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王中林院士:能源转型需要颠覆性原创技术

来源:中国科学报 作者:王中林 人气: 发布时间:2022-09-09 08:50:17

能源是人类赖以生存的根本,也是一个国家安全的保障。

与其他国家相比,中国的能源现状是富煤、少油、缺气,尽管煤炭储量较为丰富,但也并非取之不尽。寻找新型可持续的能源,迫在眉睫。

当前,随着化石能源的过度使用,二氧化碳排放达到新高度,给生态环境造成严重危害。近年来,自然灾害整体发生的频率比以往更高,这可能与化石能源的过度使用不无关系。

国家提出将“双碳”作为重大战略目标,能源转型是必然趋势。一方面,我们要大力发展绿色可再生能源,包括太阳能、风能、生物质能等;另一方面,散落在地球上的分布式能源也不可忽视。

能源从产生、利用到回收是一个系统性过程。过去,化石能源燃烧被用于发电后,都以其他形式散落在环境中,例如热能、机械能等。这些大面积分布、碎片化的能源,可回收率很低,造成了能源不可再利用。

如何把环境中散落的“分布式能源”重新变成电力,输送至千家万户,是一个重大挑战。

20年前,随着分布式传感装置和物联网的出现,信息通信技术的发展从有线走向无线,从有序走向分布。我们由此意识到,在能源领域也将可能面临同样的趋势,即从一元变成多元,从集中走向分布。而这其中的关键问题之一,是如何使分布式传感器件能够可持续运转、回收能量、提供数据信息。基于此,我们继而开始研究微纳能源。

微纳能源即除传统可再生能源、化石能源等“大能源”之外的“小能源”。

海洋中蕴藏着巨大能量。前不久,中国科学院联合欧洲科学院发布了基于海洋的气候行动,其中提到,海洋能源是未来替代化石能源的出路之一。

海洋中包括热能、风能、潮汐能、波浪能、生物质能等能源,它们分布广、能量大,我们必须向海洋要资源。汇聚各种各样的海洋能量可极大满足人类的能源需求、降低二氧化碳排放。

然而,与欧洲国家海岸线上的“大风大浪”相比,我国海岸线上的风浪比较平静,平均浪高仅有0.3~0.8米,收集起来非常困难,且能量较低很难进行发电,这就需要颠覆性原创技术。为此,2012年,我们发明了纳米发电机(TENG),它可以将广泛分布的能量收集起来,将微小的机械能转换为电能。

与传统发电机的原理不同,纳米发电机是基于两种材料的接触起电,产生静电感应并对外输出电流,具有高电压低电流、在低频下具有高效率的特点。每台纳米发电机并不大,但把它们结成网状放置到海洋中,就可以将海水无规则的运动转变为电能,且能够稳定输出。

根据实验数据作理论测算,1平方公里的海面面积、1米深的水,用球形纳米发电机连成三维网格,理论上可以产生10兆瓦级的电能输出,可以点亮100万盏电灯。海洋蓝色能源前景广阔。

经过成本核算,海洋能源形成规模化后,其成本低于风能和太阳能,且因为海浪是昼夜不停的,大面积所发的电应该是持续、稳定的,因此可以并网。我们在海上、海下做的试验也取得了显著成效,证明了我们的想法是正确的。

纳米发电机的发明为实现能源系统的微型化带来了可能,这是突破了1831年法拉第发明的电磁感应定理后的第二个重大发明,也是在科学原理从0到1的颠覆性原创思想。

自从20年前纳米发电机首次发明以来,迄今整整10年,我们已经建立了基本理论框架、技术方法,在产业应用方面也迈出了重要步伐。纳米发电机作为一个把机械信号转为电信号的传感装置,目前在安全防护、人机交互、网络安全、空气净化、健康维护等领域有潜在应用。在拓展应用的过程中,我们不断完善技术理论,不断学习提高,为在海洋能源领域真正规模化应用奠定基础。

实现“双碳”目标是一项宏大而复杂的系统工程,在能源转型过程中仍需要很多技术创新,包括发电方式、电网运输和储能等。这十分重要但又十分艰难,需要多方配合、系统协作,相信未来一定能找出解决方案。

未来,一方面我们应该大力推动现有技术,保证化石能源作为能源安全保障的基础;另一方面应大力培育原创性、颠覆性技术,发展分布式能源,颠覆性技术有可能成为未来能源革命性转变的保证。

从0到1的原创突破是非常困难的工作。比如,你有了世界首次的原创思想,能否变为现实?能否得到行业认可和社会接纳?成本高的时候如何降成本……这需要长期稳定坚持、久久为功。

因此,这需要国家顶层设计和政府专项资金的支持,同时带动社会资本投入。新能源领域需要科学突破,但也蕴藏着巨大商机。此外,还需要人才培养和学科建设,使得该领域在发展中后继有人。

重视基础研究、原创思想和科学,只有这样,我们才不会跟着别人跑、不会在核心技术方面被“卡脖子”,才能够在科学发展史上留下印迹,也才能够产生真正的颠覆性技术。

作者:王中林(中国科学院外籍院士、中国科学院北京纳米能源与系统研究所所长)

(编辑:逍遥客)

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