包信和

    □实现“双碳”目标，我国产业结构调整和能源结构变革是关键。基于我国能源结构特征及行业发展趋势，发展可再生能源、加快电气化进程成为必由之路

    □第四次能源革命，其关键在于材料科学和制造技术的进步和突破。在电力端，加快发展低碳和非碳能源；在消费端，能电则电、能氢则氢；在固碳端，发展负碳技术

   □从能效提高的角度来看，太阳能未来的发展趋势必然是叠层

   近日，中国科学院院士包信和做客上海证券报主办的第六期“上证·院士说”，发表题为《应对“双碳”目标的产业变革逻辑和技术需求》的主旨演讲，并接受了上海证券报记者专访。包信和认为，在“双碳”背景下，能源大变革对技术和设备带来新需求，必将催生产业新机遇。

   发展可再生能源 加快电气化进程

   虽然有不同的声音，但二氧化碳排放对温室效应会产生影响已成为全球共识。同时，近年来，典型的非二氧化碳气体甲烷的减排也越来越受到全球关注。

   与欧美相比，我国实现碳中和是一场硬仗。“从底层逻辑来看，‘双碳’不是别人让我们做的，而是我们内生的需求，是破解资源环境约束突出问题、推动经济结构转型升级、实现可持续发展的迫切需要。”包信和认为，实现“双碳”目标，我国产业结构调整和能源结构变革是关键。坚持先立后破，调整产业结构，降低能源强度是必经之路。

   基于我国能源结构特征及行业发展趋势，发展可再生能源、加快电气化进程成为必由之路。包信和解释称，即便到2050年，预估仍将有大约40%的领域不能实现电气化替代。在此情景下，氢能替代传统的碳基化石能源可以作为重要的补充。

   就像电能一样，氢能属于二次能源。目前，全球大约95%的氢能来自煤、油、气等化石能源，由于这些过程会排放大量二氧化碳，通常被称为灰氢。把过程中产生的二氧化碳捕集和处理掉（如CCS等），所得的氢能被称为蓝氢。通过可再生能源制氢，则所得的氢能被称为绿氢。

   包信和认为，从环保清洁角度来看，绿氢是发展的必然，而绿氢的关键是可再生能源的获得和氢制备。

   包信和总结了第四次能源革命的三大特征：能源资源从化石能源向可再生能源转变；能源结构从高碳向低碳和无碳转变；能源产业由资源属性向制造属性转变。

   “‘双碳’目标下的新一轮能源革命是新兴产业的机遇。”包信和认为，第四次能源革命，其关键在于材料科学和制造技术的进步和突破。在电力端，加快发展低碳和非碳能源；在消费端，能电则电、能氢则氢；在固碳端，发展负碳技术。

   包信和分析了近期我国实现碳中和的途径：化石能源是保障，可再生能源是核心，氢能技术是关键，CCS、CCUS等负碳技术可以作为兜底。

   叠层技术是太阳能提效的重要路径

   包信和认为，可再生能源将成为我国未来能源的主体，太阳能将在未来可再生能源规模化利用中占有重要位置。从能效提高的角度来看，太阳能未来的发展趋势必然是叠层。

   包信和介绍，现有理论表明，晶硅有其效率转化的极限，大约在30%；通过叠加新材料，太阳能发电效率可进一步提升，实现太阳光能分级利用和“吃光榨尽”。在太空中应用的太阳能电池已可叠到5层、6层，转化效率可超过36%，目前由于成本太高，不适合民用。

   近年来，钙钛矿技术发展很快。根据已有报道，目前晶硅-钙钛矿叠层电池效率可达到33.7%。包信和认为，钙钛矿有广阔的发展前景，也是市场关注热点。但当下钙钛矿在稳定性、放大特性、环保等方面仍存在很大挑战。

   3C-SiC是受关注的下一代光伏电池材料，理论研究认为，它应该展现出良好的光电特性。包信和介绍，如果实现理论预计的宽带中间态太阳电池的开发，其转换效率有望超过60%。但目前尚未实现突破，现有转换效率只有百分之十几。

   关于高效太阳能电池的发展趋势，包信和认为，目前来看，叠层的方向是明确的。多种光电半导体材料如何高性能叠合、宽禁带半导体材料能不能制备出来，还需要大量研究。此外，为了实现全光谱的转化，窄禁带半导体材料、量子点也值得关注。

   氢能技术突破任重道远

   氢能，被各界寄予厚望。近年来，电解水制氢技术逐步成熟，但不同的技术路线发展程度存在差异。

包信和介绍，目前最为成熟的碱性电解器其电解效率在75%左右，缺点在于效率偏低，且碱液对环境有污染风险。相比碱性电解器，在特定应用场景（如车规级氢能、波动性可再生能源）中，质子交换膜电解器（PEM）优势日渐明显，其电解效率可达80%左右。国际上许多新建项目已开始选用PEM电解槽，其市场渗透率预期会逐步扩大。其挑战在于需要用到贵金属催化剂和高价的质子传导膜，投资较高。

   阴离子交换膜（AEM）和固体氧化物（SOEC）作为新兴技术潜力巨大，也是国际研发的重点。但前者在规模量产前在离子传导膜的长期稳定性、设备的耐久性和制造工艺上还有待提升，后者目前处在基础材料研发和完善阶段，还有大量的研究工作要做。

   包信和介绍，作为最新的电解水技术，AEM电解槽的潜力在于将碱性电解槽的低成本与PEM的简单、高效相结合。该技术能使用非贵金属催化剂、无钛部件，并和PEM一样能在压差下运行。但目前，AEM存在化学、机械稳定性的问题，影响寿命曲线。

   现有的固体氧化物（SOEC）电解槽一般都在高温（700—800摄氏度）下运行，动力学上的优势使其可使用廉价的镍电极。如利用工业生产中的高品质余热，假设条件是能源输入为75%电能和25%水蒸气中的热能，预计SOEC的系统效率近期内有望达到85%，理想条件下可达到90%。

   SOEC电解槽进料为水蒸气，若添加二氧化碳后，则可生成合成气，比如氢气和一氧化碳的混合物；还可再进一步生产合成燃料，比如柴油、航空燃油。

   包信和表示，耐久性是SOEC目前遇到的重要问题。热化学循环，特别是系统停、启时都会加速老化，降低使用寿命。提升SOEC的性能、耐久性和降低操作温度是目前欧美研发的重点。

   包信和介绍，采用目前的技术，要制一公斤氢，如果用碱性方法，大概需要50度电；质子膜方法，大约也需要47—48度电；SOEC大约需要37—38度电，要求水蒸气温度150—180摄氏度。

   电解水制氢技术的发展前景，有两个关键影响因素：一是设备投资；二是电价。从投资角度来看，电解水制氢投资前景如何？不包括氧气应用和碳价，包信和分享了一种估算方法：电价（元）×50＋5元（设备折旧）＋利润，三者之和大约是每公斤氢的价格。

   包信和介绍，目前化石能源制氢成本大约一公斤10元—15元；到2050年，电解水制氢成本大约能降到12元—13元。如果考虑到碳税等环保因素，电解水制氢的经济性将更凸显。

   包信和院士是我国化学物理领域一位杰出的科学家，主要从事能源高效转化相关的表面科学和催化化学基础研究。

   催化是化学的核心领域。在学术界，具体的催化过程、催化机理至今尚不明晰，长期以来被视为“黑匣子”。经过20余年探索，包信和院士带领团队系统创建了具有广泛意义的“纳米限域催化”概念，该成果荣获2020年度国家自然科学奖一等奖。

   “上证·院士说”是由上海证券报联合权威机构、顶级专家资源主办的高端交流平台，邀请两院院士权威专家，聚焦前沿技术，分享新思想、新观点，研判新趋势、新方向，促进科技、产业与资本火花碰撞、深度融合。本期活动由华安证券、南京银行上海分行战略支持。