李灿院士：把阳光变成液体 | 双碳之路无限可能
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阳光对我们每个人来说都再熟悉不过了，它在滋养地球万物的同时，还给我们带来了无尽的能源。在“双碳”目标下，我们如何利用这笔天然“宝藏”呢？除了太阳能电池，其实还有很多方式，比如，把阳光变成“液体”。液态阳光到底是什么，这一技术会给我们的生活带来哪些变化？为此，我们专访了中国科学院大连化学物理研究所李灿院士。
专家介绍
李灿
研究员，2003年当选中国科学院院士，2005年当选第三世界科学院院士，2008年当选欧洲人文和自然科学院外籍院士、英国皇家化学学会会士。主要从事催化材料、催化反应和催化光谱表征方面的研究，并致力于太阳能光催化制氢以及太阳能光伏电池材料研究。先后获国家科技发明二等奖、国际催化奖、国家自然科学二等奖等。
图片来源：flickr
（本文根据采访内容整理）
我们应该如何理解“双碳”
问：李院士您好，想请您简述一下您对碳达峰和碳中和的理解。
答：学界现在越来越清楚，全球的气候变化与二氧化碳浓度上升有关系。现在大气中的二氧化碳浓度比工业革命前增长了一倍，可能会导致极端天气频发：例如极冷、极热的气温，有些地方暴雨成灾，有些地方干旱荒漠化等等。
为了解决这个问题，人们提了两个目标，一个是碳达峰，一个是碳中和。碳达峰就是说，人们希望现在排放二氧化碳的量能够尽早地达到一个峰值，然后降下来。碳中和就是人类要采取一些措施，把排放出来的二氧化碳减少，减少的量跟排放的量相等的时候，就是碳中和。所以碳达峰不是目的，碳达峰是为了更好地实现碳中和。
问：我国要实现“双碳”目标，最大困难是什么？
答：我们国家的国情跟其他国家不一样。第一，我们国家的能源主要还是依赖于化石能源。煤、石油、天然气，这些能源燃烧的过程都会排放二氧化碳。而我国80%能源支撑来自于化石能源。
第二，我们国家正处在一个高速发展的时期，高速发展的支撑是能源。但这就会带来大量的碳排放量，既要发展，又要减排，我们的压力很大。
第三，西方国家碳达峰是很自然的过程，因为是发达国家，对能源的依赖没有我们国家这么强，所以他们早就碳达峰了。他们从碳达峰到碳中和之间有很长时间，可以慢慢做到这一点；而我们国家时间很短，且碳排放量在高位上，要很快实现碳达峰、碳中和，这个任务非常艰巨。
城市和国家的快速发展，背后都少不了大量的能源消耗。西方国家早在气候变化引起世人关注之前就已经达到碳达峰，因此有足够的时间调整能源供给方式。但中国还处于高速发展过程中，还未碳达峰，而要想在碳达峰后达到碳中和，时间非常紧迫
图片来源：pxhere
问：可以描述一下您的能源梦吗？
答：到2060年的时候，我国能源的构成中，来自煤、石油、天然气的比例降到20%以下。那时候我们就对外依赖就很少了。另外到那个时候我们国家实现了碳中和，国家的能源体系发生了整体改变，成为一个以新能源主导的社会。到那时，无论是老百姓的供能方式，还是企业生产用能方式，都会发生很大的改变。
我国目前对化石能源需求很大，在进口大量石油的同时，也要消耗大量煤炭，图为大秦铁路上正在运煤的火车
图片来源：wikipedia
问：目前公众对于“双碳”的认识还不够，对此您有什么看法？
答：无论是在理解上，还是操作层面上，社会上存在两个极端。一个就是奢望可以快速地实现碳达峰、碳中和，但一蹴而就是不行的。例如有些地区去年执行双碳任务力度有一些大，拉闸限电，把一些煤矿都关掉了，但因为能源需求很紧张，现在又打开了。
但我们也要警惕另外一个极端和误区，不能因为有困难就完全放弃，不为实现“双碳”而努力了。好多人讲，我们中国是以煤为基础，煤还是缺不了的，所以还是要大力发展煤炭，这个说法是要纠正的。我们现在是要高效、绿色、低碳地来使用煤，而不是像以前一样粗犷地来，只管排放。现在用煤是不得已的办法，但是用煤的过程一定要低碳，尽可能少利用，尽可能高效利用。
问：现在有一个观点是，新能源的尽头是太阳能，但是也有人提出新能源的尽头是氢能，关于这些观点您怎么看？
答：两者是一回事。利用太阳能、风能、水能这些能源产生的氢能叫绿色氢能，而化石能源生产的氢能叫灰氢或者蓝氢。用灰氢和蓝氢是解决不了碳中和、碳达峰的任务的，因为生产它们的过程中还是要排放二氧化碳。想要不排放二氧化碳，只能使用绿氢，而绿氢最终还是要靠太阳能来生产。所以从实现“双碳”目标来看，氢能是太阳能的一种储存形式，因为太阳能发电不好储存，就可以以氢能的形式储存下来。
太阳能发电是最常见的一种利用太阳能的形式
图片来源：wikipedia
把阳光变成液态的
问：刚才提到的新能源中包括太阳能，太阳能的应用都有哪些形式呢？
答：大家都知道太阳能光伏发电，这是太阳能利用最直接，也是最有效的技术。但是太阳能是一个广义的词，其实风能和水能乃至生物质能，也都是从太阳能起源的。光伏发电是直接太阳能变成电，但是还有很多地方发电以后由于地方偏远，入网成本太高，所以我们就提出来，可以把光伏发的电能变成氢能储存下来，然后再转变成液态阳光——甲醇，这样一来太阳能就变成方便储存和运输的液体，从而方便使用。
甲醇是一种无色的液态燃料
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问：能详细介绍一下“液态阳光”这个概念吗？
答：由太阳能直接变成化学能，例如氢能、甲醇等，所获得的燃料被称为太阳燃料。我从2001年就开始做太阳燃料的相关研究。2015年以来，人们对太阳燃料越来越重视了。中国科学院的一些专家，和我们请来的顾问施春风先生合作写了一篇科普文章，把利用太阳光能产生的甲醇命名为液态阳光，听上去非常形象。
太阳能的优点是到处都有，随处可用；缺点是无法储存，如果不用就会散失。现在很多储能技术，是将太阳能转化为电能，再把电能储存起来；而液态阳光是把阳光的能量转化为液态的化学物质，可以永久储存，这是一种非常理想的太阳能利用方式。
为了储存阳光的能量，人们想了很多方法，常规的太阳能发电一到夜间就无法使用了，为了解决这一问题，有人提出来制造储能发电站，用阳光加热介质，介质在夜间也能释放热量，从而制造水蒸气发电。但这种方式所需体积巨大，电力也需并网后才能使用，并不便携。
图为哈密50兆瓦熔盐塔式光热发电站
图片来源：wikipedia
问：液态阳光的核心技术是什么？
答：主要有三个。首先是要有非常高效的光伏发电技术，把太阳能尽可能多地转化成电能。第二个是高效率、大规模的电解水技术。第三个就是把氢和二氧化碳反应转化成甲醇的技术。这需要高效的催化剂，既能够活化氢气分子，也能够活化二氧化碳分子。活化以后，两个分子在催化剂表面发生反应，最后形成甲醇，这是一个很复杂的催化过程。
问：这些技术的开发过程中都遇到了什么困难，取得了什么成就？
答：首先，从催化剂到电解槽的整个过程，是很大的挑战。有时候在实验室里做得很好，但不一定能够做到大的工业化装置上。大规模的催化剂装在数百个电解槽内，在高电流密度和高电压下工作，非常考验催化剂。另外，装置工作的稳定性也是很大的挑战。催化剂反应的条件也很苛刻，在高电流密度下，浸泡在30%的氢氧化钾溶液里面，不是工作几百小时，而是要达到十年寿命的稳定性。所以研发这样的催化剂很困难。
我们研发成功的电解槽，工作效率为每小时生产一千方氢气，现在是国际上比较先进的技术了。除了规模大，还可以把电转氢效率提高到80%以上，可以说同时实现了规模提升、效率提升和稳定性的提升。我们实验室现在正在研发更大规模的装置。
有了氢之后，如何进行催化反应变成甲醇，这也是比较大的挑战。在小型实验室里面做的时候，也许只有一百克催化剂，但是工业上生产，就需要用到吨的量级，相比之下要放大几十倍到上百倍，所以跨度很大。
我们在兰州新区的项目中，实现了一千吨到一千五百吨甲醇产量的规模，预示着往工业上更大的规模走是可行的。真正直接利用太阳能把水和二氧化碳变成甲醇的，我们是第一个，能够实现一千吨级规模工程，我们也是世界上首次。
今年中美业公司将在鄂尔多斯上马十万吨甲醇产量的项目，实现更大规模的跨越。生产十万吨甲醇相当于回收14万吨二氧化碳，这个减碳量是空前的，对碳达峰和碳中和会产生很大效益。
问：如果将来液态阳光实现了超大规模的生产应用以后，我们普通人生活会有哪些改变？
答：目前，甲醇作为未来的汽车燃料正在获得工信部、科技部和发改委的推广。在贵州，小型车辆用甲醇来做燃料，已经实现好几年了。甲醇也可以作为一种储存氢能的物质，其中的氢可以很容易放出来，可以方便氢燃料电池的使用。甲醇也可以替代天然气，在家庭里面做饭使用。说得再远一点，甲醇也可以作为绿色生物制造的原料，用来制作淀粉和蛋白质等食物，以及可降解塑料等工业产品。
因此，液态阳光会影响到每个人生活的方方面面。
在排队加甲醇的出租车
图片来源:贵州卫视截图
“我当时也是想挑战一下特别难的课题”
问：在整个发展过程中，有很多困难和关卡，那您当初为什么会选择这个研究项目呢?
答：太阳能到氢能，是人类梦寐以求的科技，在科学上也被认为是一个圣杯式的课题，吸引了大量科学家来尝试攻克。但我们2001年开始做的时候，这个课题还很冷，现在想来主要还是出于一个科学家的使命和责任。因为现在的化石能源终究要枯竭，不可再生。人类将来一定要选择可再生能源，而太阳能是大自然赐给人类最无穷无尽的能源，一定要把它用好。
除此之外，我当时也是想挑战一下特别难的课题。那些对人类社会影响越大的题目，往往挑战越大，所以自己也比较希望能做出影响力更大的成果，所以就选择了这样一个课题。当时所里爱护我的老先生们，对我的选择是有担忧的，担心我能不能做成，有可能投入了一辈子，也没有产出什么东西出来，毕竟当时的困难也非常多。但是大家还是认为这个方向是一个让人心动的方向，这是解决人类终极问题的课题。所以我还是义无反顾地选择了这个课题。
问：您认为我国实现“双碳”目标的过程中，科技创新起到什么样的作用？
答：任何好的想法，包括液态阳光，如果没有重大的科技创新突破，是根本做不到的，它本身就贯穿着科技创新的过程，需要我们克服一个又一个的难关。
另外，实现“双碳”目标的过程中，所发展出的能源转化领域的技术，才能支撑起一个能源强国。国家自己有自主知识产权的先进技术，不但能解决我们自己的能源问题，还能够帮助世界其他国家。在太阳能领域，我们国家就是一个这样的能源强国。
图片来源：veer图库
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