金之钧院士：把握能源震荡下的机遇与挑战
时间：2024-05-18 17:30
来源：科技发布
前 言
自2022年俄乌冲突爆发以来，国际油气价格变化剧烈，全球遭遇严重的能源短缺危机。面对能源安全问题，我国是否有应对措施？我国能源发展近况如何？未来该何去何从？北大是否准备好参与国家能源安全战略研究呢？身为北大学子我们又会面对哪些机遇与挑战？
就这些问题，地球与空间科学学院研究生会特邀中国科学院院士、北京大学能源研究院院长、北京大学鄂尔多斯能源研究院院长金之钧教授进行了专访，听听金院士讲述他所解析的能源世界。
金之钧院士
应对全球能源危机
我们有中国方法
“全球能源储量下降的根本原因是投资下降，不是世界没有油气了，而是投资不足。”金院士在回答时指出，国际能源署（IEA）报告认为当下已经发现的油气储量理论上讲可以满足人类继续使用50年，50年后油气基本上可以被替代而退出历史舞台，因而没有必要再进行油气勘探。这种观点造成全球能源投资的不足。“这个报告的观点是错的，我们是不认可的。”金院士说道，“投资不足又使得产量小于需求量，油气供给出现短缺，结果就是自2021年以来的油价大涨。”
2022年EIA对过去几年的石油生产量和消耗量的统计（来源：EIA, 2022）
但是对于未来是否会出现能源危机，金院士认为这不好预测。“这就和养猪是一个道理”，金院士用这几年猪肉价格与供需之间的关系作比喻，价格低，供应就变少，而价格升高，又使得养猪热情恢复，这就是涉及一个投资的周期问题。能源行业还出现了油气行业投资小于新能源的投资，新能源发展态势较好，这是一种大的趋势。但在金院士看来，这种趋势并不是放弃油气投资的理由。而为保证不会出现油气因供需不平衡而价格大幅度上涨，仍需要维持一定量的投入。“如果油气行业能保持5000亿美元以上的年投资，能源危机应该不会出现。”
2015-2023年每年化石能源与清洁能源投资的变化（来源：IEA, 2023）
我国一直非常重视在油气行业的投资。2018年7月，习近平总书记作出“大力提升国内油气勘探开发力度，努力保障国家能源安全”的重要指示批示，勉励我们要加强国内油气勘探开发和增储上产，进一步提高国家能源安全保障能力。2022年，我国石油和天然气开采业投资增长15.5%，增速加快11.3%，油气开采业和化工投资增速明显超出全国工业和制造业平均水平，原油产量实现了四连增，天然气产量也连续六年年增量100亿立方以上。
金院士指出，推动能源转型发展，需要从供给、消费、技术、体制等方面进行改革，并全方位加强国际合作，实现开放条件下的能源安全。本次采访中金院士也强调对于油田的勘探力度必须持续加大，通过新油田的发现与老油田的精细开发来满足我国油气需求的持续增长。而未来有哪些领域可以深入探勘，金院士也清楚地指明，“中西部盆地深层的海相碳酸盐岩层系、东部和南部海域以及一些盆地的页岩油气等具有一定的潜力。”
页岩油气发展态势良好
有望取得新进展
根据国家能源局2022年的数据显示，目前我国的页岩气产量已经达到240亿立方米，较2018年增加了122%，表现出了持续快速的跨越式发展。“页岩气产量到2030年应该能够保障500亿立方米的产量，可能占整个天然气产量的1/3—1/4。”
金院士还向我们介绍，页岩油的发展现在也还不错，态势很好。在松辽盆地、渤海湾盆地、准噶尔盆地、鄂尔多斯盆地、四川盆地以及苏北盆地和江汉盆地，页岩油勘探均有重大突破。“我国在2022年页岩油年产量超过400万吨，预计到2025年将突破800万吨。这些开采出的页岩油均是中高成熟度。”然而资源潜力同样较大的中低成熟度的页岩油则较难开采，主要原因是其成熟度偏低，页岩具有很强的黏性，孔隙又小，导致这种页岩油无法流出。
页岩的生、排、滞留烃模式（引自《陆相中低熟页岩油富集与原位转化科学问题及关键技术》）（赵文智等，2022）
要解决中低成熟度页岩油开采这个重大技术问题必须进行原位的改制，目前已有多条技术路线，其中被普遍看好的是电加热方法，即把电缆放入地下，利用无法并网的风电、光电进行发热，降低页岩油的黏度。
而金之钧院士带领的团队正在进行的模拟实验研究走的是化学路径，具体方法是利用超临界水的性质：在水进入超临界态的过程中，有机质和粘稠的原油被快速分解为甲烷、氢气、一氧化碳、二氧化碳等气体，相比于液态更容易采出，其中的二氧化碳可以进一步收集用来提高油气的采出率，而氢气和甲烷可以作为清洁能源使用。金院士表示，“我们有信心取得一些新的进展。”
成立北京大学能源研究院
能源转型我们有北大方案
在双碳目标下，在化石能源向清洁能源转型的过程中，有一个既有软科学的研究，又有技术研发的研究院是极其重要的，但真正具有“软”“硬”科学结合的能源研究院的大学并不多。在此背景下，北京大学从贴近国家目标，解决国家重大战略问题出发，同时为了发展新工科，成立了北京大学能源研究院，这是具有长远眼光的决策。“所以我也很荣幸被北京大学看中。”金院士笑着说，“非化石能源的发展面临的问题肯定是有的，对研究突破的需求也是很现实的。”
2020年北大成立能源研究院
在新能源领域，风能、太阳能的成本下降之快让所有人始料未及。太阳能在10年的时间内成本下降90%，光伏产业发展飞速，这些使得我国具备了向清洁能源转型发展的基础。“但能源行业有一个模型叫能源三角，第一个是可持续性，第二个是用得起，第三个是可获取、还得安全。”因此金院士指出，目前市场上常见的风、光新能源的问题是发电量的波动性很大，没有稳定持续的电流，电网难以承受，造成即使在当前新能源价格下降的情况下，清洁能源的占比依然只有17.2%，增长较慢。
能源三角图（来源：世界能源理事会）
金院士认为，解决这个问题，第一个路径是发展大量的储能技术，来平衡发电的峰谷变化，从而稳定电网。“怎样尽快地发展储能技术和能力,这是我们能源研究院的使命之一。我们在极力地做这项核心技术的研发，来解决低价的、廉价的储能技术。”第二个路径是要开发新的电网系统，高比例地接纳风、光波动的电源。目前金院士团队在做的另一个课题——微电网开发，就是解决分布式能源的关键支撑技术。
微电网示意图（来源：网络）
“从化石能源到非化石能源转变的过程当中，一个核心的问题是转型速度有多快，在这方面我们也提出了北大的解决方案。”金院士认为化石能源保持在40%的比例、电力系统保持在50%-60%是比较安全和稳定的。目前电力系统的稳定运行将成为未来能源安全的关键问题，因为除了极端天气的影响，电磁暴也会使整个电网瘫痪。电磁暴既可以是天然的，也可以是人为的，对电网安全有着极大的风险，修复电网瘫痪最先进的技术也要半个月以上，“所以北大方案不主张变化太快，要快也是后快，至少现在不要快，要掌握一个变化节奏。”
深化地球系统科学
地学人有新使命
“地球科学在发展的过程中被人为的分成了很多的分支科学……自然界原本没有这些复杂的学科分类。”金院士说，这些分支科学的出现是由于知识的局限，一个人只能搞一个方面，“随着科学的发展，现在已经走到一个系统性、整体性来认识我们的地球的阶段。”金院士说的这个新的认识方法就是地球系统科学。
地球系统科学的概念是20世纪80年代由NASA提出的，而2001年英、美两国地质学会在欧洲的爱丁堡召开的“地球系统过程”国际大会被认为是地球系统科学迈向一个全新时代的标志性里程碑。地球系统这一概念旨在将地球的各个组成部分，包括大气、水、陆地和生物圈，视为相互交织、相互影响的综合系统，以推动跨学科研究的发展，理解地球的动态和复杂性。
然而，经过20年的发展，尽管地球系统的重要性已经被意识到了，这个概念并没有带来预期的成果。究其原因，金院士认为是“没有新的方法和研究范式的产生，所以阻碍了地球系统科学获得进一步或者预期的发展。而现代地球科学研究恰恰需要新的思想和范式，激起思维和灵感碰撞的火花，从而促进新的发展。”
金之钧院士在《开讲啦》节目中向广大青年科普地球科学相关知识（图源：网络）
在金院士看来，明确研究范式在地球科学领域是十分重要的。没有明确的研究范式使得科学家们在开展研究时缺乏统一的指导方针，导致研究成果的对比和整合变得困难。对此，金院士强调，“圈层相互作用是未来地球科学研究的重要方向，也是我们迎接新突破的关键。在这个过程中，流体分析变得尤为关键，因为它扮演着连接各个圈层的重要纽带。流体分析也将成为研究的核心焦点。”因此，我们地学研究者迫切需要进行深入的研究，以解决这一领域中所包含的核心科学问题。这不仅有助于更全面、深刻地理解地球系统，更将为国内地球科学的创新与进步提供强大的动力。
圈层相互作用示意图（图源：网络）
把握好大的科学研究方向固然重要，但是也不能忽视未来地学研究者的培养方向。金院士特别指出“随着地质学领域的不断发展，其逐渐显现出工程科学的属性，因此我们地学人不仅需要深刻理解自然界的运作规律，还需要积极参与利用、改造与保护自然的过程。这可能是未来每位学生的一个重要的思考点。”在过去，地学主要集中于对地球现象和地质过程的观察、研究和解释。然而现在，已经认识到在面临许多全球性挑战时，地学研究者需要采取更积极的角色，通过科学的方法来解决和应对这些挑战。这意味着地学领域需要与工程科学、环境科学以及其他领域进行更紧密的协作。因此，未来地学学生应该追求综合性的教育，既包括对自然科学的深刻理解，又包括对工程技术和可持续发展的知识学习。这样才能成为更有能力和远见的地球科学家，为地球的未来发展和保护作出积极的贡献。
# 结语
面对当前的能源问题，金之钧院士不仅给出了理性的思考和科学的建议，还领导团队投身于油气开采、新能源开发等科研实践，从而产生来自北大的方案，并引导其从设想向现实进发。未来的能源格局究竟如何，还需拭目以待，但在金院士的鼓舞之下，相信北大学子也有能力与信心形成和利用地球系统科学的思维，把握能源世界的各种机遇与挑战，积极参与到我国追求环保、稳定、高效的能源体系建设中。
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