材料研究與低碳經濟“低碳能源材料”:低碳經濟中的重要研究領域

材料研究與低碳經濟“低碳能源材料”:低碳經濟中的重要研究領域

編者按:近三個世紀,人類創造了前所未有的工業和經濟文明,不僅消耗了大量的資源,而且累結排放了大量的溫室氣體,引發兩極冰蓋加速融化,海平面逐年上升,荒漠化日益加劇,颶風、洪水、干旱頻發,嚴重威脅著地球的生態平衡和人類的生存和發展,引起了全球各國的高度關注。2009年12月,全球的目光都聚焦在丹麥首都哥本哈根,世界氣候大會在這里召開,超過85個國家元首或政府首腦、192個國家的環境部長出席,中國國家總理溫家寶做出了碳減排的莊嚴承諾。在應對全球氣候變化、控制溫室氣體排放的努力中,新材料作為科技創新的物質基礎起著至關重要的作用。本期熱點評論結合即將到來的低碳時代戰略命題,特邀部分材料專家暢談了應對低碳經濟的一些觀點。歡迎更多的學者積極參與討論。

我國是一個能源生產和消費大國,能源自給率達到90%以上。我國煤炭資源十分豐富,也有天然氣資源,但石油儲量不足世界的2%。我們的能源政策是:礦物能源的清潔利用、節能減排;積極發展核能、水能等新能源,特別是大力發展風能、太陽能等可再生能源。主要問題是:如何提高能量轉換效率和如何儲能。現在正在研究和開發的器件包括:燃料電池、半導體照明、光伏電池、熱電轉換器件和鋰離子電池等。所有這些與節能減排密切相關的器件都離不開材料,所以材料是低碳能源的基礎。我國能否實現低碳經濟,除國家的政策引導外,在很大程度完全取決于新能源材料的科技進步水平和相關產業的發展規模。下面僅就筆者知道的幾個實例來說明我國材料科技工作者已經或正在為實現低碳能源所作的努力。

煤炭的清潔利用 發展煤基固體氧化物燃料電池,實現整體煤氣化聯合循環(IGCC)相結合,可將轉換效率從42.2%提高至57.4%。在國家863計劃和中科院的支持下,我國已對800～1 000℃大尺寸固體氧化物H2/O2燃料電池進行了卓有成效的研究。現在又在國家基金委的支持下,研究在600℃以碳基氣體(煤層氣、甲烷、生物質氣等)為燃料的低溫固體氧化物燃料電池。還研究了以花狀CeO2載Cu作催化劑,在250～300℃將乙醇轉化為H2,轉化率74%。在863計劃支持下,研制出大尺寸Ba1.0Co0.7Fe0.2Nb0.1O3-δ透氧膜,用此透氧膜可將煉鋼焦爐煤氣轉化為富H2氣體,為氫氧燃料電池提供廉價的氫源。

發展水力電站 水電是公認的清潔能源。我國是世界水-電資源最豐富的國家之一。預計到2020年,我國的水電安裝容量將達到300GW。一座三峽電站相當于5億噸燃煤火電站,每年可減少二氧化碳排放1億噸。我國已自主鑄造出巨型水輪機葉片并在三峽電站使用。我國水力資源在西南,而用電大戶在東南,這就要解決長距離轉電問題。除了特高壓輸電外,在云南昆明作了高溫超導電纜輸電的演示。電壓35kV,電流2kA,運行5年來輸送500MkW·h,損耗僅為常規電纜的50%～60%。所用的電纜是由Bi系超導線制成。這為將來的智能電網奠定了基礎。

工業低溫廢熱利用 我國大約有1013 kW·h的200～500℃工業低溫廢熱,可通過熱電材料轉變成電能再利用。這些巨大的潛能是否能得到充分再利用,取決于研制和開發更高熱-電轉換效率的熱電功能材料。可喜的是,在973計劃支持下,我國科研人員在探索高優值熱電轉換材料方面步入世界先進行列。

可再生能源利用 我國風能資源豐富,可達1 000GW,其中陸基資源253 G W,海基750 G W。到2010年風力發電裝機容量將達到5 G W,2020年達到30 G W,占總裝機容量的3%。2008年風力電站裝機容量已達12.21GW。已能生產1.5,2.0和3.0 MW風力發電機組,但僅有20%～50%的零部件是自制的。已能自制1.5,2.0MW風力發電機葉片。

建筑物節能 建筑物耗能占我國總能耗的27.45%,在冬季和夏季通過普通玻璃窗戶進行的熱能交換分別達48%和71%。玻璃窗引起的能耗是整個建筑物的50%。降低窗戶能量交換是降低建筑能耗的關鍵。正在研發中的涂VO2薄膜的智能玻璃,可根據環境溫度自主調節它對紅外光的透過特性,機敏地實現冬天保溫夏天保涼的雙向調節效果。開發和推廣新型半導體照明光源是建筑物節能的另一重要技術。我國在產業化和提高LED效率方面取得了很大進展。

核電開發利用 核電(包括重元素裂變與輕元素聚變)是另一類不可缺少的清潔能源。裂變堆技術已日趨成熟,在國際范圍內廣泛用于商業發電。2020年我國將建30座核電站,裝機容量將達到70 G W,約占總電力的4%,到2030年裝機容量將達到160GW,占總電量的16%;正在研制中的聚變堆(ITER)可望最終滿足人類對清潔能源的全部需求,迫切需要解決的技術難題是聚變堆第一壁材料的設計和制造。

儲能系統開發 我國有大量的低谷電需要儲存,發展風能和太陽能等間斷性能源也需要儲存才能與電網聯接。因此需要研發儲能材料和器件。我國在新型儲氫材料、鈉/硫電池、鋰離子儲能電池等研究工作取得很大進展,有的已實現產業化。

我國材料界已經取得可喜成績,但離低碳經濟的要求還差得很遠。需要加大投入,組織制定多層次的專項計劃,為實現低碳目標提供材料支撐。