煤炭是我国能源结构的中流砥柱。在实现“双碳”目标过程中，能源结构改革是非常重要的一个环节。在这个过程中，煤炭将扮演什么样的角色？我国在煤炭转化的研究中都取得了哪些关键的进展呢？为此，我们采访了中国科学技术大学校长包信和院士。
（本文根据采访内容整理）
我们应该如何理解“双碳”？
问：您是如何理解碳达峰、碳中和这两个概念的？
答：一个国家，特别是像中国这样的发展中国家，发展过程中一定要进行工业生产，而生产是需要使用大量能源的。目前我们使用的能源主要是化石能源，燃烧之后会产生二氧化碳，因此在能源使用过程中就要排放碳。近几十年来，由于我国的经济一直在高速发展，所以能源的用量（包括碳的排放量）就一直在上升。所谓碳达峰，也就是希望我国尽快达到碳排放的最高值。我国现在希望在2030年以前实现碳达峰。
实现碳达峰之后，我们要采取各种方法，在减少二氧化碳排放的同时，增加对二氧化碳的处理，最终使每年碳的排放量能够等于碳的自然吸收量加上处理掉的量，使二氧化碳的产生和清除达到平衡，这个平衡就叫做碳中和。
问：您认为我国要实现“双碳”目标，最重要的难题是什么？
答：我国能源生产占据了碳排放的80%以上。所以，要想按期实现碳达峰和碳中和的目标，最需要关注的就是能源。有三个环节需要我们重点关注：首先是清洁能源的获得环节，也就是本身不会产生大量碳排放的能源；第二是能源的使用环节，也就是研究如何在能源使用过程中减少碳排放；第三个环节就是排放环节，如何在这个环节中将要排放的碳进行吸收、处理。
（图片来源：veer图库）
问：通过节能减排就能够实现“双碳”目标吗？
答：这是一个误区。国家要发展，要产生社会价值和GDP，一定需要能源，因此社会需要的能源肯定是增加的。节能减排可以帮助我们提高能效（产量一致的情况下能耗降低），但是不会改变社会能耗增加的事实。也就是说，虽然节能减排能降低碳的排放，但要同时实现社会的发展和“双碳”目标，单靠节能减排是不够的。
问：在实现“双碳”目标过程中，科技怎样给我们“赋能”？
答：科技赋能主要体现在两个方面：新材料和新思路的提出，以及机制和原理的探索。
在新材料和新思路方面，例如，现在太阳能电池材料主要是用硅，但是有一种新思路，不是完全用硅，而用一种叫钙钛矿的材料。钙钛矿材料从被发现到应用在太阳能转换上，仅用了十年左右的时间，但它的效率已经达到23%-25%，与硅材料有一定的可比性了。
那么这些材料为什么能够将太阳能转化为电能呢？这就是科技赋能的另一个角色：机制和原理的探索。通过研究我们发现，太阳光所携带的能量，能够将这些材料中的电子激发出来，从而形成电流。太阳光中不同组分的能量是不同的，而不同材料中的电子被激发时，所需要的能量也是不同的。了解这个发电机制之后，很多科学家开始研究叠层太阳能电池，将硅和钙钛矿材料叠在一起，能够充分利用光的不同组分，使光能转换效率进一步提高。目前最好的叠层电池能够实现30%左右的转换效率，比单独材料制备的电池又要高出好多。
问：您认为我国实现“双碳”目标主要面临哪些困难和挑战？
答：主要的压力来自于两点：首先，我国的碳排放量本来就很大；其次，我国有较高的经济发展需求。
我国的情况和西方国家不同。欧洲发达国家基本上在上世纪80年代就已经实现了碳达峰，美国也在2005年左右实现了碳达峰。这些国家承诺在2050年实现碳中和，也就意味着他们有较长的时间来妥善安排进程。而且，发达国家的经济增速已经放缓，对能源的需求增速也不会有较大增量。
但是，现阶段我国的人均GDP与西方国家相比还有较大差距，经济发展的速度仍然较快，能源需求还会进一步的增长，目前还没有实现碳达峰；在这一情况下，还需要同时考虑实现碳中和的问题。即便我们承诺2060年实现碳中和，留给我们的时间与西方国家相比，也少了很多，主要的压力也是来源于此。
提出碳达峰和碳中和概念时，美国跟欧洲的人均GDP达到了2.5万美元左右，而我国是1万美元左右，就好比一个青春期的孩子正是需要大量营养来长身体的时候，突然被限制了吃饭的量，这是一个比较大的挑战。我们只能通过改善“饮食”结构，在饭量不增加的情况下也能获得充足的营养，这个转变是非常困难的，这也是另一个压力的来源。
（图片来源：veer图库）
问：实现“双碳”目标，我国有哪些优势？
答：首先，在新能源的生产方面，我们的太阳能、风能和水能发电装机容量都在世界前列；而很多新能源生产所需要的设备和材料也都是来自中国，这些都是我们在清洁能源生产方面的先发优势。
其次，中国幅员辽阔，能量资源丰富，这也是我国发展清洁能源的一个优势。因为无论是发展风能还是太阳能、甚至水能，都需要较大的场地，我国中西部地区的广阔土地会成为新能源未来发展的大舞台。
第三，在舆论层面和文化层面上，中国的大众/公众也是比较接受可再生能源的。一个新概念、新事物，如果不能得到大家的认可，也就无法大范围地推广了。
另外，近年来，我国在科技发展上的投入非常大。前面我们提到“双碳”目标的实现需要科技赋能，所以中国在新能源科技的各个方面都有非常大的投入，也掌握了一些世界领先的技术。
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问：您心目中的能源梦是什么样的，能谈一下吗？
答：首先是能源安全得到保障。像现在俄乌冲突以后，欧洲在能源上面临的危机就很有警示意义。所以我的能源梦首要一点就是要有能源可用，要让我们的国家在能源上实现安全、自立、自主，这是我们科技工作者希望能够给国家做的贡献。
第二，希望能源的生产和使用过程当中能够对生态环境友好。因为人类世世代代生活在地球上，当然也包括我们子孙后代，在我们的发展过程当中，不能因为能源的使用给子孙后代留下隐患。
第三，就是能够让能源的获取更加便利、更加便宜。未来如果聚变能能够突破，那么从某种意义上来说，人类就可以源源不断地获取廉价的清洁能源了，这也是我能源梦中的图景。
煤炭如何迎来“第二春”？
问：煤炭是一种非清洁能源，为什么我们还要使用和研究呢？
答：煤炭首要的特点是能量密度非常高，也就是说单位体积内产生能量很多；相比之下，风能和太阳能的单位面积上产生的能量较小。我们的生产生活需要大量的能量，因此煤炭这一化石能源很有优势。
在化石燃料中，中国的煤储量相对于石油和天然气来说，还是比较高的。根据前几年的资料，我们现在探明的煤储量大概有1.5万亿吨，以我国现在每年开采40亿吨左右的速度计算，再考虑开采和使用技术的发展，我国的储量供应三百年或者更长时间，应该是没有问题的。也就是说，从能源安全的角度来讲，煤炭能源还是会在我国未来发展中扮演重要的角色，不是短时间内就能弃用的。目前，煤在我国能源结构的比重要占60%左右，所以即便煤可能有污染的问题，也不可能说不用就不用。
另外，现在我国的石油对外依存度达到了74%。万一在运输和贸易过程中发生一些意外，那么我国的石油安全就会产生问题。在这种情况下，我们希望能用自身比较丰富的煤炭资源作为石油的替代品。
最后一个因素是成本。总体来讲，相对于新能源，煤炭的价格还是比较低的，在考虑经济效益的情况下，煤炭的使用还是主流。因此，在一段时间之内，煤的使用不可能被替代。
也正是由于煤炭不可替代性，对煤炭的研究就变得非常重要。在“双碳”目标的实现过程中，在我们找到比煤炭更加优秀的替代品之前，不能先否定煤炭，而是要用科技手段将煤炭的使用变得绿色化，实现清洁、低碳、高效。
（图片来源：veer图库）
问：从化工角度来讲，煤还有哪些价值呢？
答：把煤转化成其它化学品，包括与石油类似的液体燃料，也是一个比较重要的方向。
液体燃料是我国比较缺乏的资源。在很早之前，中国就把煤转化列为一项战略技术，以防备极端情况下的石油断供问题。把煤炭转化为液体燃料，与目前的国际油价相比是不经济的，因此不适合大规模生产，其价值主要体现在其战略性上。
但是经过多年努力以后，通过探索和改善，我们发现煤的转化不只是一个战略储备性的技术，在某些层面上也能够实现经济效益。例如刘中民院士的研究（把煤通过甲醇变成烯烃的技术），在经济上已经可行了，也就是说用煤炭来生产烯烃是可以赚钱的，那么就可以大力发展了。
煤炭转化——超级变变变！
问：煤如何直接制低碳烯烃？相关研究与“双碳”有何关系？
答：出于国家战略的需要，一战后德国就有人开始研究把煤转化成液体燃料或者其他化学品。因为德国的石油资源也不多，但是煤炭储量还可以。所以德国人把煤经过汽化，再用催化的方法转化成油（低碳烯烃）。
从现在的视角来看，这个方法有一些问题。首先，煤炭中的氢含量相对于石油来说比较少，因此过程中需要消耗水来提供氢；而水中除了氢还含有氧，这些氧就会以二氧化碳的形式排放出来。据估算，以煤为原料生产一吨石油制品，需要消耗10吨左右的水，同时排放10吨左右的二氧化碳。所以，这种方法会消耗大量的水资源并产生大量碳排放，是不符合“双碳”目标要求的。另外，这种方法产生出来的烯烃碳链长度非常复杂，需要经过重新炼制才能够获得符合要求的产品。
在消耗水、碳排放和选择性差这三个问题上，我们课题组的研究内容主要指向其中的两个。首先，我们的生产过程中可以做到不用水。第二，我们的工艺选择性很强。例如，在筛选2个碳原子到4个碳原子的烯烃过程中，选择性可以达到90%。
虽然从原理上来看没有减少二氧化碳的排放，但是我们用一步就能实现原来要三步才能做成的过程，流程缩短了，也就降低了能耗，从而间接地实现了减排。
如果使用新能源技术产生的氢来代替水，那么就不需要排出氧，这样从原理上就可以减少煤炭转化过程中的二氧化碳排放了。因此，煤炭转化的新技术如果能与氢能源技术的发展耦合起来，那么就可以进一步有助于实现“双碳”目标。
（图片来源：veer图库）
问：在煤的优化利用方面，现在已经有哪些有益的探索，您能给我们举几个例子吗？
答：我们的努力方向有很多，主要围绕如何在煤转化过程当中降低二氧化碳的排放。
首先是将煤炭转化为含氧的产品的研究，例如转化为乙醇或者乙二醇，这样就可以减少二氧化碳排放。另外，我们还进行了过程优化方面的研究，通过提高效率的方式来降低二氧化碳排放。
另外，我们也探究新的煤炭转化机制。根据前面的介绍，煤的转化过程需要先汽化，而现在的汽化方式是与氧气反应。由于引入了氧元素，后面需要以二氧化碳的形式将氧元素排掉。所以，要从根本上解决煤转化过程二氧化碳的排放问题，就需要在煤转化过程中不使用氧气。我们现在与中科大合作，通过高温等离子体加热的方法使煤炭直接发生转化，不需要使用氧气，就不排放二氧化碳了。
我们也有研究组在碳处理方面取得了不错的进展，例如将二氧化碳与氢或者甲烷直接进行反应，生成化学品，效率非常高。只要能解决好产量放大的问题，就可以在碳中和过程中发挥作用。
“轮到我们中国人想点事情做了”
问：根据报道，您之前在和外国交流的过程中曾经提到过：“你们已经想出来的已经很多了，现在也该轮到我们中国人想点事情做了。”这句话体现了我国科研工作者的自信。您认为这份自信的来源是什么？
答：说这句话的时候，是欧洲某家大型跨国公司请我们去交流，我们详细讲了我们煤经合成气转化的工作，如何实现一步转化。对方其实也一直在做类似的工作，但是没有想到这一点，他们感到很懊恼。我就说了那句话。
我想，这个自信是一种基于事实的、发自内心的一种确信，是经过很多事实论证以后，确信我们的成果比他人的好。
中国现在有很多方面已经走在外国前面了，但是不能盲目自信。盲目自信可能是因为我们对别人不了解，或者把我们单个进展的领先夸大成整个系统上的领先，这是不对的。
我认为我们一定要自立自强，要有自信，但是我们的自信要基于事实，不要因一个小的突破而沾沾自喜，而是要着眼于最终的整体成果。只要能做出一些大家公认的成果，就可以赢得别人对我们的尊重和认可，这才是自信的真正来源。
转载自：科学与中国
