材料研究與低碳經(jīng)濟“低碳能源材料”:低碳經(jīng)濟中的重要研究領(lǐng)域

編者按:近三個世紀,人類創(chuàng)造了前所未有的工業(yè)和經(jīng)濟文明,不僅消耗了大量的資源,而且累結(jié)排放了大量的溫室氣體,引發(fā)兩極冰蓋加速融化,海平面逐年上升,荒漠化日益加劇,颶風(fēng)、洪水、干旱頻發(fā),嚴重威脅著地球的生態(tài)平衡和人類的生存和發(fā)展,引起了全球各國的高度關(guān)注。2009年12月,全球的目光都聚焦在丹麥首都哥本哈根,世界氣候大會在這里召開,超過85個國家元首或政府首腦、192個國家的環(huán)境部長出席,中國國家總理溫家寶做出了碳減排的莊嚴承諾。在應(yīng)對全球氣候變化、控制溫室氣體排放的努力中,新材料作為科技創(chuàng)新的物質(zhì)基礎(chǔ)起著至關(guān)重要的作用。本期熱點評論結(jié)合即將到來的低碳時代戰(zhàn)略命題,特邀部分材料專家暢談了應(yīng)對低碳經(jīng)濟的一些觀點。歡迎更多的學(xué)者積極參與討論。

我國是一個能源生產(chǎn)和消費大國,能源自給率達到90%以上。我國煤炭資源十分豐富,也有天然氣資源,但石油儲量不足世界的2%。我們的能源政策是:礦物能源的清潔利用、節(jié)能減排;積極發(fā)展核能、水能等新能源,特別是大力發(fā)展風(fēng)能、太陽能等可再生能源。主要問題是:如何提高能量轉(zhuǎn)換效率和如何儲能?，F(xiàn)在正在研究和開發(fā)的器件包括:燃料電池、半導(dǎo)體照明、光伏電池、熱電轉(zhuǎn)換器件和鋰離子電池等。所有這些與節(jié)能減排密切相關(guān)的器件都離不開材料,所以材料是低碳能源的基礎(chǔ)。我國能否實現(xiàn)低碳經(jīng)濟,除國家的政策引導(dǎo)外,在很大程度完全取決于新能源材料的科技進步水平和相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展規(guī)模。下面僅就筆者知道的幾個實例來說明我國材料科技工作者已經(jīng)或正在為實現(xiàn)低碳能源所作的努力。

煤炭的清潔利用 發(fā)展煤基固體氧化物燃料電池,實現(xiàn)整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC)相結(jié)合,可將轉(zhuǎn)換效率從42.2%提高至57.4%。在國家863計劃和中科院的支持下,我國已對800～1 000℃大尺寸固體氧化物H2/O2燃料電池進行了卓有成效的研究?，F(xiàn)在又在國家基金委的支持下,研究在600℃以碳基氣體(煤層氣、甲烷、生物質(zhì)氣等)為燃料的低溫固體氧化物燃料電池。還研究了以花狀CeO2載Cu作催化劑,在250～300℃將乙醇轉(zhuǎn)化為H2,轉(zhuǎn)化率74%。在863計劃支持下,研制出大尺寸Ba1.0Co0.7Fe0.2Nb0.1O3-δ透氧膜,用此透氧膜可將煉鋼焦?fàn)t煤氣轉(zhuǎn)化為富H2氣體,為氫氧燃料電池提供廉價的氫源。

發(fā)展水力電站 水電是公認的清潔能源。我國是世界水-電資源最豐富的國家之一。預(yù)計到2020年,我國的水電安裝容量將達到300GW。一座三峽電站相當(dāng)于5億噸燃煤火電站,每年可減少二氧化碳排放1億噸。我國已自主鑄造出巨型水輪機葉片并在三峽電站使用。我國水力資源在西南,而用電大戶在東南,這就要解決長距離轉(zhuǎn)電問題。除了特高壓輸電外,在云南昆明作了高溫超導(dǎo)電纜輸電的演示。電壓35kV,電流2kA,運行5年來輸送500MkW·h,損耗僅為常規(guī)電纜的50%～60%。所用的電纜是由Bi系超導(dǎo)線制成。這為將來的智能電網(wǎng)奠定了基礎(chǔ)。

工業(yè)低溫廢熱利用 我國大約有1013 kW·h的200～500℃工業(yè)低溫廢熱,可通過熱電材料轉(zhuǎn)變成電能再利用。這些巨大的潛能是否能得到充分再利用,取決于研制和開發(fā)更高熱-電轉(zhuǎn)換效率的熱電功能材料?？上驳氖?在973計劃支持下,我國科研人員在探索高優(yōu)值熱電轉(zhuǎn)換材料方面步入世界先進行列。

可再生能源利用 我國風(fēng)能資源豐富,可達1 000GW,其中陸基資源253 G W,?；?50 G W。到2010年風(fēng)力發(fā)電裝機容量將達到5 G W,2020年達到30 G W,占總裝機容量的3%。2008年風(fēng)力電站裝機容量已達12.21GW。已能生產(chǎn)1.5,2.0和3.0 MW風(fēng)力發(fā)電機組,但僅有20%～50%的零部件是自制的。已能自制1.5,2.0MW風(fēng)力發(fā)電機葉片。

建筑物節(jié)能 建筑物耗能占我國總能耗的27.45%,在冬季和夏季通過普通玻璃窗戶進行的熱能交換分別達48%和71%。玻璃窗引起的能耗是整個建筑物的50%。降低窗戶能量交換是降低建筑能耗的關(guān)鍵。正在研發(fā)中的涂VO2薄膜的智能玻璃,可根據(jù)環(huán)境溫度自主調(diào)節(jié)它對紅外光的透過特性,機敏地實現(xiàn)冬天保溫夏天保涼的雙向調(diào)節(jié)效果。開發(fā)和推廣新型半導(dǎo)體照明光源是建筑物節(jié)能的另一重要技術(shù)。我國在產(chǎn)業(yè)化和提高LED效率方面取得了很大進展。

核電開發(fā)利用 核電(包括重元素裂變與輕元素聚變)是另一類不可缺少的清潔能源。裂變堆技術(shù)已日趨成熟,在國際范圍內(nèi)廣泛用于商業(yè)發(fā)電。2020年我國將建30座核電站,裝機容量將達到70 G W,約占總電力的4%,到2030年裝機容量將達到160GW,占總電量的16%;正在研制中的聚變堆(ITER)可望最終滿足人類對清潔能源的全部需求,迫切需要解決的技術(shù)難題是聚變堆第一壁材料的設(shè)計和制造。

儲能系統(tǒng)開發(fā) 我國有大量的低谷電需要儲存,發(fā)展風(fēng)能和太陽能等間斷性能源也需要儲存才能與電網(wǎng)聯(lián)接。因此需要研發(fā)儲能材料和器件。我國在新型儲氫材料、鈉/硫電池、鋰離子儲能電池等研究工作取得很大進展,有的已實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。

我國材料界已經(jīng)取得可喜成績,但離低碳經(jīng)濟的要求還差得很遠。需要加大投入,組織制定多層次的專項計劃,為實現(xiàn)低碳目標提供材料支撐。