“雙碳”目標下新能源科學與工程專業的課程體系研究

王遠洋 李曉明

(太原科技大學 化學工程與技術學院,山西 太原 030021)

能源是人類賴以生存的物質基礎,動力是維系現代工業運行的基本條件,節能環保是社會可持續發展的可靠保障。能源動力領域及相關工業是關系國家繁榮發展、人民生活改善、社會長治久安的國際前沿科技領域和國民經濟支柱產業。能源動力領域的人才培養無疑對推動我國能源供給革命、能源消費革命和能源技術革命具有重要意義。新能源科學與工程專業作為能源動力類專業,承擔著我國能源動力領域人才培養的重任,而“碳達峰、碳中和”作為一場廣泛而深刻的經濟社會系統性變革,對包括新能源科學與工程專業在內的新時代各類人才培養提出了新要求。

二氧化碳等溫室氣體排放導致全球氣候變暖,嚴重威脅著人類生存和可持續發展。2020年9月,習近平主席在第75屆聯合國大會一般性辯論上宣布:中國“力爭2030年前二氧化碳排放達到峰值,努力爭取2060年前實現碳中和”。同年12月,習近平主席在氣候雄心峰會上進一步宣布:到2030年,中國單位國內生產總值二氧化碳排放將比2005年下降65%以上,非化石能源占一次能源消費比重將達到25%左右,森林蓄積量將比2005年增加60億立方米,風電、太陽能發電總裝機容量將達到12億千瓦以上[1]。顯然,“雙碳”目標是我國基于推動構建人類命運共同體的責任擔當和實現可持續發展的內在要求的重大戰略決策。

2021年7月,教育部印發《高等學校碳中和科技創新行動計劃》(教科信函〔2021〕30號)[2],提出總體目標為加快構建高校碳中和科技創新體系和人才培養體系……近期利用3～5年時間,不斷調整優化碳中和相關專業、學科建設,推動人才培養質量持續提升;中期通過5～10年的建設,若干高校率先建成世界一流碳中和相關學科和專業;遠期立足實現碳中和目標,建成一批引領世界碳中和基礎研究的頂尖學科。主要舉措包括“加快制定碳中和領域人才培養方案,建設一批國家級碳中和相關一流本科專業,加強能源碳中和、資源碳中和、信息碳中和等相關教材建設,鼓勵高校開設碳中和通識課程,將碳中和理念與實踐融入人才培養體系”。

2022年4月底,教育部印發《加強碳達峰、碳中和高等教育人才培養體系建設工作方案》(教高函〔2022〕3號)[3],要求圍繞化石能源綠色開發、低碳利用、減污降碳等碳減排關鍵技術,新型太陽能、風能、地熱能、海洋能、生物質能、核能及儲能技術等碳零排關鍵技術,二氧化碳捕集、利用、封存等碳負排關鍵技術攻關,為實現“碳達峰、碳中和”目標提供堅強的人才保障和智力支持。加快新能源、儲能和氫能等緊缺人才培養;加快碳捕集、利用與封存相關人才培養,促進低碳、零碳、負碳技術的開發、應用和推廣;進一步加強風電、光伏、水電和核電等人才培養,推進新能源材料、裝備制造、運行與維護、前沿技術等方面技術進步和產業升級。圍繞碳達峰、碳中和目標,調整培養目標要求,修訂培養方案,優化課程體系和教學內容……為此迫切需要針對“雙碳”目標,進行新能源科學與工程專業的課程體系研究。

1 “雙碳”目標的內涵分析

丁仲禮[4]認為,“出于改善空氣質量的考慮,要追求盡量把碳達峰的峰值壓低,碳達峰其實不需要太多研究,要研究的問題主要是如何實現碳中和。”碳中和就是人為排放的二氧化碳(化石燃料利用和土地利用),被人為努力(木材蓄積量、土壤有機碳、工程封存等)和自然過程(海洋吸收、侵蝕—沉積過程的碳埋藏、堿性土壤的固碳等)所吸收。目前全球每年排放的二氧化碳大約是400億噸,其中14%來自土地利用,86%來自化石燃料利用。排放的這些二氧化碳,大約46%留在大氣,23%被海洋吸收,31%被陸地吸收。為此從排放端、固碳端、政策推動三個角度設立了九個咨詢專題,以設計碳中和框架及初步路線圖。排放端的四個專題為未來能源消費總量預測、非碳能源占比階段性提高途徑、不可替代化石能源預測和非碳能源技術研發迭代需求;固碳端的四個專題為陸地生態系統固碳現狀測算、陸地生態系統未來固碳潛力分析、碳捕集利用封存(CCUS)技術評估和青藏高原率先達標示范區建議;政策推動專題則為政策技術分析研究。丁仲禮最后指出,整個項目最終的情景設計為:假如到2060年我國每年不得不排放25億噸二氧化碳,根據目前觀測比例,自然過程可吸收13億噸,生態系統吸收8億噸,風化和碳酸鈣沉淀吸收2億噸,還有2億噸要變成生物炭埋到土壤中,然后就是各種技術如何迭代。不難看出,新能源替代和CCUS是其重點。

2022年4月,韓正副總理出席博鰲亞洲論壇年會時表示,“我國將立足能源結構以煤為主的基本國情,大力推動煤炭清潔利用,發揮市場機制和政府調控作用,確保今年能源電力供應安全穩定,穩妥有序推進碳達峰、碳中和。”[5]相宏偉等[6]總結和預測了碳中和目標下我國能源與煤炭消費量及二氧化碳(CO2)排放量,提出我國在10年內要盡可能降低碳排放的峰值,之后的30年內平均每年要減少約3億噸的CO2排放量,而煤在一次能源消費中占比減少的約55%～95%,此部分則需以不含碳或含碳量很少的新能源予以取代。相宏偉通過分析指出:選擇優化產業結構與提高能量利用效率可明顯但有限地降低CO2排放,唯有通過綠電綠氫、CCUS和CO2資源化利用技術與煤化工工藝耦合才能實現煤化工億噸級規模的碳減排和可持續發展。此外,他們還根據空氣直接捕集CO2技術、光電催化CO2轉化和模擬光合反應的研究進展,設想了未來可能的零碳化工體系。

劉科在分析碳中和的六種誤區后認為,對我國而言,碳中和有下述幾條現實路徑[7]。第一,將現有煤化工與可再生能源結合建立低碳能源系統,由煤炭經濟轉為甲醇經濟,通過太陽能或風能電解水制備綠氫和氧氣,合成氣用綠氫補充而不經水汽變換,使煤制甲醇的CO2達到近零排放,將太陽能和風能以甲醇液體的載體形式儲存,氧氣則可用于煤氣化;再用甲醇做分布式發電替代一切使用柴油機的場景,與光伏、風能等不穩定可再生能源形成互補;也可取代汽柴油作為汽車燃料,或甲醇和水200 ℃在線制氫發電推動燃料電池汽車,余熱可維持最佳的電池溫度,從而無需再建充電站或加氫站,不僅可大幅降低交通運輸業的碳排放,而且可部分解決石油不足問題。第二,利用煤炭領域的碳中和技術——微礦分離技術,在煤燃燒前將可燃物與含污染物的礦物分離,制備低成本的清潔固體或類液體燃料和土壤改良劑,從而從源頭上解決煤污染。而土壤改良劑可修復由于濫用化肥造成的土壤板結等生態問題,讓更多的森林長起來,將CO2吸收,促進碳中和,該路徑不但現實而且成本較低。第三,實現光伏與農業的綜合發展,將光伏與農業、畜牧業、水資源利用及沙漠治理并舉,以聯合減碳。第四,峰谷電與熱儲能綜合利用,利用分布式儲熱模塊,在谷電時段將1/4乃至1/3的電以熱的形式儲存,再在需要時用于供熱或空調,從而避免浪費并大幅降低CO2排放。其核心為:采用太陽能或風能等新能源合成甲醇,而后以甲醇發電和作為燃料推動燃料電池汽車。

我國碳排放結構中,電力行業(主要是火電)占41%,交通行業(主要是油品)占28%,建筑和工業占31%,火電產生的二氧化碳是未來減碳的最大主體。韓東娥[8]提出,我國作為最大的碳排放和能源消費國,實現碳中和目標需要能源系統的顛覆性變革,必須從以化石能源為主轉向以可再生能源為主;未來40年,在能源供給側實現電力的零碳化和燃料的零碳化,在消費側實現高效化、再電氣化和智慧化,能源利用實現從高碳到低碳再到零碳,實現可再生能源從補充能源到主流能源的轉變;碳中和目標既是挑戰也是機遇,努力將碳中和的壓力轉變為新型能源產業技術、新能源業態發展的機遇,轉變為經濟實現產業升級的動力,是碳中和的關鍵。

杜祥琬在為《碳達峰、碳中和100問》[9]作序中認為,全球和我國降碳的主要措施有3條:首先是提能效、降能耗,特別是從建筑、交通、工業、電力等方面入手;其次是能源替代,高比例發展非化石能源特別是可再生能源;最后是碳移除,增加碳匯,大力發展CCUS技術。可理解為:(1)提高能源利用效率,(2)改變能源結構,(3)發展負碳技術。

2 新能源科學與工程的內涵分析

目前廣泛利用的煤炭、石油、天然氣等化石能源和水能等被稱為常規能源,隨著常規能源有限性以及環境問題的日益突出,新能源越來越得到重視。1980年,聯合國新能源和可再生能源會議對新能源的定義為:以新技術和新材料為基礎,使傳統的可再生能源得到現代化的開發和利用,用取之不盡、周而復始的可再生能源取代資源有限、對環境有污染的化石能源;重點開發太陽能、風能、生物質能、潮汐能、地熱能、氫能和核能;此外,還應包括天然氣水合物和沼氣等資源,以及甲醇、乙醇(酒精)和二甲醚等化工能。由于生物質能不僅搶奪人類賴以生存的土地資源,更將導致社會不健康發展;而大規模開發潮汐能和地熱能也將破壞海洋和地面表層土壤環境,從而再次引起生態環境惡化;氫氣不是一次能源,和電一樣需通過別的能源制造,因而只是能源的載體,也不具備液體在能量密度、管道輸送、長期儲存方面的優勢,且氫氣作為最小的分子最易泄露,還是爆炸范圍最寬的氣體,因而不適合做大眾通用的能源載體[6];核能耗資巨大,一旦泄漏危害異常嚴重;而太陽能和風能作為取之不盡、用之不竭的健康能源,必將成為今后新能源的主流。新能源具有以下特點:(1)資源豐富,普遍可再生,供永續利用;(2)不含碳或含碳量很少,對環境影響小;(3)分布廣,有利于小規模分散利用;(4)間斷式供應,波動性大,對持續供能不利;(5)能量密度低,開發利用成本比化石能源高,需技術創新。前3項為其優點,后兩項為其短板。換言之,新能源應以太陽能和風能為主,需采用儲能技術并開發新技術。

新能源的種類只是能量利用眾多環節的基礎,而發動機做功原理的革新則是未來能源開發的首選方向,經典熱機做功的能量利用效率僅有1/4到1/3,唯有當能源微觀做有序一維運動而不產熱時,發動機引擎100%做功才會成為可能,新能源汽車因此應運而生。新能源汽車是指采用除汽油、柴油外的非常規燃料作為動力來源,或雖使用常規燃料但采用新型動力裝置,綜合動力控制和驅動先進技術而形成的原理先進,具有新技術、新結構的汽車,包括混合動力電動汽車(HEV)、純電動汽車(BEV,含太陽能汽車)、燃料電池汽車(FCEV)、其它新能源汽車(如超級電容器、飛輪等高效儲能器)四大類型,其中燃料電池作為內燃機的理想替代物,代表了汽車未來的發展方向和終極目標。

新能源科學與工程隸屬于能源與動力工程類專業,能源與動力工程主要研究能源轉換,即將自然界的太陽能、風能、水能或化石能源等轉化為工業上可用的電能或機械能,如各種鍋爐、內燃機和蒸汽發電機等。按照“雙碳”目標,電力應關停火電廠、交通需推廣新能源汽車,為此能源與動力工程轉而研究傳統能源對環境的影響、能源的能效比以及清潔燃燒等問題。而新能源科學與工程作為2010年增設的專業,主要研究太陽能、風能、生物質能和核能等新能源的種類、特點、應用和未來發展趨勢,以及相關的工程技術。

3 專業培養目標

新能源科學與工程所屬的能源動力類專業以工程熱物理相關理論為基礎,以能源高效潔凈轉換與利用、動力系統及裝備可靠運行與控制、新能源與可再生能源技術研發與應用、節能環保與可持續發展為學科方向,根據《普通高等學校本科專業類教學質量國家標準》[10](下簡稱《本科專業國家標準》),能源動力專業類的培養目標為:培養具備動力工程及工程熱物理相關基礎理論,系統掌握能源(包括新能源)高效潔凈轉化與利用、能源動力裝備與系統、能源與環境系統工程等方面專業知識,能從事能源、動力、環保等領域的科學研究、技術開發、設計制造、運行控制、教學、管理等工作,富有社會責任感,具有國際視野、創新創業精神、工程實踐能力和競爭意識的高素質專門人才。能源動力專業類下設“能源與動力工程”1個基本專業、“能源與環境系統工程”和“新能源科學與工程”2個特設專業,基本與培養目標中的“能源動力裝備與系統”“能源與環境系統工程”和“能源(包括新能源)高效潔凈轉化與利用”相對應。

根據上述“雙碳”目標和新能源科學與工程的內涵分析,同時兼顧風力發電涉及的系統裝備,確定新能源科學與工程專業的培養目標為:培養具備工程熱物理相關基礎理論,系統掌握能源高效潔凈轉化與利用、新能源技術研發與應用、動力系統及裝備運行與控制等方面專業知識,能從事新能源相關領域的科學研究、技術開發、工程設計、運行控制、教學和管理等工作,富有社會責任感,具有國際視野、創新創業精神、工程實踐能力和競爭意識的高素質專門人才。

4 專業課程體系構建及其承接關系

《本科專業國家標準》提出三類知識體系:(1)通識類知識,包括思想政治教育、人文社會科學、數學和自然科學、經濟管理、外語、計算機信息技術、體育、社會實踐訓練、創新創業實訓等;(2)學科基礎知識,體現本專業類知識體系的共性,覆蓋力學、機械、工程材料、電工電子、測控技術、計算機語言及程序設計、熱流科學等;(3)專業知識,包括能源高效潔凈轉化與利用原理與技術,能源動力機械與裝置原理、結構與設計,能源動力系統與設備運行,新能源與可再生能源的開發、存儲與利用,能源領域的環境保護與污染物防治等。此外,實踐性教學環節包括課程實驗、金工實習、認知實習、生產實習、課程設計、科研訓練和畢業設計(論文)等。《本科專業國家標準》示例的新能源科學與工程專業核心課程體系見表1。

根據“雙碳”目標的內涵分析,實現碳達峰、碳中和的主要途徑為:(1)提高能源利用效率;(2)改變能源結構;(3)發展負碳技術。同時根據上述新能源科學與工程的內涵分析,新能源應側重于太陽能和風能,并兼顧醇醚類化工能,而新型動力裝置則注重于燃料電池。為此,根據專業培養目標,確定新能源科學與工程專業的核心課程體系列于表2。

表2 新能源科學與工程專業的核心課程體系

表1中刪減的課程:(1)“自動控制原理”雖在太陽能和風能利用中有所涉及但占比很少,可在“電工電子技術”中予以補充;(2)新能源中主要的光伏發電涉及光電效應,風力發電涉及機械能與電能的轉化,基本不涉及熱效應,故去掉“新能源熱利用原理及系統”;(3)風力發電涉及的流體機械能轉化在“機械設計基礎”和承接自“工程流體力學”的“能源轉化原理”講述,故去掉單獨的“流體機械能轉化原理與技術”;(4)鑒于氫能利用尚存較大爭議,而燃料電池為最具代表性的新型能源動力系統,故以“燃料電池基礎”取代“氫能與新型能源動力系統”。

表2中增設的課程:(1)新能源科學與工程所屬的能源與動力工程類,主要研究能源轉換。“能源轉化原理”是所有核心課程的核心,具有綱舉目張的地位,主要講述將自然界的太陽能、風能、水能或化石能源等轉化為工業上可用的電能或機械能的原理等,必須予以增加;(2)其中化石能源和新能源中的生物質能均涉及化學能的轉化,化學在能源開發和利用上起著極其重要的作用,絕大多數的能源利用實質上就是能量和物質不同形式間的轉化過程,而其轉化均通過直接或間接化學反應予以實現,主要涉及熱化學反應、光化學反應和電化學反應等,故增加“工程化學”,同時補充了數理基礎的“高等數學”“大學物理”及“大學物理實驗”;(3)“專業導論”具有提綱挈領作用,故予以開設,同時根據《高等學校碳中和科技創新行動計劃》要求增設單獨的“碳中和理念與實踐”予以補充,并增加“碳捕集、封存和利用技術”進行強化;(4)針對新能源汽車,開設了“燃料電池基礎”和“醇醚燃料合成及應用技術”,后者呼應“煤炭經濟轉為甲醇經濟”的需求。

同時厘清了主要課程間的承接關系:(1)“工程力學”承接自“大學物理”,二者共同接續以“傳熱學”“工程熱力學”和“工程流體力學”,三者又接續以“能源轉化原理”,特別增加的“能源轉化原理”承接自“工程化學”;(2)“風資源工程與風力發電技術” “生物質能轉化原理與技術” “儲能原理及技術”和“光電與光化學轉化原理”四者共同承接自“能源轉化原理”,而“太陽能利用技術和工程”又承接自“光電與光化學轉化原理”;(3)修正了“工程材料基礎”無本之木的缺失,承接自“工程化學”,二者共同接續以“生物質能轉化原理與技術”和“醇醚燃料合成及應用技術”;(4)由于太陽能和風能的不連續性,“太陽能利用技術和工程”和“風資源工程與風力發電技術”接續以“儲能原理及技術”;(5)“風資源工程與風力發電技術”“太陽能利用技術和工程” “儲能原理及技術” “生物質能轉化原理與技術”“醇醚燃料合成及應用技術” “碳捕集、封存和利用技術”和“燃料電池基礎”共同構成“新能源專業綜合實驗”的內容,并接續以“生產實習”。其它承接關系不再贅述,詳見圖1。

圖1 主要課程間承接關系結構圖

5 結語

“碳達峰、碳中和”的新形勢對新能源科學與工程專業的人才培養提出新要求,《高等學校碳中和科技創新行動計劃》鼓勵將碳中和理念與實踐融入人才培養體系。由“雙碳”目標的內涵分析得出:新能源替代和CCUS是碳中和的重點,2030至2060年需以新能源取代一次能源消費中55～95%的煤炭,應發展甲醇經濟并應用儲能技術,去火電和發展新能源汽車,總之應提高能源利用效率,改變能源結構和發展負碳技術。由新能源科學與工程的內涵分析得出:新能源應以太陽能和風能為主,需采用儲能技術并開發新技術,燃料電池是汽車未來的發展方向和終極目標。

根據《普通高等學校本科專業類教學質量國家標準》確定新能源科學與工程專業的培養目標為:培養具備工程熱物理相關基礎理論,掌握能源高效潔凈轉化與利用、新能源技術研發與應用、動力系統及裝備運行與控制等方面專業知識的高素質專門人才。根據該標準提出的知識體系和示例的核心課程體系,通過增減構建新能源科學與工程的課程體系,厘清各主要課程間的承接關系,從而為新能源科學與工程專業的人才培養奠定堅實基礎。