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?雖尚無定論,但從科技發(fā)展規(guī)律來看,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)國家復(fù)興、社會(huì)發(fā)展和人類文明進(jìn)步的使命?
能源是人類社會(huì)發(fā)展的動(dòng)力,是維護(hù)國家和社會(huì)穩(wěn)定的基石。在經(jīng)歷了“石油危機(jī)”后,美國開始推進(jìn)能源獨(dú)立戰(zhàn)略。2005年,美國“頁巖氣革命”取得成功,油氣產(chǎn)量顯著增長,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)國家安全的重大問題。
我國是全球最大的能源生產(chǎn)國和消費(fèi)國,存在能源利用總量大、效率低、排放重等問題。2019年,我國能源生產(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];我國單位GDP(國內(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)國家的2.6倍。一方面,我國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)峻的能源緊缺問題,我們不由得思考,能源緊缺及能源使用過程中的環(huán)境污染問題能解決嗎?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?
理想的永續(xù)能源指幾乎沒有污染、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)崮堋L(fēng)能、海洋能等清潔能源則不會(huì)枯竭,地球圈外的太陽能則常年普照大地,每天為地球提供超過我們實(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)上是來自于太陽能,是生物通過光合作用將水和CO2形成低碳的碳?xì)淠茉磧?chǔ)存了下來,不僅產(chǎn)生了能源,還吸收了CO2,一舉兩得[3]。太陽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,長成油脂率高的植物體[4]?!坝驮濉笨芍苯訅赫コ鲇推纺茉?,壓榨后的殘?jiān)勺鳛榉柿希瑢?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題。然而,能源和環(huán)境問題不僅僅是要解決“源”的問題,更要解決如何高效“用”的問題。
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。
為突破國家和社會(huì)發(fā)展面臨的能源瓶頸問題,北京科技大學(xué)能源動(dòng)力類專業(yè)(簡稱北科大能動(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。
有學(xué)者表示,整個(gè)宇宙都來自于大爆炸,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的物體可以通過核反應(yīng)獲得mc2的能量(c代表光速),也就是說萬物皆能!只要開發(fā)出合理的轉(zhuǎn)化利用方法,萬事萬物都是我們可利用的能量!
圖2 能源無處不在——多元化的“源”
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。
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)是我國最大的終端能源用戶,每年能耗約占全國總能耗的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。我國在“十三五”期間布局了15個(gè)工業(yè)節(jié)能領(lǐng)域的國家重點(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)我國能源革命、保障能源安全做出了積極貢獻(xiàn)。
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)是國家一級(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),通過杠桿效應(yīng)大幅緩解能源源頭供給壓力,保障國家能源安全,并以此服務(wù)國家“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)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,助推我國能源革命和能源結(jié)構(gòu)的綠色轉(zhuǎn)型。
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)國家經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和人類文明進(jìn)步的使命。