中國科學院院士包信和：能源大變革帶來產業新機遇

　　□實現“雙碳”目標，我國產業結構調整和能源結構變革是關鍵。基于我國能源結構特征及行業發展趨勢，發展可再生能源、加快電氣化進程成為必由之路

　　□第四次能源革命，其關鍵在于材料科學和制造技術的進步和突破。在電力端，加快發展低碳和非碳能源;在消費端，能電則電、能氫則氫;在固碳端，發展負碳技術

　　□從能效提高的角度來看，太陽能未來的發展趨勢必然是疊層

　　近日，中國科學院院士包信和做客上海證券報主辦的第六期“上證·院士說”，發表題為《應對“雙碳”目標的產業變革邏輯和技術需求》的主旨演講，并接受了上海證券報記者專訪。包信和認為，在“雙碳”背景下，能源大變革對技術和設備帶來新需求，必將催生產業新機遇。

　　發展可再生能源 加快電氣化進程

　　雖然有不同的聲音，但二氧化碳排放對溫室效應會產生影響已成為全球共識。同時，近年來，典型的非二氧化碳氣體甲烷的減排也越來越受到全球關注。

　　與歐美相比，我國實現碳中和是一場硬仗。“從底層邏輯來看，‘雙碳’不是別人讓我們做的，而是我們內生的需求，是破解資源環境約束突出問題、推動經濟結構轉型升級、實現可持續發展的迫切需要。”包信和認為，實現“雙碳”目標，我國產業結構調整和能源結構變革是關鍵。堅持先立后破，調整產業結構，降低能源強度是必經之路。

　　基于我國能源結構特征及行業發展趨勢，發展可再生能源、加快電氣化進程成為必由之路。包信和解釋稱，即便到2050年，預估仍將有大約40%的領域不能實現電氣化替代。在此情景下，氫能替代傳統的碳基化石能源可以作為重要的補充。

　　就像電能一樣，氫能屬于二次能源。目前，全球大約95%的氫能來自煤、油、氣等化石能源，由于這些過程會排放大量二氧化碳，通常被稱為灰氫。把過程中產生的二氧化碳捕集和處理掉(如CCS等)，所得的氫能被稱為藍氫。通過可再生能源制氫，則所得的氫能被稱為綠氫。

　　包信和認為，從環保清潔角度來看，綠氫是發展的必然，而綠氫的關鍵是可再生能源的獲得和氫制備。

　　包信和總結了第四次能源革命的三大特征：能源資源從化石能源向可再生能源轉變;能源結構從高碳向低碳和無碳轉變;能源產業由資源屬性向制造屬性轉變。

　　“‘雙碳’目標下的新一輪能源革命是新興產業的機遇。”包信和認為，第四次能源革命，其關鍵在于材料科學和制造技術的進步和突破。在電力端，加快發展低碳和非碳能源;在消費端，能電則電、能氫則氫;在固碳端，發展負碳技術。

　　包信和分析了近期我國實現碳中和的途徑：化石能源是保障，可再生能源是核心，氫能技術是關鍵，CCS、CCUS等負碳技術可以作為兜底。

　　疊層技術是太陽能提效的重要路徑

　　包信和認為，可再生能源將成為我國未來能源的主體，太陽能將在未來可再生能源規模化利用中占有重要位置。從能效提高的角度來看，太陽能未來的發展趨勢必然是疊層。

　　包信和介紹，現有理論表明，晶硅有其效率轉化的極限，大約在30%;通過疊加新材料，太陽能發電效率可進一步提升，實現太陽光能分級利用和“吃光榨盡”。在太空中應用的太陽能電池已可疊到5層、6層，轉化效率可超過36%，目前由于成本太高，不適合民用。

　　近年來，鈣鈦礦技術發展很快。根據已有報道，目前晶硅-鈣鈦礦疊層電池效率可達到33.7%。包信和認為，鈣鈦礦有廣闊的發展前景，也是市場關注熱點。但當下鈣鈦礦在穩定性、放大特性、環保等方面仍存在很大挑戰。

　　3C-SiC是受關注的下一代光伏電池材料，理論研究認為，它應該展現出良好的光電特性。包信和介紹，如果實現理論預計的寬帶中間態太陽電池的開發，其轉換效率有望超過60%。但目前尚未實現突破，現有轉換效率只有百分之十幾。

　　關于高效太陽能電池的發展趨勢，包信和認為，目前來看，疊層的方向是明確的。多種光電半導體材料如何高性能疊合、寬禁帶半導體材料能不能制備出來，還需要大量研究。此外，為了實現全光譜的轉化，窄禁帶半導體材料、量子點也值得關注。

　　氫能技術突破任重道遠

　　氫能，被各界寄予厚望。近年來，電解水制氫技術逐步成熟，但不同的技術路線發展程度存在差異。

　　包信和介紹，目前最為成熟的堿性電解器其電解效率在75%左右，缺點在于效率偏低，且堿液對環境有污染風險。相比堿性電解器，在特定應用場景(如車規級氫能、波動性可再生能源)中，質子交換膜電解器(PEM)優勢日漸明顯，其電解效率可達80%左右。國際上許多新建項目已開始選用PEM電解槽，其市場滲透率預期會逐步擴大。其挑戰在于需要用到貴金屬催化劑和高價的質子傳導膜，投資較高。

　　陰離子交換膜(AEM)和固體氧化物(SOEC)作為新興技術潛力巨大，也是國際研發的重點。但前者在規模量產前在離子傳導膜的長期穩定性、設備的耐久性和制造工藝上還有待提升，后者目前處在基礎材料研發和完善階段，還有大量的研究工作要做。

　　包信和介紹，作為最新的電解水技術，AEM電解槽的潛力在于將堿性電解槽的低成本與PEM的簡單、高效相結合。該技術能使用非貴金屬催化劑、無鈦部件，并和PEM一樣能在壓差下運行。但目前，AEM存在化學、機械穩定性的問題，影響壽命曲線。

　　現有的固體氧化物(SOEC)電解槽一般都在高溫(700—800攝氏度)下運行，動力學上的優勢使其可使用廉價的鎳電極。如利用工業生產中的高品質余熱，假設條件是能源輸入為75%電能和25%水蒸氣中的熱能，預計SOEC的系統效率近期內有望達到85%，理想條件下可達到90%。

　　SOEC電解槽進料為水蒸氣，若添加二氧化碳后，則可生成合成氣，比如氫氣和一氧化碳的混合物;還可再進一步生產合成燃料，比如柴油、航空燃油。

　　包信和表示，耐久性是SOEC目前遇到的重要問題。熱化學循環，特別是系統停、啟時都會加速老化，降低使用壽命。提升SOEC的性能、耐久性和降低操作溫度是目前歐美研發的重點。

　　包信和介紹，采用目前的技術，要制一公斤氫，如果用堿性方法，大概需要50度電;質子膜方法，大約也需要47—48度電;SOEC大約需要37—38度電，要求水蒸氣溫度150—180攝氏度。

　　電解水制氫技術的發展前景，有兩個關鍵影響因素：一是設備投資;二是電價。從投資角度來看，電解水制氫投資前景如何?不包括氧氣應用和碳價，包信和分享了一種估算方法：電價(元)×50+5元(設備折舊)+利潤，三者之和大約是每公斤氫的價格。

　　包信和介紹，目前化石能源制氫成本大約一公斤10元—15元;到2050年，電解水制氫成本大約能降到12元—13元。如果考慮到碳稅等環保因素，電解水制氫的經濟性將更凸顯。

　　包信和院士是我國化學物理領域一位杰出的科學家，主要從事能源高效轉化相關的表面科學和催化化學基礎研究。

　　催化是化學的核心領域。在學術界，具體的催化過程、催化機理至今尚不明晰，長期以來被視為“黑匣子”。經過20余年探索，包信和院士帶領團隊系統創建了具有廣泛意義的“納米限域催化”概念，該成果榮獲2020年度國家自然科學獎一等獎。(來源：上海證券報記者 劉雪 仲茜)