“液態陽光”驅動未來世界
如果未來哪天世界不再有煤、石油和天然氣，我們是否有應對之策？
“液態陽光”源于豐富的陽光、二氧化碳和水，屬于可再生綠色液態燃料。在化石燃料枯竭的未來，液態陽光可能是解決問題的關鍵。
在過去的兩個世紀，化石燃料為人類的經濟帶來了指數型增長，而如今我們正面臨著這一增長帶來的后果——氣候變化、環境惡化、能源安全以及在未來大約100年的時間內，因化石燃料的枯竭所帶來的一系列問題。受世界人口增長和發展中國家工業化進程的推動，人們對能源的渴求程度與以往相比，已攀升到了一個空前的高度。展望下一個世紀，人類只能將主要的能量來源寄希望于太陽。
陽光是地球上最豐富的能量來源，可謂無處不在。一個小時的太陽能可以滿足全世界一年的能量需求。然而，若希望對太陽能的使用像“撥動開關”般自如輕松，我們需要開發出一套系統，將來自太陽的能量轉化為穩定可用的能量形態，以便于儲存、運輸并配送至終端使用者。
與此類似，水資源管理及水庫系統通過收集、存儲和配送水資源以滿足供給需求，人們對此已經習以為常。事實上，正是得益于水庫及供給系統的支持，人類才實現了由最初的傍水而居，逐步發展為如今的城市聚居。類似地，我們開發可以獲取并儲存太陽能的能量供應系統，也將會對發展以陽光作為驅動力的未來世界大有裨益。
現如今將陽光轉化為可儲存可運用的形式可謂是挑戰重重，諸多被視為潛在的解決方案都面臨著技術、社會及經濟等多方因素的制約。其實大自然為我們指明了更為智慧且簡潔的方法，植物可以獲取陽光并將其轉化為葡萄糖，葡萄糖既是能量的載體又能將其儲存，并通過水溶液的形式輸運。同樣，對太陽能獲取、儲存及供給的方法，在于如何將其轉化為穩定、可儲存、高能量的化學燃料，如：綠色醇類燃料。液態燃料的運輸和配送并不困難，在對現有的基礎設施和供應鏈進行一些改良后，便可廣泛地加以運用。綠色醇類燃料以陽光為原料，其生產和利用將有助于滿足人類在交通、工業和材料等終端應用領域的能源需求，保持生態平衡，對可持續發展起到至關重要的作用。
當今世界的發展離不開化石燃料，而“液態陽光”將可能成就未來世界。綠色燃料來源于陽光，是可再生的不竭能源，在保護環境的同時，對未來多種現代化應用及服務都起到至關重要的作用。然而，這需要以全球通力協作、在相關科技領域取得進步為前提。
結語： 在《焦耳》發表的文章比較詳細地闡述了“液態陽光”戰略，如我們當下可以采取哪些可行步驟，推進化石燃料能源系統向綠色能源為主導的能源系統的轉型。成功的轉型始于多國協作和涵蓋科學、技術、政策及產業的跨學科方法。通過號召人們努力實現經濟可持續增長和環境保護的共同目標，筆者對“液態陽光”在未來得以實現持有樂觀的態度。
中國科學院院長白春禮強調：“經濟增長和環境可持續是中國乃至全世界的共同目標，為構建‘人類命運共同體’，中國將會與其他國家一道，為人類世界的共同發展推動綠色燃料的技術進步。‘液態陽光’可為世界提供一條兼顧經濟可持續增長和應對氣候變化、環境惡化的途徑，有助于實現聯合國可持續發展目標（SDGs ）。”
特別說明：
以上內容由納米人學術委員會特邀，中國科學院確認并授權發布，在此表示感謝。
以下內容為納米人編輯部獨立翻譯，由于學識有限，內容如有用詞不當，或者疏漏和錯誤之處，還望大家指正！
本文作者：施春風院士、張濤院士、李靜海院士、白春禮院士
核心內容：
1. 評估了使用醇作為能量載體來實現全球3E目標和解決相關挑戰的重要性。
2. 闡述了從化石燃料到綠色醇燃料的逐步過渡所帶來的成本和收益，并為通向液態陽光驅動的未來提供可行的途徑。
2017年，全球燃燒化石燃料產生的CO2排放量達到33億噸(如圖1所示)，是CO2被自然吸收回陸地和海洋速率的兩倍。利用太陽輻射可以減少我們對化石燃料的依賴，它是最豐富的能源資源，可以滿足人類未來的能源需求。將太陽輻射有效地轉換為穩定、能量密集的液態能量，使用供應鏈進行儲存、運輸和分配，這是實現以千兆級別大規模部署太陽能的關鍵。
液態陽光是將太陽能與二氧化碳和水結合起來生產綠色液態燃料的愿景。多源和多用途醇是最佳候選燃料，甲醇和乙醇是具有千兆生產潛力可操作的第一目標。
有鑒于此，施春風、白春禮、張濤、李靜海四院士聯合評估了使用醇作為能量載體來實現全球3E目標和解決相關挑戰的重要性，旨在為制造業和政策制定者提供更全面的視角，了解從化石到綠色醇燃料的逐步過渡所帶來的成本和收益，并為通向陽光的未來提供可行的途徑。
一、全球大背景
1.1 非經合組織國家處于氣候變化和環境退化的前沿
非經合組織國家測量的環境退化率比經合組織國家高三倍。在亞洲，空氣污染問題因人均能源資源低而更加復雜。亞洲擁有世界53％的人口，但煤炭儲量僅占世界26％，天然氣儲量占8％，石油儲量僅占3％。印度總理莫迪說得好：“能源是經濟增長的關鍵驅動因素。可持續、穩定和價格合理的能源對于經濟發展成功到達金字塔底層至關重要......讓我先從能源使用開始。雖然印度的一些富人正在購買混合動力汽車，但許多窮人仍在購買柴火用于烹飪，使用木柴和其他生物質進行烹飪對農村貧困婦女來說是一種健康危害，也降低了他們的生產力“。
許多人口不斷增長的發展中國家需要可行的“普通人解決方案”，包括獲得廉價和清潔能源，以幫助對抗威脅公共健康的危險污染，并打破人類貧困和環境退化相互加劇的惡性循環。
圖1. 經濟合作與發展組織（OECD）國家和非經合組織國家的排放量根據常規情景，2100年CO2排放量是當今排放量的三倍。
1.2 中國和印度是全球能源需求增長的推動力
盡管存在環境問題，發展中國家能源消費增長的趨勢預計將持續到未來幾十年，世界能源消耗的三分之一來自中國和印度(如圖2左所示)。中國和印度（以及整個亞洲）面臨因缺乏能源的挑戰更加嚴重。目前，中國和印度的石油進口占石油消費的比例分別為70％和80％以上。這兩個國家目前成為采取政策促進更清潔、廉價的能源解決方案最積極的國家之一。圖2（右）顯示了未來幾年全球能源結構中天然氣和可再生能源的比例不斷增加。
圖2.能源需求按地區和種類的分布圖
（左）中國和印度正在推動全球能源消費的增長。
（右）到2040年，天然氣和可再生能源將占全球增長的75％。
1.3 中國：領先的甲醇生產商
2014年，中國向污染宣戰：“我們將宣布對污染進行戰爭并以與貧困作斗爭的決心進行斗爭......必須擺脫過度依賴自然資源......綠色發展是可持續發展。綠色和環境相關產業潛力巨大“。中國的”十三五“規劃將綠色發展作為可持續發展的關鍵戰略。綠色發展不僅是應對氣候變化和環境退化的手段，也將帶來可持續的經濟機會。
2017年和2018年的兩項舉措是：1#中國推出首個綠色發展指數，旨在向地方政府施壓，要求減少污染，創造更可持續的經濟發展。2#中國人民政治協商會議將減貧和遏制污染列為其主要目標之一。
中國已將甲醇確定為汽油和柴油的可行清潔替代燃料，并將其作為合成材料和化學品的原料，成為迄今為止世界上最大的甲醇生產國和消費國。繼先前的甲醇燃料試點成功后，中國工信部將M100甲醇汽車試點計劃擴展到山西、貴州、陜西和甘肅省，此外還采用M85并在幾個省制定了標準，這些省份管理甲醇與汽油不同比例（5%-100%）混合物的使用。汽車制造商吉利一直處于甲醇汽車的最前沿。
1.4 印度的“甲醇經濟”
印度的能源問題比中國更嚴重。自2014年以來，莫迪政府已制定了有關能源多元化和可持續發展的政策。2017年，印度推出了以下雙重目標：1#減少石油和天然氣進口以應對嚴重的經濟赤字。2#改善當地環境，印度推出了一系列政策和現場測試，以促進甲醇的各種應用。
印度政策制定者將中國視為甲醇作燃料的范例。甲醇經濟特別工作組在改造印度國家研究院（NITI）Aayog下成立，其負責人Saraswat博士在2017年發表了一份題為“印度向甲醇經濟跨越式發展”的報告，闡述了甲醇及其生產和應用機會的事實。2017年12月，NITI Aayog宣布正在為印度甲醇經濟制定路線圖，并計劃建立甲醇經濟基金，資金約為5000億盧比（即7.5億美元）。按照設想的規模采用甲醇將使印度的污染水平降低40％以上。
1.5 實現經濟-能源-環境目標的一個世界方案
實現經濟增長、環境保護和能源安全（3E）相互交織的目標是我們這個時代的全球挑戰。但是，發達國家和發展中國家往往有不同的優先事項。例如，發達國家和發展中國家的經濟增長模式不同。發達國家渴望提高生活水平和生活方式，需要大量的能源和資源消耗，而發展中國家正在努力促進經濟增長，提供生活必需品，以使數百萬人擺脫貧困。另一個例子是環境保護。發達國家呼吁采取行動應對氣候變化，保護野生生物和自然棲息地，重點關注溫室氣體排放，而發展中國家正在尋求方案，以解決由燃燒生物質造成的城市煙霧和室內空氣污染造成的嚴重公共衛生問題。但上述優先事項并不相互排斥。例如，減緩溫室氣體排放的挑戰超越了國界。
二、液態陽光與全球供應鏈
在一年內大約8.85億太瓦時（TWh）的能量以太陽輻射形式到達地球表面，其中2.56億TWh到達地面，后者是人類在2040年消耗能量的1000倍以上。圖3顯示太陽能是主要的能源資源，它的潛力超過其他形式的可再生能源兩個數量級。
圖3. 全球能源來源
2.1 展開由陽光提供動力的未來
從植物和自然中汲取靈感，液態陽光是可持續生態平衡能源系統的愿景，利用太陽能產生綠色液態燃料，可滿足現代社會無數應用的多重能量需求。綠色燃料可以從不同的地區生產，從而提高能源供應的可及性和安全性。在其生產和利用中，二氧化碳被捕獲并通過環境再循環。圖4顯示了紅色的能量通路和藍色的CO2和H2O的再循環途徑，在整個周期中只消耗太陽的能量。
液態陽光的愿景和策略寫在中國科學院的一份名為“液態陽光-全民綠色未來的機遇和途徑”報告中，靈感來自”甲醇經濟“的著作。
圖4. 液態陽光循環可視化
2.2 全球供應鏈：短期和長期存儲
陽光的間歇性、季節性、地域性、缺乏可擴展存儲（短期和長期）以及可再生能源分配系統的復雜化，為研究人員帶來了多重挑戰。CNRS的一份報告指出：“無論是以電、熱，還是像氫這樣的氣體形式存儲能源，都是在能源結構中廣泛引入可再生能源的重大科學和技術障礙。”
大規模儲存的技術挑戰與能量載體的能量密度、穩定性、可操作性和可燃性有關。能量密度是可擴展的經濟高效存儲的關鍵特征。圖5顯示了氣態、液態和固態能量載體和電池存儲系統的能量密度。可以看到，液態能量載體占據了重量和體積高能量密度的“最佳點”，比電池高10-50倍。
圖5. 幾種能量載體的能量密度比較
2.3供應鏈：能源儲存和挑戰
為了對能量密度進行深入討論，請考慮以下2050年儲能的情景。預計2050年世界能源消耗量將達到240億噸油當量，即每天750TWh。在2050年僅滿足3小時的全球能源需求將需要94TWh。近年來，已經提出鋰離子電池和氫作為能量存儲系統，兩者都享有越來越多的市場關注和國家補貼。圖6比較了使用鋰離子電池、氫氣和液態醇的存儲要求，就堆疊在足球場上時的高度而言，以及相當于數千架空中客車A380的重量，這些數字不言自明。
圖6 2050年全球3小時（94 TWh）分別對電池、氫氣和醇燃料的儲存需求
鋰離子電池是重量和體積的低能量密度存儲裝置，該存儲系統是資源和材料密集型，因此開展電池存儲系統將是巨大而沉重的。為上述情況開發鋰離子電池儲存系統需要約1200萬噸Li，相當于世界已知Li儲量的86％。千兆級鋰離子電池的部署實際上將耗盡當前已知的Li，Co和Ni儲備，并且在開采這些礦物時會產生嚴重的環境影響。此外，鋰離子電池會帶來熱失控火災的風險，這些火災會釋放100多種對人體健康有害且可能致命的有毒氣體和金屬。使用過的鋰離子電池的不當處置會產生嚴重的環境問題。因此，電池回收應該是強制性的，并需要考慮到電池設計中。回收成本應包括在前期電池成本中，以確保下游電池廢物的回收利用，但是這些問題很少受到關注。
氫氣具有高能量密度，但體積能量密度低，即使壓縮至700bar也是如此。氫的大規模存儲存在許多挑戰。壓縮至200bar的氫氣鋼罐，體積龐大，堆放在足球場時頂部高達40多公里。氫的體積能量密度也不到液態燃料的三分之一。高壓氫存儲和分配存在操作挑戰，包括泄漏和爆炸風險。這些問題將在US Drive report中詳細討論。
醇類燃料在環境溫度和壓力下是穩定的液態：重量和體積的高能量密度，易于儲存和運輸。與電池和氫氣不同，醇類是穩定的，可以長期儲存在不同形狀和大小的容器中。甲醇有毒的，但它實際上比汽油毒性低，而乙醇是無毒的。乙醇和甲醇都是水溶性的并且可在環境中生物降解。更重要的是，使用或調整現有的液態燃料能源基礎設施，可以容易地以液態形式運輸和分配醇。
將電池或氫氣系統部署為戰略能源儲備似乎不可行，這些戰略儲備在未來幾十年對能源安全變得越來越重要。
2.4供應鏈：運輸和配送
能源分配可分為兩部分：1#全球和區域運輸和2#地方分配。
1#全球和區域運輸
船舶用于在全球范圍內運輸固體，液態和液化氣體。以液態燃料（例如石油）的形式在全球長距離運輸能量是有效且成本有效的。管道用于區域性地輸送液態和氣體，通常在陸地上。高壓線路用于在陸地上傳輸電力。電力是最高質量的能源載體，尤其適用于住宅和商業應用。然而，傳輸電力的成本隨距離呈指數增長。跨海洋的電力傳輸不是一個可行的選擇。圖7為按對數尺度顯示的距離來估計天然氣、石油和液態醇類的輸送/運輸成本，可看到能源類型之間存在巨大的成本差異。
圖7按對數尺度顯示的距離來估計運輸/輸電成本; 電力傳輸的成本高出1-2個數量級
2#地方分配
地方分配是向用戶提供燃料的最后一步。為了了解以乙醇、氫氣和電池作為能源載體的基礎設施成本，我們以2050年的中國車輛運輸部門為例。
如果車輛轉換為使用乙醇，則可以通過現有的加油站分配燃料，只需要很少的改裝成本。如果采用氫氣作為運輸燃料，則需要對整個燃料分配系統進行大修，這需要制造昂貴的不銹鋼和CFRP罐。此外，為了確保高水平的安全性，必須根據精確的技術標準設計和制造各種部件。電池電動汽車（BEV）的充電會產生大量電流。因此，需要升級本地電網以適應更高的電力負荷和更大的負荷波動。除了提升電網傳輸容量之外，還必須升級各種輔助服務。
圖8總結了基于假設在2050年為中國2.8億輛汽車(基于14億人口)的三種類型能源載體改造或建造新系統進行成本估計。
圖8估算2050年中國分配新燃料的基礎設施成本
三、醇類是清潔、多功能的能量載體
3.1完全燃燒可減少排放
首先，對抗污染物和溫室氣體排放的最有效方法是使用具有兩種化學特性的燃料：低污染物或無污染物和低碳氫比。傳統的化石燃料如煤和石油具有C-C鍵并含有大量污染物。煤有氮、硫和微量的重金屬，而石油含硫量高。天然氣主要由甲烷組成，含有少量的污染物和微量的硫，如圖9所示。
圖9幾種能量載體的CO2濃度和污染物排放
其次，二氧化碳是溫室氣體（GHG）。燃燒過程中排放的二氧化碳量很大程度上取決于燃料的C/H比。煤的C/H比為1：1至4：1，油約為1：2，天然氣和甲醇均為1：4。通常C/H比越高，每單位能量排放的CO2量越高。
由于其分子結構簡單，甲醇和乙醇比其他燃料更容易實現完全燃燒。兩者都是高辛烷值燃料，內燃機（ICE）可以在更高的壓縮比下運行而不會發生爆震。這提高了燃料效率，并在一定程度上抵消了醇燃料較低的能量密度（與汽油相比）。此外，甲醇在較低溫度下燃燒，導致較低的NOx排放。
總而言之，設計火花點火（SI）和壓縮點火（CI）發動機更容易實現清潔完全燃燒，提高發動機效率，并減少低碳單種燃料的二氧化碳和污染物排放，如甲醇和乙醇。
3.2醇類作為天然氣和可再生能源的載體
近幾十年來，世界上最清潔的化石燃料-天然氣的供應量已經增加。然而，釋放天然氣以多千兆噸規模取代煤和石油的潛力將需要將其轉化為能夠以液態物流優勢的能量載體。麻省理工學院的研究指出“液態燃料在運輸中的優勢表明，將氣體轉化為某種形式的液態燃料可能是實現重大市場滲透的最佳途徑......甲醇是唯一具有以大工業規模長期生產的燃料。甲醇成本最低，溫室氣體排放量最低，但需要對基礎設施進行一些修改......“
天然氣供應的豐富程度和地理多樣性在圖10中可見。除了取代煤和石油的潛力外，天然氣的地理多樣性增強了能源可及性和能源安全。
圖10 常規和非常規天然氣儲量的來源和數量
到2040年，天然氣和可再生能源將占全球能源增長的75％。然而，長途運輸天然氣成本高昂，需要昂貴的新基礎設施，長距離傳輸可再生電力也是如此。中東和非洲可以利用太陽能資源提供以天然氣為原料生產甲醇的能源。預計在20世紀20年代初期，大規模部署太陽能發電的低排放甲醇生產將帶來三大好處：(1)使天然氣和可再生電力在全球市場中大規模滲透; (2)鼓勵開發低排放的醇類燃料生產技術; (3)提供“呼吸空間”，直到碳中性綠色技術達到大規模商業化生產綠色甲醇的成熟度。
3.3醇類作為“液氫”和“液態電”的載體
在醇類中，甲醇是一個有吸引力的第一目標，因為它符合千兆級可擴展性，具有地理上多樣化的生產和可負擔性的特性。甲醇中沒有C-C鍵，這可以實現幾個重要的應用。甲醇可以用作儲存氫和電的液態能量儲存器，如圖11所示。
圖11在環境條件下甲醇作為液氫和液態電的載體
甲醇是環境條件下緊湊形式的液態氫。體積上，甲醇在-253℃的低溫下比液氫多40％的氫氣，比在700bar壓縮的氫氣多140％的氫氣。燃料電池汽車主要由氫氣驅動。更有效和更具成本效益的選擇使用甲醇作為氫載體，甲醇可以在供應鏈的任何一點重新轉化為氫氣。
此外，甲醇的能量密度是鋰離子電池的10倍以上，可用于利用渦輪機或燃料電池發電。電網建設成本高昂，甲醇可以經濟有效地分配到農村地區以產生電力；可以替代效率較低，污染較嚴重的現有柴油發電機組；也可用于大規模發電。
3.4 醇類和電力作為綠色能源系統的支柱
可再生電力（來自陽光）和綠色醇類燃料可以作為未來綠色能源系統的雙重支柱。圖12顯示了電力和醇類的協同作用和互補性，后者也作為大型能源儲存庫，“大型油藏”的醇版。
圖12 綠色電力和綠色液態燃料驅動的完整能源系統示意圖
四、從化石到液態陽光的路線圖
圖13的液態陽光路線圖描繪了從天然氣可再生混合系統等中間技術到最終完全由可再生能源生產綠色酒精的逐步技術進步。混合醇等中間體解決方案可以建立生產能力，建立下游市場和應用，并開始對現有的儲存，運輸和分配基礎設施進行必要的調整，以便隨后在全球能源結構中廣泛引入醇類燃料。當綠色甲醇、乙醇和其他可再生燃料的商業化生產起飛時，這有助于建立全球可再生能源供應鏈，實現無縫銜接。
圖13流動的陽光路線圖：從化石1G和2G，到混合3G和4G，到綠色醇5G技術的進展，在CAS 2017報告中有詳細描述。
圖14總結了甲醇生產的準備水平以及從化石到液態陽光路線圖部分討論的甲醇生產技術：
“4”代表成熟且成熟的技術;例如，1G-煤，2G-氣體，MTO。
“3”代表可立即部署的技術;例如，用于甲醇生產的3G氣體，以及鍋爐和渦輪機，甲醇SI發動機。
“2”表示處于優化，系統集成，試驗測試和演示階段的技術，或者在商業部署之前設置工業標準的過程中的技術：例如甲醇CI發動機和甲醇燃料電池系統。
“1”代表仍在研究階段的技術轉向概念驗證（工作原型）。
圖14甲醇生產的應用水平和應用技術
五、案例研究：使用四種能源的輕型車輛的生命周期分析
為了證明醇類的作用，介紹了使用四種能源（即石油、煤炭、天然氣和可再生能源）輕型車輛的生命周期二氧化碳排放量。這些能源與中國制定節能和新能源汽車的8年計劃（2012-2020）相關。圖15顯示了從能源到車輛使用點的六個例子。
圖15 使用四種能源的車輛生命周期CO2排放量
很明顯，天然氣在二氧化碳減排方面具有直接的有益作用。此外，從煤炭和石油到天然氣和可再生能源的過渡將大大減少煙霧污染物。作為本文的重點，醇類可以進一步縮小二氧化碳排放量，特別是在部署燃料電池動力系統（一種新興技術）的情況下。
在可再生能源廣泛部署的情況下，人類能源使用的總碳排放量可能會低于世界天然碳匯吸收碳進入海洋和巖石圈的速度。這一發展預示著大氣二氧化碳水平下降的開始。
六、展望未來
太陽的能量顯然是世界能源的主要和實際來源，世界需要高效、經濟的太陽能載體。正如本文所倡導的那樣，太陽能轉化為液態燃料，可以融入現有供應鏈基礎設施的龐大網絡，是太陽能在全球能源結構中滲透市場的關鍵。
在短期內，可以利用當地資源（如天然氣，生物質和可再生能源）的最佳組合作為混合技術的原料，在各個地區大規模生產經濟實惠的醇類。從長遠來看，醇類可以在世界許多地方完全由陽光、H2O和CO2生產。利用陽光取之不盡的技術多樣化以及全球生產燃料的機會，可以開啟國際合作的新時代，實現經濟增長，環境保護和能源安全相互交織的目標、綠色發展的支柱。
2013年世界銀行報告強調“世界的發展進程正處于十字路口。鑒于當前中國和世界經濟增長的不可持續性，需要一種新的發展方式。綠色發展的概念就是這樣一種方法。綠色發展可以成為經濟、社會、環境和政府角色的潛在變革過程。這是一個機會：敞開的大門。“
隨著這些全球趨勢的發揮，醇類燃料處于拐點。由于迫切需要“可持續，穩定和價格合理的能源”，特別是在發展中國家，對于負擔得起的清潔燃料的創新和投資，激動人心的時刻已經到來。
二十世紀是由數百萬年前照亮地球的古老陽光的殘余所塑造的。二十一世紀及以后的日子可以通過豐富的日常陽光塑造出來，創造一個與早期世紀相呼應的集體智慧的未來：善待地球，它是從我們的孩子和孩子的孩子那里借來的。
參考文獻：
Poweringthe Future with Liquid Sunshine[J], Joule,2018.
DOI:10.1016/j.joule.2018.08.016
https://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(18)30401-X
