能源危机突袭全球！新能源转型还待新材料革命

  随着冬天的到来，全球的能源危机却愈演愈烈。从发达的欧洲，到发展中的印度等国，能源储备告急，而原油、天然气等能源价格仍在猛涨。

  当地时间10月5日，荷兰TTF天然气期货大面积上涨，11月份合约大涨22%，收报117.9欧元/兆瓦时，创出历史上最新的记录，年内涨幅已接近6倍。英国天然气价格也大面积上涨，在过去两个月里上涨两倍，首次突破了每千卡3英镑的关口。

  受天然气价格急涨影响，油价被进一步拉高，更主要的是供应面的利多，石油输出国组织(OPEC)及其盟友控制产量导致供应紧缺，油价上涨动力强劲。

  欧洲的能源供应中，天然气约占供应量的 20%，当然有不少国家更依赖天然气，比如德国有一半的家庭依靠天然气供暖。因此，能源短缺在欧洲引发前所未有的电力危机，近几周欧盟各国电费大面积上涨。欧洲各国为保证民众不受生活受到明显影响，正在对电价采取从补贴到价格上限等措施。但即便如此，英国政府也提前告知国民，准备过一个昂贵的冬天。看来，这能源危机一时半会缓解不了。

  对此，国泰君安分析称，2021年先后发生于美国德州和欧洲的能源危机凸显了新旧能源转型的阵痛，叠加疫情刺激的后遗症，短期难以有效解决供需矛盾。全球能源价格大涨进一步助推通胀，叠加经济复苏放缓且不均，海外经济体面临类滞胀接力，或将对外部政策带来扰动。

  在人类文明发展史上，从柴草、煤炭到石油天然气，一直到现在的风能太阳能等新能源，能源转型始终与人类文明发展相伴相生，是驱动人类社会持续健康发展演进的一个轮子。不过，大多数人忽略了人类社会前进的另一个轮子，那便是材料革命。材料革命与能源转型相辅相成，共同推进人类社会的进步。

  人类对火的利用，是人类对能源利用的第一次突破性革命。火不但可以帮助人类驱赶野兽，驱除寒冷，而且熟食有助于肠胃消化，节省出来的能量促进了大脑的发育，原始人类才可以大跨步演化，直到出现现代智人。

  不过原始人类使用火的上百万年间，一直是天然取火，直到距今几万年前才掌握人工取火。最早是钻木取火，费时费力。但是在旧石器时代后期，人类终于发现燧石这种新材料，人工取火的效率才大幅度的提升（德国杜塞尔多夫附近的尼安德特人遗址中已经发现了用敲击燧石的办法来进行人工取火的遗迹）。

  进入新石器时代，人类学会了制陶。陶器是人类第一次利用能源来改变事物的化学性质，从而获得一种新材料，从而开始了新文明。我们去各地参观博物馆，能够见证当地悠久历史背景和文化的文物，排在第一的非陶器莫属。陶器不但可以储物贮水，还能够蒸煮烧，提高了能源利用效率，方便了人类的生活，加速了生产的发展。

  在制陶的基础上，人类又发明了瓷器和玻璃，瓷器在东方成就了一个伟大的文明，而玻璃则为近代科学试验奠定了材料基础。

  人类利用火发现的第二种重要材料当是金属。公元前5000年—公元前4000年期间，中西方均出现了人工冶铜技术。距今三四千年前，中国进入了鼎盛的青铜器时代。

  青铜的发明与应用，使人类摆脱了极度落后的石器时代，农业生产效率提高，标志着人类从原始社会向初代文明的迈进。因此这一时期也被称为“青铜文明”。铁器的出现极大地提高了生产力，推动人类社会进入帝国时代。

  无论是青铜器还是铁器，其制作不但需要技术，而且需要高热量值的能源材料，在煤炭还没有大规模应用的农业时代，如何烧制获得热量值高的木炭，是冶炼的核心技艺之一。

  农业时代的木炭，不仅是重要的燃料，还能够制取各种新材料，比如防腐除湿、医疗保健、乃至用于火药的发明。

  尽管木柴木炭是可通过的可再生资源，但是在三四百年前，由于人口的增加、经济的发展，西欧森林资源大为减少，木材价格持续上涨，在工业革命前夕的英国，人们被迫使用呛人的煤炭。社会对煤炭的需求大为增加，煤矿积水的问题导致蒸汽机的发明，从而使人类社会进入波澜壮阔的工业革命时代。

  工业革命初期，煤炭就是新能源，蒸汽机是新旧能源转型的关键。但是瓦特发明蒸汽机不是一蹴而就，在他之前就有赛维利、纽卡门推出了蒸汽机，在他之后蒸汽机也在一直在改进，这其中经历了科学原理、材料技术的突破。其中，高压高温材料的进步对高压蒸汽机的出现必不可少。

  人们从煤炭中提取煤油，煤油燃烧时光焰明亮，又没什么烟，是替代传统照明燃料鲸鱼油的好材料。然而在煤油发现后的20年中，鲸鱼油价格非但无显著的降低，反而在1865年前后创下历史上最新的记录。这是因为煤油提取成本一直居高不下，而鲸鱼数量也在减少，加上美国南北战争等因素导致鲸鱼油价格一直上升。这与我们现在的新旧能源转型颇有相似之处。

  直到后来石油可以大量开采、石油价格大大下降后，煤油生产商纷纷选择以石油为原材料生产煤油，这时候鲸鱼油才开始退出历史舞台。

  煤炭和石油不仅是一种新能源，而且与农业时代的木炭一样，是重要的化工原材料。润滑油、沥青、塑料、涤纶、尼龙、涂料、阿司匹林和糖精等都是由煤和石油的提炼物经过复杂的化学加工制成的。从我们穿的衣服，到吃的药物、看的电影，不能离开石油提取物。煤炭和石油完全塑造了一个新的文明。

  不过，石油最大的作用还是在于启动了第二次工业革命、成为二十世纪的基础能源，这其中关键的一步在于内燃机的发明。虽然内燃机的原理很早就被科学家掌握，但是如何制造出体积小、能量转换率高的机器，在技术上也就是如何压缩更多的空气供更多的燃料燃烧，因此内燃机的制造还受制于工艺水平与基础材料的发展——

  内燃机的汽缸需要合金一体浇筑，活塞材料除了最基本的铸铁、铸钢及合金外，现在还要用到陶瓷及符合材料等……内燃机能量转换效率的提高，每一步不能离开材料科技的进步。

  能量转换效率最高的内燃机当属航空发动机，这也是内燃机中最复杂、最昂贵的动力系统。由于工作环境极为恶劣（高温、高压、高强度），航空发动机对高压涡轮的叶片提出了极高要求。这个叶片成了全世界最难制备的材料之一，目前只有美、英、俄、法等国有强劲的技术实力，对于我国来说，是和光刻机一样的卡脖子项目。

  在第二次工业革命如火如荼展开之际，电磁效应的发现促进了电机的诞生，人类步入“电气时代”。与内燃机的进步一样，电机要提高能量转换效率，本质上是要降低电机损耗，包括机械损耗和电磁损耗，这同样离不开新材料的使用，如绝缘材料与永磁材料等。好在我国在电机材料的技术储备上与国外差距不大，这就使得我们汽车业能够最终靠发展电动技术，来实现弯道超车。

  显然，能源转型与材料开发相辅相成、互相成就，推动了人类社会慢慢的提升，不断创造新的文明。

  与木炭引发的环境危机（大片森林的毁灭和相应地区的荒漠化）一样，煤炭与石油等化石能源的使用，也带来了严重的大气污染和气候变暖。太阳能、核能、风能、水能等清洁新能源的使用也因此迫不容缓。

  在新能源的使用中，水能开发因为对环境的影响而受到限制，核能也因为安全性而受限，目前受到广泛关注和利用的是光能与风能，但二者的稳定性、环保可靠程度却一直受到质疑。这次欧洲能源危机，部分缘由是因为新能源不能稳定发电而导致。

  不过，光伏发电技术这十几年来一直在进步，但要提高光电转换效率则有待于新材料的突破。近年来，各国科学家不断试验新材料，从单晶硅到多晶硅，从硅系到非硅系，从薄膜技术材料到多重结和单重结III-V族材料，使光伏转换效率不断被刷新，为光伏发电的发展奠定了坚实的技术基础。

  新材料已被列入国家战略新兴起的产业，其重要组成部分——高分子材料更是国家先导性的产业。因其优异性能，高分子材料大范围的应用于电子信息技术、高端制造、医疗器械、航空航天、海洋工程等重点产业。在光伏等各项新能源技术中都少不了高分子材料，比如光伏材料用到的EVA膜、TPT背板还有线切割或者组件中用到的粘胶等等。风力发电的叶片，就要用到树脂、芯材、胶粘剂、涂料和密封胶带等五种高分子原材料。

  高分子材料也称为聚合物材料，是以高分子化合物为基体，再配有其他添加剂（助剂）所构成的材料。高分子材料已经大范围的使用在现代社会中，与我们的生活密不可分，无所不在。

  高分子材料专家、香港中文大学（深圳）副校长朱世平教授指出，高分子材料是一类生活中必不可少的材料，全球每人年均消耗60-70公斤，产值上万亿。发展材料学科，特别是高分子学科有着重大的意义。

  以工业聚合过程为研究对象的聚合物产品工程，是高分子材料走出实验室、走上工业化的必经之路。高分子是过程的产品，产品性能不仅取决于化学配方，更取决于生产的基本工艺过程。高分子难在链结构太复杂，相同的小分子（单体）排列组合千变万化，结果可以是性能完全不同的材料，高分子美就美在链结构太复杂，千变万化的排列组合提供了无限的想象和无穷的可能，这无限想象需要科学家的智慧，这无穷也有赖于企业家的创新能力。

  传统的高分子材料如塑料对环境能够造成相当大负面影响，而新型高分子材料则向高性能化、高功能化、复合化、智能化和绿色化发展，因此对于我国能源转型以及碳中和都有很重要的意义。

  高分子材料将怎么样发展？在中国有什么投资机会？10月14日（星期四）上午，朱世平教授将在深圳创新发展研究院“院士报告厅”就“高分子材料高端化及其产业化前景”做精彩演讲，世范区与深Talk将视频直播。

  如果希望现场聆听朱世平院士演讲，点击文末“阅读原文”报名，报名渠道选择“世范区”。

  演讲嘉宾：朱世平，加拿大工程院院士，加拿大皇家科学院院士，发展中国家科学院院士，香港中文大学（深圳）副校长、理工学院讲座教授。

  朱世平教授，香港中文大学（深圳）：1982年浙江大学化工系本科毕业，1991年获麦克马斯特大学(McMaster)博士学位，1994年起任教该校化工系和材料系，2009至2014年任化工系主任，2015年获“杰出大学教授”荣誉称号。2017年入职香港中文大学（深圳），讲座教授、副校长、深圳先进高分子材料研究院院长。

  2010年当选加拿大工程院院士，2014年加拿大皇家科学院院士，2020年发展中国家科学院院士。2011年获加拿大化学联合会“大分子科学与工程奖”，2016年获加拿大化工学会成就奖R.S. Jane Memorial Award。

  研究领域：高分子材料，专长聚合反应工程，在长支链茂金属聚烯烃产品研究开发、链结构调控、表征方法；可控自由基聚合机理、催化剂负载、微型连续聚合反应器；聚合生产的全部过程数学建模与工业应用；及智能高分子材料等方面做出了原创性贡献。已培养高学位人才130多名，发表学术论文400篇，引用1.7万余次，H指数75。

  热心科普与学科建设，近期文章发表有《化工之歌》、《建学科犹如树牌坊》、《生命是积分，幸福是微分》。