材料研究与低碳经济“低碳能源材料”:低碳经济中的重要研究领域

材料研究与低碳经济“低碳能源材料”:低碳经济中的重要研究领域

编者按:近三个世纪,人类创造了前所未有的工业和经济文明,不仅消耗了大量的资源,而且累结排放了大量的温室气体,引发两极冰盖加速融化,海平面逐年上升,荒漠化日益加剧,飓风、洪水、干旱频发,严重威胁着地球的生态平衡和人类的生存和发展,引起了全球各国的高度关注。2009年12月,全球的目光都聚焦在丹麦首都哥本哈根,世界气候大会在这里召开,超过85个国家元首或政府首脑、192个国家的环境部长出席,中国国家总理温家宝做出了碳减排的庄严承诺。在应对全球气候变化、控制温室气体排放的努力中,新材料作为科技创新的物质基础起着至关重要的作用。本期热点评论结合即将到来的低碳时代战略命题,特邀部分材料专家畅谈了应对低碳经济的一些观点。欢迎更多的学者积极参与讨论。

我国是一个能源生产和消费大国,能源自给率达到90%以上。我国煤炭资源十分丰富,也有天然气资源,但石油储量不足世界的2%。我们的能源政策是:矿物能源的清洁利用、节能减排;积极发展核能、水能等新能源,特别是大力发展风能、太阳能等可再生能源。主要问题是:如何提高能量转换效率和如何储能。现在正在研究和开发的器件包括:燃料电池、半导体照明、光伏电池、热电转换器件和锂离子电池等。所有这些与节能减排密切相关的器件都离不开材料,所以材料是低碳能源的基础。我国能否实现低碳经济,除国家的政策引导外,在很大程度完全取决于新能源材料的科技进步水平和相关产业的发展规模。下面仅就笔者知道的几个实例来说明我国材料科技工作者已经或正在为实现低碳能源所作的努力。

煤炭的清洁利用 发展煤基固体氧化物燃料电池,实现整体煤气化联合循环(IGCC)相结合,可将转换效率从42.2%提高至57.4%。在国家863计划和中科院的支持下,我国已对800～1 000℃大尺寸固体氧化物H2/O2燃料电池进行了卓有成效的研究。现在又在国家基金委的支持下,研究在600℃以碳基气体(煤层气、甲烷、生物质气等)为燃料的低温固体氧化物燃料电池。还研究了以花状CeO2载Cu作催化剂,在250～300℃将乙醇转化为H2,转化率74%。在863计划支持下,研制出大尺寸Ba1.0Co0.7Fe0.2Nb0.1O3-δ透氧膜,用此透氧膜可将炼钢焦炉煤气转化为富H2气体,为氢氧燃料电池提供廉价的氢源。

发展水力电站 水电是公认的清洁能源。我国是世界水-电资源最丰富的国家之一。预计到2020年,我国的水电安装容量将达到300GW。一座三峡电站相当于5亿吨燃煤火电站,每年可减少二氧化碳排放1亿吨。我国已自主铸造出巨型水轮机叶片并在三峡电站使用。我国水力资源在西南,而用电大户在东南,这就要解决长距离转电问题。除了特高压输电外,在云南昆明作了高温超导电缆输电的演示。电压35kV,电流2kA,运行5年来输送500MkW·h,损耗仅为常规电缆的50%～60%。所用的电缆是由Bi系超导线制成。这为将来的智能电网奠定了基础。

工业低温废热利用 我国大约有1013 kW·h的200～500℃工业低温废热,可通过热电材料转变成电能再利用。这些巨大的潜能是否能得到充分再利用,取决于研制和开发更高热-电转换效率的热电功能材料。可喜的是,在973计划支持下,我国科研人员在探索高优值热电转换材料方面步入世界先进行列。

可再生能源利用 我国风能资源丰富,可达1 000GW,其中陆基资源253 G W,海基750 G W。到2010年风力发电装机容量将达到5 G W,2020年达到30 G W,占总装机容量的3%。2008年风力电站装机容量已达12.21GW。已能生产1.5,2.0和3.0 MW风力发电机组,但仅有20%～50%的零部件是自制的。已能自制1.5,2.0MW风力发电机叶片。

建筑物节能 建筑物耗能占我国总能耗的27.45%,在冬季和夏季通过普通玻璃窗户进行的热能交换分别达48%和71%。玻璃窗引起的能耗是整个建筑物的50%。降低窗户能量交换是降低建筑能耗的关键。正在研发中的涂VO2薄膜的智能玻璃,可根据环境温度自主调节它对红外光的透过特性,机敏地实现冬天保温夏天保凉的双向调节效果。开发和推广新型半导体照明光源是建筑物节能的另一重要技术。我国在产业化和提高LED效率方面取得了很大进展。

核电开发利用 核电(包括重元素裂变与轻元素聚变)是另一类不可缺少的清洁能源。裂变堆技术已日趋成熟,在国际范围内广泛用于商业发电。2020年我国将建30座核电站,装机容量将达到70 G W,约占总电力的4%,到2030年装机容量将达到160GW,占总电量的16%;正在研制中的聚变堆(ITER)可望最终满足人类对清洁能源的全部需求,迫切需要解决的技术难题是聚变堆第一壁材料的设计和制造。

储能系统开发 我国有大量的低谷电需要储存,发展风能和太阳能等间断性能源也需要储存才能与电网联接。因此需要研发储能材料和器件。我国在新型储氢材料、钠/硫电池、锂离子储能电池等研究工作取得很大进展,有的已实现产业化。

我国材料界已经取得可喜成绩,但离低碳经济的要求还差得很远。需要加大投入,组织制定多层次的专项计划,为实现低碳目标提供材料支撑。