先立后破,加快建设新型能源体系******
先立后破,加快建设新型能源体系
——建设绿色低碳高质量发展先行区三年行动计划解读④
本报记者 张文婷 王建
能源领域是降污减排的主战场。加快能源绿色低碳发展,是推动经济社会发展全面绿色转型的关键。省委、省政府印发的《山东省建设绿色低碳高质量发展先行区三年行动计划(2023-2025年)》立足我省能源资源禀赋,提出加快新能源和可再生能源规模化发展,促进化石能源清洁高效利用,协同推进绿色低碳转型与能源供应保障。
“《行动计划》对山东建设新型能源体系作出了明确的规划,有目标、有步骤,思路清晰。”省生态文明研究中心主任、齐鲁工业大学(山东省科学院)二级研究员周勇表示,从碳中和长期战略考虑,未来能源主要由可再生能源、核能、储能组成,加上小部分配备二氧化碳捕集和贮藏设施的煤炭清洁热电联产能源设施,山东近三年在可再生能源和核电方面重点发力,既有创新性,也有前瞻性。
《行动计划》提出,坚持海陆并进、集散并举,加快推动可再生能源基地化、大规模、高比例发展。在海阳市,省内首批海上风电项目之一的国家电投山东半岛南3号海上风电工程,自2021年并网发电以来,已稳定运行一年有余。依托半岛南3号风电场,全省首个海上漂浮式光伏示范项目建成,并发出了全球海上漂浮式光伏第一度电。“我们将打造海阳千万千瓦级海上风电、海上光伏基地,构建多业态融合发展新格局,探索多渠道绿电转化新模式。”国家电投山东分公司党委副书记、总经理郑海村表示。
推动非化石能源规模化发展是实现能源结构转型的必然要求。按照《行动计划》,山东将聚焦推进碳达峰、碳中和,更好发挥新能源在能源绿色低碳转型中的引领作用,以重大项目建设为支撑,加快推进海上风电、海上光伏、胶东半岛核电、鲁北盐碱滩涂地风光储一体化、鲁西南采煤沉陷区“光伏+”等五大清洁能源基地建设,推动新能源和可再生能源基地化、规模化跃升发展。同时,加快推进新型储能技术推广应用,在大规模风光基地、特高压落点等重点区域实施一批新型储能示范工程,不断提升新能源消纳能力。
近日,文登抽水蓄能电站1号、2号机组顺利投产发电。电站机组投运后可承担电网调峰、填谷、调频、调相、紧急事故备用和黑启动等任务,对保障电网安全稳定运行、促进清洁能源消纳、推动能源结构调整具有重要意义。“实现绿色低碳高质量发展,威海市有基础、有优势,我们将贯彻‘四个革命、一个合作’能源发展战略,稳步推进能耗‘双控’向碳排放总量和强度‘双控’转变。”威海市发展和改革委员会主任隋同朋表示,将加快文登抽水蓄能电站、“国和一号”等清洁能源项目建设,推动华能核电扩建、乳山半岛南和华能半岛北海上风电、HG32海上光伏等项目前期工作,积极发展核电、风电、光伏等产业,抓好清华大科学装置、能源互联网等建设,着力构建现代能源体系。
加快可再生能源开发利用的同时,煤电的兜底保供作用仍不可忽视。根据《行动计划》,山东将加快煤电机组更新改造,促进化石能源清洁高效利用。“我们坚持‘一机一策’推进‘三改联动’工作,先后完成一期两台机组高背压改造、二期两台机组低压缸切缸改造,机组发电的热效率为43%,供热的循环热效率提升到95%以上,实现了冬季发电与供热的灵活转换,可为30公里外的济南城区供热。”华电章丘公司党委书记、董事长赵永表示,作为济南东部重要的电源和热源点,公司将继续优化机组运行方式,促进煤炭清洁高效利用。
山东重化工业比重大,煤电比例高,煤炭消费量大,压减煤炭消费是重中之重。“确保经济发展所需要的能源供应,确保清洁能源对煤电的安全替代,确保经济发展所需要的能源成本不会大幅度上升,实现‘先立后破’是关键。”周勇认为,《行动计划》充分考虑有效利用过去已经建设完成的煤电机组,尤其是有较大供热需求的机组,并让这些机组发挥一定作用后适时退出,此举对于资源节约利用和绿色低碳发展具有重要意义。
建设新型能源体系,一方面要深挖自身潜力,另一方面也要借助省外优质资源。《行动计划》明确,强化能源跨区域合作。努力扩大“绿电入鲁”规模,加强与送端省份合作,积极参与国家大型风电光伏基地开发,加快陇东至山东特高压直流输电通道建设,不断提高输电通道中可再生能源电量比例,适时启动新直流输电通道研究论证工作。到2025年,年接纳省外电量达到1500亿千瓦时左右。
“深入挖掘省内可再生能源的消纳能力,同时充分考虑大规模外电尤其是绿电入鲁,加上核电的加快发展和热利用等,提升非煤能源比重,降低碳排放量,这样才能够真正体现先行区的形象和作用。”周勇表示,这其中需要科技的有力支撑,加强人才队伍建设,充分发挥市场规模推动创新,牢牢把握这些关键要素,将推动山东加快建成绿色低碳高质量发展先行区。
气凝胶:能改变世界的多功能材料******
展览会上展出的具有纳米多孔结构的新型材料气凝胶服装
中新社 任海霞摄
【走近超材料①】
编者按超材料具有常规材料不具备的超常物理性质,是国际上重点关注的战略前沿领域。我国也高度重视超材料技术的发展,国家自然科学基金、新材料重大专项等都对超材料研究予以立项支持。近年来,越来越多的科研人员对超材料产生兴趣,使超材料的设计开发进入了一个崭新的天地。据此,本版推出“走近超材料”系列报道,展示超材料技术创新发展与产业化应用情况。
气凝胶具有高比表面积、高空隙率等特殊的微观结构特点,化学性能稳定、导热系数低、耐高温、使用温度范围广、寿命长。近年来,中国、美国、欧洲等国家和地区的研究人员通过改进气凝胶制备工艺,开发出生物质基气凝胶等多种新型气凝胶。
气凝胶是一种超材料,它非常轻,即使把一块气凝胶放在花蕊上也不会将其压弯。目前,各种各样的气凝胶被开发出来,它们或柔软或坚硬,或导电或绝缘,应用领域广泛。1月10日,中铁一局集团有限公司表示,河南省新乡蒸汽管网项目全面通过验收。蒸汽管网对防腐、保温要求极高,其管道选用了高温离心玻璃棉及纳米气凝胶复合保温材料。项目技术负责人汪惺说,纳米气凝胶隔热效果是传统隔热材料的2—5倍,可极大提高施工质量和施工效率,降低施工成本。
作为目前已知导热系数最低、密度最小的固体材料,气凝胶可谓是材料领域的“隔热王者”,并已在航天、石化等领域应用。比如“天问一号”探测器发动机与火星车表面、“长征五号”遥四运载火箭发动机高温燃气系统隔热、嫦娥四号探测器热电池防护等都应用了气凝胶。在我国提出“双碳”目标后,随着技术的不断创新,气凝胶的应用场景也在进一步扩大。
具有耐高温、高弹性、强吸附等特性
气凝胶是一种纳米级的多孔固态新型材料,所有孔的体积合起来占整个气凝胶体积的绝大多数,甚至可以达到99%以上,具有高比表面积、高空隙率、纳米级孔洞、低密度等特殊的微观结构特点,化学性能稳定、导热系数低、耐高温、高弹性、强吸附、防水效果好、使用温度范围广、寿命长。
“可以把气凝胶理解成多孔海绵的一个纳米版。”气凝胶领域技术专家王贝尔说,其孔径在20纳米至50纳米之间。而空气分子大小约为70纳米,大于气凝胶孔隙的直径,因此空气在气凝胶上流动效率极低,加上气凝胶本身比热容很高,热辐射传递能降到最低,因而具有很好的隔热性能。
气凝胶主要分为无机气凝胶、有机气凝胶和有机—无机杂化气凝胶三类。其中,无机气凝胶是以无机物为主体,包括单质气凝胶、氧化物气凝胶和硫化物气凝胶等。有机气凝胶则是以有机物为主体,主要包括酚醛气凝胶、纤维素气凝胶、聚酰亚胺气凝胶、壳聚糖气凝胶以及壳聚糖—纤维素气凝胶等。有机—无机杂化气凝胶可利用有机物和无机物各自优势,实现气凝胶特殊的功能化。
《科学》杂志2021年将气凝胶列为十大热门科学技术之一,并称其为“可以改变世界的多功能新材料”。王贝尔说,气凝胶是《科学》杂志评选出的十大新材料中,唯一一个已大规模落地于实际商业场景的材料。
气凝胶的制备工艺主要分为两步,即通过溶胶—凝胶过程制备凝胶,再利用一定的干燥方法将凝胶内的液态物质替换为气态,从而制得气凝胶。
有数据显示,在气凝胶行业的成本结构中,制造成本约占45%。苏州锦富技术股份有限公司董事长助理郑松说,降低气凝胶成本是行业正在努力的一个方向,目前主要路径之一是自动化产线的落地,而成本降低将会打开更多的应用场景。
生物质基气凝胶成研究热点
据中国石油管道科技研究中心评估,以350摄氏度蒸汽管道的保温应用为例,相比于传统保温材料,气凝胶的保温层厚度可减少2/3,节约能耗40%以上,每公里管道每年可减少二氧化碳排放125吨。
数据显示,2021年油气领域对气凝胶的需求占总需求量的56%,另有18%用于工业隔热、9%用于建筑建造、8%用于交通运输。国家新材料产业发展战略咨询委员会在《2022气凝胶行业研究报告》中指出,在新能源汽车蓄电池芯模组中采用气凝胶阻燃材料,可将电池包高温耐受能力提高至800摄氏度以上。随着新能源汽车产业等的发展,气凝胶在新能源汽车及储能行业应用场景广泛,需求量有望持续提升。
气凝胶发展迅速。国务院发展研究中心国际技术经济研究所分析员李维科说,近年来,中国、美国、欧洲等国家和地区的研究人员通过改进气凝胶制备工艺,开发出生物质基气凝胶、石墨烯气凝胶、聚合物气凝胶等多种新型气凝胶。值得一提的是,生物质原料来源广泛、成本低廉、碳源丰富,利用生物质原料制备环保型多孔碳纤维气凝胶是一种经济、可持续的生产方式,因此目前生物质基气凝胶也成为研究的热点。
比如中国科学技术大学俞书宏院士团队研发出超弹性纤维素气凝胶,该纤维素气凝胶从室温到零下196摄氏度,都表现出不随温度变化的超弹性、优异的抗疲劳性等,在恶劣环境中具有巨大的隔热潜力。且制备中所使用的材料均为生物质原料,有望解决能源密集型技术和石化材料造成的环境污染问题,是传统不可再生气凝胶的理想替代品。
中国林业科学研究院木材工业研究所卢芸研究员团队以木材为基质,将无机、有机气凝胶与木材骨架基体复合,首创了第三代木质纤维素气凝胶。通过对木材及生物质废弃物纤维素的调控,将纤维素比表面积提高了7个数量级,对油污吸附能力高达自身质量的75—300倍,体积用量缩减50%—75%,可降解、可再生。
气凝胶发展驶入“快车道”
气凝胶的发展得到国家政策的持续支持。2014年和2015年,国家发改委连续两年将气凝胶列入《国家重点节能低碳技术推广目录》,开始对气凝胶进行初步推广应用;2018年6月气凝胶被列入建材新兴产业;同年9月,第一个气凝胶方面的国家标准《纳米孔气凝胶复合绝热制品》发布;2020年,《气凝胶保温隔热涂料系统技术标准》启用;2021年,《中共中央、国务院关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》提出,推动气凝胶等新型材料研发应用。
随着气凝胶应用技术不断成熟,气凝胶发展进入“快车道”。不过,李维科说,目前气凝胶研究仍存在一些问题,比如气凝胶在高温条件下热导率增长较快,与纤维等增强基体材料的黏结性较差;生产过程中会用到许多有机溶剂,容易造成环境污染;气凝胶难以回收利用,不利于可持续发展等。
此外,气凝胶生产成本高昂,产品价格昂贵。《2022气凝胶行业研究报告》指出,气凝胶的生产成本主要集中在原材料硅源、设备折旧及能耗方面。有效降低成本既依赖于制备工艺的突破,也需要通过低成本原材料的大规模产业化来实现。
气凝胶是罕见的可以同时满足防火、防水、隔热、隔音等多种需求的材料。李维科说,气凝胶的发展和应用仍然处于不断探索的过程,未来的研究方向主要集中在开发纤维素气凝胶、石墨烯气凝胶、钙钛矿结构气凝胶、非金属单质气凝胶等新型气凝胶上。(记者 李 禾)
(文图:赵筱尘 巫邓炎)