如今，空气污染、温室效应、气候变化，令石油、煤炭等传统化石能源失去昔日光环；消耗巨大、储量有限，更是让能源危机的阴影笼罩世界。
我国作为世界最大的发展中国家，能源需求仍在持续增长，能源消费结构也存在较大问题。2018年，我国能源消费中煤炭占59.0%。石油和天然气虽然比重较小，但是对外依存度很高。贫油、少气、煤炭较多，我们如何充分发掘煤炭的潜力，保障能源安全？黑色的煤炭能否给我们带来绿色的惊喜？
迎接能源革命，新能源百花齐放，氢能更是备受瞩目，甚至被誉为解决未来人类能源危机的终极方案。然而，目前氢能技术尚未成熟，还面临成本高，效率低等诸多难题，氢能社会离我们还有相当距离。氢能发展目前遭遇到哪些技术瓶颈？我们该如何突破？
面对重重难题，催化技术被寄予厚望。催化是一种化学作用，它可以改变化学反应的难易程度和速度，是自然界中普遍存在的重要现象。比如消化、发酵等过程都离不开各种酶的催化。而在工业生产中，绝大多数化学反应也都是在催化剂的作用下进行的。那在能源领域，催化技术如何大显身手？如何通过催化技术破解现实中的种种能源难题？
《中国经济大讲堂》特别策划“奋斗在科技前沿”系列节目，特邀重量级嘉宾中国科学技术大学校长、中国科学院院士包信和为您深度解读《破解能源危机的金钥匙是什么？》
嘉宾简介
包信和，中国科学技术大学校长、中国科学院院士。他长期从事催化基础理论研究和新型催化材料的创制，以及能源清洁高效转化过程的研发，在纳米催化基础、天然气和煤基合成气高效转化等方面取得了一系列重要研究成果，多次获得国内外学术奖励。面对我国“贫油、少气、相对富煤”的状况，他立志未来能够像加工石油那样加工煤炭。为了这个目标，他偏于一隅，甘坐15年冷板凳。研究成果颠覆了90多年来煤化工一直沿袭的传统路线，有望使煤化工水耗和能耗大幅降低，被业界誉为煤转化领域“里程碑式的重大突破”。
今天我想从科技工作者的角度跟大家讨论一下，关于经济与生态环境的协调发展。
好多环境问题都是和能源有关系的，能源又离不开化学。那么我们现在从化学家的角度来看，未来的能源世界会是一个什么样子呢？在绿色可持续发展当中，化学到底能做些什么事？这里面最重要的一件事情就是催化科学。我们都是搞化学的，我们很自豪。我们一直都在讲化学是中心科学，我们生活在一个化学时代。
在整个能源环境当中，实际上我们化学一直在做的就是这三个元素：一个是碳，一个是氢，一个是氧。碳跟氧结合，氧多了就是二氧化碳；碳跟氢结合起来就是烃类，烃类就是我们的油品，我们的化学品；氢跟氧结合起来就是水，或者就是其它一个水，我们化学基本上就是做这样一件事儿。
催化是化学当中的一个非常重要的领域。大家可以看到，不管是电解水也好，转化反应也好，处理二氧化碳也好，没有哪一件事情会离开催化这件事。
催化如何促进绿色经济的发展，要聚焦在这三个方面：一个就是化石资源的优化利用，就是我怎么把化石资源利用好；第二个事情就是我们有没有可能把二氧化碳利用起来；第三个事情，也是现在大家比较关心的事情，就是氢能做燃料电池，我们到底怎么看这样一件事儿。首先来看看我们国家整个的能源环境，关于绿色发展都遇到了哪些挑战？
“贫油、少气”，如何通过催化发掘煤炭的巨大潜力？
世界上能源结构的比例是三分之一左右是煤，三分之一左右是石油，再三分之一左右是天然气，大概还有一部分是可再生能源。但是对于中国来说，情况就不一样了。
中国在能源结构中长期以来一直是以煤为主导的，甚至有些地方的煤可以达到80%。但通过现在这几年的变化，我们使用煤的情况在能源结构里面的占比逐步降低了，去年煤的使用大概就占到60%左右。按照现在石油开采的量，中国探明的可开采的石油大概可以采十二年，天然气大概是三十年左右，煤多一点，大概就是四、五十年的样子，或者是更多一点。
而从对外依存度来看。比如说现在我去加一箱油，70%左右是进口的，30%是我们中国自己开出来的；天然气大概45%左右是进口的， 50%左右是我们自己开出来的。中国的能源强度非常高，能源强度是什么意思呢？一万美元的GDP（国内生产总值），我们中国消耗的能源跟国外消耗的能源不是可比的。本世纪初的时候，我们消耗的能源大概是日本的8—10倍。也就是说，我们生产一万美元的GDP（国内生产总值），我们消耗比如说是8份的煤，日本人可能就消耗1份的煤。所以我们的效率确实是非常之差的，再加上由于烧煤这个事儿，对我们的空气、水的污染非常之大。
到底中国怎么发展？从2000年到2018年中国石油、天然气的对外依存度数据来看，所谓依存度，就是我们到底要进口多少？2018年我们进口的天然气大概是45%，进口的石油依存度大概是70%。但我们现在一年开发多少油呢？大概最大的产出量不到2亿吨，现在差不多1.9亿吨这个样子，但我们要用到6亿吨这样的油。接下来我们肯定是开发不了这么多，但对于中国来说，真正资源占比比较大的，相对来讲就是煤。
自然界有它的一个安排，中东那一块油多，中国这一块相对来讲就是煤多。有些煤矿里面，十几米全是煤，就堆在那个地方，我们再用机器去把它挖出来就是煤，而且就是好煤。所以对我们中国来讲，有一件事情是很有必要做的，而且是战略性的，就是怎么把我们已有的资源，把我们的煤变成我们有少的油、天然气或者我们的化学品。这块东西美国人不做，因为他们的油、天然气很多，它根本不会要用煤来做这个事儿。欧洲人做不做呢？欧洲人也不做。所以实际上这一块东西，就是非常有中国特色的，我们是一定要将此作为我们战略的储备。
但做完以后是不是马上就开成工厂大量生产？这个不一定，要看经济情况。经济有需求我就用它，经济没有需求我就不去用，但是我们一定要知道怎么做能把煤变成油，或者变成化学品，这个是我们一直在做的。我想我们在座的可能也有很多人也在做这件事，而且这件事情还是中国人做得最好。比如煤制油这一块，我们中国16万吨年产量，煤制油做了好多，我们中国最大的一个煤制油的工厂在宁夏的宁东这块地方。最大的一个装置一年可以供我们生产400万吨油，这个量就是很大的。
中国还做了一件事就是把煤先变成甲醇，然后再把甲醇变成烯烃。烯烃是一种碳和氢组成的化合物，它是重要的化工基础原料。广泛用于生产塑料、橡胶、服装、汽车、家具、装饰材料、包装材料等多种产品。在工业上，烯烃主要通过石油裂解来生产，也可以通过甲醇、乙醇等其他原料等制取。如果能直接利用煤生产烯烃，可以大大降低石油的消耗。
煤变成甲醇以后，再把甲醇变成烯烃，然后再把它变成聚烯烃，整个这是一个产业链。以前烯烃我们都是怎么来的呢？都是炼油过程当中产生的石脑油，把石脑油裂解变成烯烃。10吨的原油大概可以炼3吨的石脑油，3吨的石脑油可以炼一吨的烯烃，10吨的原油才能搞出一吨烯烃来。我们中国大概一年消耗烯烃大概就4000万吨左右，也就是说炼油能力就要到4亿吨才能够做这样一件事。现在呢大家可以看到，有1000多万吨我们可以从煤中来，这解决了很大的一个问题了。所以这个对中国人来说是很重要的。
但是一谈到煤这件事吧，好多地方都打怵，为什么打怵呢？一个是因为煤有污染，一个就是中国还缺水。大家都知道，可能有些人对这个煤化工了解，要搞煤化工它一定要用水。我们到底怎么来解决这样一个问题？那么我先给大家看一看煤是一个什么样的东西，别以为煤就是个炭，不是的。你要把煤仔仔细细看到里面，它有很多分子。自然界经过光合作用，把二氧化碳跟水什么东西弄在一起，氢同碳弄在一起就变成不同的芳烃。这样一个烃的分子后面再埋在地下去以后，这些分子慢慢就在这个里面了，这些分子好多都是我们需要的。
那么大家在想，有没有可能直接把煤用催化剂把它像剪刀一样剪下来，变成我们需要的东西呢？大家知道，石油炼制它是用催化剂把这个油品剪断以后，拿出我们需要的东西来。那么哪一天有没有可能这个煤也找到一个催化剂，或者怎么样把它剪断，不就是我们需要的东西了吗？
1924年，有两个德国人，一个叫弗朗兹·费歇尔，一个叫汉斯·托罗普施，他们就把这个过程弄出来，叫“费托过程”。九十多年来，一直是这样一个过程。“费托过程”是怎么做的呢？是用一个水跟这个一氧化碳反应，变成了一个氢气加二氧化碳，就是水煤气变化反应。那接下来再用这个氢气把这个一氧化碳的氧给拿掉，变成了水，一氧化碳跟氢反应就变成了CH2（低碳烯烃）。那我们现在做了个什么事呢，这十几年我们就做了一件事儿，就是不用费托反应这个催化剂了，而用另外一种氧化物作为催化剂。就直接用催化剂把这个一氧化碳跟这个氧反应，变成了二氧化碳，这个碳跟这个氢反应变成了这个东西。那么一个优点就是不用水了，再循环是没有了；还有一个优点就是把这三步的反应最后就变成一步了。
现在世界上做得最好的，比如说做烯烃，也就做到58%的低碳烃选择性。那我们就用这个反应去做，因为它选择性高了嘛，它一下可以做到百分之九十几的低碳烃选择性。大家知道，这个百分五十八同百分九十几可是差别很大了。这件事情出来以后，我们不光是就做这样一个反应，我们把这个概念进一步推广，它实际上是一个平台，最起码可以少用水，少排二氧化碳，少耗能，因为这个过程就节能，而且它的反应选择性高。所以这个过程也就是一个绿色的过程，我为什么讲催化能够来支撑绿色发展呢？支撑这个协调发展呢？那这个也就是我们做的一件事，就通过催化在煤化工当中来支撑绿色发展这样一件事。
全球变暖已成为制约人类经济社会可持续发展的重要障碍，温室气体排放将导致全球平均气温上升，引发冰盖融化、极端天气和海平面上升，危及人类生存。二氧化碳是当今最主要的温室气体，也是人类面临的最大挑战之一，联合国专门针对二氧化碳减排进行过诸多努力。但是，在科学家眼中，二氧化碳除了危害，还是一种储量丰富的“碳源”，如果能借助科技手段将其“变废为宝”，不仅能缓解碳排放引发的温室效应，还将循环利用，成为理想的能源补充形式。如何将温室效应的元凶，变成我们可持续发展的资源呢?
催化能否将温室气体二氧化碳变废为宝？
什么叫温室效应？我们小时候在乡下买棒冰，卖棒冰的人会把这些棒冰摆在一个箱子里，上面用被子把它盖好，当有人来买了，几分钱一根就拿走了。我小时候就一直就想不大通，为什么要把棒冰用被子盖起来呢？棒冰不是怕热吗？用被子盖起来不是更热了吗？因为我们平常都有这种印象，我们冬天天冷才盖被子，为什么要把棒冰盖着被子拿出来卖呢？我后来慢慢就知道了，实际上，盖被子是为了隔热，使热量不散发出去，达到保温的效果。所以现在大家就认为，二氧化碳多了以后，就在我们的大气层上面产生一个像被子一样的东西，把地球给盖上了。但地球的能量从哪来的呢？是从太阳来的，太阳的能量有很大的一部分是要通过红外光散发到大气当中去的，以此来保持地球温度基本平衡。那么，假如说给地球盖上一个“被子”，不管厚的、薄的，那来自太阳的能量散发起来不就是难了吗？地球温度不就增加了吗？所以根据这个理论就说，二氧化碳是温室气体。
世界上大概一年要将400亿吨左右的二氧化碳排放到大气当中去。早年中国的二氧化碳排放量是非常低的，总量非常低，人均排放就更低，那个时候欧美这些发达国家排放的量是很大的。这几年以后，这个量慢慢在增加。改革开放以后，在经济有了大的飞跃以后，我们的二氧化碳排放量是非常大的。根据统计，到2018年的数据来看，中国每年要排100亿吨左右的二氧化碳，其中工业排放的二氧化碳特别多，以煤为主的这样一个能源结构使中国在环境方面的压力非常大。
国际社会就坐在一起商量，大家认准了二氧化碳是温室气体，它会对地球的温升包括环境有很大的影响。那么大家就在考虑要限制二氧化碳的排放。西方人就说要先限制，先把一个总量控制好，先把该减的减下来。所以，不管是《巴黎协定》也好，气候谈判也好，中国都在其中发挥了很大的作用。最后我们中国认为，西方发展得比较早，而二氧化碳在大气层中可能都是经过百年或者几百年排放的积累了。那么，现在中国要发展了，而西方突然限制了，我们就变成不能排放了。曾经有一段时间飞机飞到欧洲去要收碳税的，不收碳税就不让飞机降落，因为飞机排放二氧化碳。所以，万一未来哪一天世界上都说二氧化碳是一个问题，中国人排放了三分之一的二氧化碳，一定要收中国人的税，我们还真没办法解决，是吧？
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