(guó)家能源安全，并以此服務(wù)國(guó)家“能源革命”和“生態(tài)文明建設(shè)”戰(zhàn)略。

新能源科學(xué)與工程專業(yè)

新能源科學(xué)與工程專業(yè)是新興熱門專業(yè)，以可再生能源的生產(chǎn)、轉(zhuǎn)化、儲(chǔ)備為主線，培養(yǎng)掌握各種能源形態(tài)高效轉(zhuǎn)化的知識(shí)和方法、致力于構(gòu)建多能源耦合聯(lián)儲(chǔ)聯(lián)用新型能源系統(tǒng)的創(chuàng)新性人才；以高效儲(chǔ)能為紐帶，構(gòu)建可再生能源為源頭的智能化多能源(冷、熱、電、氣)供應(yīng)體系，助推我國(guó)能源革命和能源結(jié)構(gòu)的綠色轉(zhuǎn)型。

結(jié)束語(yǔ)

能源是人類社會(huì)發(fā)展的動(dòng)力，也是當(dāng)今世界發(fā)展的瓶頸；開發(fā)永續(xù)能源是解決社會(huì)發(fā)展瓶頸的突破口；構(gòu)建能源“源-儲(chǔ)-用”全鏈條高效轉(zhuǎn)化和利用系統(tǒng)是推動(dòng)社會(huì)高速、高質(zhì)量和可持續(xù)發(fā)展的必要選擇。后“疫情”時(shí)代，世界格局和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展必將面臨新一輪調(diào)整，歷史告訴我們危機(jī)中總是蘊(yùn)藏轉(zhuǎn)機(jī)。站在時(shí)代的潮頭，希望青年學(xué)生進(jìn)入大學(xué)前就能以國(guó)家的復(fù)興為己任，擔(dān)當(dāng)起用前沿能源科學(xué)創(chuàng)新推動(dòng)推動(dòng)國(guó)家經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和人類文明進(jìn)步的使命。