Joule：施春风、白春礼等四院士纵论全球能源未来！

纳米人

2018-09-29

“液态阳光”驱动未来世界

如果未来哪天世界不再有煤、石油和天然气，我们是否有应对之策？

“液态阳光”源于丰富的阳光、二氧化碳和水，属于可再生绿色液态燃料。在化石燃料枯竭的未来，液态阳光可能是解决问题的关键。

在过去的两个世纪，化石燃料为人类的经济带来了指数型增长，而如今我们正面临着这一增长带来的后果——气候变化、环境恶化、能源安全以及在未来大约100年的时间内，因化石燃料的枯竭所带来的一系列问题。受世界人口增长和发展中国家工业化进程的推动，人们对能源的渴求程度与以往相比，已攀升到了一个空前的高度。展望下一个世纪，人类只能将主要的能量来源寄希望于太阳。

阳光是地球上最丰富的能量来源，可谓无处不在。一个小时的太阳能可以满足全世界一年的能量需求。然而，若希望对太阳能的使用像“拨动开关”般自如轻松，我们需要开发出一套系统，将来自太阳的能量转化为稳定可用的能量形态，以便于储存、运输并配送至终端使用者。

与此类似，水资源管理及水库系统通过收集、存储和配送水资源以满足供给需求，人们对此已经习以为常。事实上，正是得益于水库及供给系统的支持，人类才实现了由最初的傍水而居，逐步发展为如今的城市聚居。类似地，我们开发可以获取并储存太阳能的能量供应系统，也将会对发展以阳光作为驱动力的未来世界大有裨益。

现如今将阳光转化为可储存可运用的形式可谓是挑战重重，诸多被视为潜在的解决方案都面临着技术、社会及经济等多方因素的制约。其实大自然为我们指明了更为智慧且简洁的方法，植物可以获取阳光并将其转化为葡萄糖，葡萄糖既是能量的载体又能将其储存，并通过水溶液的形式输运。同样，对太阳能获取、储存及供给的方法，在于如何将其转化为稳定、可储存、高能量的化学燃料，如：绿色醇类燃料。液态燃料的运输和配送并不困难，在对现有的基础设施和供应链进行一些改良后，便可广泛地加以运用。绿色醇类燃料以阳光为原料，其生产和利用将有助于满足人类在交通、工业和材料等终端应用领域的能源需求，保持生态平衡，对可持续发展起到至关重要的作用。

当今世界的发展离不开化石燃料，而“液态阳光”将可能成就未来世界。绿色燃料来源于阳光，是可再生的不竭能源，在保护环境的同时，对未来多种现代化应用及服务都起到至关重要的作用。然而，这需要以全球通力协作、在相关科技领域取得进步为前提。

结语： 在《焦耳》发表的文章比较详细地阐述了“液态阳光”战略，如我们当下可以采取哪些可行步骤，推进化石燃料能源系统向绿色能源为主导的能源系统的转型。成功的转型始于多国协作和涵盖科学、技术、政策及产业的跨学科方法。通过号召人们努力实现经济可持续增长和环境保护的共同目标，笔者对“液态阳光”在未来得以实现持有乐观的态度。

中国科学院院长白春礼强调：“经济增长和环境可持续是中国乃至全世界的共同目标，为构建‘人类命运共同体’，中国将会与其他国家一道，为人类世界的共同发展推动绿色燃料的技术进步。‘液态阳光’可为世界提供一条兼顾经济可持续增长和应对气候变化、环境恶化的途径，有助于实现联合国可持续发展目标（SDGs ）。”

特别说明：

以上内容由纳米人学术委员会特邀，中国科学院确认并授权发布，在此表示感谢。

以下内容为纳米人编辑部独立翻译，由于学识有限，内容如有用词不当，或者疏漏和错误之处，还望大家指正！

本文作者：施春风院士、张涛院士、李静海院士、白春礼院士

核心内容：

1. 评估了使用醇作为能量载体来实现全球3E目标和解决相关挑战的重要性。

2. 阐述了从化石燃料到绿色醇燃料的逐步过渡所带来的成本和收益，并为通向液态阳光驱动的未来提供可行的途径。

2017年，全球燃烧化石燃料产生的CO₂排放量达到33亿吨(如图1所示)，是CO₂被自然吸收回陆地和海洋速率的两倍。利用太阳辐射可以减少我们对化石燃料的依赖，它是最丰富的能源资源，可以满足人类未来的能源需求。将太阳辐射有效地转换为稳定、能量密集的液态能量，使用供应链进行储存、运输和分配，这是实现以千兆级别大规模部署太阳能的关键。

液态阳光是将太阳能与二氧化碳和水结合起来生产绿色液态燃料的愿景。多源和多用途醇是最佳候选燃料，甲醇和乙醇是具有千兆生产潜力可操作的第一目标。

有鉴于此，施春风、白春礼、张涛、李静海四院士联合评估了使用醇作为能量载体来实现全球3E目标和解决相关挑战的重要性，旨在为制造业和政策制定者提供更全面的视角，了解从化石到绿色醇燃料的逐步过渡所带来的成本和收益，并为通向阳光的未来提供可行的途径。

一、全球大背景

1.1 非经合组织国家处于气候变化和环境退化的前沿

非经合组织国家测量的环境退化率比经合组织国家高三倍。在亚洲，空气污染问题因人均能源资源低而更加复杂。亚洲拥有世界53％的人口，但煤炭储量仅占世界26％，天然气储量占8％，石油储量仅占3％。印度总理莫迪说得好：“能源是经济增长的关键驱动因素。可持续、稳定和价格合理的能源对于经济发展成功到达金字塔底层至关重要......让我先从能源使用开始。虽然印度的一些富人正在购买混合动力汽车，但许多穷人仍在购买柴火用于烹饪，使用木柴和其他生物质进行烹饪对农村贫困妇女来说是一种健康危害，也降低了他们的生产力“。

许多人口不断增长的发展中国家需要可行的“普通人解决方案”，包括获得廉价和清洁能源，以帮助对抗威胁公共健康的危险污染，并打破人类贫困和环境退化相互加剧的恶性循环。

图1. 经济合作与发展组织（OECD）国家和非经合组织国家的排放量根据常规情景，2100年CO₂排放量是当今排放量的三倍。

1.2 中国和印度是全球能源需求增长的推动力

尽管存在环境问题，发展中国家能源消费增长的趋势预计将持续到未来几十年，世界能源消耗的三分之一来自中国和印度(如图2左所示)。中国和印度（以及整个亚洲）面临因缺乏能源的挑战更加严重。目前，中国和印度的石油进口占石油消费的比例分别为70％和80％以上。这两个国家目前成为采取政策促进更清洁、廉价的能源解决方案最积极的国家之一。图2（右）显示了未来几年全球能源结构中天然气和可再生能源的比例不断增加。

图2.能源需求按地区和种类的分布图

（左）中国和印度正在推动全球能源消费的增长。

（右）到2040年，天然气和可再生能源将占全球增长的75％。

1.3 中国：领先的甲醇生产商

2014年，中国向污染宣战：“我们将宣布对污染进行战争并以与贫困作斗争的决心进行斗争......必须摆脱过度依赖自然资源......绿色发展是可持续发展。绿色和环境相关产业潜力巨大“。中国的”十三五“规划将绿色发展作为可持续发展的关键战略。绿色发展不仅是应对气候变化和环境退化的手段，也将带来可持续的经济机会。

2017年和2018年的两项举措是：1#中国推出首个绿色发展指数，旨在向地方政府施压，要求减少污染，创造更可持续的经济发展。2#中国人民政治协商会议将减贫和遏制污染列为其主要目标之一。

中国已将甲醇确定为汽油和柴油的可行清洁替代燃料，并将其作为合成材料和化学品的原料，成为迄今为止世界上最大的甲醇生产国和消费国。继先前的甲醇燃料试点成功后，中国工信部将M100甲醇汽车试点计划扩展到山西、贵州、陕西和甘肃省，此外还采用M85并在几个省制定了标准，这些省份管理甲醇与汽油不同比例（5%-100%）混合物的使用。汽车制造商吉利一直处于甲醇汽车的最前沿。

1.4 印度的“甲醇经济”

印度的能源问题比中国更严重。自2014年以来，莫迪政府已制定了有关能源多元化和可持续发展的政策。2017年，印度推出了以下双重目标：1#减少石油和天然气进口以应对严重的经济赤字。2#改善当地环境，印度推出了一系列政策和现场测试，以促进甲醇的各种应用。

印度政策制定者将中国视为甲醇作燃料的范例。甲醇经济特别工作组在改造印度国家研究院（NITI）Aayog下成立，其负责人Saraswat博士在2017年发表了一份题为“印度向甲醇经济跨越式发展”的报告，阐述了甲醇及其生产和应用机会的事实。2017年12月，NITI Aayog宣布正在为印度甲醇经济制定路线图，并计划建立甲醇经济基金，资金约为5000亿卢比（即7.5亿美元）。按照设想的规模采用甲醇将使印度的污染水平降低40％以上。

1.5 实现经济-能源-环境目标的一个世界方案

实现经济增长、环境保护和能源安全（3E）相互交织的目标是我们这个时代的全球挑战。但是，发达国家和发展中国家往往有不同的优先事项。例如，发达国家和发展中国家的经济增长模式不同。发达国家渴望提高生活水平和生活方式，需要大量的能源和资源消耗，而发展中国家正在努力促进经济增长，提供生活必需品，以使数百万人摆脱贫困。另一个例子是环境保护。发达国家呼吁采取行动应对气候变化，保护野生生物和自然栖息地，重点关注温室气体排放，而发展中国家正在寻求方案，以解决由燃烧生物质造成的城市烟雾和室内空气污染造成的严重公共卫生问题。但上述优先事项并不相互排斥。例如，减缓温室气体排放的挑战超越了国界。

二、液态阳光与全球供应链

在一年内大约8.85亿太瓦时（TWh）的能量以太阳辐射形式到达地球表面，其中2.56亿TWh到达地面，后者是人类在2040年消耗能量的1000倍以上。图3显示太阳能是主要的能源资源，它的潜力超过其他形式的可再生能源两个数量级。

图3. 全球能源来源

2.1 展开由阳光提供动力的未来

从植物和自然中汲取灵感，液态阳光是可持续生态平衡能源系统的愿景，利用太阳能产生绿色液态燃料，可满足现代社会无数应用的多重能量需求。绿色燃料可以从不同的地区生产，从而提高能源供应的可及性和安全性。在其生产和利用中，二氧化碳被捕获并通过环境再循环。图4显示了红色的能量通路和蓝色的CO₂和H₂O的再循环途径，在整个周期中只消耗太阳的能量。

液态阳光的愿景和策略写在中国科学院的一份名为“液态阳光-全民绿色未来的机遇和途径”报告中，灵感来自”甲醇经济“的著作。

图4. 液态阳光循环可视化

2.2 全球供应链：短期和长期存储

阳光的间歇性、季节性、地域性、缺乏可扩展存储（短期和长期）以及可再生能源分配系统的复杂化，为研究人员带来了多重挑战。CNRS的一份报告指出：“无论是以电、热，还是像氢这样的气体形式存储能源，都是在能源结构中广泛引入可再生能源的重大科学和技术障碍。”

大规模储存的技术挑战与能量载体的能量密度、稳定性、可操作性和可燃性有关。能量密度是可扩展的经济高效存储的关键特征。图5显示了气态、液态和固态能量载体和电池存储系统的能量密度。可以看到，液态能量载体占据了重量和体积高能量密度的“最佳点”，比电池高10-50倍。

图5. 几种能量载体的能量密度比较

2.3供应链：能源储存和挑战

为了对能量密度进行深入讨论，请考虑以下2050年储能的情景。预计2050年世界能源消耗量将达到240亿吨油当量，即每天750TWh。在2050年仅满足3小时的全球能源需求将需要94TWh。近年来，已经提出锂离子电池和氢作为能量存储系统，两者都享有越来越多的市场关注和国家补贴。图6比较了使用锂离子电池、氢气和液态醇的存储要求，就堆叠在足球场上时的高度而言，以及相当于数千架空中客车A380的重量，这些数字不言自明。

图6 2050年全球3小时（94 TWh）分别对电池、氢气和醇燃料的储存需求

锂离子电池是重量和体积的低能量密度存储装置，该存储系统是资源和材料密集型，因此开展电池存储系统将是巨大而沉重的。为上述情况开发锂离子电池储存系统需要约1200万吨Li，相当于世界已知Li储量的86％。千兆级锂离子电池的部署实际上将耗尽当前已知的Li，Co和Ni储备，并且在开采这些矿物时会产生严重的环境影响。此外，锂离子电池会带来热失控火灾的风险，这些火灾会释放100多种对人体健康有害且可能致命的有毒气体和金属。使用过的锂离子电池的不当处置会产生严重的环境问题。因此，电池回收应该是强制性的，并需要考虑到电池设计中。回收成本应包括在前期电池成本中，以确保下游电池废物的回收利用，但是这些问题很少受到关注。

氢气具有高能量密度，但体积能量密度低，即使压缩至700bar也是如此。氢的大规模存储存在许多挑战。压缩至200bar的氢气钢罐，体积庞大，堆放在足球场时顶部高达40多公里。氢的体积能量密度也不到液态燃料的三分之一。高压氢存储和分配存在操作挑战，包括泄漏和爆炸风险。这些问题将在US Drive report中详细讨论。

醇类燃料在环境温度和压力下是稳定的液态：重量和体积的高能量密度，易于储存和运输。与电池和氢气不同，醇类是稳定的，可以长期储存在不同形状和大小的容器中。甲醇有毒的，但它实际上比汽油毒性低，而乙醇是无毒的。乙醇和甲醇都是水溶性的并且可在环境中生物降解。更重要的是，使用或调整现有的液态燃料能源基础设施，可以容易地以液态形式运输和分配醇。

将电池或氢气系统部署为战略能源储备似乎不可行，这些战略储备在未来几十年对能源安全变得越来越重要。

2.4供应链：运输和配送

能源分配可分为两部分：1#全球和区域运输和2#地方分配。

1#全球和区域运输

船舶用于在全球范围内运输固体，液态和液化气体。以液态燃料（例如石油）的形式在全球长距离运输能量是有效且成本有效的。管道用于区域性地输送液态和气体，通常在陆地上。高压线路用于在陆地上传输电力。电力是最高质量的能源载体，尤其适用于住宅和商业应用。然而，传输电力的成本随距离呈指数增长。跨海洋的电力传输不是一个可行的选择。图7为按对数尺度显示的距离来估计天然气、石油和液态醇类的输送/运输成本，可看到能源类型之间存在巨大的成本差异。

图7按对数尺度显示的距离来估计运输/输电成本; 电力传输的成本高出1-2个数量级

2#地方分配

地方分配是向用户提供燃料的最后一步。为了了解以乙醇、氢气和电池作为能源载体的基础设施成本，我们以2050年的中国车辆运输部门为例。

如果车辆转换为使用乙醇，则可以通过现有的加油站分配燃料，只需要很少的改装成本。如果采用氢气作为运输燃料，则需要对整个燃料分配系统进行大修，这需要制造昂贵的不锈钢和CFRP罐。此外，为了确保高水平的安全性，必须根据精确的技术标准设计和制造各种部件。电池电动汽车（BEV）的充电会产生大量电流。因此，需要升级本地电网以适应更高的电力负荷和更大的负荷波动。除了提升电网传输容量之外，还必须升级各种辅助服务。

图8总结了基于假设在2050年为中国2.8亿辆汽车(基于14亿人口)的三种类型能源载体改造或建造新系统进行成本估计。

图8估算2050年中国分配新燃料的基础设施成本

三、醇类是清洁、多功能的能量载体

3.1完全燃烧可减少排放

首先，对抗污染物和温室气体排放的最有效方法是使用具有两种化学特性的燃料：低污染物或无污染物和低碳氢比。传统的化石燃料如煤和石油具有C-C键并含有大量污染物。煤有氮、硫和微量的重金属，而石油含硫量高。天然气主要由甲烷组成，含有少量的污染物和微量的硫，如图9所示。

图9几种能量载体的CO₂浓度和污染物排放

其次，二氧化碳是温室气体（GHG）。燃烧过程中排放的二氧化碳量很大程度上取决于燃料的C/H比。煤的C/H比为1：1至4：1，油约为1：2，天然气和甲醇均为1：4。通常C/H比越高，每单位能量排放的CO2量越高。

由于其分子结构简单，甲醇和乙醇比其他燃料更容易实现完全燃烧。两者都是高辛烷值燃料，内燃机（ICE）可以在更高的压缩比下运行而不会发生爆震。这提高了燃料效率，并在一定程度上抵消了醇燃料较低的能量密度（与汽油相比）。此外，甲醇在较低温度下燃烧，导致较低的NOx排放。

总而言之，设计火花点火（SI）和压缩点火（CI）发动机更容易实现清洁完全燃烧，提高发动机效率，并减少低碳单种燃料的二氧化碳和污染物排放，如甲醇和乙醇。

3.2醇类作为天然气和可再生能源的载体

近几十年来，世界上最清洁的化石燃料-天然气的供应量已经增加。然而，释放天然气以多千兆吨规模取代煤和石油的潜力将需要将其转化为能够以液态物流优势的能量载体。麻省理工学院的研究指出“液态燃料在运输中的优势表明，将气体转化为某种形式的液态燃料可能是实现重大市场渗透的最佳途径......甲醇是唯一具有以大工业规模长期生产的燃料。甲醇成本最低，温室气体排放量最低，但需要对基础设施进行一些修改......“

天然气供应的丰富程度和地理多样性在图10中可见。除了取代煤和石油的潜力外，天然气的地理多样性增强了能源可及性和能源安全。

图10 常规和非常规天然气储量的来源和数量

到2040年，天然气和可再生能源将占全球能源增长的75％。然而，长途运输天然气成本高昂，需要昂贵的新基础设施，长距离传输可再生电力也是如此。中东和非洲可以利用太阳能资源提供以天然气为原料生产甲醇的能源。预计在20世纪20年代初期，大规模部署太阳能发电的低排放甲醇生产将带来三大好处：(1)使天然气和可再生电力在全球市场中大规模渗透; (2)鼓励开发低排放的醇类燃料生产技术; (3)提供“呼吸空间”，直到碳中性绿色技术达到大规模商业化生产绿色甲醇的成熟度。

3.3醇类作为“液氢”和“液态电”的载体

在醇类中，甲醇是一个有吸引力的第一目标，因为它符合千兆级可扩展性，具有地理上多样化的生产和可负担性的特性。甲醇中没有C-C键，这可以实现几个重要的应用。甲醇可以用作储存氢和电的液态能量储存器，如图11所示。

图11在环境条件下甲醇作为液氢和液态电的载体

甲醇是环境条件下紧凑形式的液态氢。体积上，甲醇在-253℃的低温下比液氢多40％的氢气，比在700bar压缩的氢气多140％的氢气。燃料电池汽车主要由氢气驱动。更有效和更具成本效益的选择使用甲醇作为氢载体，甲醇可以在供应链的任何一点重新转化为氢气。

此外，甲醇的能量密度是锂离子电池的10倍以上，可用于利用涡轮机或燃料电池发电。电网建设成本高昂，甲醇可以经济有效地分配到农村地区以产生电力；可以替代效率较低，污染较严重的现有柴油发电机组；也可用于大规模发电。

3.4 醇类和电力作为绿色能源系统的支柱

可再生电力（来自阳光）和绿色醇类燃料可以作为未来绿色能源系统的双重支柱。图12显示了电力和醇类的协同作用和互补性，后者也作为大型能源储存库，“大型油藏”的醇版。

图12 绿色电力和绿色液态燃料驱动的完整能源系统示意图

四、从化石到液态阳光的路线图

图13的液态阳光路线图描绘了从天然气可再生混合系统等中间技术到最终完全由可再生能源生产绿色酒精的逐步技术进步。混合醇等中间体解决方案可以建立生产能力，建立下游市场和应用，并开始对现有的储存，运输和分配基础设施进行必要的调整，以便随后在全球能源结构中广泛引入醇类燃料。当绿色甲醇、乙醇和其他可再生燃料的商业化生产起飞时，这有助于建立全球可再生能源供应链，实现无缝衔接。

图13流动的阳光路线图：从化石1G和2G，到混合3G和4G，到绿色醇5G技术的进展，在CAS 2017报告中有详细描述。

图14总结了甲醇生产的准备水平以及从化石到液态阳光路线图部分讨论的甲醇生产技术：

“4”代表成熟且成熟的技术;例如，1G-煤，2G-气体，MTO。

“3”代表可立即部署的技术;例如，用于甲醇生产的3G气体，以及锅炉和涡轮机，甲醇SI发动机。

“2”表示处于优化，系统集成，试验测试和演示阶段的技术，或者在商业部署之前设置工业标准的过程中的技术：例如甲醇CI发动机和甲醇燃料电池系统。

“1”代表仍在研究阶段的技术转向概念验证（工作原型）。

图14甲醇生产的应用水平和应用技术

五、案例研究：使用四种能源的轻型车辆的生命周期分析

为了证明醇类的作用，介绍了使用四种能源（即石油、煤炭、天然气和可再生能源）轻型车辆的生命周期二氧化碳排放量。这些能源与中国制定节能和新能源汽车的8年计划（2012-2020）相关。图15显示了从能源到车辆使用点的六个例子。

图15 使用四种能源的车辆生命周期CO2排放量

很明显，天然气在二氧化碳减排方面具有直接的有益作用。此外，从煤炭和石油到天然气和可再生能源的过渡将大大减少烟雾污染物。作为本文的重点，醇类可以进一步缩小二氧化碳排放量，特别是在部署燃料电池动力系统（一种新兴技术）的情况下。

在可再生能源广泛部署的情况下，人类能源使用的总碳排放量可能会低于世界天然碳汇吸收碳进入海洋和岩石圈的速度。这一发展预示着大气二氧化碳水平下降的开始。

六、展望未来

太阳的能量显然是世界能源的主要和实际来源，世界需要高效、经济的太阳能载体。正如本文所倡导的那样，太阳能转化为液态燃料，可以融入现有供应链基础设施的庞大网络，是太阳能在全球能源结构中渗透市场的关键。

在短期内，可以利用当地资源（如天然气，生物质和可再生能源）的最佳组合作为混合技术的原料，在各个地区大规模生产经济实惠的醇类。从长远来看，醇类可以在世界许多地方完全由阳光、H₂O和CO₂生产。利用阳光取之不尽的技术多样化以及全球生产燃料的机会，可以开启国际合作的新时代，实现经济增长，环境保护和能源安全相互交织的目标、绿色发展的支柱。

2013年世界银行报告强调“世界的发展进程正处于十字路口。鉴于当前中国和世界经济增长的不可持续性，需要一种新的发展方式。绿色发展的概念就是这样一种方法。绿色发展可以成为经济、社会、环境和政府角色的潜在变革过程。这是一个机会：敞开的大门。“

随着这些全球趋势的发挥，醇类燃料处于拐点。由于迫切需要“可持续，稳定和价格合理的能源”，特别是在发展中国家，对于负担得起的清洁燃料的创新和投资，激动人心的时刻已经到来。

二十世纪是由数百万年前照亮地球的古老阳光的残余所塑造的。二十一世纪及以后的日子可以通过丰富的日常阳光塑造出来，创造一个与早期世纪相呼应的集体智慧的未来：善待地球，它是从我们的孩子和孩子的孩子那里借来的。

参考文献：

Poweringthe Future with Liquid Sunshine[J], Joule,2018.

DOI:10.1016/j.joule.2018.08.016

https://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(18)30401-X