王遠洋 李曉明

(太原科技大學 化學工程與技術學院,山西 太原 030021)

能源是人類賴以生存的物質(zhì)基礎,動力是維系現(xiàn)代工業(yè)運行的基本條件,節(jié)能環(huán)保是社會可持續(xù)發(fā)展的可靠保障。能源動力領域及相關工業(yè)是關系國家繁榮發(fā)展、人民生活改善、社會長治久安的國際前沿科技領域和國民經(jīng)濟支柱產(chǎn)業(yè)。能源動力領域的人才培養(yǎng)無疑對推動我國能源供給革命、能源消費革命和能源技術革命具有重要意義。新能源科學與工程專業(yè)作為能源動力類專業(yè),承擔著我國能源動力領域人才培養(yǎng)的重任,而“碳達峰、碳中和”作為一場廣泛而深刻的經(jīng)濟社會系統(tǒng)性變革,對包括新能源科學與工程專業(yè)在內(nèi)的新時代各類人才培養(yǎng)提出了新要求。

二氧化碳等溫室氣體排放導致全球氣候變暖,嚴重威脅著人類生存和可持續(xù)發(fā)展。2020年9月,習近平主席在第75屆聯(lián)合國大會一般性辯論上宣布:中國“力爭2030年前二氧化碳排放達到峰值,努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和”。同年12月,習近平主席在氣候雄心峰會上進一步宣布:到2030年,中國單位國內(nèi)生產(chǎn)總值二氧化碳排放將比2005年下降65%以上,非化石能源占一次能源消費比重將達到25%左右,森林蓄積量將比2005年增加60億立方米,風電、太陽能發(fā)電總裝機容量將達到12億千瓦以上[1]。顯然,“雙碳”目標是我國基于推動構建人類命運共同體的責任擔當和實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的內(nèi)在要求的重大戰(zhàn)略決策。

2021年7月,教育部印發(fā)《高等學校碳中和科技創(chuàng)新行動計劃》(教科信函〔2021〕30號)[2],提出總體目標為加快構建高校碳中和科技創(chuàng)新體系和人才培養(yǎng)體系……近期利用3～5年時間,不斷調(diào)整優(yōu)化碳中和相關專業(yè)、學科建設,推動人才培養(yǎng)質(zhì)量持續(xù)提升;中期通過5～10年的建設,若干高校率先建成世界一流碳中和相關學科和專業(yè);遠期立足實現(xiàn)碳中和目標,建成一批引領世界碳中和基礎研究的頂尖學科。主要舉措包括“加快制定碳中和領域人才培養(yǎng)方案,建設一批國家級碳中和相關一流本科專業(yè),加強能源碳中和、資源碳中和、信息碳中和等相關教材建設,鼓勵高校開設碳中和通識課程,將碳中和理念與實踐融入人才培養(yǎng)體系”。

2022年4月底,教育部印發(fā)《加強碳達峰、碳中和高等教育人才培養(yǎng)體系建設工作方案》(教高函〔2022〕3號)[3],要求圍繞化石能源綠色開發(fā)、低碳利用、減污降碳等碳減排關鍵技術,新型太陽能、風能、地熱能、海洋能、生物質(zhì)能、核能及儲能技術等碳零排關鍵技術,二氧化碳捕集、利用、封存等碳負排關鍵技術攻關,為實現(xiàn)“碳達峰、碳中和”目標提供堅強的人才保障和智力支持。加快新能源、儲能和氫能等緊缺人才培養(yǎng);加快碳捕集、利用與封存相關人才培養(yǎng),促進低碳、零碳、負碳技術的開發(fā)、應用和推廣;進一步加強風電、光伏、水電和核電等人才培養(yǎng),推進新能源材料、裝備制造、運行與維護、前沿技術等方面技術進步和產(chǎn)業(yè)升級。圍繞碳達峰、碳中和目標,調(diào)整培養(yǎng)目標要求,修訂培養(yǎng)方案,優(yōu)化課程體系和教學內(nèi)容……為此迫切需要針對“雙碳”目標,進行新能源科學與工程專業(yè)的課程體系研究。

1 “雙碳”目標的內(nèi)涵分析

丁仲禮[4]認為,“出于改善空氣質(zhì)量的考慮,要追求盡量把碳達峰的峰值壓低,碳達峰其實不需要太多研究,要研究的問題主要是如何實現(xiàn)碳中和?！碧贾泻途褪侨藶榕欧诺亩趸?化石燃料利用和土地利用),被人為努力(木材蓄積量、土壤有機碳、工程封存等)和自然過程(海洋吸收、侵蝕—沉積過程的碳埋藏、堿性土壤的固碳等)所吸收。目前全球每年排放的二氧化碳大約是400億噸,其中14%來自土地利用,86%來自化石燃料利用。排放的這些二氧化碳,大約46%留在大氣,23%被海洋吸收,31%被陸地吸收。為此從排放端、固碳端、政策推動三個角度設立了九個咨詢專題,以設計碳中和框架及初步路線圖。排放端的四個專題為未來能源消費總量預測、非碳能源占比階段性提高途徑、不可替代化石能源預測和非碳能源技術研發(fā)迭代需求;固碳端的四個專題為陸地生態(tài)系統(tǒng)固碳現(xiàn)狀測算、陸地生態(tài)系統(tǒng)未來固碳潛力分析、碳捕集利用封存(CCUS)技術評估和青藏高原率先達標示范區(qū)建議;政策推動專題則為政策技術分析研究。丁仲禮最后指出,整個項目最終的情景設計為:假如到2060年我國每年不得不排放25億噸二氧化碳,根據(jù)目前觀測比例,自然過程可吸收13億噸,生態(tài)系統(tǒng)吸收8億噸,風化和碳酸鈣沉淀吸收2億噸,還有2億噸要變成生物炭埋到土壤中,然后就是各種技術如何迭代。不難看出,新能源替代和CCUS是其重點。

2022年4月,韓正副總理出席博鰲亞洲論壇年會時表示,“我國將立足能源結構以煤為主的基本國情,大力推動煤炭清潔利用,發(fā)揮市場機制和政府調(diào)控作用,確保今年能源電力供應安全穩(wěn)定,穩(wěn)妥有序推進碳達峰、碳中和?！盵5]相宏偉等[6]總結和預測了碳中和目標下我國能源與煤炭消費量及二氧化碳(CO2)排放量,提出我國在10年內(nèi)要盡可能降低碳排放的峰值,之后的30年內(nèi)平均每年要減少約3億噸的CO2排放量,而煤在一次能源消費中占比減少的約55%～95%,此部分則需以不含碳或含碳量很少的新能源予以取代。相宏偉通過分析指出:選擇優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結構與提高能量利用效率可明顯但有限地降低CO2排放,唯有通過綠電綠氫、CCUS和CO2資源化利用技術與煤化工工藝耦合才能實現(xiàn)煤化工億噸級規(guī)模的碳減排和可持續(xù)發(fā)展。此外,他們還根據(jù)空氣直接捕集CO2技術、光電催化CO2轉(zhuǎn)化和模擬光合反應的研究進展,設想了未來可能的零碳化工體系。

劉科在分析碳中和的六種誤區(qū)后認為,對我國而言,碳中和有下述幾條現(xiàn)實路徑[7]。第一,將現(xiàn)有煤化工與可再生能源結合建立低碳能源系統(tǒng),由煤炭經(jīng)濟轉(zhuǎn)為甲醇經(jīng)濟,通過太陽能或風能電解水制備綠氫和氧氣,合成氣用綠氫補充而不經(jīng)水汽變換,使煤制甲醇的CO2達到近零排放,將太陽能和風能以甲醇液體的載體形式儲存,氧氣則可用于煤氣化;再用甲醇做分布式發(fā)電替代一切使用柴油機的場景,與光伏、風能等不穩(wěn)定可再生能源形成互補;也可取代汽柴油作為汽車燃料,或甲醇和水200 ℃在線制氫發(fā)電推動燃料電池汽車,余熱可維持最佳的電池溫度,從而無需再建充電站或加氫站,不僅可大幅降低交通運輸業(yè)的碳排放,而且可部分解決石油不足問題。第二,利用煤炭領域的碳中和技術——微礦分離技術,在煤燃燒前將可燃物與含污染物的礦物分離,制備低成本的清潔固體或類液體燃料和土壤改良劑,從而從源頭上解決煤污染。而土壤改良劑可修復由于濫用化肥造成的土壤板結等生態(tài)問題,讓更多的森林長起來,將CO2吸收,促進碳中和,該路徑不但現(xiàn)實而且成本較低。第三,實現(xiàn)光伏與農(nóng)業(yè)的綜合發(fā)展,將光伏與農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)、水資源利用及沙漠治理并舉,以聯(lián)合減碳。第四,峰谷電與熱儲能綜合利用,利用分布式儲熱模塊,在谷電時段將1/4乃至1/3的電以熱的形式儲存,再在需要時用于供熱或空調(diào),從而避免浪費并大幅降低CO2排放。其核心為:采用太陽能或風能等新能源合成甲醇,而后以甲醇發(fā)電和作為燃料推動燃料電池汽車。

我國碳排放結構中,電力行業(yè)(主要是火電)占41%,交通行業(yè)(主要是油品)占28%,建筑和工業(yè)占31%,火電產(chǎn)生的二氧化碳是未來減碳的最大主體。韓東娥[8]提出,我國作為最大的碳排放和能源消費國,實現(xiàn)碳中和目標需要能源系統(tǒng)的顛覆性變革,必須從以化石能源為主轉(zhuǎn)向以可再生能源為主;未來40年,在能源供給側實現(xiàn)電力的零碳化和燃料的零碳化,在消費側實現(xiàn)高效化、再電氣化和智慧化,能源利用實現(xiàn)從高碳到低碳再到零碳,實現(xiàn)可再生能源從補充能源到主流能源的轉(zhuǎn)變;碳中和目標既是挑戰(zhàn)也是機遇,努力將碳中和的壓力轉(zhuǎn)變?yōu)樾滦湍茉串a(chǎn)業(yè)技術、新能源業(yè)態(tài)發(fā)展的機遇,轉(zhuǎn)變?yōu)榻?jīng)濟實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)升級的動力,是碳中和的關鍵。

杜祥琬在為《碳達峰、碳中和100問》[9]作序中認為,全球和我國降碳的主要措施有3條:首先是提能效、降能耗,特別是從建筑、交通、工業(yè)、電力等方面入手;其次是能源替代,高比例發(fā)展非化石能源特別是可再生能源;最后是碳移除,增加碳匯,大力發(fā)展CCUS技術。可理解為:(1)提高能源利用效率,(2)改變能源結構,(3)發(fā)展負碳技術。

2 新能源科學與工程的內(nèi)涵分析

目前廣泛利用的煤炭、石油、天然氣等化石能源和水能等被稱為常規(guī)能源,隨著常規(guī)能源有限性以及環(huán)境問題的日益突出,新能源越來越得到重視。1980年,聯(lián)合國新能源和可再生能源會議對新能源的定義為:以新技術和新材料為基礎,使傳統(tǒng)的可再生能源得到現(xiàn)代化的開發(fā)和利用,用取之不盡、周而復始的可再生能源取代資源有限、對環(huán)境有污染的化石能源;重點開發(fā)太陽能、風能、生物質(zhì)能、潮汐能、地熱能、氫能和核能;此外,還應包括天然氣水合物和沼氣等資源,以及甲醇、乙醇(酒精)和二甲醚等化工能。由于生物質(zhì)能不僅搶奪人類賴以生存的土地資源,更將導致社會不健康發(fā)展;而大規(guī)模開發(fā)潮汐能和地熱能也將破壞海洋和地面表層土壤環(huán)境,從而再次引起生態(tài)環(huán)境惡化;氫氣不是一次能源,和電一樣需通過別的能源制造,因而只是能源的載體,也不具備液體在能量密度、管道輸送、長期儲存方面的優(yōu)勢,且氫氣作為最小的分子最易泄露,還是爆炸范圍最寬的氣體,因而不適合做大眾通用的能源載體[6];核能耗資巨大,一旦泄漏危害異常嚴重;而太陽能和風能作為取之不盡、用之不竭的健康能源,必將成為今后新能源的主流。新能源具有以下特點:(1)資源豐富,普遍可再生,供永續(xù)利用;(2)不含碳或含碳量很少,對環(huán)境影響小;(3)分布廣,有利于小規(guī)模分散利用;(4)間斷式供應,波動性大,對持續(xù)供能不利;(5)能量密度低,開發(fā)利用成本比化石能源高,需技術創(chuàng)新。前3項為其優(yōu)點,后兩項為其短板。換言之,新能源應以太陽能和風能為主,需采用儲能技術并開發(fā)新技術。

新能源的種類只是能量利用眾多環(huán)節(jié)的基礎,而發(fā)動機做功原理的革新則是未來能源開發(fā)的首選方向,經(jīng)典熱機做功的能量利用效率僅有1/4到1/3,唯有當能源微觀做有序一維運動而不產(chǎn)熱時,發(fā)動機引擎100%做功才會成為可能,新能源汽車因此應運而生。新能源汽車是指采用除汽油、柴油外的非常規(guī)燃料作為動力來源,或雖使用常規(guī)燃料但采用新型動力裝置,綜合動力控制和驅(qū)動先進技術而形成的原理先進,具有新技術、新結構的汽車,包括混合動力電動汽車(HEV)、純電動汽車(BEV,含太陽能汽車)、燃料電池汽車(FCEV)、其它新能源汽車(如超級電容器、飛輪等高效儲能器)四大類型,其中燃料電池作為內(nèi)燃機的理想替代物,代表了汽車未來的發(fā)展方向和終極目標。

新能源科學與工程隸屬于能源與動力工程類專業(yè),能源與動力工程主要研究能源轉(zhuǎn)換,即將自然界的太陽能、風能、水能或化石能源等轉(zhuǎn)化為工業(yè)上可用的電能或機械能,如各種鍋爐、內(nèi)燃機和蒸汽發(fā)電機等。按照“雙碳”目標,電力應關停火電廠、交通需推廣新能源汽車,為此能源與動力工程轉(zhuǎn)而研究傳統(tǒng)能源對環(huán)境的影響、能源的能效比以及清潔燃燒等問題。而新能源科學與工程作為2010年增設的專業(yè),主要研究太陽能、風能、生物質(zhì)能和核能等新能源的種類、特點、應用和未來發(fā)展趨勢,以及相關的工程技術。

3 專業(yè)培養(yǎng)目標

新能源科學與工程所屬的能源動力類專業(yè)以工程熱物理相關理論為基礎,以能源高效潔凈轉(zhuǎn)換與利用、動力系統(tǒng)及裝備可靠運行與控制、新能源與可再生能源技術研發(fā)與應用、節(jié)能環(huán)保與可持續(xù)發(fā)展為學科方向,根據(jù)《普通高等學校本科專業(yè)類教學質(zhì)量國家標準》[10](下簡稱《本科專業(yè)國家標準》),能源動力專業(yè)類的培養(yǎng)目標為:培養(yǎng)具備動力工程及工程熱物理相關基礎理論,系統(tǒng)掌握能源(包括新能源)高效潔凈轉(zhuǎn)化與利用、能源動力裝備與系統(tǒng)、能源與環(huán)境系統(tǒng)工程等方面專業(yè)知識,能從事能源、動力、環(huán)保等領域的科學研究、技術開發(fā)、設計制造、運行控制、教學、管理等工作,富有社會責任感,具有國際視野、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)精神、工程實踐能力和競爭意識的高素質(zhì)專門人才。能源動力專業(yè)類下設“能源與動力工程”1個基本專業(yè)、“能源與環(huán)境系統(tǒng)工程”和“新能源科學與工程”2個特設專業(yè),基本與培養(yǎng)目標中的“能源動力裝備與系統(tǒng)”“能源與環(huán)境系統(tǒng)工程”和“能源(包括新能源)高效潔凈轉(zhuǎn)化與利用”相對應。

根據(jù)上述“雙碳”目標和新能源科學與工程的內(nèi)涵分析,同時兼顧風力發(fā)電涉及的系統(tǒng)裝備,確定新能源科學與工程專業(yè)的培養(yǎng)目標為:培養(yǎng)具備工程熱物理相關基礎理論,系統(tǒng)掌握能源高效潔凈轉(zhuǎn)化與利用、新能源技術研發(fā)與應用、動力系統(tǒng)及裝備運行與控制等方面專業(yè)知識,能從事新能源相關領域的科學研究、技術開發(fā)、工程設計、運行控制、教學和管理等工作,富有社會責任感,具有國際視野、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)精神、工程實踐能力和競爭意識的高素質(zhì)專門人才。

4 專業(yè)課程體系構建及其承接關系

《本科專業(yè)國家標準》提出三類知識體系:(1)通識類知識,包括思想政治教育、人文社會科學、數(shù)學和自然科學、經(jīng)濟管理、外語、計算機信息技術、體育、社會實踐訓練、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實訓等;(2)學科基礎知識,體現(xiàn)本專業(yè)類知識體系的共性,覆蓋力學、機械、工程材料、電工電子、測控技術、計算機語言及程序設計、熱流科學等;(3)專業(yè)知識,包括能源高效潔凈轉(zhuǎn)化與利用原理與技術,能源動力機械與裝置原理、結構與設計,能源動力系統(tǒng)與設備運行,新能源與可再生能源的開發(fā)、存儲與利用,能源領域的環(huán)境保護與污染物防治等。此外,實踐性教學環(huán)節(jié)包括課程實驗、金工實習、認知實習、生產(chǎn)實習、課程設計、科研訓練和畢業(yè)設計(論文)等?！侗究茖I(yè)國家標準》示例的新能源科學與工程專業(yè)核心課程體系見表1。

根據(jù)“雙碳”目標的內(nèi)涵分析,實現(xiàn)碳達峰、碳中和的主要途徑為:(1)提高能源利用效率;(2)改變能源結構;(3)發(fā)展負碳技術。同時根據(jù)上述新能源科學與工程的內(nèi)涵分析,新能源應側重于太陽能和風能,并兼顧醇醚類化工能,而新型動力裝置則注重于燃料電池。為此,根據(jù)專業(yè)培養(yǎng)目標,確定新能源科學與工程專業(yè)的核心課程體系列于表2。

表2 新能源科學與工程專業(yè)的核心課程體系

表1中刪減的課程:(1)“自動控制原理”雖在太陽能和風能利用中有所涉及但占比很少,可在“電工電子技術”中予以補充;(2)新能源中主要的光伏發(fā)電涉及光電效應,風力發(fā)電涉及機械能與電能的轉(zhuǎn)化,基本不涉及熱效應,故去掉“新能源熱利用原理及系統(tǒng)”;(3)風力發(fā)電涉及的流體機械能轉(zhuǎn)化在“機械設計基礎”和承接自“工程流體力學”的“能源轉(zhuǎn)化原理”講述,故去掉單獨的“流體機械能轉(zhuǎn)化原理與技術”;(4)鑒于氫能利用尚存較大爭議,而燃料電池為最具代表性的新型能源動力系統(tǒng),故以“燃料電池基礎”取代“氫能與新型能源動力系統(tǒng)”。

表2中增設的課程:(1)新能源科學與工程所屬的能源與動力工程類,主要研究能源轉(zhuǎn)換。“能源轉(zhuǎn)化原理”是所有核心課程的核心,具有綱舉目張的地位,主要講述將自然界的太陽能、風能、水能或化石能源等轉(zhuǎn)化為工業(yè)上可用的電能或機械能的原理等,必須予以增加;(2)其中化石能源和新能源中的生物質(zhì)能均涉及化學能的轉(zhuǎn)化,化學在能源開發(fā)和利用上起著極其重要的作用,絕大多數(shù)的能源利用實質(zhì)上就是能量和物質(zhì)不同形式間的轉(zhuǎn)化過程,而其轉(zhuǎn)化均通過直接或間接化學反應予以實現(xiàn),主要涉及熱化學反應、光化學反應和電化學反應等,故增加“工程化學”,同時補充了數(shù)理基礎的“高等數(shù)學”“大學物理”及“大學物理實驗”;(3)“專業(yè)導論”具有提綱挈領作用,故予以開設,同時根據(jù)《高等學校碳中和科技創(chuàng)新行動計劃》要求增設單獨的“碳中和理念與實踐”予以補充,并增加“碳捕集、封存和利用技術”進行強化;(4)針對新能源汽車,開設了“燃料電池基礎”和“醇醚燃料合成及應用技術”,后者呼應“煤炭經(jīng)濟轉(zhuǎn)為甲醇經(jīng)濟”的需求。

同時厘清了主要課程間的承接關系:(1)“工程力學”承接自“大學物理”,二者共同接續(xù)以“傳熱學”“工程熱力學”和“工程流體力學”,三者又接續(xù)以“能源轉(zhuǎn)化原理”,特別增加的“能源轉(zhuǎn)化原理”承接自“工程化學”;(2)“風資源工程與風力發(fā)電技術” “生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化原理與技術” “儲能原理及技術”和“光電與光化學轉(zhuǎn)化原理”四者共同承接自“能源轉(zhuǎn)化原理”,而“太陽能利用技術和工程”又承接自“光電與光化學轉(zhuǎn)化原理”;(3)修正了“工程材料基礎”無本之木的缺失,承接自“工程化學”,二者共同接續(xù)以“生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化原理與技術”和“醇醚燃料合成及應用技術”;(4)由于太陽能和風能的不連續(xù)性,“太陽能利用技術和工程”和“風資源工程與風力發(fā)電技術”接續(xù)以“儲能原理及技術”;(5)“風資源工程與風力發(fā)電技術”“太陽能利用技術和工程” “儲能原理及技術” “生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化原理與技術”“醇醚燃料合成及應用技術” “碳捕集、封存和利用技術”和“燃料電池基礎”共同構成“新能源專業(yè)綜合實驗”的內(nèi)容,并接續(xù)以“生產(chǎn)實習”。其它承接關系不再贅述,詳見圖1。

圖1 主要課程間承接關系結構圖

5 結語

“碳達峰、碳中和”的新形勢對新能源科學與工程專業(yè)的人才培養(yǎng)提出新要求,《高等學校碳中和科技創(chuàng)新行動計劃》鼓勵將碳中和理念與實踐融入人才培養(yǎng)體系。由“雙碳”目標的內(nèi)涵分析得出:新能源替代和CCUS是碳中和的重點,2030至2060年需以新能源取代一次能源消費中55～95%的煤炭,應發(fā)展甲醇經(jīng)濟并應用儲能技術,去火電和發(fā)展新能源汽車,總之應提高能源利用效率,改變能源結構和發(fā)展負碳技術。由新能源科學與工程的內(nèi)涵分析得出:新能源應以太陽能和風能為主,需采用儲能技術并開發(fā)新技術,燃料電池是汽車未來的發(fā)展方向和終極目標。

根據(jù)《普通高等學校本科專業(yè)類教學質(zhì)量國家標準》確定新能源科學與工程專業(yè)的培養(yǎng)目標為:培養(yǎng)具備工程熱物理相關基礎理論,掌握能源高效潔凈轉(zhuǎn)化與利用、新能源技術研發(fā)與應用、動力系統(tǒng)及裝備運行與控制等方面專業(yè)知識的高素質(zhì)專門人才。根據(jù)該標準提出的知識體系和示例的核心課程體系,通過增減構建新能源科學與工程的課程體系,厘清各主要課程間的承接關系,從而為新能源科學與工程專業(yè)的人才培養(yǎng)奠定堅實基礎。