从太阳能利用看化工科学技术的演变和机遇
朱曾惠
当前，人们的生活、生产主要依靠煤、石油和天然气等化石资源，然而随着世界经济的发展，化石能源日
益紧缺，寻求可持续资源来满足人类的需求已成为世人共识。2010年11月美国普渡大学R.Agzawal教授等提出
一种颇有新意的意见，即用太阳能来推动可持续未来的发展，并从战略高度说明了化工科学技术在这方面的作
用。文章表示，未来技术的发展重点应放在人类的基本需求上，也就是食品、化学制品、热能和电力的供应以
及运输，这些基本需求都可以从太阳能得到满足。作为取之不竭的热源，太阳能每小时向地球输送的能量高达
4.3×1020焦耳，与2009年整个地球消费的能量总和5.1×1020焦耳不相上下。由此可见，太阳能作为一次能
源供应可以确保未来可持续发展。
但是，直接利用太阳能面临许多挑战。首先每天太阳能利用率仅为20%，如何将此能量转化为二次能源（电
力、热量和燃料）或是转化为化学品和肥料是最大的挑战。从历史上看化工科学技术的演变主要是转化和利用
碳基化石资源，在逐渐成熟中又不断发展新领域，如生物分子工程、纳米技术等。面对今后发展，应对关键挑
战，提高和改进太阳能利用将是化工科学技术演变进化的主要方向。其关键点将是开拓各种相关技术的最终应
用之间的协调和互动。图1表示太阳能可以满足人类的基本需求热能、电能、食品、化学产品和运输，需要通
过热、电、存贮、化学产品、燃料和生物质之间的协调互动来有效地利用太阳能，为此还要将水和空气作为共
同的投入（图中括弧内数字为转化效率）。
本文从五个方面介绍化工技术在太阳能利用中的关键作用。
一、将太阳能转变为各种二次能源的收集效率
通过应用阳光浓缩器（concentrator）将太阳能转化为热的收集效率与吸收和浓缩的温度有关，一般估算
为50%～70%；用光伏（PV）组件将阳光转换为电的效率约为10%～42%，工业规模应用仅为20%；用硅基光伏组
件和效率为60%的电解器产生低热值（LHV）H2，使阳光转换为H2，效率仅为12%；用热化学方法生产H2可能达
到25%的效率。一个生产装置，由于阴影而有一定的面积不能接受阳光照射，一般估计，净效率只能按50%面积
计算，因此太阳转换为电能的效率一般为5%～21%。
关于生物质的生产，一般每年每平方米土地可生产1～3公斤，生物质是低热值（LHV）能量含量（约17MJ/kg）。
在当前大气CO2浓度下，温度30℃时，C4光合作物的太阳能最大转化效率为6%。由于生长季节、温度等限制，
都比理想条件差，实际的年转化平衡效率都比最大值要低得多。
经过以上比较我们发现，太阳能收集效率的大小排序为：热＞电力＞H2＞种植生物质。
二、从太阳能转化为燃料和化学品
1. 现状简介
最近人们关注将太阳能转化为液体燃料。将生物质作为可再生碳源生产化学品和燃料是比较容易的，但存
在许多问题。以美国为例，美国2006年全年化工生产使用化石能源约为4.4×1012 MJ，同年运输用能源约为
29×1012 MJ，而其当年可利用的生物质（SA生物质）为498×106吨（包括农林业回收的废料和专种的能源作
物），其SA生物质能量含量（energy content）约为8.5×1012 MJ，这对于化工和运输需要来说远远不够。不
过，通过化工技术提高和改进可以将生物质利用能源比例提高到40%。
由于SA生物质可利用性有限，而扩大种植生物质来捕集太阳能的效率又很低，甚至还比不上将太阳能直接
转变为热、H2和电，因此它在用太阳能利用中所占份额极少。而且从世界范畴看，土地的有限性决定了化学工
业一定要设法开发和设计新的工艺，最大程度地用有限的SA生物质来生产化学品和燃料。提高SA生物质利用
率一般需要采取两个步骤：
（1）在制备中尽量减少辅助性能量的使用，提高收率或工艺本身的效率，尽量直接利用太阳热能和电能，
避免用生物质燃烧来取得能量，因为从太阳能取得电比从生物质取碳效率高，用电化学工艺进行化学转化和合
成可能获得较好的整体工艺效率。
（2）要在碳原子基础上审察各种生物质物种的能量含量（energy content），例如柳枝稷（switch grase）
为485kJ/mol.C，杨木（poplar wood）为455 kJ/mol.C，糖料作物为423kJ/mol.C，而汽油的能含量为605kJ/mol.C。
生物质的能含量低是由于生物质中有35%~40%（重量比）的氧，要去掉就必须在每个碳原子基础上提高能含量，
即使按100%效率将生物质中碳转化为高能密度分子（如汽油），也有1/3生物质的碳要以低能态的CO2形态放出。
通过种植植物来回收CO2形态流失的碳损失效率很低，所以生物质能当作是碳源而不是能源，这就表明开
发的工艺要用辅助能量来使生物质中的碳进行转化，而这些辅助能可以用太阳光转化的H2、热和电，因为它们
的转换效率要比生物质植物要高。从图1中可以看到这种机遇。最近以生物质气化为基础的“H2CAR”和“H2Biol”
（快速加氢裂解/加氢脱氧）就是用太阳能H2和太阳能热用生物质进行液体燃料生产，效率比通常工艺要高。
用太阳能热量和H2进行生物质蒸汽气化再进行甲醇合成，可以回收生物质中90%的碳作为液体燃料。
当前全球所有的含碳化学品是由化石资源的7种基础性化工原料（building blocks）甲醇、乙烯、丙烯、
丁二烯、苯、甲苯和二甲苯转化而成。而生物质的木质素、半纤维素、纤维素、葡萄糖、果糖、蔗糖、甘油三
酯等结构单元与上述化石资源的基础原料完全不同。所以就需要探索新的热催化和生物催化工艺，从生物质生
产与石化产品相同的结构分子，而这种转化需要采取多个步骤，使生物质分子能重新功能化以H2O而不是CO2
的形式在分子重排中将氧去掉，由于使用H2时不是能源密集型工艺，从而使生物质作为碳源的优势完全丧失了。
生物质产品的一个显著的特点是需要从生物分子中除去大量的氧，一种可行的方法是木质素纤维素生物质
完全气化为合成气，再让其重新组合为所需要的分子，生物质首先转化为合成气中的普通分子组分，其能效较
低，因为将合成气转化为液态燃料过程中需要反应热，气化过程也需热能同时又有低温热的散失。因此要开发
用太阳能H2催化加氢脱氧工艺，使在木质素纤维生物质结构中不同功能团上的氧可以分别除去，为此就要控制
加氢反应减少CO2形成，对木质素中的环状结构要除去氧，但不能使环状结构加氢饱和。为了让生物质的碳充
分利用制成燃料和化学品，就需要由太阳能来生产大量的氢，这也为化工科学技术提出挑战和机遇。
用生物质作原料存在一些天生的缺限，诸如季节性、低能含量以及地区的差异性，柳枝稷种捆能含量为每
立方米3519MJ，而原油则为36000MJ/M3，因此长距离运输经济上不合算。原油炼厂和石化企业由于能源密度高，
按经济规模可以建设大型工厂。而在太阳能驱动的世界中其经济规模有不同的概念，它将是小型的、可移动的
装置，可以按时间需要运输到合适的地方进行生产；如果需要可以将若干小型装置的产品，运到一个大型加工
厂再进一步加工。上述的快速加氢裂解/加氢脱氧为基础的工艺，工艺步骤少，可以为小型化装置提供方案，一
般说小型装置效率较低，需要化工工程师们进行创新，提供创造性的设计。
2.针对美国的情况研究
针对上述分析，按美国实际情况进行研究，用SA生物质生产液态燃料的最大潜在可性能如何？假如用太阳
能工艺可将100%生物质中的碳回收为燃料和化学品，如480MJ SA生物质中的碳转换为柴油中的分子中碳，在此
产品中的能量存贮约13.2×1012 MJ，此能含量已高于SA生物质的原始能含量8.5×1012 MJ，此数字比美国运
输业所需29×1012 MJ要少很多，再加上化学品所需4.4×1012 MJ，缺口更大。由此可见，即使各种工艺过程
创新和化学工业技术发展，单用生物质中的碳是不能满足美国燃料和化学品的要求的。当然，如果必要仅化学
品的需要是可以由SA生物质来满足的。
SA生物质还需要用其它碳源补充才能满足燃料和化学品生产，因此要探索其它有效的可持续碳资源，可行
的途径是回收更多的含碳物料，图1中可见相关的回收工艺。除了生物质外，大气中CO2是第二资源，但是大
气中CO2浓度低，仅几百ppm，用热化学转换为液体燃料，这比在一定土地上种植生物质的效率高。化学工程师
们要开发高效便宜工艺从空气中抽取CO2，再加工为燃料和化学品，由吸收方法每吨CO2成本约为100~200美元
/吨，但仍须进一步降低。
三、系统的方法
为了推动以太阳能为基础的可持续未来的发展，需要在各个层面上进行详尽的系统分析(system analysis)。
在分析中最重要的是确认其中诸多问题间的协调互动（synergistic interaction）。以运输为例，电和H2不仅
是制液体燃料需要也是制化学品需要，也可以直接用于混合电动车（PHEV）和燃料电池车（FCV）。作为一个完
善的系统，包括车载电池、燃料电池、车载H2贮存以及为车辆供电和H2的设施等都要建立经济的能效高的可
持续系统。最近提出应用一种多模式系统，用于考查PHEV应用对发电部门的影响。
系统分析方法也可用于在各种技术之间考查其协调性，来确定用一定量的生物质如何最大地生产液体燃料
和化学品，用生物化学工艺和热化学工艺集成，更好的利用生物质中来转化的木质素，从而使这种协调性的工
艺集成可以随液体燃料生产联产其它化学品。在设计阶段，就可将优化工艺设计构形按系统分析提出的联产概
念同时考虑一种将合成气利用结合起来的超级结构（supper structure）。
从化石资源状态向太阳能驱动状态转化也要进行良好的系统分析方法。通过分析提出了一种新型的集成式
的快速加氢裂解/加氢脱氧工艺。直接用来自蒸汽甲烷变换成煤气化的热气进行。用天然气的集成工艺就提供了
一种简单的协调性的工艺，弥补了当前利用太阳能的问题，直到太阳能H2可以进行经济生产。
四、发电问题
与煤发电时代不同，化学工业科学技术在光伏发电和太阳热为基础的发电中将起更大的作用。三年前硅基
PV组件制造成本为$3/peak Watt，而最近薄膜CdTc基太阳能组件制造成本为仅75美分/peak Watt，此成本已
相当于电网水平，这表明薄膜太阳能电池在未来应用的可能性。
薄膜光伏电池的基础是半导体纳米粒子、有机聚合物和染料敏化电池。这些薄膜技术要求很低的材料含量，
在常压下加工，这就要化工分析方法降低成本。在光伏薄膜生产中的加工步骤如薄膜涂层用的溶液是化学工业
中常用的，化学工业科学技术在光伏事业中将起大的作用，如半导体材料的生产和合成，需要理解有关各步骤
与材料性能的关系，如结构形态学、晶粒间隙、负荷载体密度、带隙的缺限能量水平、微量载体生命期、p-n界
面特性等，这些问题都与组件最终性能密切相关。组件的性能与材料合成的关系正是化学工业科学技术的重要
任务，在PV产业发展能起更大的作用，例如用CIGS纳米晶体生产高效太阳能电池。当然，化工工程师要掌握
光伏组件的物理知识以及控制纳米级系统的有关量子学规律。这些与化学工程中的许多核心专业的基础概念，
如热力学、扩散、传输等可直接应用于光吸收电子-空穴的产生和再组合，以及组件中载体的传输。
最近报道，结晶CIGS纳米粒子可以在搅拌釜反应器中合成，用于太阳能电池组件。用地球上含量丰富的Cu、
Zn、Sn、Fe和S制造具有半导性能的纳米粒子化合物将这为制造太阳能电池提供诱人的机遇。
五、能量的存贮
太阳能在一天24小时中可利用率仅为20%～30%，为此要在应用系统中设计储能才能提高太阳能应用，提供
有效的经济合理的能量贮存方案，是化工工程师面临的一个主要挑战。
在应用的各层面都需要设计能量存贮，对家用和PHEV，热和电的储存水平为几十kWH（1kWH=3.6MJ），这种
级别的电储存需要经济的高能容量密度的电池，而且是长寿命的。其它大型系统存贮能量要相当于一个小型炼
厂（每天10万桶）或受季节影响规模电厂的需要，一座125MW燃煤小型发电厂每天发电3GWh，一座相当的太阳
能电厂需要每天存贮约2.4GWh（约为8.6百万MJ）电力，如果考虑贮存效率不高和应用，此数字还要更大一些。
电池组当前的最高存贮密度为0.1kWh/kg电池。因此，要设计新型高效的大容量能量存贮系统要用化学反应、
相变材料等新技术，这对化学工程师们来说是极具兴趣的挑战。
综上所述，太阳能虽然是用之不竭的自然能源，但要应用它却受到许多限制，要以化石资源转向以太阳能
驱动的未来是前所未有的挑战，需要许多新技术和解决方案来满足人类的日常需求——食物、化学品、热量、
电力和运输。从上述的五个方面可以看到化学工业面临的良好机遇，可以通过化工技术和产品来满足人类对化
学品、燃料和电力的需求，而运用系统分析方法可以找到最大程度提高总体利用能源效率，在各种二次能源间
找到协调互动，从液态烃燃料和化学品生产间找到最佳方案。
化学工程学的主体基础是热力学、传输、化学动力学和反应工程，最近又融入了生物分子工程，现在面临
要考虑处理和转化低能密度的固体生物质转变为液体燃料和碳基化学产品，要解决许多新问题，要掌握许多新
知识，探索许多新技术，涉及许多新领域——化学工程师们必须要具备创新式的思维，只有用战略观点，从宏
观的角度来审视当前面临的现实，才能客观地面对挑战，及时抓住发展机遇。