能源科學與工程研究評論

一、引言能源對于任何現(xiàn)代經(jīng)濟體而言都是至關重要的，其使社會所需的照明、烹飪、采暖與制冷、運輸以及大部分商品的工業(yè)化生產(chǎn)成為可能。因此，獲得可靠、經(jīng)濟的現(xiàn)代能源服務成為全世界各機構(gòu)、政府及行業(yè)的當務之急。2015年，聯(lián)合國報道世界上最富裕的國家超過12.5億人享受到現(xiàn)代能源服務普及帶來的社會經(jīng)濟效益和人口健康福利。而貧困國家超過30億人無法充分獲得合理的能源服務，無法滿足其最基本的需求。近來，中國實現(xiàn)了從能源貧乏到能源普及的轉(zhuǎn)變，是其他國家的典范。2000—2016年間，中國一次能源消耗增長三倍、推動國內(nèi)生產(chǎn)總值增長近十倍即是最好的證明。但是，能源轉(zhuǎn)型帶來的不僅是巨大的社會經(jīng)濟效益，還有一系列的環(huán)境問題。這些環(huán)境問題使這一轉(zhuǎn)變的可持續(xù)性受到了質(zhì)疑。

二、能源過渡與可持續(xù)性現(xiàn)代能源服務以豐富的低成本化石燃料為支撐，化石燃料屬于能量密集型可運輸、可儲存的燃料，可隨時轉(zhuǎn)化成有用的能源載體（如電和燃料等），用于烹飪、采暖和運輸。2016年，化石燃料占全球一次能源總消耗量的85%以上，在中國甚至更高，達到87%?；剂系睦脤е铝藝乐氐沫h(huán)境問題，尤其是煙氣中顆粒產(chǎn)生的空氣污染以及燃燒排放二氧化碳引起的氣候變化。盡管嚴重的空氣污染問題可通過現(xiàn)代技術(shù)得以避免，但二氧化碳的產(chǎn)生和排放卻對化石燃料的利用提出了更大挑戰(zhàn)。因此，最近有關能源的研究大多出自對能源經(jīng)濟脫碳的急切需求。工程師則關注如何設計出能夠讓日益增長的全球人口獲得可靠、實惠的能源服務，而不引起氣候變化的低碳能源體系。這方面的研究可按以下四大主要類別進行劃分：（1）能源安全；（2）減少與化石燃料利用相關的二氧化碳排放；（3）零碳能源體系；（4）能源經(jīng)濟體系分析。（一）能源安全能源安全是各國經(jīng)濟彈性的關鍵。資源枯竭以及對進口的依賴威脅著當前的能源安全。工程師傾向于通過不依賴于稀缺資源的替代性技術(shù)加強能源安全性?？稍偕茉礊檫@一思路提供了選擇。本期的幾篇文章提到了能源安全，其中大部分針對的是可再生能源以及二氧化碳減排問題。其中有兩篇文章盡管并非關于可再生能源，但其特別關注加強中國能源安全的契機。王金華與黃曾華的《我國煤礦智能化采煤技術(shù)的最新發(fā)展》一文中揭示了煤礦自動化的最新動態(tài)，包括智能機器、信息技術(shù)以及實時數(shù)據(jù)處理和自動化，這些都提高了采煤的生產(chǎn)力和效率，對中國能源安全產(chǎn)生了積極的影響。劉進勛等的《費托合成催化劑的尺寸與晶相效應》一文即是受到中國對石油進口的依賴以及中國煤炭資源較石油資源豐富的激勵而做出的探討。該研究旨在提高煤炭、天然氣或生物質(zhì)產(chǎn)生的合成氣轉(zhuǎn)換成運輸燃料的轉(zhuǎn)換效率和降低成本。（二）減少與化石燃料利用相關的二氧化碳排放減少化石燃料排放的方法有三種。第一種是提高一次能源資源向能源載體轉(zhuǎn)換作生產(chǎn)性使用的生產(chǎn)和轉(zhuǎn)換效率。這在很大程度上受私營部分推動，尤其是工程、建設和制造類企業(yè)的推動。工程院院士的工作更側(cè)重于不同配置的碳捕集與封存（CCS）。Cook在本期的《碳捕集和封存技術(shù)研究開發(fā)及未來清潔能源行業(yè)部署——澳大利亞在過去20年中的經(jīng)驗教訓》一文中明確闡述了CCS所起的減排作用以及該技術(shù)滿足全球減排目標、應對部署挑戰(zhàn)、符合國際協(xié)作需求的可能性。地質(zhì)學家和石油工程師專注于研究如何確保地質(zhì)油氣藏中超臨界二氧化碳長期儲存的成本效益?；瘜W工程師和機械工程師則傾向于把注意力放在提高從燃煤電廠、燃氣電廠以及鋼鐵生產(chǎn)和水泥制造的高爐等產(chǎn)生的工業(yè)氣體流中分離出二氧化碳的效率并降低成本。盡管目前大部分二氧化碳捕集裝置利用胺吸附作用分離二氧化碳，但膜分離技術(shù)仍然被視為降低二氧化碳捕集成本和能量消耗的新契機。在本期的《二氧化碳選擇性聚環(huán)氧乙烷基薄膜的發(fā)展——從實驗室到中試規(guī)模》一文中報道了展示柔性高分子膜后取得的鼓舞人心的成果。（三）零碳能源體系大量可再生資源以及核能提供了（幾乎）零碳能源服務。風、太陽、水、地熱、海洋甚至生物質(zhì)提供了各種機會，尤其是在電力生產(chǎn)方面。目前，水和核能對全球電力生產(chǎn)的貢獻最大，分別為16%和10.5%，其次是風（3.8%）和太陽（1.4%），其余為生物質(zhì)、地熱和海洋，共計2.3%。受公眾的有力支持和金融激勵措施驅(qū)動，可再生能源發(fā)電（尤其是風力發(fā)電和太陽能發(fā)電）的前景似乎比核能發(fā)電更好。這些領域同樣得到研究結(jié)果的有力支持。激勵措施、規(guī)?；a(chǎn)以及研究成果的共同作用，使風力發(fā)電和太陽能發(fā)電的成本大幅下降，因而，大部分預測均表明太陽能和風能發(fā)電會取得重大進展。太陽能發(fā)電技術(shù)主要有兩項——光伏和太陽熱能，其中，光伏為電力部署做出了重大貢獻。風電（尤其是陸上風電應用）是一項成熟技術(shù)，目前的創(chuàng)新主要集中在擴大風力渦輪規(guī)模以及增強電力捕捉和必要時管理分區(qū)停電的控制方式。Yuan和Tang在本期的《風機捕集能量和降低負荷使用的先進控制方法》一文中探討了多元控制方法的近期發(fā)展，以優(yōu)化電力捕捉和降低負載，來平衡電力系統(tǒng)與可變風力資源。太陽能光伏技術(shù)部署主要在基于硅晶片的太陽能電池。預計太陽能的快速吸收有可能暴露與靈活性不足和形狀因子相關的局限性以及材料供應鏈存在的缺陷。大量研究工作專注于能夠代替基于硅晶片的光伏發(fā)電的潛在方案，主要集中在將銅銦鎵硒（CIGS）半導體超薄涂層應用于玻璃或高分子基材上的薄膜光伏電池?！秹A金屬摻雜對CIGS薄膜及電池器件的影響》一文和《基于Cu(In,Ga)Se2的低成本薄膜光伏技術(shù)的進展》一文追溯了銅銦鎵硒太陽能電池的發(fā)展歷史和效益，以及隨著時間推移其性能的改善情況。風能和太陽能的主要挑戰(zhàn)是供應狀況多變以及發(fā)電的間歇性，隨著可再生能源占比的增加，對系統(tǒng)可靠性和成本造成了負面影響。蓄能已經(jīng)成為研究人員、決策人員以及電力企業(yè)致力解決間歇性問題關注最多的方面。蓄能技術(shù)涉及以高位儲水（抽水蓄能）和地下多孔水庫中壓縮空氣的形式將電力轉(zhuǎn)化成勢能，以及以機械飛輪的形式轉(zhuǎn)化成動能或轉(zhuǎn)化成化學能。大多數(shù)蓄能研究的重心在于將電化學能儲存在電池、電容器和燃料電池當中。抽水蓄能是目前最具規(guī)模且實惠的蓄能方案。左志鋼和劉樹紅在本期的《中國水泵水輪機流動不穩(wěn)定性研究》一文中歸納總結(jié)了抽水蓄能在中國的影響，并探討了部分與水力不穩(wěn)定相關的性能問題，這些對抽水蓄能裝置的性能產(chǎn)生了不利影響。（四）能源經(jīng)濟體系分析能源體系分析的研究領域描述能源體系的發(fā)展和模型化并進行各體系經(jīng)濟競爭力分析。這些研究側(cè)重于具體的技術(shù)機遇或從行業(yè)、區(qū)域、國別甚至全球角度綜合評價能源過渡情況。世界上一些研究小組將能源、環(huán)境趨勢以及整體經(jīng)濟聯(lián)系起來綜合評價。陳進行在本期的《基于碳排放達峰約束的2030年中國能源供需模型及實證研究》一文中即以此類研究為范例。該文鑒于中國對減緩氣候變化做出的國際承諾，考慮到中國關鍵人口動態(tài)、經(jīng)濟、能源彈性以及經(jīng)濟結(jié)構(gòu)（第一產(chǎn)業(yè)、第二產(chǎn)業(yè)、服務業(yè)和工業(yè)等）的轉(zhuǎn)變，提出一次能源的技術(shù)和燃料組合方案。三、總結(jié)能源服務對任何現(xiàn)代經(jīng)濟體都至關重要，它支撐著人類福祉和經(jīng)濟生產(chǎn)力。迄今為止，由化石燃料支撐的現(xiàn)代能源服務，造成了嚴重的環(huán)境后果——