開篇語
作為世界上最大的發展中國家、能源消費國，“雙碳”目標對我國能源高質量發展提出了更高要求，如何在國家能源安全得到有效保障的前提下，尋求更具韌性、包容性和可持續性的能源生產與消費方式，是實現“雙碳”目標的關鍵。
中國的科學家團體正在貢獻智慧，為“雙碳”助力。新型清潔能源開發技術、儲能技術、化石能源的清潔使用技術……這些科技創新技術正在一點點改變我們的生活，給“雙碳”繪上了綠色的底色。
煤炭是我國能源結構的中流砥柱。在實現“雙碳”目標過程中，能源結構改革是非常重要的一個環節。在這個過程中，煤炭將扮演什么樣的角色？我國在煤炭轉化的研究中都取得了哪些關鍵的進展呢？為此，我們采訪了中國科學技術大學校長包信和院士。
專家介紹
包信和
研究員，現任中國科學技術大學校長。2009年當選為中國科學院院士；2011年當選為發展中國家科學院院士；2016年當選為英國皇家化學會榮譽會士。包信和長期從事新型催化材料的創制和能源清潔高效轉化過程的研發，在催化基礎理論的發展和新催化劑開發、應用等方面取得了重要研究成果。包信和院士帶領團隊在催化基礎研究和應用領域耕耘20余載，提出了"納米限域催化"等新概念，榮獲2020年度國家自然科學獎一等獎。
（本文根據采訪內容整理）
我們應該如何理解“雙碳”？
問：您是如何理解碳達峰、碳中和這兩個概念的？
答：一個國家，特別是像中國這樣的發展中國家，發展過程中一定要進行工業生產，而生產是需要使用大量能源的。目前我們使用的能源主要是化石能源，燃燒之后會產生二氧化碳，因此在能源使用過程中就要排放碳。近幾十年來，由于我國的經濟一直在高速發展，所以能源的用量（包括碳的排放量）就一直在上升。所謂碳達峰，也就是希望我國盡快達到碳排放的最高值。我國現在希望在2030年以前實現碳達峰。
實現碳達峰之后，我們要采取各種方法，在減少二氧化碳排放的同時，增加對二氧化碳的處理，最終使每年碳的排放量能夠等于碳的自然吸收量加上處理掉的量，使二氧化碳的產生和清除達到平衡，這個平衡就叫做碳中和。
問：您認為我國要實現“雙碳”目標，最重要的難題是什么？
答：我國能源生產占據了碳排放的80%以上。所以，要想按期實現碳達峰和碳中和的目標，最需要關注的就是能源。有三個環節需要我們重點關注：首先是清潔能源的獲得環節，也就是本身不會產生大量碳排放的能源；第二是能源的使用環節，也就是研究如何在能源使用過程中減少碳排放；第三個環節就是排放環節，如何在這個環節中將要排放的碳進行吸收、處理。
問：通過節能減排就能夠實現“雙碳”目標嗎？
答：這是一個誤區。國家要發展，要產生社會價值和GDP，一定需要能源，因此社會需要的能源肯定是增加的。節能減排可以幫助我們提高能效（產量一致的情況下能耗降低），但是不會改變社會能耗增加的事實。也就是說，雖然節能減排能降低碳的排放，但要同時實現社會的發展和“雙碳”目標，單靠節能減排是不夠的。
問：在實現“雙碳”目標過程中，科技怎樣給我們“賦能”？
答：科技賦能主要體現在兩個方面：新材料和新思路的提出，以及機制和原理的探索。
在新材料和新思路方面，例如，現在太陽能電池材料主要是用硅，但是有一種新思路，不是完全用硅，而用一種叫鈣鈦礦的材料。鈣鈦礦材料從被發現到應用在太陽能轉換上，僅用了十年左右的時間，但它的效率已經達到23%-25%，與硅材料有一定的可比性了。
那么這些材料為什么能夠將太陽能轉化為電能呢？這就是科技賦能的另一個角色：機制和原理的探索。通過研究我們發現，太陽光所攜帶的能量，能夠將這些材料中的電子激發出來，從而形成電流。太陽光中不同組分的能量是不同的，而不同材料中的電子被激發時，所需要的能量也是不同的。了解這個發電機制之后，很多科學家開始研究疊層太陽能電池，將硅和鈣鈦礦材料疊在一起，能夠充分利用光的不同組分，使光能轉換效率進一步提高。目前最好的疊層電池能夠實現30%左右的轉換效率，比單獨材料制備的電池又要高出好多。
問：您認為我國實現“雙碳”目標主要面臨哪些困難和挑戰？
答：主要的壓力來自于兩點：首先，我國的碳排放量本來就很大；其次，我國有較高的經濟發展需求。
我國的情況和西方國家不同。歐洲發達國家基本上在上世紀80年代就已經實現了碳達峰，美國也在2005年左右實現了碳達峰。這些國家承諾在2050年實現碳中和，也就意味著他們有較長的時間來妥善安排進程。而且，發達國家的經濟增速已經放緩，對能源的需求增速也不會有較大增量。
但是，現階段我國的人均GDP與西方國家相比還有較大差距，經濟發展的速度仍然較快，能源需求還會進一步的增長，目前還沒有實現碳達峰；在這一情況下，還需要同時考慮實現碳中和的問題。即便我們承諾2060年實現碳中和，留給我們的時間與西方國家相比，也少了很多，主要的壓力也是來源于此。
提出碳達峰和碳中和概念時，美國跟歐洲的人均GDP達到了2.5萬美元左右，而我國是1萬美元左右，就好比一個青春期的孩子正是需要大量營養來長身體的時候，突然被限制了吃飯的量，這是一個比較大的挑戰。我們只能通過改善“飲食”結構，在飯量不增加的情況下也能獲得充足的營養，這個轉變是非常困難的，這也是另一個壓力的來源。
問：實現“雙碳”目標，我國有哪些優勢？
答：首先，在新能源的生產方面，我們的太陽能、風能和水能發電裝機容量都在世界前列；而很多新能源生產所需要的設備和材料也都是來自中國，這些都是我們在清潔能源生產方面的先發優勢。
其次，中國幅員遼闊，能量資源豐富，這也是我國發展清潔能源的一個優勢。因為無論是發展風能還是太陽能、甚至水能，都需要較大的場地，我國中西部地區的廣闊土地會成為新能源未來發展的大舞臺。
第三，在輿論層面和文化層面上，中國的大眾/公眾也是比較接受可再生能源的。一個新概念、新事物，如果不能得到大家的認可，也就無法大范圍地推廣了。
另外，近年來，我國在科技發展上的投入非常大。前面我們提到“雙碳”目標的實現需要科技賦能，所以中國在新能源科技的各個方面都有非常大的投入，也掌握了一些世界領先的技術。
問：您心目中的能源夢是什么樣的，能談一下嗎？
答：首先是能源安全得到保障。像現在俄烏沖突以后，歐洲在能源上面臨的危機就很有警示意義。所以我的能源夢首要一點就是要有能源可用，要讓我們的國家在能源上實現安全、自立、自主，這是我們科技工作者希望能夠給國家做的貢獻。
第二，希望能源的生產和使用過程當中能夠對生態環境友好。因為人類世世代代生活在地球上，當然也包括我們子孫后代，在我們的發展過程當中，不能因為能源的使用給子孫后代留下隱患。
第三，就是能夠讓能源的獲取更加便利、更加便宜。未來如果聚變能能夠突破，那么從某種意義上來說，人類就可以源源不斷地獲取廉價的清潔能源了，這也是我能源夢中的圖景。
煤炭如何迎來“第二春”？
問：煤炭是一種非清潔能源，為什么我們還要使用和研究呢？
答：煤炭首要的特點是能量密度非常高，也就是說單位體積內產生能量很多；相比之下，風能和太陽能的單位面積上產生的能量較小。我們的生產生活需要大量的能量，因此煤炭這一化石能源很有優勢。
在化石燃料中，中國的煤儲量相對于石油和天然氣來說，還是比較高的。根據前幾年的資料，我們現在探明的煤儲量大概有1.5萬億噸，以我國現在每年開采40億噸左右的速度計算，再考慮開采和使用技術的發展，我國的儲量供應三百年或者更長時間，應該是沒有問題的。也就是說，從能源安全的角度來講，煤炭能源還是會在我國未來發展中扮演重要的角色，不是短時間內就能棄用的。目前，煤在我國能源結構的比重要占60%左右，所以即便煤可能有污染的問題，也不可能說不用就不用。
另外，現在我國的石油對外依存度達到了74%。萬一在運輸和貿易過程中發生一些意外，那么我國的石油安全就會產生問題。在這種情況下，我們希望能用自身比較豐富的煤炭資源作為石油的替代品。
最后一個因素是成本?？傮w來講，相對于新能源，煤炭的價格還是比較低的，在考慮經濟效益的情況下，煤炭的使用還是主流。因此，在一段時間之內，煤的使用不可能被替代。
也正是由于煤炭不可替代性，對煤炭的研究就變得非常重要。在“雙碳”目標的實現過程中，在我們找到比煤炭更加優秀的替代品之前，不能先否定煤炭，而是要用科技手段將煤炭的使用變得綠色化，實現清潔、低碳、高效。
問：從化工角度來講，煤還有哪些價值呢？
答：把煤轉化成其它化學品，包括與石油類似的液體燃料，也是一個比較重要的方向。
液體燃料是我國比較缺乏的資源。在很早之前，中國就把煤轉化列為一項戰略技術，以防備極端情況下的石油斷供問題。把煤炭轉化為液體燃料，與目前的國際油價相比是不經濟的，因此不適合大規模生產，其價值主要體現在其戰略性上。
但是經過多年努力以后，通過探索和改善，我們發現煤的轉化不只是一個戰略儲備性的技術，在某些層面上也能夠實現經濟效益。例如劉中民院士的研究（把煤通過甲醇變成烯烴的技術），在經濟上已經可行了，也就是說用煤炭來生產烯烴是可以賺錢的，那么就可以大力發展了。
煤炭轉化——超級變變變！
問：煤如何直接制低碳烯烴？相關研究與“雙碳”有何關系？
答：出于國家戰略的需要，一戰后德國就有人開始研究把煤轉化成液體燃料或者其他化學品。因為德國的石油資源也不多，但是煤炭儲量還可以。所以德國人把煤經過汽化，再用催化的方法轉化成油（低碳烯烴）。
從現在的視角來看，這個方法有一些問題。首先，煤炭中的氫含量相對于石油來說比較少，因此過程中需要消耗水來提供氫；而水中除了氫還含有氧，這些氧就會以二氧化碳的形式排放出來。據估算，以煤為原料生產一噸石油制品，需要消耗10噸左右的水，同時排放10噸左右的二氧化碳。所以，這種方法會消耗大量的水資源并產生大量碳排放，是不符合“雙碳”目標要求的。另外，這種方法產生出來的烯烴碳鏈長度非常復雜，需要經過重新煉制才能夠獲得符合要求的產品。
在消耗水、碳排放和選擇性差這三個問題上，我們課題組的研究內容主要指向其中的兩個。首先，我們的生產過程中可以做到不用水。第二，我們的工藝選擇性很強。例如，在篩選2個碳原子到4個碳原子的烯烴過程中，選擇性可以達到90%。
雖然從原理上來看沒有減少二氧化碳的排放，但是我們用一步就能實現原來要三步才能做成的過程，流程縮短了，也就降低了能耗，從而間接地實現了減排。
如果使用新能源技術產生的氫來代替水，那么就不需要排出氧，這樣從原理上就可以減少煤炭轉化過程中的二氧化碳排放了。因此，煤炭轉化的新技術如果能與氫能源技術的發展耦合起來，那么就可以進一步有助于實現“雙碳”目標。
問：在煤的優化利用方面，現在已經有哪些有益的探索，您能給我們舉幾個例子嗎？
答：我們的努力方向有很多，主要圍繞如何在煤轉化過程當中降低二氧化碳的排放。
首先是將煤炭轉化為含氧的產品的研究，例如轉化為乙醇或者乙二醇，這樣就可以減少二氧化碳排放。另外，我們還進行了過程優化方面的研究，通過提高效率的方式來降低二氧化碳排放。
另外，我們也探究新的煤炭轉化機制。根據前面的介紹，煤的轉化過程需要先汽化，而現在的汽化方式是與氧氣反應。由于引入了氧元素，后面需要以二氧化碳的形式將氧元素排掉。所以，要從根本上解決煤轉化過程二氧化碳的排放問題，就需要在煤轉化過程中不使用氧氣。我們現在與中科大合作，通過高溫等離子體加熱的方法使煤炭直接發生轉化，不需要使用氧氣，就不排放二氧化碳了。
我們也有研究組在碳處理方面取得了不錯的進展，例如將二氧化碳與氫或者甲烷直接進行反應，生成化學品，效率非常高。只要能解決好產量放大的問題，就可以在碳中和過程中發揮作用。
“輪到我們中國人想點事情做了”
問：根據報道，您之前在和外國交流的過程中曾經提到過：“你們已經想出來的已經很多了，現在也該輪到我們中國人想點事情做了。”這句話體現了我國科研工作者的自信。您認為這份自信的來源是什么？
答：說這句話的時候，是歐洲某家大型跨國公司請我們去交流，我們詳細講了我們煤經合成氣轉化的工作，如何實現一步轉化。對方其實也一直在做類似的工作，但是沒有想到這一點，他們感到很懊惱。我就說了那句話。
我想，這個自信是一種基于事實的、發自內心的一種確信，是經過很多事實論證以后，確信我們的成果比他人的好。
中國現在有很多方面已經走在外國前面了，但是不能盲目自信。盲目自信可能是因為我們對別人不了解，或者把我們單個進展的領先夸大成整個系統上的領先，這是不對的。
我認為我們一定要自立自強，要有自信，但是我們的自信要基于事實，不要因一個小的突破而沾沾自喜，而是要著眼于最終的整體成果。只要能做出一些大家公認的成果，就可以贏得別人對我們的尊重和認可，這才是自信的真正來源。
來源：科學大院
