供稿|夏德宏，蔣濱繁

人類社會的每一次顛覆性進(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)革命和信息時代的來臨。粗略按照百年一變的社會發(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)。那么在社會高速發(fā)展的當(dāng)下，人類社會發(fā)展的關(guān)鍵因素和瓶頸是什么，突破這個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、社會發(fā)展和人類文明進(jìn)步的使命？

能源：人類社會發(fā)展的關(guān)鍵

能源是人類社會發(fā)展的動力，是維護(hù)國家和社會穩(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]。能源獨立戰(zhàn)略取得突破后，2018年美國提出“能源新現(xiàn)實主義”，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，為我們社會高速度和高質(zhì)量發(fā)展提供源源不斷的動力呢？

永續(xù)能源：社會發(fā)展瓶頸突破口

理想的永續(xù)能源指幾乎沒有污染、不會枯竭、也不受地域和時域的限制、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)，克服上述能源在時域、地域和能源供給強(qiáng)度等方面的隨機(jī)波動，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Υ媪讼聛恚粌H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?，壓榨后的殘渣可作為肥料，實現(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)波動性：以可再生能源作為“源”時，能源供給側(cè)的輸出量可能會因環(huán)境因素的變化而產(chǎn)生波動；而能源使用側(cè)的用戶也會因生活方式或生產(chǎn)調(diào)度等的變化對能源的需求產(chǎn)生波動。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)間加上一個緩沖技術(shù)——“儲”能技術(shù)。

因此，完整的能源技術(shù)鏈條包括“源-儲-用”三個環(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)，為社會生活生產(chǎn)提供動力。

北科大能源動力類專業(yè)：“源-儲-用”全鏈條能源科技

為突破國家和社會發(fā)展面臨的能源瓶頸問題，北京科技大學(xué)能源動力類專業(yè)(簡稱北科大能動專業(yè))面向“源-儲-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”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，整個宇宙都來自于大爆炸，這實際是個能量的大爆炸，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”

靈活化“儲”

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

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

常用的物理儲能技術(shù)包括熱化學(xué)儲能和電化學(xué)儲能等[5]。例如，北科大能動專業(yè)科研團(tuán)隊將熱化學(xué)儲能與工業(yè)余能回收相結(jié)合，通過設(shè)計一系列吸熱的化學(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) 低谷電相變儲能按需供熱技術(shù)和(b) 熱化學(xué)儲能技術(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個工業(yè)節(jié)能領(lǐng)域的國家重點研發(fā)計劃項目，其中北科大能動專業(yè)科研團(tuán)隊承擔(dān)或參與了多個相關(guān)項目/課題研發(fā)工作，為推動我國能源革命、保障能源安全做出了積極貢獻(xiàn)。

北科大能動專業(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，包括能源與動力工程專業(yè)、新能源科學(xué)與工程專業(yè)。

能源與動力工程專業(yè)

能源與動力工程專業(yè)是國家一級本科專業(yè)建設(shè)點，北京市“重點建設(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-用”全鏈條知識體系、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，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)

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、儲備為主線，培養(yǎng)掌握各種能源形態(tài)高效轉(zhuǎn)化的知識和方法、致力于構(gòu)建多能源耦合聯(lián)儲聯(lián)用新型能源系統(tǒng)的創(chuàng)新性人才；以高效儲能為紐帶，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。

結(jié)束語

能源是人類社會發(fā)展的動力，也是當(dāng)今世界發(fā)展的瓶頸；開發(fā)永續(xù)能源是解決社會發(fā)展瓶頸的突破口；構(gòu)建能源“源-儲-用”全鏈條高效轉(zhuǎn)化和利用系統(tǒng)是推動社會高速、高質(zhì)量和可持續(xù)發(fā)展的必要選擇。后“疫情”時代，世界格局和經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展必將面臨新一輪調(diào)整，歷史告訴我們危機(jī)中總是蘊藏轉(zhuǎn)機(jī)。站在時代的潮頭，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)新推動推動國家經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展和人類文明進(jìn)步的使命。