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王中林院士:能源转型需要颠覆性原创技术

2022年09月05日

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能源是人类赖以生存的根本,也是国家安全的根本保障。

我国能源现状是富煤、少油、缺气,尽管煤炭储量较为丰富,但并非取之不尽。寻找新型可持续的能源,迫在眉睫。

当前,随着化石能源的过度使用,二氧化碳排放达到了新高度,给生态环境造成了严重危害。例如近年来,自然灾害整体发生的频率比以往较多,可能与化石能源的过度使用分不开。

我国提出将“双碳”作为重大战略目标,能源转型是必然趋势。一方面,我们要大力发展绿色可再生能源,包括光伏能、风能、生物质能等;另一方面,散落在地球上的分布式能源也不可忽视。

能源从产生、利用到回收是一个系统性过程。过去,化石能源燃烧来发电被使用后,都以其他的形式散落在环境中,例如热能、机械能等多种形式。这些大面积分布,碎片化的能源可回收率很低,造成了能源不可再利用。

如何把环境中散落的“分布式能源”,重新变成电力,输送至千家万户,这是一个重大挑战。

20年前,我们认识到随着分布式传感装置和物联网的出现,信息通信技术的发展趋势为从有线走向无线,从有序走向分布,由此我们意识到,在能源领域,也将可能面临同样的趋势,即从一元变成多元,从集中走向分布。而这其中的关键问题之一,是如何使得分布式传感器件能够可持续运转,回收能量,提供数据信息。基于此,我们开始研究微纳能源。

微纳能源,即除传统可再生电能、化石能源等“大能源”之外的“小能源”。

海洋中蕴藏着巨大能量,前不久,中国科学院联合欧洲科学院发布了《基于海洋的气候行动计划》,其中提到,未来替代化石能源的出路之一是海洋能源。

海洋中包括热能、风能、潮汐能、波浪能、生物质能等能源,他们分布广、量大,我们必须要向海洋要资源,汇聚各种各样的海洋能量可极大满足人类的能源需求、降低二氧化碳排放。

然而,与欧洲国家海岸线上的“大风大浪”相比,我国海岸线上的风浪比较平静,平均浪高仅有0.3-0.8米,收集起来非常困难,且能量较低很难进行发电。这需要颠覆性原创技术,为此,2012年,我们发明了纳米发电机(TENG),它可以将广泛分布的能量收集起来,将微小的机械能转换为电能。

与传统发电机的原理不同,纳米发电机的原理,是基于两种材料的接触起电,产生静电感应并对外输出电流,具有高电压低电流、在低频下具有高效率的特点。每台纳米发电机并不大,但把它们结成网状放置到海洋中,将会使海水无规则的运动转变为电能,且能稳定输出。

根据实验数据做理论测算,一平方公里的海面面积、1米深的水,用球形纳米发电机连成三维网格,理论上可以产生10兆瓦级的电能输出,可以点亮100万盏电灯。海洋蓝色能源的潜力前景广阔。

我们也曾做过成本核算,形成规模化后,海洋能源的成本低于风能和太阳能,且因为海浪是昼夜不停的,大面积所发的电应该是持续、稳定,因此可以并网。我们在海上海下做的试验也取得了显著成效,证明了我们的想法是正确的。

纳米发电机的发明为实现能源系统的微型化带来了可能,这是突破了1831年法拉第发明的电磁感应定理后的第二个重大发明,也是在科学原理的从0到1的颠覆性原创思想。

自从20年前纳米发电机首次发明来,迄今整整10年,我们已经建立了基本理论框架、技术方法,在产业应用也迈出了重要步伐,成为当今我们领先世界的开创性原创领域。纳米发电机作为一个把机械信号转为电信号的传感装置,目前在安全防护、人机交互、网络安全、空气净化、健康维护等领域有潜在的应用,在拓展应用的过程中,我们不断完善技术理论,不断学习提高,为在海洋能源领域的真正规模化应用奠定基础。

实现“双碳”目标是一项宏大而复杂的系统工程,在能源转型过程中仍需要很多的技术创新,包括发电方式、电网运输和储能等,这十分重要,但又是十分艰难的,需要多方配合、系统协作,我相信未来一定找出解决方案。

未来,一方面,我们应该大力推动现有技术,保证化石能源作为能源安全保障的基础。另一方面,大力培育原创性颠覆性技术,发展分布式能源,颠覆性技术有可能成为未来能源革命性转变的保证。

从0到1的原创突破,是非常困难的工作。比如,你有了世界首次的原创思想,能否变为现实?能否得到行业认可、社会接纳?成本高的时候如何降成本......这需要长期稳定坚持、久久为功。

因此,需要国家顶层设计,政府专项资金的支持,同时带动社会资本投入,新能源领域需要科学突破,但也蕴藏着巨大商机。此外,还需要人才培养和学科建设,使得该领域在发展中后继有人。

重视基础研究、原创的思想和科学,只有这样,我们才不会跟着别人跑,在核心技术方面被“卡脖子”,才能够在科学发展史上留下我们的印迹,也能够有真正的颠覆性技术产生。

(作者系中国科学院外籍院士、中国科学院北京纳米能源与系统研究所所长,中国科学报记者韩扬眉采访整理)

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