“双碳”目标下新能源科学与工程专业的课程体系研究

王远洋 李晓明

(太原科技大学 化学工程与技术学院,山西 太原 030021)

能源是人类赖以生存的物质基础,动力是维系现代工业运行的基本条件,节能环保是社会可持续发展的可靠保障。能源动力领域及相关工业是关系国家繁荣发展、人民生活改善、社会长治久安的国际前沿科技领域和国民经济支柱产业。能源动力领域的人才培养无疑对推动我国能源供给革命、能源消费革命和能源技术革命具有重要意义。新能源科学与工程专业作为能源动力类专业,承担着我国能源动力领域人才培养的重任,而“碳达峰、碳中和”作为一场广泛而深刻的经济社会系统性变革,对包括新能源科学与工程专业在内的新时代各类人才培养提出了新要求。

二氧化碳等温室气体排放导致全球气候变暖,严重威胁着人类生存和可持续发展。2020年9月,习近平主席在第75届联合国大会一般性辩论上宣布:中国“力争2030年前二氧化碳排放达到峰值,努力争取2060年前实现碳中和”。同年12月,习近平主席在气候雄心峰会上进一步宣布:到2030年,中国单位国内生产总值二氧化碳排放将比2005年下降65%以上,非化石能源占一次能源消费比重将达到25%左右,森林蓄积量将比2005年增加60亿立方米,风电、太阳能发电总装机容量将达到12亿千瓦以上[1]。显然,“双碳”目标是我国基于推动构建人类命运共同体的责任担当和实现可持续发展的内在要求的重大战略决策。

2021年7月,教育部印发《高等学校碳中和科技创新行动计划》(教科信函〔2021〕30号)[2],提出总体目标为加快构建高校碳中和科技创新体系和人才培养体系……近期利用3～5年时间,不断调整优化碳中和相关专业、学科建设,推动人才培养质量持续提升;中期通过5～10年的建设,若干高校率先建成世界一流碳中和相关学科和专业;远期立足实现碳中和目标,建成一批引领世界碳中和基础研究的顶尖学科。主要举措包括“加快制定碳中和领域人才培养方案,建设一批国家级碳中和相关一流本科专业,加强能源碳中和、资源碳中和、信息碳中和等相关教材建设,鼓励高校开设碳中和通识课程,将碳中和理念与实践融入人才培养体系”。

2022年4月底,教育部印发《加强碳达峰、碳中和高等教育人才培养体系建设工作方案》(教高函〔2022〕3号)[3],要求围绕化石能源绿色开发、低碳利用、减污降碳等碳减排关键技术,新型太阳能、风能、地热能、海洋能、生物质能、核能及储能技术等碳零排关键技术,二氧化碳捕集、利用、封存等碳负排关键技术攻关,为实现“碳达峰、碳中和”目标提供坚强的人才保障和智力支持。加快新能源、储能和氢能等紧缺人才培养;加快碳捕集、利用与封存相关人才培养,促进低碳、零碳、负碳技术的开发、应用和推广;进一步加强风电、光伏、水电和核电等人才培养,推进新能源材料、装备制造、运行与维护、前沿技术等方面技术进步和产业升级。围绕碳达峰、碳中和目标,调整培养目标要求,修订培养方案,优化课程体系和教学内容……为此迫切需要针对“双碳”目标,进行新能源科学与工程专业的课程体系研究。

1 “双碳”目标的内涵分析

丁仲礼[4]认为,“出于改善空气质量的考虑,要追求尽量把碳达峰的峰值压低,碳达峰其实不需要太多研究,要研究的问题主要是如何实现碳中和。”碳中和就是人为排放的二氧化碳(化石燃料利用和土地利用),被人为努力(木材蓄积量、土壤有机碳、工程封存等)和自然过程(海洋吸收、侵蚀—沉积过程的碳埋藏、碱性土壤的固碳等)所吸收。目前全球每年排放的二氧化碳大约是400亿吨,其中14%来自土地利用,86%来自化石燃料利用。排放的这些二氧化碳,大约46%留在大气,23%被海洋吸收,31%被陆地吸收。为此从排放端、固碳端、政策推动三个角度设立了九个咨询专题,以设计碳中和框架及初步路线图。排放端的四个专题为未来能源消费总量预测、非碳能源占比阶段性提高途径、不可替代化石能源预测和非碳能源技术研发迭代需求;固碳端的四个专题为陆地生态系统固碳现状测算、陆地生态系统未来固碳潜力分析、碳捕集利用封存(CCUS)技术评估和青藏高原率先达标示范区建议;政策推动专题则为政策技术分析研究。丁仲礼最后指出,整个项目最终的情景设计为:假如到2060年我国每年不得不排放25亿吨二氧化碳,根据目前观测比例,自然过程可吸收13亿吨,生态系统吸收8亿吨,风化和碳酸钙沉淀吸收2亿吨,还有2亿吨要变成生物炭埋到土壤中,然后就是各种技术如何迭代。不难看出,新能源替代和CCUS是其重点。

2022年4月,韩正副总理出席博鳌亚洲论坛年会时表示,“我国将立足能源结构以煤为主的基本国情,大力推动煤炭清洁利用,发挥市场机制和政府调控作用,确保今年能源电力供应安全稳定,稳妥有序推进碳达峰、碳中和。”[5]相宏伟等[6]总结和预测了碳中和目标下我国能源与煤炭消费量及二氧化碳(CO2)排放量,提出我国在10年内要尽可能降低碳排放的峰值,之后的30年内平均每年要减少约3亿吨的CO2排放量,而煤在一次能源消费中占比减少的约55%～95%,此部分则需以不含碳或含碳量很少的新能源予以取代。相宏伟通过分析指出:选择优化产业结构与提高能量利用效率可明显但有限地降低CO2排放,唯有通过绿电绿氢、CCUS和CO2资源化利用技术与煤化工工艺耦合才能实现煤化工亿吨级规模的碳减排和可持续发展。此外,他们还根据空气直接捕集CO2技术、光电催化CO2转化和模拟光合反应的研究进展,设想了未来可能的零碳化工体系。

刘科在分析碳中和的六种误区后认为,对我国而言,碳中和有下述几条现实路径[7]。第一,将现有煤化工与可再生能源结合建立低碳能源系统,由煤炭经济转为甲醇经济,通过太阳能或风能电解水制备绿氢和氧气,合成气用绿氢补充而不经水汽变换,使煤制甲醇的CO2达到近零排放,将太阳能和风能以甲醇液体的载体形式储存,氧气则可用于煤气化;再用甲醇做分布式发电替代一切使用柴油机的场景,与光伏、风能等不稳定可再生能源形成互补;也可取代汽柴油作为汽车燃料,或甲醇和水200 ℃在线制氢发电推动燃料电池汽车,余热可维持最佳的电池温度,从而无需再建充电站或加氢站,不仅可大幅降低交通运输业的碳排放,而且可部分解决石油不足问题。第二,利用煤炭领域的碳中和技术——微矿分离技术,在煤燃烧前将可燃物与含污染物的矿物分离,制备低成本的清洁固体或类液体燃料和土壤改良剂,从而从源头上解决煤污染。而土壤改良剂可修复由于滥用化肥造成的土壤板结等生态问题,让更多的森林长起来,将CO2吸收,促进碳中和,该路径不但现实而且成本较低。第三,实现光伏与农业的综合发展,将光伏与农业、畜牧业、水资源利用及沙漠治理并举,以联合减碳。第四,峰谷电与热储能综合利用,利用分布式储热模块,在谷电时段将1/4乃至1/3的电以热的形式储存,再在需要时用于供热或空调,从而避免浪费并大幅降低CO2排放。其核心为:采用太阳能或风能等新能源合成甲醇,而后以甲醇发电和作为燃料推动燃料电池汽车。

我国碳排放结构中,电力行业(主要是火电)占41%,交通行业(主要是油品)占28%,建筑和工业占31%,火电产生的二氧化碳是未来减碳的最大主体。韩东娥[8]提出,我国作为最大的碳排放和能源消费国,实现碳中和目标需要能源系统的颠覆性变革,必须从以化石能源为主转向以可再生能源为主;未来40年,在能源供给侧实现电力的零碳化和燃料的零碳化,在消费侧实现高效化、再电气化和智慧化,能源利用实现从高碳到低碳再到零碳,实现可再生能源从补充能源到主流能源的转变;碳中和目标既是挑战也是机遇,努力将碳中和的压力转变为新型能源产业技术、新能源业态发展的机遇,转变为经济实现产业升级的动力,是碳中和的关键。

杜祥琬在为《碳达峰、碳中和100问》[9]作序中认为,全球和我国降碳的主要措施有3条:首先是提能效、降能耗,特别是从建筑、交通、工业、电力等方面入手;其次是能源替代,高比例发展非化石能源特别是可再生能源;最后是碳移除,增加碳汇,大力发展CCUS技术。可理解为:(1)提高能源利用效率,(2)改变能源结构,(3)发展负碳技术。

2 新能源科学与工程的内涵分析

目前广泛利用的煤炭、石油、天然气等化石能源和水能等被称为常规能源,随着常规能源有限性以及环境问题的日益突出,新能源越来越得到重视。1980年,联合国新能源和可再生能源会议对新能源的定义为:以新技术和新材料为基础,使传统的可再生能源得到现代化的开发和利用,用取之不尽、周而复始的可再生能源取代资源有限、对环境有污染的化石能源;重点开发太阳能、风能、生物质能、潮汐能、地热能、氢能和核能;此外,还应包括天然气水合物和沼气等资源,以及甲醇、乙醇(酒精)和二甲醚等化工能。由于生物质能不仅抢夺人类赖以生存的土地资源,更将导致社会不健康发展;而大规模开发潮汐能和地热能也将破坏海洋和地面表层土壤环境,从而再次引起生态环境恶化;氢气不是一次能源,和电一样需通过别的能源制造,因而只是能源的载体,也不具备液体在能量密度、管道输送、长期储存方面的优势,且氢气作为最小的分子最易泄露,还是爆炸范围最宽的气体,因而不适合做大众通用的能源载体[6];核能耗资巨大,一旦泄漏危害异常严重;而太阳能和风能作为取之不尽、用之不竭的健康能源,必将成为今后新能源的主流。新能源具有以下特点:(1)资源丰富,普遍可再生,供永续利用;(2)不含碳或含碳量很少,对环境影响小;(3)分布广,有利于小规模分散利用;(4)间断式供应,波动性大,对持续供能不利;(5)能量密度低,开发利用成本比化石能源高,需技术创新。前3项为其优点,后两项为其短板。换言之,新能源应以太阳能和风能为主,需采用储能技术并开发新技术。

新能源的种类只是能量利用众多环节的基础,而发动机做功原理的革新则是未来能源开发的首选方向,经典热机做功的能量利用效率仅有1/4到1/3,唯有当能源微观做有序一维运动而不产热时,发动机引擎100%做功才会成为可能,新能源汽车因此应运而生。新能源汽车是指采用除汽油、柴油外的非常规燃料作为动力来源,或虽使用常规燃料但采用新型动力装置,综合动力控制和驱动先进技术而形成的原理先进,具有新技术、新结构的汽车,包括混合动力电动汽车(HEV)、纯电动汽车(BEV,含太阳能汽车)、燃料电池汽车(FCEV)、其它新能源汽车(如超级电容器、飞轮等高效储能器)四大类型,其中燃料电池作为内燃机的理想替代物,代表了汽车未来的发展方向和终极目标。

新能源科学与工程隶属于能源与动力工程类专业,能源与动力工程主要研究能源转换,即将自然界的太阳能、风能、水能或化石能源等转化为工业上可用的电能或机械能,如各种锅炉、内燃机和蒸汽发电机等。按照“双碳”目标,电力应关停火电厂、交通需推广新能源汽车,为此能源与动力工程转而研究传统能源对环境的影响、能源的能效比以及清洁燃烧等问题。而新能源科学与工程作为2010年增设的专业,主要研究太阳能、风能、生物质能和核能等新能源的种类、特点、应用和未来发展趋势,以及相关的工程技术。

3 专业培养目标

新能源科学与工程所属的能源动力类专业以工程热物理相关理论为基础,以能源高效洁净转换与利用、动力系统及装备可靠运行与控制、新能源与可再生能源技术研发与应用、节能环保与可持续发展为学科方向,根据《普通高等学校本科专业类教学质量国家标准》[10](下简称《本科专业国家标准》),能源动力专业类的培养目标为:培养具备动力工程及工程热物理相关基础理论,系统掌握能源(包括新能源)高效洁净转化与利用、能源动力装备与系统、能源与环境系统工程等方面专业知识,能从事能源、动力、环保等领域的科学研究、技术开发、设计制造、运行控制、教学、管理等工作,富有社会责任感,具有国际视野、创新创业精神、工程实践能力和竞争意识的高素质专门人才。能源动力专业类下设“能源与动力工程”1个基本专业、“能源与环境系统工程”和“新能源科学与工程”2个特设专业,基本与培养目标中的“能源动力装备与系统”“能源与环境系统工程”和“能源(包括新能源)高效洁净转化与利用”相对应。

根据上述“双碳”目标和新能源科学与工程的内涵分析,同时兼顾风力发电涉及的系统装备,确定新能源科学与工程专业的培养目标为:培养具备工程热物理相关基础理论,系统掌握能源高效洁净转化与利用、新能源技术研发与应用、动力系统及装备运行与控制等方面专业知识,能从事新能源相关领域的科学研究、技术开发、工程设计、运行控制、教学和管理等工作,富有社会责任感,具有国际视野、创新创业精神、工程实践能力和竞争意识的高素质专门人才。

4 专业课程体系构建及其承接关系

《本科专业国家标准》提出三类知识体系:(1)通识类知识,包括思想政治教育、人文社会科学、数学和自然科学、经济管理、外语、计算机信息技术、体育、社会实践训练、创新创业实训等;(2)学科基础知识,体现本专业类知识体系的共性,覆盖力学、机械、工程材料、电工电子、测控技术、计算机语言及程序设计、热流科学等;(3)专业知识,包括能源高效洁净转化与利用原理与技术,能源动力机械与装置原理、结构与设计,能源动力系统与设备运行,新能源与可再生能源的开发、存储与利用,能源领域的环境保护与污染物防治等。此外,实践性教学环节包括课程实验、金工实习、认知实习、生产实习、课程设计、科研训练和毕业设计(论文)等。《本科专业国家标准》示例的新能源科学与工程专业核心课程体系见表1。

根据“双碳”目标的内涵分析,实现碳达峰、碳中和的主要途径为:(1)提高能源利用效率;(2)改变能源结构;(3)发展负碳技术。同时根据上述新能源科学与工程的内涵分析,新能源应侧重于太阳能和风能,并兼顾醇醚类化工能,而新型动力装置则注重于燃料电池。为此,根据专业培养目标,确定新能源科学与工程专业的核心课程体系列于表2。

表2 新能源科学与工程专业的核心课程体系

表1中删减的课程:(1)“自动控制原理”虽在太阳能和风能利用中有所涉及但占比很少,可在“电工电子技术”中予以补充;(2)新能源中主要的光伏发电涉及光电效应,风力发电涉及机械能与电能的转化,基本不涉及热效应,故去掉“新能源热利用原理及系统”;(3)风力发电涉及的流体机械能转化在“机械设计基础”和承接自“工程流体力学”的“能源转化原理”讲述,故去掉单独的“流体机械能转化原理与技术”;(4)鉴于氢能利用尚存较大争议,而燃料电池为最具代表性的新型能源动力系统,故以“燃料电池基础”取代“氢能与新型能源动力系统”。

表2中增设的课程:(1)新能源科学与工程所属的能源与动力工程类,主要研究能源转换。“能源转化原理”是所有核心课程的核心,具有纲举目张的地位,主要讲述将自然界的太阳能、风能、水能或化石能源等转化为工业上可用的电能或机械能的原理等,必须予以增加;(2)其中化石能源和新能源中的生物质能均涉及化学能的转化,化学在能源开发和利用上起着极其重要的作用,绝大多数的能源利用实质上就是能量和物质不同形式间的转化过程,而其转化均通过直接或间接化学反应予以实现,主要涉及热化学反应、光化学反应和电化学反应等,故增加“工程化学”,同时补充了数理基础的“高等数学”“大学物理”及“大学物理实验”;(3)“专业导论”具有提纲挈领作用,故予以开设,同时根据《高等学校碳中和科技创新行动计划》要求增设单独的“碳中和理念与实践”予以补充,并增加“碳捕集、封存和利用技术”进行强化;(4)针对新能源汽车,开设了“燃料电池基础”和“醇醚燃料合成及应用技术”,后者呼应“煤炭经济转为甲醇经济”的需求。

同时厘清了主要课程间的承接关系:(1)“工程力学”承接自“大学物理”,二者共同接续以“传热学”“工程热力学”和“工程流体力学”,三者又接续以“能源转化原理”,特别增加的“能源转化原理”承接自“工程化学”;(2)“风资源工程与风力发电技术” “生物质能转化原理与技术” “储能原理及技术”和“光电与光化学转化原理”四者共同承接自“能源转化原理”,而“太阳能利用技术和工程”又承接自“光电与光化学转化原理”;(3)修正了“工程材料基础”无本之木的缺失,承接自“工程化学”,二者共同接续以“生物质能转化原理与技术”和“醇醚燃料合成及应用技术”;(4)由于太阳能和风能的不连续性,“太阳能利用技术和工程”和“风资源工程与风力发电技术”接续以“储能原理及技术”;(5)“风资源工程与风力发电技术”“太阳能利用技术和工程” “储能原理及技术” “生物质能转化原理与技术”“醇醚燃料合成及应用技术” “碳捕集、封存和利用技术”和“燃料电池基础”共同构成“新能源专业综合实验”的内容,并接续以“生产实习”。其它承接关系不再赘述,详见图1。

图1 主要课程间承接关系结构图

5 结语

“碳达峰、碳中和”的新形势对新能源科学与工程专业的人才培养提出新要求,《高等学校碳中和科技创新行动计划》鼓励将碳中和理念与实践融入人才培养体系。由“双碳”目标的内涵分析得出:新能源替代和CCUS是碳中和的重点,2030至2060年需以新能源取代一次能源消费中55～95%的煤炭,应发展甲醇经济并应用储能技术,去火电和发展新能源汽车,总之应提高能源利用效率,改变能源结构和发展负碳技术。由新能源科学与工程的内涵分析得出:新能源应以太阳能和风能为主,需采用储能技术并开发新技术,燃料电池是汽车未来的发展方向和终极目标。

根据《普通高等学校本科专业类教学质量国家标准》确定新能源科学与工程专业的培养目标为:培养具备工程热物理相关基础理论,掌握能源高效洁净转化与利用、新能源技术研发与应用、动力系统及装备运行与控制等方面专业知识的高素质专门人才。根据该标准提出的知识体系和示例的核心课程体系,通过增减构建新能源科学与工程的课程体系,厘清各主要课程间的承接关系,从而为新能源科学与工程专业的人才培养奠定坚实基础。