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能源，是人类赖以生存的物质基础，更是一个国家强盛的动力和安全的基石。当前，能源问题已成为世界各国共同关注的话题，加快构建清洁、高效、安全、可持续的能源新体系，对我国抢占新一轮能源革命战略制高点、保障国家长远利益至关重要。 值此新中国成立70周年之际，伴随着共和国脚步一同前行的中国科学院大连化学物理研究所（以下简称大连化物所）近日举行了以“融合、创新、发展”为主题的发展战略研讨会，近百位能源化工领域专家学者和企业界代表聚焦变革性能源科技创新与产业发展，探讨未来能源发展所面临的挑战和机遇，分享洁净能源领域的技术创新和融合发展的实践经验，为能源新体系建设出谋划策。
科技创新助力国家能源新体系构建 刘中民 中国工程院院士、大连化物所所长 回顾世界能源发展态势，每一次工业革命都伴随着一次能源革命，第四次能源革命是什么？我们正在期待着。毫无疑问的是，清洁化是一大趋势。 近年来，我国能源产业快速发展，但“富煤、贫油、少气”的资源禀赋特点使我国长期以来形成了以化石能源为主的能源消费结构，由此带来了生态环境破坏和能源资源瓶颈等问题。 我国能源安全面临挑战，石油和天然气对外依存度不断攀升，其供给受严重制约。此外，我国能源进口通道安全强烈依赖地缘政治，受到地区政治不稳定因素的影响，我国油气资源进口面临着严重的威胁。 与此同时，生态环境压力也在加大。一方面，大范围、高强度的雾霾天气倒逼能源转型。另一方面，二氧化碳排放量大，减排任务艰巨。我国在《巴黎协定》中承诺2030年单位GDP的二氧化碳排量比2005年下降60%—65%。 我国现有能源体系各分系统相对独立，且存在结构性矛盾，各分系统之间难以“合并同类项”。当前，系统间的发展不协调性日益凸显，整体效率不高。这其中有历史和政策的原因，但根本原因在于缺乏联系各能源分系统的关键技术。 习近平总书记高度重视我国能源发展与改革工作，鲜明提出推动能源消费革命、能源供给革命、能源技术革命、能源体制革命和全方位加强国际合作等重大战略思想，为我国能源改革发展进一步指明了方向。 我国能源革命的战略目标是，通过能源技术革命促进能源革命，构建国家能源新体系。 中国科学院作为国家战略科技力量，我们理所当然要思考：在构建国家能源新体系过程中发挥怎样的作用？如何解决问题？ 我们建议从能源系统顶层设计角度出发，以能源技术创新为引领，以化石能源清洁高效利用与耦合替代、清洁能源多能互补与规模应用、低碳化多能战略融合与区域示范为3 条主线，逐步构建清洁低碳、安全高效的国家能源新体系。 主线一：鼓励发展以煤炭为代表的化石能源清洁高效利用与耦合替代技术，保障能源安全。重点布局合成气和甲醇下游及耦合转化利用、高效清洁燃烧、能源废弃物多产业协同利用、煤炭分级分质转化等科技任务。 主线二：发展清洁能源多能互补与规模应用技术。清洁能源的产生及利用方式强烈地依赖地域与自然环境，需要结合区域智能能源网络的构建及新兴产业的发展统筹考虑。重点布局太阳能风能多能互补能源系统、生物质能源清洁转化与规模利用、海洋可再生能源高效规模化利用和大规模储能等，其中，储能和氢的产生及利用是重要的能源互联平台。 主线三：创新驱动低碳化多能战略融合与区域示范。重点布局氢能与燃料电池、核能非电综合利用、“液态阳光”以及多能融合区域示范关键技术体系等，探索构建以市场为导向的清洁低碳、安全高效的能源供应和消费体系。 在国家能源新体系发展过程中，需要建立创新链、产业链、资金链、政策链相互交织、相互支撑的全链条创新体系。能源领域是多学科交叉、技术集成度高、系统性较强的学科领域，能源领域科技创新具有前瞻性、颠覆性、风险大、长期性等特点。我们建议从国家层面加速推进洁净能源领域国家实验室的建设，这对推动我国能源科技进步、提升能源领域国际影响力、构建“清洁低碳、安全高效”的能源体系具有重要意义。
太阳燃料将缓解我国能源安全问题 李灿 中国科学院院士 化石资源是宝贵的材料资源，我们正在过度消费子孙的财富。与此同时，过度利用化石资源造成了严峻的环境生态问题。发展清洁能源是人类实现生态文明的必由之路。 太阳能是其他可再生能源的源头，风能、水能和生物质能均源于太阳能。太阳能丰富、清洁，可再生、潜力巨大，它在地球上的量也足以保障全世界人类未来发展的需要。 太阳能的科学转化和利用主要包括太阳能发电和太阳燃料合成。太阳能发电可满足固定能源需求，光伏、光热发电、风电已大规模商业化应用。目前我国是生产和装配光伏组件最多的国家，对世界可再生能源的发展已经做出巨大的贡献。 如今，我们更加关心的是，太阳能如何转化成和化石能源一样的燃料？这相当于把太阳能集中储存起来以满足移动能源的需求，是一个实现低碳和无碳燃料的过程，也是从自然光合作用到人工光合成的一个过程，属于化学与物理、生物、材料科学交叉的前沿科学领域。 太阳燃料，也称液态阳光，其本质就是利用太阳能等可再生能源将水和二氧化碳转化为燃料，不但不排放、而且减排二氧化碳， 这是人类追求的生态文明的最高境界。 从化石燃料到太阳燃料，是能源发展中真正意义的变革性跨越。但在科学上却也面临变革难题：化石燃料合成和转化过程多涉及热力学下坡反应和热催化过程，多侧重在碳资源（煤、石油、天然气等）的转化和化学反应，作为能源资源的化石燃料无法摆脱二氧化碳排放等环境生态问题。 而太阳燃料合成所涉及的是热力学爬坡反应，需要光、电催化的科学基础，其转化的资源是水、二氧化碳和太阳能为代表的可再生能源。它道法自然，回归生态平衡，环境绿色友好。在中国西部正在进行的千吨级太阳燃料合成工业化示范工程，就是基于我们发展的分解水制氢技术和二氧化碳加氢合成甲醇的技术。 太阳燃料合成的主要途径有光催化、光热催化、光电催化以及电催化。太阳燃料合成是一个化学储能的过程，可以将分散的太阳能收集、长期储存。太阳能转化为化学能的意义重大，一方面可将太阳能作为燃料使用，更重要的是这是一个新的储能策略，可解决可再生能源的间歇性问题，以及用户使用能源的随机性问题。 另外，将太阳能等可再生能源储存为太阳燃料（甲醇燃料），既能长期储存，随时可以使用，又易于安全运输，且是氢能载体，可作为燃料电池氢源，有利于解决氢能经济中“制、储、运、加”的安全性问题。 基于太阳燃料的合成技术，我们提出了太阳燃料加氢站或称液态阳光加氢站的策略，其优势很明显：可解决高压加氢站安全问题，实现油、醇、氢共站，减少二氧化碳排放，实现燃料电池全生命周期绿色清洁的目标，还可以扩展为其他化学储氢路线，适合在社区和现行加油站建设等。该技术被认为是最有发展前景的加氢站技术，建议尽快在可再生能源供给体系中进行布局。 我国可再生能源资源禀赋条件优越，完全可以通过大力发展可再生能源解决能源和生态环境问题，特别是通过太阳燃料的策略，发展甲醇经济、氢能经济。实现二氧化碳减排和二氧化碳的碳资源化，技术和经济上均是可行的。可研报告表明，如果可再生能源发电的价格为每千瓦时0.2元，太阳燃料甲醇和煤化工甲醇的价格持平，若采用弃电（弃光、弃风）制甲醇，则太阳燃料甲醇的成本优势更大。 总之，可再生能源逐步替代化石能源已成为必然趋势，太阳液态燃料是其中的重要途径之一，将在人类社会生态文明建设的发展中发挥越来越重要的作用。
二氧化碳是人类必须善加利用的资源 何鸣元 中国科学院院士 在能源转型时代，纵观我国整个能源的布局，包括化石能源、非化石能源和可再生能源。尽管可再生能源是我们向往的，技术也日趋成熟，但在能源需求的总量中所占的比例会有一定的局限。 在可预见的未来, 化石能源在能源结构中仍将占主导地位。 我国70%的石油依赖进口，这严重威胁我国能源安全。因此，根据我国“富煤、少油、贫气”的能源结构特点，用好现有化石资源，做到清洁利用不但十分重要，而且势在必行。 化石能源是指以石油、天然气、煤为代表的含碳能源。在化石资源加工转化成燃料和化学品、燃料利用过程中产生二氧化碳。然而，二氧化碳排放量的不断增加，将导致一系列生态和环境问题。因此，我们必须解决好碳循环严重失衡问题，实现碳资源的高效转化及循环利用。 2010年前后，我们提出了“绿色碳科学”的概念，即含碳物质能源利用时，从碳资源加工、碳能源利用、使用后碳固定，到碳循环全过程所涉及的碳化学键演变规律及其基于原子经济性的优化。 从化学基础来看，绿色碳科学核心是碳的氧化还原反应。当化石能源加工利用产生二氧化碳时，我们可以通过化学循环或者生态循环的方式，使之又变为燃料和化学品，尽量接近碳循环平衡。 把生成的二氧化碳循环成为可利用的能源，包含把变化以后的化学键再变回原来化学键的一些反应。根据能量守恒定律，化学键的演变实质上涉及的是能量问题，即二氧化碳化学循环生成燃料所需能量，在实施过程中要大于从能源燃烧生成二氧化碳得到的能量。我们仍然可以用含碳能源来补充所需的能量，但其后果必然是在循环利用二氧化碳的同时又增加了新的排放，这违背了绿色碳科学原则。因此，光靠碳循环体系本身是不行的，我们需要从外加的非碳能源获取能量才能良性完成这个循环。 能源化学学科发展前沿目前聚焦于二氧化碳、水和氢这些小分子问题。来自含碳能源的燃料使用后产生的终极分子是水和二氧化碳，再生需要解决能量的问题。利用太阳能分解水制氢进而还原二氧化碳、通过人工光合作用实现二氧化碳和水的反应制取燃料和化学品，是当前的研究热点和技术发展的重点。 在这一系列过程中，太阳能是满足人类需求的终极能源。除太阳能之外，风能、水力能、地热能、核能等非碳能源也可以考虑在内。 我们距离用太阳能推动二氧化碳转化还有多远？太阳能发电已经开始工业应用，太阳能热的利用除民用外距工业应用也并不远，但光催化方法和光电化学方法将太阳能转化为化学能则还有一定的距离。 特别需要关注的是，包括化工和发电等工业在内二氧化碳的集中排放，其总量占人类二氧化碳排放总量的40%以上。我们认为且需要强调，集中排放的二氧化碳必须以工业的方式来解决。绿色碳科学的理念的普及和发展必然要推动“二氧化碳化工”众多过程和新兴产业的产生。目前，欧洲规划了12项二氧化碳转化过程的工业实验。我国不少科研院所和企业已成功开发了多项“二氧化碳化工”过程项目，并实现了工业化，可以说是引领了世界二氧化碳资源化利用的正确方向。
助推能源数字化与清洁能源转型 尼克·约翰斯通（Nick Johnstone） 国际能源署首席统计师 这是我第一次来到大连化物所，当车沿着山路向上行驶之时，我就被这里的环境吸引了。很明显，这里的科研设施都是高标准的。 尽管我与大连化物所的科研人员没有直接合作过，但我时常惊讶于我的科研工作被那么多中国学者关注，这种联系是我未曾想到的。 在数字化的今天，知识的溢出效应已然超乎想象。数字化改变了知识的交流，同样也正在改变能源系统。所谓数字化，就是将越来越多的信息通信技术应用于物理世界，它可以实现数字和物理世界的互动与融合。数字世界包括三大要素：数字信息、人与机器之间或机器与机器之间的电子通信、分析数据以实现预期结果的能力。数据收集、存储成本的下降，更高性能的互联能力和更强的运算能力将助推数字化向高水平方向发展。 如今，全球无电人口已降至10亿以下，世界能源系统日益电气化，但未来电力系统如何运行尚存疑问。已经有一些信号显示出了全球能源变化的节奏与方向，比方说，在经济增长的趋势下，电力需求继续强劲增长，石油和天然气市场不断变化，太阳能光伏发展势头强劲而其他关键技术及能效政策急需推力。政策制定者需要对可能的不同未来及其形成机制有充分的洞见。 在这样的背景下，数字化越来越普遍地出现于能源领域，数字公司对能源领域的兴趣日益浓厚，人们也普遍认为数字化将不可避免地影响能源行业的关键部分。 在我看来，数字化将有助于更好地制定政策，可以降低相关的交易和管理成本，如在拥堵收费方面灵活定价等；有助于理解分散和小规模资本存量的特征，如太阳能光伏卫星图像和机器学习等；有助于收集、管理和分析大数据以改善政策评估及政策的合规性；同时，数字化提供的信息还可以更直接地反映消费者消费行为中的潜在偏好。 能源数字化和清洁能源系统是一个整体，二者都会提高能源系统的效率，并在大多数情况下减少排放。事实上，数字化为清洁能源的发展提供了机会，最明显的例子是智能电网。 就中国而言，鉴于中国已探明的煤炭储量非常大，煤炭仍然是能源系统的重要组成部分，而且在未来几年内也将如此。中国目前最大的挑战是改变能源系统中继续依赖化石燃料的部分，转变管理方式，让风能、太阳能和其他形式的能源在经济中发挥更大的作用。 当然，我们可以看到，就能源领域相关信息通信技术的发明和应用而言，中国的增长率远远超出世界其他国家。近年来，中国在确保气候变化议程的重要方面也发挥着突出作用。为了让投资者为清洁能源转型投资，中国需要制定一个可预测的政策框架。因此，我认为，中国当前最重要的事就是坚持下去，我也鼓励中国继续发出积极信号，表明中国正在以更加认真和坚定的态度应对全球能源转型和气候变化的挑战。 注：尼克·约翰斯通受邀代表国际能源署在大连化物所发展战略研讨会上发布了《数字化与能源》中文版，该报告经武汉文献情报中心翻译，由科学出版社于2019年7月1日正式出版。
用甲醇作氢气载体拉开氢能产业化序幕 刘科 澳大利亚国家工程院外籍院士 当前，氢能正赶上前所未有的发展势头，逐渐成为清洁、安全的未来能源的重要组成部分。 早在20多年前，我在美国联合技术公司（UTC Fuel Cell）工作时，就带领UTC、尼桑和壳牌石油三大跨国公司的工程师团队，耗资近一亿美元研发经费，做出了全球第一辆“车载汽油制氢的燃料电池汽车”。 尽管氢能目前很热，但氢气并不适合做能源载体。 一是因为氢气是世界上体积能量密度最小的物质，只有靠压缩才能提高能量密度。加氢站把氢气压缩到350公斤或700公斤的高压储罐里；这么高压力的车载储氢罐，因钢材太重，只好用碳纤维，而碳纤维价格很高；并且在压缩氢气的过程中，本身就会损耗很多能量。 二是因为氢气是最小的分子，是最容易泄漏的气体。多年来，大多数炼油厂事故都是源于氢气泄漏。 三是因为氢气是爆炸范围最广、扩散最快的气体。在露天情况下，氢气泄漏问题不大，一旦泄漏就会冲上天。但在封闭空间，它会迅速扩散、爆炸；目前国内规定大型高压储氢罐车不允许过隧道，就是担心在隧道内泄漏爆炸。因此，对于北上广深这种大量汽车停在地下停车库封闭空间的城市来说，罐装氢气不适合成为广泛使用的能源。 四是建加氢站也有困难。因为氢气的易燃易爆特性，加氢站在设计的时候要有一个安全距离，它要求在一定的范围内不能有居民楼。以深圳为例，在市里建一个日供300辆左右燃料电池汽车的加氢站约需6~8亩地，而深圳1亩地约1亿元，一个加氢站，仅地价就6亿至8亿元，根本就不划算。如果把加氢站建在郊区，也没有多少人来回跑那么远去加氢。 不过，随着“页岩气革命”的到来，这一切都发生了改变。 页岩气革命前，美国的天然气最高曾达17美元每百万英热单位，“页岩气革命”的到来使其迅速下跌至1.5美元每百万英热单位，现在平衡到2.5～3美元左右。而且，由页岩气革命探明的全世界天然气储量，200年也用不完。 天然气是制备甲醇最好的原料，比煤制甲醇更便宜。全世界有200年用不完的天然气，也就意味着有200年用不完的甲醇。我们可以就地把天然气转化成甲醇，在天然气便宜的地方，甲醇每吨成本不到750元。 从运输方面来讲，与固体、气体相比，液体燃料当属首选。因为，在陆地上可以用管道运输，即使跨海输送，成本也很低，而且还可以在储罐里长期储存。比如，海运一船汽油从休斯敦到大连港，售价为7元一升，运费每升不到0.07元。 从另一方面来说，甲醇在线重整制氢的难度要比汽油在线转化制氢的难度小得多。因为汽油转化温度为850℃，甲醇只有300℃多，并且甲醇中没有硫，比汽油干净得多。 十几年前，我们就实现了汽油在线转化制氢技术，现在没有理由做不成甲醇在线转化制氢技术。 这几年，我们与一些企业合作，在劣质煤制甲醇、甲醇制氢等方面取得了很大的进步，用甲醇作为氢气的载体，储运成本大降，和燃料电池结合大有可为。
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