能源与人类社会

供稿|夏德宏，蒋滨繁

人类社会的每一次颠覆性进步都与能源科技的突破性进展息息相关：18世纪中期，以蒸汽机为代表的第一次工业革命促进了近代城市化的兴起；19世纪中期，以电气为代表的第二次工业革命加强了全球合作贸易；20世纪中期，以原子能等为代表的新型能源形态催生了高度便利和高速发展的第三次工业革命和信息时代的来临。粗略按照百年一变的社会发展周期，现在就是第三次信息科技革命的尾期和第四次科技革命的孕育期。

第四次工业革命是什么？虽尚无定论，但从科技发展规律来看，第四次工业革命一定是针对现有发展瓶颈的重大突破，并且形成普适性、可大规模商用的技术。那么在社会高速发展的当下，人类社会发展的关键因素和瓶颈是什么，突破这个制约因素的核心技术是什么，青年学生又该如何选择，才能在新一轮科技革命浪潮中担当国家复兴、社会发展和人类文明进步的使命？

能源：人类社会发展的关键

能源是人类社会发展的动力，是维护国家和社会稳定的基石。在经历了“石油危机”后，美国开始推进能源独立战略。2005年，美国“页岩气革命”取得成功，油气产量显著增长，能源对外依存度从曾经30%以上的峰值下降至4%左右(2019)[1]。能源独立战略取得突破后，2018年美国提出“能源新现实主义”，导致世界能源版图和政治、经济等格局发生巨大变化。由此可见，能源是社会发展的关键所在，能源供给更是事关国家安全的重大问题。

我国是全球最大的能源生产国和消费国，存在能源利用总量大、效率低、排放重等问题。2019年，我国能源生产总量约39.7亿t标准煤，而能源消费总量则高达48.6亿t[2]；我国单位GDP(国内生产总值)能耗是世界平均水平的1.5倍，是日本等发达国家的2.6倍。一方面，我国能源供需之间存在巨大缺口，油、气对外依存度分别高达70%和45%，严重威胁我国的能源安全[2]。另一方面，粗放式的能源利用方式产生大量污染物排放，造成大气雾霾、水污染等频频发生。受上述能源和环境等制约，我国的经济增速也从2007年的13%逐步下降并稳定在6%左右(2019年)[2]。

地球上的煤炭、石油、天然气等常规能源储量日趋枯竭，除高碳能源煤炭以外，较为清洁和方便应用的石油和天然气的可开采年限都只有50年左右。面对日益严峻的能源紧缺问题，我们不由得思考，能源紧缺及能源使用过程中的环境污染问题能解决吗？我们是否能寻找到永续的清洁能源解决方案，为我们社会高速度和高质量发展提供源源不断的动力呢？

永续能源：社会发展瓶颈突破口

理想的永续能源指几乎没有污染、不会枯竭、也不受地域和时域的限制、可以广泛使用的各种新能源或者可再生能源。例如，海底的可燃冰是一种清洁非常规能源，地热能、风能、海洋能等清洁能源则不会枯竭，地球圈外的太阳能则常年普照大地，每天为地球提供超过我们实际需求量的光能和热能且不受地域的限制[3]。通过科技攻关，克服上述能源在时域、地域和能源供给强度等方面的随机波动，就能为用户提供稳定的高品质能源，在不消耗地球能源矿产资源的前提下满足人类生活和社会发展的需求。

生物质能源是近年来得到快速发展的一个可再生能源品种。生物质能源本质上是来自于太阳能，是生物通过光合作用将水和CO2形成低碳的碳氢能源储存了下来，不仅产生了能源，还吸收了CO2，一举两得[3]。太阳每天照到地球上的能量远远大于我们人类每天消耗的能量。因此，理论上只要开发出高效的生物质能收集、转化和利用技术，就能在完全不消耗化石能源的基础上实现能源的永续发展。

图1所示为一种典型生物能源品种——“油藻”，它具有极大的比表面积，可快速吸收CO2进行光合作用，长成油脂率高的植物体[4]。“油藻”可直接压榨出油品能源，压榨后的残渣可作为肥料，实现了能源的清洁利用和资源的循环利用，使能源与环境问题迎刃而解！

图1 生物质能源——“油藻”

生物质能源和其他可再生能源一起作为一种潜在的永续能源，解决了能源源头供给的问题。然而，能源和环境问题不仅仅是要解决“源”的问题，更要解决如何高效“用”的问题。

能源的“源”和“用”都有随机波动性：以可再生能源作为“源”时，能源供给侧的输出量可能会因环境因素的变化而产生波动；而能源使用侧的用户也会因生活方式或生产调度等的变化对能源的需求产生波动。为平衡供需关系并保证能源稳定输出与灵活利用，需在能源供给侧和使用侧间加上一个缓冲技术——“储”能技术。

因此，完整的能源技术链条包括“源-储-用”三个环节，三者的协调匹配将构建能源永续利用系统，为社会生活生产提供动力。

北科大能源动力类专业：“源-储-用”全链条能源科技

为突破国家和社会发展面临的能源瓶颈问题，北京科技大学能源动力类专业(简称北科大能动专业)面向“源-储-用”全链条能源科技攻关的关键核心理论与技术问题，以“源”多元化、“储”灵活化和“用”高效化为目标，构建了创新性系统解决方案。

多元化“源”

有学者表示，整个宇宙都来自于大爆炸，这实际是个能量的大爆炸，为我们提供了多元化的能源。除了前面提到的可燃冰、风能海洋能、太阳能、生物质能等，我们的周围其实还有一种更为普遍、能量密度更大的能量——核能，如图所示2。根据爱因斯坦的质能方程，质量和能量间存在的固定关系。一个质量为m的物体可以通过核反应获得mc2的能量(c代表光速)，也就是说万物皆能！只要开发出合理的转化利用方法，万事万物都是我们可利用的能量！

图2 能源无处不在——多元化的“源”

灵活化“储”

储能是使能源供给侧和使用侧柔性衔接的关键，灵活的储能技术可极大地提高能源利用效率。储能技术主要分为物理储能和化学储能。

常用的物理储能技术包括相变储能、飞轮储能和压缩空气储能等[5]。例如，北科大能动专业科研团队开发的低谷电相变储能按需供热技术，所研发的储热材料蓄能密度大，低谷电时蓄存热量至储热材料，用电高峰时按需将热量取出外供，实现了能源的高效利用与灵活调节，如图3(a)所示。

常用的物理储能技术包括热化学储能和电化学储能等[5]。例如，北科大能动专业科研团队将热化学储能与工业余能回收相结合，通过设计一系列吸热的化学反应，将各种低品位的余能转化成燃料的化学能，实现了余能的全资源化和高值化利用，如图3(b)所示。

高效化“用”

终端用户侧使能效提升具有事半功倍的杠杆效应。这是由于在能源送到终端用户之前，要经历开采生产、转化(发电、气化或者液化)、输送等环节，而这些环节均要消耗大量能源，例如发电的效率仅约40%～50%。因此，如果提高能源使用终端的能效水平，将会相应减小前序工序的能源消耗，从而大幅度的减消能源的源头供给压力。

流程工业是我国最大的终端能源用户，每年能耗约占全国总能耗的40%以上。但流程工业不仅能耗总量大，并且能效低、排放重，典型用能装备平均热效率仅约38%，而余能排放约占全部输入能量的50%以上[2]。

图3 (a) 低谷电相变储能按需供热技术和(b) 热化学储能技术

因此，为提高终端用能系统能效水平，目前以流程工业为代表的终端用能系统发展趋势为典型用能装备高效化与清洁化、工艺系统能/质协同化与智能化、余能利用极限化与全资源化。我国在“十三五”期间布局了15个工业节能领域的国家重点研发计划项目，其中北科大能动专业科研团队承担或参与了多个相关项目/课题研发工作，为推动我国能源革命、保障能源安全做出了积极贡献。

北科大能动专业：能源科技创新人才培养体系

以科研促教学，依托前沿的能源科技研究，北京科技大学能源动力类专业构建了全链条的能源科技创新性人才培养体系，包括能源与动力工程专业、新能源科学与工程专业。

能源与动力工程专业

能源与动力工程专业是国家一级本科专业建设点，北京市“重点建设一流专业”。本专业以能质有序转换和协同利用为主线，培养具备“源-储-用”全链条知识体系、致力于构建高效、清洁、智能的智慧能源系统的精英人才；以提升终端用能侧能效为重点，通过杠杆效应大幅缓解能源源头供给压力，保障国家能源安全，并以此服务国家“能源革命”和“生态文明建设”战略。

新能源科学与工程专业

新能源科学与工程专业是新兴热门专业，以可再生能源的生产、转化、储备为主线，培养掌握各种能源形态高效转化的知识和方法、致力于构建多能源耦合联储联用新型能源系统的创新性人才；以高效储能为纽带，构建可再生能源为源头的智能化多能源(冷、热、电、气)供应体系，助推我国能源革命和能源结构的绿色转型。

结束语

能源是人类社会发展的动力，也是当今世界发展的瓶颈；开发永续能源是解决社会发展瓶颈的突破口；构建能源“源-储-用”全链条高效转化和利用系统是推动社会高速、高质量和可持续发展的必要选择。后“疫情”时代，世界格局和经济社会发展必将面临新一轮调整，历史告诉我们危机中总是蕴藏转机。站在时代的潮头，希望青年学生进入大学前就能以国家的复兴为己任，担当起用前沿能源科学创新推动推动国家经济社会发展和人类文明进步的使命。