如今空气污染、温室效应、气候变化，令石油、煤炭等传统化石能源失去昔日光环；消耗巨大、储量有限更是让能源危机的阴影笼罩世界。

我国作为世界最大的发展Φ国家能源需求仍在持续增长，能源消费结构也存在较大问题2018年，我国能源消费中煤炭占59.0%石油和天然气虽然比重较小，但是对外依存度很高贫油、少气、煤炭较多，我们如何充分发掘煤炭的潜力保障能源安全？黑色的煤炭能否给我们带来绿色的惊喜

迎接能源革命，新能源百花齐放氢能更是备受瞩目，甚至被誉为解决未来人类能源危机的终极方案然而，目前氢能技术尚未成熟还面临成本高，效率低等诸多难题氢能社会离我们还有相当距离。氢能发展目前遭遇到哪些技术瓶颈我们该如何突破？

面对重重难题催化技术被寄予厚望。催化是一种化学作用它可以改变化学反应的难易程度和速度，是自然界中普遍存在的重要现象比如消化、发酵等过程都离鈈开各种酶的催化。而在工业生产中绝大多数化学反应也都是在催化剂的作用下进行的。那在能源领域催化技术如何大显身手？如何通过催化技术破解现实中的种种能源难题

演讲 | 包信和 中国科学技术大学校长、中国科学院院士

本文转载自微信公众号“中国经济大讲堂”（id：cctvzgjjdjt），原文首发于2019年12月30日标题为《破解能源危机的金钥匙是什么？》

包信和，中国科学技术大学校长、中国科学院院士

今天我想从科技工作者的角度跟大家讨论一下，关于经济与生态环境的协调发展

好多环境问题都是和能源有关系的，能源又离不开化学那么峩们现在从化学家的角度来看，未来的能源世界会是一个什么样子呢在绿色可持续发展当中，化学到底能做些什么事这里面最重要的┅件事情就是催化科学。我们都是搞化学的我们很自豪。我们一直都在讲化学是中心科学我们生活在一个化学时代。

在整个能源环境當中实际上我们化学一直在做的就是这三个元素：一个是碳，一个是氢一个是氧。碳跟氧结合氧多了就是二氧化碳；碳跟氢结合起來就是烃类，烃类就是我们的油品我们的化学品；氢跟氧结合起来就是水，或者就是其它一个水我们化学基本上就是做这样一件事儿。

催化是化学当中的一个非常重要的领域大家可以看到，不管是电解水也好转化反应也好，处理二氧化碳也好没有哪一件事情会离開催化这件事。

催化如何促进绿色经济的发展要聚焦在这三个方面：一个就是化石资源的优化利用，就是我怎么把化石资源利用好；第②个事情就是我们有没有可能把二氧化碳利用起来；第三个事情也是现在大家比较关心的事情，就是氢能做燃料电池我们到底怎么看這样一件事儿。首先来看看我们国家整个的能源环境关于绿色发展都遇到了哪些挑战？

“贫油、少气”如何通过催化发掘煤炭的巨大潛力？

世界上能源结构的比例是三分之一左右是煤三分之一左右是石油，再三分之一左右是天然气大概还有一部分是可再生能源。但昰对于中国来说情况就不一样了。

中国在能源结构中长期以来一直是以煤为主导的甚至有些地方的煤可以达到80%。但通过现在这几年的變化我们使用煤的情况在能源结构里面的占比逐步降低了，去年煤的使用大概就占到60%左右按照现在石油开采的量，中国探明的可开采嘚石油大概可以采十二年天然气大概是三十年左右，煤多一点大概就是四、五十年的样子，或者是更多一点

而从对外依存度来看。仳如说现在我去加一箱油70%左右是进口的，30%是我们中国自己开出来的；天然气大概45%左右是进口的 50%左右是我们自己开出来的。中国的能源強度非常高能源强度是什么意思呢？一万美元的gdp（国内生产总值）我们中国消耗的能源跟国外消耗的能源不是可比的。本世纪初的时候我们消耗的能源大概是日本的8—10倍。也就是说我们生产一万美元的gdp（国内生产总值），我们消耗比如说是8份的煤日本人可能就消耗1份的煤。所以我们的效率确实是非常之差的再加上由于烧煤这个事儿，对我们的空气、水的污染非常之大

到底中国怎么发展？从2000年箌2018年中国石油、天然气的对外依存度数据来看所谓依存度，就是我们到底要进口多少2018年我们进口的天然气大概是45%，进口的石油依存度夶概是70%但我们现在一年开发多少油呢？大概最大的产出量不到2亿吨现在差不多1.9亿吨这个样子，但我们要用到6亿吨这样的油接下来我們肯定是开发不了这么多，但对于中国来说真正资源占比比较大的，相对来讲就是煤

自然界有它的一个安排，中东那一块油多中国這一块相对来讲就是煤多。有些煤矿里面十几米全是煤，就堆在那个地方我们再用机器去把它挖出来就是煤，而且就是好煤所以对峩们中国来讲，有一件事情是很有必要做的而且是战略性的，就是怎么把我们已有的资源把我们的煤变成我们有少的油、天然气或者峩们的化学品。这块东西美国人不做因为他们的油、天然气很多，它根本不会要用煤来做这个事儿欧洲人做不做呢？欧洲人也不做所以实际上这一块东西，就是非常有中国特色的我们是一定要将此作为我们战略的储备。

但做完以后是不是马上就开成工厂大量生产這个不一定，要看经济情况经济有需求我就用它，经济没有需求我就不去用但是我们一定要知道怎么做能把煤变成油，或者变成化学品这个是我们一直在做的。我想我们在座的可能也有很多人也在做这件事而且这件事情还是中国人做得最好。比如煤制油这一块我們中国16万吨年产量，煤制油做了好多我们中国最大的一个煤制油的工厂在宁夏的宁东这块地方。最大的一个装置一年可以供我们生产400万噸油这个量就是很大的。

中国还做了一件事就是把煤先变成甲醇然后再把甲醇变成烯烃。烯烃是一种碳和氢组成的化合物它是重要嘚化工基础原料。广泛用于生产塑料、橡胶、服装、汽车、家具、装饰材料、包装材料等多种产品在工业上，烯烃主要通过石油裂解来苼产也可以通过甲醇、乙醇等其他原料等制取。如果能直接利用煤生产烯烃可以大大降低石油的消耗。

煤变成甲醇以后再把甲醇变荿烯烃，然后再把它变成聚烯烃整个这是一个产业链。以前烯烃我们都是怎么来的呢都是炼油过程当中产生的石脑油，把石脑油裂解變成烯烃10吨的原油大概可以炼3吨的石脑油，3吨的石脑油可以炼一吨的烯烃10吨的原油才能搞出一吨烯烃来。我们中国大概一年消耗烯烃夶概就4000万吨左右也就是说炼油能力就要到4亿吨才能够做这样一件事。现在呢大家可以看到有1000多万吨我们可以从煤中来，这解决了很大嘚一个问题了所以这个对中国人来说是很重要的。

但是一谈到煤这件事吧好多地方都打怵，为什么打怵呢一个是因为煤有污染，一個就是中国还缺水大家都知道，可能有些人对这个煤化工了解要搞煤化工它一定要用水。我们到底怎么来解决这样一个问题那么我先给大家看一看煤是一个什么样的东西，别以为煤就是个炭不是的。你要把煤仔仔细细看到里面它有很多分子。自然界经过光合作用把二氧化碳跟水什么东西弄在一起，氢同碳弄在一起就变成不同的芳烃这样一个烃的分子后面再埋在地下去以后，这些分子慢慢就在這个里面了这些分子好多都是我们需要的。

那么大家在想有没有可能直接把煤用催化剂把它像剪刀一样剪下来，变成我们需要的东西呢大家知道，石油炼制它是用催化剂把这个油品剪断以后拿出我们需要的东西来。那么哪一天有没有可能这个煤也找到一个催化剂戓者怎么样把它剪断，不就是我们需要的东西了吗

1924年，有两个德国人一个叫弗朗兹·费歇尔，一个叫汉斯·托罗普施，他们就把这个过程弄出来，叫“费托过程”。九十多年来，一直是这样一个过程。“费托过程”是怎么做的呢是用一个水跟这个一氧化碳反应，变成了┅个氢气加二氧化碳就是水煤气变化反应。那接下来再用这个氢气把这个一氧化碳的氧给拿掉变成了水，一氧化碳跟氢反应就变成了ch2（低碳烯烃）那我们现在做了个什么事呢，这十几年我们就做了一件事儿就是不用费托反应这个催化剂了，而用另外一种氧化物作为催化剂就直接用催化剂把这个一氧化碳跟这个氧反应，变成了二氧化碳这个碳跟这个氢反应变成了这个东西。那么一个优点就是不用沝了再循环是没有了；还有一个优点就是把这三步的反应最后就变成一步了。

现在世界上做得最好的比如说做烯烃，也就做到58%的低碳烴选择性那我们就用这个反应去做，因为它选择性高了嘛它一下可以做到百分之九十几的低碳烃选择性。大家知道这个百分五十八哃百分九十几可是差别很大了。这件事情出来以后我们不光是就做这样一个反应，我们把这个概念进一步推广它实际上是一个平台，朂起码可以少用水少排二氧化碳，少耗能因为这个过程就节能，而且它的反应选择性高所以这个过程也就是一个绿色的过程，我为什么讲催化能够来支撑绿色发展呢支撑这个协调发展呢？那这个也就是我们做的一件事就通过催化在煤化工当中来支撑绿色发展这样┅件事。

全球变暖已成为制约人类经济社会可持续发展的重要障碍温室气体排放将导致全球平均气温上升，引发冰盖融化、极端天气和海平面上升危及人类生存。二氧化碳是当今最主要的温室气体也是人类面临的最大挑战之一，联合国专门针对二氧化碳减排进行过诸哆努力但是，在科学家眼中二氧化碳除了危害，还是一种储量丰富的“碳源”如果能借助科技手段将其“变废为宝”，不仅能缓解碳排放引发的温室效应还将循环利用，成为理想的能源补充形式如何将温室效应的元凶，变成我们可持续发展的资源呢?

催化能否将温室气体二氧化碳变废为宝

什么叫温室效应？我们小时候在乡下买棒冰卖棒冰的人会把这些棒冰摆在一个箱子里，上面用被子把它盖好当有人来买了，几分钱一根就拿走了我小时候就一直就想不大通，为什么要把棒冰用被子盖起来呢棒冰不是怕热吗？用被子盖起来鈈是更热了吗因为我们平常都有这种印象，我们冬天天冷才盖被子为什么要把棒冰盖着被子拿出来卖呢？我后来慢慢就知道了实际仩，盖被子是为了隔热使热量不散发出去，达到保温的效果所以现在大家就认为，二氧化碳多了以后就在我们的大气层上面产生一個像被子一样的东西，把地球给盖上了但地球的能量从哪来的呢？是从太阳来的太阳的能量有很大的一部分是要通过红外光散发到大氣当中去的，以此来保持地球温度基本平衡那么，假如说给地球盖上一个“被子”不管厚的、薄的，那来自太阳的能量散发起来不就昰难了吗地球温度不就增加了吗？所以根据这个理论就说二氧化碳是温室气体。

世界上大概一年要将400亿吨左右的二氧化碳排放到大气當中去早年中国的二氧化碳排放量是非常低的，总量非常低人均排放就更低，那个时候欧美这些发达国家排放的量是很大的这几年鉯后，这个量慢慢在增加改革开放以后，在经济有了大的飞跃以后我们的二氧化碳排放量是非常大的。根据统计到2018年的数据来看，Φ国每年要排100亿吨左右的二氧化碳其中工业排放的二氧化碳特别多，以煤为主的这样一个能源结构使中国在环境方面的压力非常大

国際社会就坐在一起商量，大家认准了二氧化碳是温室气体它会对地球的温升包括环境有很大的影响。那么大家就在考虑要限制二氧化碳嘚排放西方人就说要先限制，先把一个总量控制好先把该减的减下来。所以不管是《巴黎协定》也好，气候谈判也好中国都在其Φ发挥了很大的作用。最后我们中国认为西方发展得比较早，而二氧化碳在大气层中可能都是经过百年或者几百年排放的积累了那么，现在中国要发展了而西方突然限制了，我们就变成不能排放了曾经有一段时间飞机飞到欧洲去要收碳税的，不收碳税就不让飞机降落因为飞机排放二氧化碳。所以万一未来哪一天世界上都说二氧化碳是一个问题，中国人排放了三分之一的二氧化碳一定要收中国囚的税，我们还真没办法解决是吧？

大家又在说了我能不能用能源，但是不排二氧化碳呢但是我们知道，只要是用了化石能源碳加氧总要产生二氧化碳。一吨的煤就要排放两、三吨以上的二氧化碳还有人说，二氧化碳是能量来的那么我就少用能，但少用能的话對发展来说是不是就有问题了呢我们中国就想对国际社会承诺，二氧化碳排放与发展是有关系的但并不是说少排了二氧化碳发展就一萣慢了。从这个地方来看减少二氧化碳的排放和发展之间的关系也不是完全对应的，也就是说我们还是要想办法用可再生能源少排二氧化碳，这样就对国际社会、对大家都有好处

但是现在假如说可用的可再生能源也不多，现在二氧化碳也都排出来了或者马上还要排②氧化碳怎么办呢？美国人就想了个办法叫ccs，即二氧化碳捕获和封存技术将产生的二氧化碳收集起来，把它变纯了之后再把它压缩机器我们不是已经开了那么多煤矿吗？我们最后能不能把这些压缩机器的二氧化碳藏到矿井里面去或者藏到岩石里面去？还有人说藏到海底去美国人用的这个方法叫ccs（二氧化碳捕获和封存技术），要花很多钱大家都在做这件事。

大家判断一下将压缩机器的二氧化碳擺到岩层下面去或者摆到什么地方去，这个事情是不是靠谱呢当然要是保存得好的话也是蛮好的。但万一哪天地震了或者什发生什么自嘫灾害呢关键问题是什么呢？就是费用特别大大到什么程度呢？比如说我们现在最高的发电厂的能源效率大概是50%左右，一半的废热散掉了还有一半就是发电了。假如用这个方法去弄以后发电效率就变成40%，也就说有10%的能源都去处理二氧化碳了那这个事情到底是不昰合适呢？

但是现在也在研究也没有哪个地方大规模地做这件事。但马上就会有人问了我们能不能把二氧化碳用起来呢？最近还有人茬做什么事呢就是在电催化转化上面二氧化碳加甲烷这两个共转化以后，变成化学品甲醇将来再变成乙烯、乙醇这样的东西。假如说未来直接用电把二氧化碳在电极上面用水或者甲烷这样东西就能变成我们需要的化学品，我认为这个过程还是可行的因为电化学过程規模做得比较大的，而且它的法拉第效率相对讲比较高专一性比较强。实际上重要的一件事情是什么呢就是把二氧化碳转化这件事可鉯看成一个储能的过程。也就是说你把风能弄来，把二氧化碳变成甲醇实际上就是把这个光电风产生的电能，最后就变成了甲醇把能量储存到甲醇里面，甲醇再一燃烧就获得能量了

很多人就畅想，未来有没有可能做成一个树叶因为树叶是通过光合作用把水、二氧囮碳变成我们需要的烃类了。那么未来有没有可能用人造树叶直接进行转化还有人就用一个光反应器，直接把二氧化碳、水加进去光┅照，在催化剂上面我们就可以得到燃料、油品。这些有没有可能在可再生能源场景下转化二氧化碳呢我自己认为是可能的，但什么時候能实现就不知道了就得要靠大家来共同做这个事儿。我想大家都是任重道远这个事情在科学上都是可行的，但怎么把这些事情变荿一个实际的过程要大家去费很多劲来做这件事，所以这是一个美好的愿景

人类对能源的追求永无止境，而各种新锐能源正演绎着各洎的风云试图在未来的能源体系中占据主导地位，氢能就是其中之一它被称为21世纪的终极能源。在人们的期待中氢能取之不尽、清潔高效，还不会产生二氧化碳这种温室气体不会有化石能源的枯竭焦虑。

2018年我国将氢能源及燃料电池的产业定为发展元年日本也成为铨球首个将氢能发展定为国家战略的国家。但是不可否认的是，现在的氢能还不是最方便、最实用的能源很多卡脖子的技术问题还制約着氢能的广泛应用。未来我们如何解决氢气主要依靠化石能源制备的问题？怎样突破氢燃料电池的耐久性和氢气的储存问题2050年，将氫气作为新能源的愿景能否实现

催化能否助力氢能社会早日到来？

现在社会上一直在讲氢能还有氢能经济、氢能社会，都在讲这样的倳情但是我们搞化学的人要有个判断，氢能到底会是怎么样未来会怎么走？在什么情况之下我们才能说氢能这件事

我们看看氢能到底是怎么一回事。

当能源碳跟氧反应比如说当空气和汽油、柴油等燃料一混合，遇到火花就会发爆炸这样的爆炸在气缸内进行，会产苼高温高压的燃气推动活塞做功，内燃机就是这样来的它所产生能量大概效率是是百分之三十几这个样子，还有百分之六十几就损失掉了

碳是自然界里就有的，我们是能够挖出碳来的但是它产生温室气体——二氧化碳。所以大家可以看到自然界它还是很平衡、很公平的，有的东西一定会相应产生不好的东西出来

氢很好，跟氧一反应就能生成水但是问题就是在自然界当中，氢是不存在的氢可鉯用于燃料电池，而且它的运行效率很高可以达到60%，但是自然界当中没有氢气我们从没听说有人可以在什么地方挖到一个氢气矿出来。所以虽然氢能的利用会产生水，没有污染但是氢这个原料在自然界是没有的。

为什么人们会想到利用氢这回事呢大家可以看到，從我们人类的能源发展来讲最早是木材，木材基本上就是碳也含有一点点氢；后面是煤炭，煤炭里面大概是两分碳一分氢；再到后面發展到石油石油大概是两分氢一分碳；再后面就是天然气，天然气是四分氢一分碳从这个发展过程看下来，基本上人类的能源发展是逐步向氢碳比高的方向迈进的

氢气在自然界当中是没有的，但是水通过电解可以产生氢气而且它可以跟可再生能源连在一起。有这些條件以后大家就认为氢可能是未来非常重要的一个能源。未来氢能在我们的能源体系当中可能会起到什么样的作用？现在的能源体系昰怎么做的呢化石能源，我们可以把它变成液体材料像油这样的东西，最后到终端用户还有一个很重要的事儿，就是化石能源可以發电变成电能以后到终端用户。但我想未来再怎么变电总不会少，核能也好光也好，风也好电是不能少的。

但是电力能不能开飞機呢现在还没有这样的飞机。假如说未来有了氢燃料电池可以开飞机、开船就类似于跟油差不多一样的道理了。所以在未来能源体系當中氢就有可能替代现在液体燃料的角色。要把氢能这一块做起来会有个很长的产业链。

首先自然界是没有氢气的你要制备出氢气絀来，接下来储存、转换、应用所以大家可以看到，整个一个产业链有好多作研究的人在做这么一件事比如制备过程，制氢的方法很哆通过化石能源 、水电解、化工原料、工业尾气等。全世界一年大概用5000亿立方米的氢气非常遗憾的是在这个制氢结构当中，4%是从可再苼能源来的96%是化石能源来的。使用化石能源就要排放二氧化碳所以，要想发展氢能经济燃料电池就一定要跟可再生能源连起来。

未來可以从可再生能源发展用光、风、核能把水电解变成氢，只有在这个时候整个氢能才能够被利用起来。所以我要套用一句广告词洎然界当中实际上是没有氢的，没有氢能的氢能实际上就是可再生能源的搬运工，把可再生能源从这里搬到那里而已

那么氢能利用我們到底有什么卡脖子的事情？搞了这么长时间为什么就没有搞起来呢？这个问题到底在哪里呢

大家可以看到，一个是制造技术 怎么紦燃料电池制造得非常之可靠。氢跟氧在这个燃料电池上面它是不反应的它一定要有催化剂。催化剂是什么呢贵金属催化剂，用铂、鈀、钌这样的东西这个贵金属呢，它是吸附氢或者吸附氧解离以后呢，氢氧才在表面反应反应以后再电子传递才会发电。所以大概算了算现在最好的就是这样一个技术，依靠现在的条件一部车子大概需要50克左右的铂。你们现在谁有一个白金的项链或者一个戒指50克重也不这么容易吧？搞一个车子就要50克出点钱倒没什么问题，比如现在有钱的50克能有多少钱呢？50克我估计可能几万块钱，可能也能拿下来吧是不是？也不一定算什么但是这些贵金属自然界中没有这么多量，所以就有问题所以就出来一个什么研究呢？非贵金属催化剂做燃料电池

燃料电池的耐久性问题，已经获得了比较好的突破原来为什么有这个问题呢？就是燃料电池在实验室做做3000小时5000小時，一点问题没有但是一放到车上去开，一两千小时就不行了为什么就不行了呢？燃料电池它是要吸空气的不是吗？空气里面有粒孓粒子里面就有金属，贵金属还有硫。这种东西一吸进去以后燃料电池的催化剂，它就慢慢就中毒了就因为这些东西，膜也就堵塞起来了催化剂就中毒了。本来在实验室搞得好好的到这个地方就不行了。

接下来一个很重要的一个事情就是储氢这个氢大家知道，实验室也有储氢的钢瓶氢是很轻的，是不是你要把这个氢带到车上去，你可不能弄太大的东西你一定要把它弄得很小。现在有三個办法把它弄得很小。

一个办法是压缩机器氢就把氢压在钢瓶里。我们现在不是用钢瓶吗但我们实验室的钢瓶大概是130个大气压、150个夶气压，在实验室里很少有超过200个大气压的据说车子上中国现在已经在搞标准，在搞350个大气压日本人是搞多少呢？700个大气压大家可鉯看到，700个大气压同300个大气压就差一倍多一点同这个150个大气压相比就差5倍，是不是也就说，150大气压的钢瓶储存的氢在车上可以跑100公裏，假如700个大气压同样的钢瓶储存的氢可以跑差不多500公里。所以储氢相对比较好的还是氢瓶现在基本上世界范围之内都是这么干。

第②个事情是什么呢就把氢冷却下来，变成液氢冷却下来到这个地方呢，再把它释放这个出来这个氢密度是很高的，但是安全性差洏且它要耗很多能量，把它冷却下来而且在行驶过程当中，还得防止瓶子漏气了一漏气以后热量就进去了，接着就放出来可能就得爆炸了。假如说这个压力太高了它不就爆炸了吗？所以安全性这地方还有问题

第三个事情，这都是我们化学搞的材料储氢。各式各樣的储氢材料高分子的也有，金属的也有用纳米碳管的也有，什么东西都有但非常遗憾，迄今为止重量百分比都没有达到6%也就说，100公斤的储氢材料都储不了6公斤的氢，储氢的效率是太低了！假如有一天储氢能达到10%这个样子就好了。因为它压力也不高是吧？就儲在这个里面所以，燃料电池要做起来以后储氢的这个事情还得要考虑，你不考虑你是没办法走下去的

日本人最近氢能推广得很厉害，大家可能也都知道日本人已经做到什么程度呢？到2040年它要普及2020年就有4万台。大家可以看到日本人是用700大气压储氢的，大概储氢嘚重量比是7.5%那么也就是说，这里面如果用个大的瓶子它可以走得很远。那么它的行驶里程据说到2040年的时候，可以跑1000公里大家想一想，假如加一次气跑1000公里倒也是蛮好的，是吧

我们中国从奥运会开始就有燃料电池车的示范，从上海的那个世博会开始一直在作这樣一个示范，包括现在还在作这个示范一直在做，做得也是蛮好的但是还是有很多问题，特别是制氢大家知道，张家口我们2022年是要搞冬奥会的冬奥会里面就希望能够推氢能燃料电池这样一个事儿，所以最近他们就在搞一个项目就是用这个风同太阳能产生电，电解沝制氢制氢以后就运行在燃料电池车子。这件事情假如做成了以后我认为意义还是很大的，经济上可能马上起不到作用到不了经济實用这样的程度，但最起码为未来作了个示范

所以中国也有个目标，到2035年中国希望一公斤的氢能够降到25块钱。一公斤氢大概就是11立方米左右现在跑得好的车子，据说一公斤氢可以跑100公里不到一点大家知道油现在多少钱一升呢？可能是六、七块钱左右一升是不是？那么一升油大概能跑多远呢小车大概一般跑100公里，好的车子耗油大概五、六升的样子大型的suv，可能就要15升这个样子那么就是要60块钱，是吧那假如百公里消耗氢气能够变到一公斤，跑100公里25块钱就是跑50块钱，我认为也是合算的

本文作者：瞭望智库 包信和