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    王中林院士:能源轉型需要顛覆性原創技術

    來源:中國科學報 作者:王中林 人氣: 發布時間:2022-09-09 08:50:17

    能源是人類賴以生存的根本,也是一個國家安全的保障。

    與其他國家相比,中國的能源現狀是富煤、少油、缺氣,盡管煤炭儲量較為豐富,但也并非取之不盡。尋找新型可持續的能源,迫在眉睫。

    當前,隨著化石能源的過度使用,二氧化碳排放達到新高度,給生態環境造成嚴重危害。近年來,自然災害整體發生的頻率比以往更高,這可能與化石能源的過度使用不無關系。

    國家提出將“雙碳”作為重大戰略目標,能源轉型是必然趨勢。一方面,我們要大力發展綠色可再生能源,包括太陽能、風能、生物質能等;另一方面,散落在地球上的分布式能源也不可忽視。

    能源從產生、利用到回收是一個系統性過程。過去,化石能源燃燒被用于發電后,都以其他形式散落在環境中,例如熱能、機械能等。這些大面積分布、碎片化的能源,可回收率很低,造成了能源不可再利用。

    如何把環境中散落的“分布式能源”重新變成電力,輸送至千家萬戶,是一個重大挑戰。

    20年前,隨著分布式傳感裝置和物聯網的出現,信息通信技術的發展從有線走向無線,從有序走向分布。我們由此意識到,在能源領域也將可能面臨同樣的趨勢,即從一元變成多元,從集中走向分布。而這其中的關鍵問題之一,是如何使分布式傳感器件能夠可持續運轉、回收能量、提供數據信息;诖,我們繼而開始研究微納能源。

    微納能源即除傳統可再生能源、化石能源等“大能源”之外的“小能源”。

    海洋中蘊藏著巨大能量。前不久,中國科學院聯合歐洲科學院發布了基于海洋的氣候行動,其中提到,海洋能源是未來替代化石能源的出路之一。

    海洋中包括熱能、風能、潮汐能、波浪能、生物質能等能源,它們分布廣、能量大,我們必須向海洋要資源。匯聚各種各樣的海洋能量可極大滿足人類的能源需求、降低二氧化碳排放。

    然而,與歐洲國家海岸線上的“大風大浪”相比,我國海岸線上的風浪比較平靜,平均浪高僅有0.3~0.8米,收集起來非常困難,且能量較低很難進行發電,這就需要顛覆性原創技術。為此,2012年,我們發明了納米發電機(TENG),它可以將廣泛分布的能量收集起來,將微小的機械能轉換為電能。

    與傳統發電機的原理不同,納米發電機是基于兩種材料的接觸起電,產生靜電感應并對外輸出電流,具有高電壓低電流、在低頻下具有高效率的特點。每臺納米發電機并不大,但把它們結成網狀放置到海洋中,就可以將海水無規則的運動轉變為電能,且能夠穩定輸出。

    根據實驗數據作理論測算,1平方公里的海面面積、1米深的水,用球形納米發電機連成三維網格,理論上可以產生10兆瓦級的電能輸出,可以點亮100萬盞電燈。海洋藍色能源前景廣闊。

    經過成本核算,海洋能源形成規;,其成本低于風能和太陽能,且因為海浪是晝夜不停的,大面積所發的電應該是持續、穩定的,因此可以并網。我們在海上、海下做的試驗也取得了顯著成效,證明了我們的想法是正確的。

    納米發電機的發明為實現能源系統的微型化帶來了可能,這是突破了1831年法拉第發明的電磁感應定理后的第二個重大發明,也是在科學原理從0到1的顛覆性原創思想。

    自從20年前納米發電機首次發明以來,迄今整整10年,我們已經建立了基本理論框架、技術方法,在產業應用方面也邁出了重要步伐。納米發電機作為一個把機械信號轉為電信號的傳感裝置,目前在安全防護、人機交互、網絡安全、空氣凈化、健康維護等領域有潛在應用。在拓展應用的過程中,我們不斷完善技術理論,不斷學習提高,為在海洋能源領域真正規;瘧玫於ɑA。

    實現“雙碳”目標是一項宏大而復雜的系統工程,在能源轉型過程中仍需要很多技術創新,包括發電方式、電網運輸和儲能等。這十分重要但又十分艱難,需要多方配合、系統協作,相信未來一定能找出解決方案。

    未來,一方面我們應該大力推動現有技術,保證化石能源作為能源安全保障的基礎;另一方面應大力培育原創性、顛覆性技術,發展分布式能源,顛覆性技術有可能成為未來能源革命性轉變的保證。

    從0到1的原創突破是非常困難的工作。比如,你有了世界首次的原創思想,能否變為現實?能否得到行業認可和社會接納?成本高的時候如何降成本……這需要長期穩定堅持、久久為功。

    因此,這需要國家頂層設計和政府專項資金的支持,同時帶動社會資本投入。新能源領域需要科學突破,但也蘊藏著巨大商機。此外,還需要人才培養和學科建設,使得該領域在發展中后繼有人。

    重視基礎研究、原創思想和科學,只有這樣,我們才不會跟著別人跑、不會在核心技術方面被“卡脖子”,才能夠在科學發展史上留下印跡,也才能夠產生真正的顛覆性技術。

    作者:王中林(中國科學院外籍院士、中國科學院北京納米能源與系統研究所所長)

    (編輯:逍遙客)

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