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双碳战略的目的，并不仅仅只是碳中和，而是希望我们在能源的使用模式上进行新的改变。例如，科学家们正在进行太阳能跨季储能项目的研究，将可再生能源存进电池。在未来，还能循环理由二氧化碳，摆脱地球环境的限制…出品：格致论道讲坛以下内容为中国科学院工程热物理研究所研究员吕清刚、中国科学院电工研究所研究员王志峰、中国科学院天津工业生物技术研究所研究员蔡韬演讲实录：段玉龙：在年3月，中科院发布了和双碳相关的科研战略，叫“双碳行动计划”。我想请三位老师从各自的领域来跟我们说一说，除了现场分享的演讲内容外，咱们的研究领域在助力双碳战略落实的过程中，分别还有什么样的科学贡献？吕清刚：“双碳行动计划”里有一批关键的技术和任务。在能源领域，煤炭清洁燃烧与低碳利用是其中一个先导专项。之后可能还有储能和其他可再生能源的相关计划。在这个专项里，我今天报告里有两点没有讲到。第一点，我们的电力稳定调峰是一方面，更多的还要注意产业链的安全。也就是说，我们国家工业的门类非常齐全，在整个产业链里边，我们既要保证低碳，同时要保证它稳定地发展。第二个就是油气的安全。在没有充足油气的前提下，怎么用煤炭来替代油气？这里边更核心的一个技术就是，煤不但是燃料，也是原料。我们要发挥燃料和原料耦合的属性，也就是说我们能够发电或者变成能源，而在排放二氧化碳的过程中，我们又能把二氧化碳合成化学品。化学品里含碳，这样就把一部分二氧化碳固定下来了，所以发电是可以低碳的。同时，在煤的转化合成上，也可以是更低碳的，甚至是零碳的。这些是我们未来5年发展和努力的方向。段玉龙：也就是双碳战略最终的目的不仅仅是碳中和，而是通过这样的一个战略，能够使我们在能源的使用模式上有一个新的改变。而且也会让我们的经济发展进入到一个新的层面，这才是双碳战略更加伟大的意义。王老师，听听您对于我刚才这个问题的想法。王志峰：中国科学院确实是比较超前的。比如说刚才我讲的太阳能跨季储热，就是我们科学院先导部署的项目。在新的双碳战略里，我本人从事的是两个更具有挑战性的项目。一个是应对电网安全的卡诺电池（储热电池）。随着未来的电力发展，可再生能源在电力系统里面的占比越来越高。有时候用户并不需要用那么多电，这个时候多余的电得有个去处。这是第一个问题。另外，当没有风、没有光的时候，电从哪儿来？这是第二个问题。所以我们现在就做了一种电池，它可以把多余的电变成热能存储起来，在需要时候再去发电。这个事好像很简单，因为把热变成电这个事并不难，把电再变成热这事也不难。但实际上，这个事是非常困难的。首先是把电变成热。现在的电站都是大功率级的太阳能光伏电站，比如说吉瓦级的电站，兆瓦级的电站，甚至有的更大。风电的规模也是很大的。全世界也都没有做过这么大功率级的电加热。这时候把电变成热，电加热器受到的冲击很大，考虑到熔盐和电加热之间的耦合传热关系，我们需要保证电加热系统的安全性。其次，在放电的时候，用户的需求也不是我们能控制的。从热变到电，并不像汽车踩一脚电门，电“哗”就冲上去了。热都是有惯性的，所以如何去应对电网的需求，把热大功率地放出来，也是非常有挑战性的。比如说循环次数，盐罐突然地工作，从满罐突然到半罐，再到三分之一罐，这个液位的变化对盐罐本身的考验很大。再比如几万吨的盐，几十万吨的盐在高温盐罐里也有很大的考验，有很多力学、热学和材料学的耦合问题。第三个问题是效率。我们的手机电池是存进去电，再出来电，电到电的效率大概是90%以上。但从电变成热，热再变成电，目前的效率只有42%左右，这就太低了。进去1度电，出来只有0.42度电，这样电就很贵了。如何来提高这个效率呢？我们发明了以卡诺热力学循环为基础的三代电池，能把这个效率从现在的42%提高到70%-75%。第一代就是我们说的用电加热，直接就是电到热，是1比1的，大概0.9。第二代是基于蒸汽的热泵循环，来实现电到热、热再到电。热泵循环能利用发电机的余热，因为我们热进了汽轮机以后，只有40%变成电了，那还剩下60%变成余热。把这个余热利用起来，重新回到储热罐里边去，这是用了正逆卡诺循环的组合来做储热，就可以提高效率。但即使这样，它的效率也就在55%左右。第三代我们需要用超临界二氧化碳这样一个更新的、一个跨越了布莱顿循环的无相变的发电技术来提高热到电的效率。这时候它的效率就可以到70%-75%。第二个项目，就是更加神奇的技术——太阳能。在我们的双碳计划中，有一个项目是工业过程的燃料替代。当工业产生二氧化碳以后，我们用碳来还原二氧化碳，把它变成一氧化碳。一氧化碳可以作为燃料，再回到水泥窑的窑头。从生物质能变成碳的这个过程是要加热，就用到太阳能，加热以后碳就可以去做还原剂了。这是把二氧化碳吸收给变成一氧化碳。▲太阳能煅烧水泥大家如果对水泥厂熟悉，就会知道水泥厂后面有一个大的窑尾。窑尾里边是碳酸钙，碳酸钙在里边分解，就叫预分解。把太阳能的热量加进去以后，加热到度左右，碳酸钙就会直接分解，产生氧化钙跟二氧化碳。二氧化碳再跟刚才我们说到的用太阳能碳化的生物质能再去反应，就生成了氧化钙和一氧化碳。这就实现了零碳排放。我们现在也在跟大连化物所、青岛能源所共同酝酿这个工作，前期也做了一些技术上的探讨。我们还做了一些实验，也是比较成功的。从原理上讲是可以实现的。这样的话，水泥工业的碳排放就能大幅度地降低。以上就是我们做的两个工作。蔡韬：刚才吕老师和王老师讲得非常好。我们淀粉合成刚好是在下游。我们用的二氧化碳可能来自于吕老师的煤炭清洁利用，能源可能来自于王老师的热电。我们的工作属于生物领域。而生物在很早的时候，就可以固定二氧化碳了。但是自然生物固碳的目的并不是为了服务我们人类，它是为了自己能在自然界中生存下去。所以在很多时候，它在能量效率上面不追求最高，在速度上面不追求最快。所以对于我们的要求来讲，它做的并不好。所以我们一直想去改造自然的固碳生物。我们有各种各样的改造方法，有去做新的固碳途径的，还有做固碳酶的，提高固碳酶（RuBisCO）的活性。还有把化学和生物耦合起来，发挥各自的优势，既能很快地把二氧化碳转化过来，又可以合成非常复杂的、有更高价值或者重要意义的化学品，这也是我们一直在做的事情。当然就人工合成淀粉这个工作，和刚才两位老师介绍的已经对我国双碳战略有了非常实质性的贡献来比较的话，确实还处于一个非常初期的阶段。这实际上也对我们提出了要求，我们要尽快地去攻关，尽快地克服这里面的一些关键科学问题，尽快地为我们国家的双碳战略做出贡献。大气中的二氧化碳可以被收集利用吗？已完成：30%//////////段玉龙：您刚才讲的碳捕集的技术，也是接下来要去发展的方向之一。说个题外话，之前还有网友留下了问题：有一个美国人叫埃隆·马斯克，他悬赏1亿美元要征集全球最好的碳捕捉技术。您有想去挣这1亿美元吗？蔡韬：会不会去竞争这1亿美元现在还不敢说，要看我们技术发展的情况。但是有一点，马斯克其实一直在推动一个事情，那就是移民到火星去。火星上有很多二氧化碳，但是我们没法耕种。那如何把这些二氧化碳收集起来，并进一步转化成我们人类的食物，这是一个非常核心的挑战，也是我们一直在做的事情。我们希望人类在远离地球的时候，能循环利用二氧化碳，这样我们可以摆脱地球的环境生存下去。这是非常重要的目标，当然我们还在向这个目标去努力。段玉龙：这个目标有点太远大了。我觉得咱们双碳的技术用来解决人类的问题、解决地球上的问题才是当务之急。关于碳捕集的技术，也是最近这些年全球热点领域。我不知道在二位老师的研究中有没有

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