Der große Wandel im Energiebereich: Die Weitsicht und Innovation von Akademiker Zhao Dongyuan

Wie hat die Zeit begonnen?

Die Big-Bang-Theorie besagt, dass unser gegenwärtiges Universum vor etwa 13,8 Milliarden Jahren aus einem Singularitätspunkt mit unendlicher Dichte, unendlich hoher Temperatur und unendlich kleiner Größe entstanden ist. Der bekannte Physiker Stephen Hawking hat in Bezug darauf eine kühne These aufgestellt: Zeit und Raum sind genau im Moment des Urknalls gleichzeitig entstanden. Vor dem Urknall gab es den Begriff der Zeit nicht.

Nach der Big-Bang-Theorie haben die Entstehung der Menschheit und die Entstehung des Universums den gleichen Ausgangspunkt. Die Welt vor diesem Punkt war eine völlige Leere. Dieser Urknallpunkt, in dem unzählige Energien konzentriert waren, begann sich zu expandieren. In den ersten Mikrosekunden erreichte die Temperatur des Universums einige Billionen Grad. Das Universum war wie eine glühende "Teilchensuppe", voller Quarks, Gluonen, Leptonen und anderer Elementarteilchen. Diese Teilchen wurden ständig erzeugt und vernichtet unter der enormen Energie. In dieser Phase wandelten sich Materie und Energie ineinander um, und das gesamte Universum befand sich in einem dynamischen Gleichgewicht, in dem reine Energie und Materie miteinander verflochten waren. Kurz nach dem Urknall, in der Inflationsphase, wurden Quantenschwankungen vergrößert und wurden zur Quelle der Entstehung der kosmischen Strukturen. Nach einigen Evolutionsprozessen bildeten sich etwa 10 Sekunden später stabile Atomkerne wie Wasserstoff und Helium, die chemischen Elemente, die uns so vertraut sind.

Wenn wir auf die Entstehung des Universums zurückblicken, auf diesen Moment, der als Urknall bezeichnet wird, scheint es, als seien alle Energien und Materien plötzlich aus dem Nichts erschienen und hätten dann die reale Welt geschaffen, in der wir alle leben. Unser Lebenswelt ist also im Wesentlichen eine Welt der Energie. Tatsächlich sind Energie und Energieträger so wichtig für die moderne Gesellschaft, dass man fast sagen kann, sie sind die Antriebskraft und Quelle der modernen Zivilisation, die materielle Grundlage menschlicher Aktivitäten und ein wichtiger Pfeiler der wirtschaftlichen Entwicklung der modernen Gesellschaft.

Das Dreiecksproblem der neuen Energie - Die Abhängigkeit von Primärenergien wird langfristig anhalten

Nach ihrer Grundform können Energien in Primärenergien und Sekundärenergien eingeteilt werden. Primärenergien sind natürliche Energien, die in der Natur bereits vorhanden sind. Sekundärenergien sind Energieträger, die aus Primärenergien umgewandelt werden, wie Strom, Gas, Dampf und verschiedene Ölprodukte. Primärenergien können wiederum in erneuerbare Energien (Wasserkraft, Windkraft, Biomasse etc.) und nicht erneuerbare Energien (Kohle, Öl, Erdgas, Ölschiefer etc.) unterteilt werden. Die hauptsächlich genutzten Energieträger sind derzeit nicht erneuerbare Primärenergien wie Öl, Erdgas und Kohle. Sie sind mit Kohlenstoff verbunden und werden daher als kohlenstoffbasierte Energien bezeichnet.

Wenn wir uns die globale Verteilung der drei großen Energieträger genauer ansehen, müssen wir feststellen, dass immer noch über 80 % der Energie von den drei fossilen kohlenstoffbasierten Energieträgern Kohle, Öl und Erdgas abhängen. Wir sind und werden lange Zeit von Primärenergien abhängig sein. Im Hinblick auf den generellen Trend des Energieverbrauchs sind kohlenstoffbasierte Energien immer noch die Hauptstromrichtung im Vergleich zu erneuerbaren Energien.

Natürlich nimmt der Anteil der erneuerbaren Energien derzeit zu, wobei 45 % dieses Anstiegs aus China stammen. Aber ehrlich gesagt, stehen ihre Entwicklung noch vor vielen Herausforderungen. Die effiziente und saubere Nutzung von Primärenergien ist heute ein unvermeidlicher Weg. Die ganze Welt bemüht sich um die Optimierung der Struktur zwischen verschiedenen Primärenergien. Und in diesem Zusammenhang sind die Forschungsbereiche Chemie, Chemietechnik und Materialwissenschaft wichtige Stützen für die effiziente und saubere Nutzung von Primärenergien.

Im heutigen großen Energieverbrauchsmarkt behält Öl seit langem die Stellung des Hauptenergieträgers bei. Bis Ende 2020 belief sich die weltweit nachgewiesene Ölreserve auf 1.732 Milliarden Barrel. Gemäß dem Reserven-Produktions-Verhältnis von 2020 kann das globale Öl die gegenwärtige Produktion und den Verbrauch noch über 50 Jahre aufrechterhalten. Gibt es die Möglichkeit eines Ölenergiekrises in Zukunft? Ich bin skeptisch, denn in den letzten Jahren gab es ständig neue Entdeckungen großer Ölfelder auf der ganzen Welt. Früher hatte Saudi-Arabien die größten Ölreserven der Welt, aber 2001 übertraf die Gesamtölreserve Venezuelas die von Saudi-Arabien. Seit Anfang des 20. Jahrhunderts wurden in der kanadischen Provinz Alberta und in Iran auch riesige Ölfelder entdeckt. Trotz der hohen Abhängigkeit der weltweiten Energieversorgung von Öl besteht keine Sorge um eine knappe Versorgung. In meiner Meinung ist die Rede von einer Energiekrise unbegründet.

Die Schaffung eines grünen und kohlenstoffarmen Energie Systems, das von fossilen Energien geleitet wird, ist die grundlegende Anforderung für die globale nachhaltige Entwicklung und die materielle Grundlage für die Gemeinschaft des Schicksals der Menschheit. Im Hinblick auf die allgemeine Energieentwicklung nehmen die Verbrauchsbedürfnisse zwar weiterhin zu, aber die Wachstumsrate verlangsamt sich. Der Anteil von Erdgas und erneuerbaren Energien steigt, und die Kohlendioxidemissionen sinken stetig. Bei der Auswahl der Energiequellen legen die einzelnen Länder unterschiedliche Schwerpunkte: In Nordamerika konzentriert sich die USA auf unkonventionelles Erdgas/Öl; in Europa wird die Förderung von erneuerbaren Energien betont. Deutschland hat die Kernkraftwerke geschlossen und setzt auf die Entwicklung von Wind- und Sonnenenergie, während Frankreich auf Kernenergie setzt; in Südamerika richtet sich Brasilien auf die Biomasseenergie. Was die momentan viel kritisierten Kohlendioxidemissionen betrifft, stammen 80 % der Kohlendioxidemissionen aus der Energieerzeugung. Nehmen wir Kohle als Beispiel: Die Verbrennung von einer Tonne Kohle erzeugt 3,7 Tonnen Kohlendioxid. Aber wir， müssen auch bedenken, dass landwirtschaftliche Pflanzen ohne Kohlendioxid nicht überleben können. Eine gute Ernte in der Landwirtschaft erfordert Kohlendioxid. Pflanzen müssen durch die Photosynthese Glukose und Proteine produzieren, die wir benötigen. Ob Kohlendioxid der Hauptgrund für die "Treibhauseffekt" ist, ist auch umstritten. Kohlendioxid ist das am häufigsten vorkommende Treibhausgas und macht etwa 0,03 % des gesamten Atmosphärenvolumens aus. Aber auch andere Gase können Treibhauseffekte verursachen, und manche davon haben sogar einen stärkeren Treibhauseffekt als Kohlendioxid. Beispielsweise absorbiert jedes Molekül Methan mehr als 20 Mal so viel Wärme wie ein Molekül Kohlendioxid, und Distickstoffmonoxid (N₂O) noch mehr, nämlich 270 Mal so viel wie Kohlendioxid. Eine neue Analyse der industriellen Methanemissionen, die von der Internationalen Energieagentur (IEA) veröffentlicht wurde, hat gezeigt, dass die Methankonzentration in der Atmosphäre seit der vormodernen Zeit fast verdreifacht hat - viel stärker als die des wichtigsten Gases Kohlendioxid.

Was die Energiesituation in China betrifft, so gibt es sowohl langfristige Sorgen (Mangel an Energieressourcen, schwere Umweltverschmutzung) als auch kurzfristige Probleme (unzureichende Energieversorgung, geringer Energieeffizienz). China ist der größte Energieverbraucher der Welt. Im Jahr 2023 lag die Fremdabhängigkeit von Öl bei 77 % - 27 % über der Warngrenze, und die Fremdabhängigkeit von Erdgas bei 44 %. Gleichzeitig muss die Energiemix in China verbessert werden. Kohle ist immer noch der Hauptenergieträger und machte 2022 56 % des Energieverbrauchs aus. Das pro-Kopf-Vorhandensein von Energieressourcen in China ist auch relativ niedrig.

Diese hohe Fremdabhängigkeit macht die Energieversorgung in China stark von geopolitischen Risiken abhängig. Viele Ölexportländer haben instabile politische Situationen, was die chinesische Öl- und Gasversorgung aus dem Ausland beeinträchtigen könnte.

Darüber hinaus muss 70 % des importierten Rohöls in China den Malakka-Straßen, der "Energie-Schlüsselstelle", passieren. Geopolitische Konflikte könnten die Kontrolle über diese Seegebiet in Frage stellen und somit die Öl- und Gasimporte in China gefährden. Der Ausbruch des Russland-Ukraine-Konflikts im Jahr 2022 hat zu einem starken Anstieg der internationalen Erdgaspreise geführt und hat auch die Energieversorgungssicherheit in China stark beeinträchtigt. Man kann sagen, dass geopolitische Faktoren ein Schwachpunkt für die Energieversorgungssicherheit in China geworden sind. Wir müssen daher ein Krisenbewusstsein haben und einen Realismusgeist pflegen.

Zugleich ist die Erreichung der Ziele für die Kohlenstoffneutralität in China eine harte Schlacht. Die Erreichung des Kohlenstoffneutralitätsziels erfordert, dass die Wirtschaft und die Gesellschaft ein bestimmtes Niveau erreichen. Industriell entwickelte Volkswirtschaften erreichten in der Regel den Höhepunkt ihrer Kohlendioxidemissionen, wenn das Pro-Kopf-Bruttoinlandsprodukt zwischen 20.000 und 25.000 US-Dollar lag. Derzeit liegt das Pro-Kopf-BIP in China nur bei 10.000 US-Dollar, und der Energieverbrauch befindet sich noch auf einem steigenden Trend. Wir haben keine Zeit, den Weg der westlichen Länder zu gehen, bei dem der Pro-Kopf-Energieverbrauch zunächst schnell ansteigt, dann lange Zeit gesättigt bleibt und schließlich sinkt. Die Ziele für die Kohlenstoffneutralität haben derzeit eine Situation geschaffen, in der eine Umwälzung in der Energie- und Branchentechnologie erzwungen wird.

Obwohl die neuen erneuerbaren Energien schnell wachsen, befinden sie sich derzeit noch in der "Kindheitsphase" und können in kurzer Zeit nicht die Last der zukünftigen Energieversorgung übernehmen. Wir wissen alle, dass die neuen Energien derzeit noch vor einem "Dreiecksproblem" stehen: Es ist unmöglich, gleichzeitig die drei Anforderungen an eine stabile Versorgung, Umweltfreundlichkeit und niedrige Preise zu erfüllen. Debbie Niemeier, eine Professorin für Zivil- und Umwelttechnik an der Universität von Kalifornien, Davis, hat einmal festgestellt, dass es geschätzt 90 Jahre nach der Erschöpfung der globalen Ölressourcen dauern wird, bis die Ersatztechnologien reif werden. Es ist unbestreitbar, dass fossile Energien auch in einem relativ langen Zeitraum die Hauptenergiequelle in China bleiben werden, während die erneuerbaren Energien schnell wachsen. Daher ist die effiziente und saubere Nutzung von fossilen Energien auch ein Schwerpunkt der zukünftigen Energieumwälzung.

Nehmen wir Öl als Beispiel. Wir müssen durch technologische Fortschritte das "komplette Verbrauch" von Rohöl erreichen. Die Innovation in der chemischen Technologie wird der Schlüssel sein, von der Herstellung von sauberen Kraftstoffen bis zur effizienten Nutzung von Schweröl. Bei der Nutzung von Kohle müssen wir auch die effiziente Verbrennung, die effiziente Stromerzeugung und die integrierte Kohlevergasung mit kombiniertem Zyklus (IGCC) und andere Mehrproduktionstechnologien vorantreiben und die Kohlenstoffdioxidfang- und Untergrundspeicherung kombinieren, um die Emissionen so weit wie möglich zu reduzieren.

Die Energieumwälzung beruht auf neuen Materialwissenschaften - Die Kraft der Chemiker

Im globalen Energielandschaft verbirgt sich eine beeindruckende Zahl in den Statistiken: Unkonventionelle Ölressourcen wie Schweröl, Über-Schweröl und Ölsande machen 70 % der globalen Rohölreserven aus! Diese "schweren" Ressourcen sind wie schlafende Riesen, die enorme Energie in sich bergen, aber aufgrund der Schwierigkeiten bei der Förderung und Umwandlung lange Zeit vernachlässigt wurden. Gleichzeitig fallen bei der Raffination von konventionellem Öl große Mengen Schweröl und Rückstände als "Nebenprodukte" an. Ihre effiziente Nutzung ist seit langem ein Problem für die petrochemische Industrie.

Lasst uns uns zunächst anhand von einigen Zahlen die Schwere des Problems vor Augen führen. Rohöl kann gemäß seinem Siedebereich in vier Klassen eingeteilt werden: Leichtes Rohöl (Siedepunkt unter 200 °C), mittleres Rohöl (Siedepunkt unter 350 °C), Schweres Rohöl (Siedepunkt über 350 °C) und Rückstände (Siedepunkt über 500 °C). In der chinesischen Rohölstruktur beträgt der durchschnittliche Anteil der Rückstände 47,8 %, und in manchen Rohölen sogar 65,8 %. Was bedeutet das? Die jährliche Rohölkonsumtion in China beläuft sich auf 700 Millionen Tonnen, und die Fremdabhängigkeit liegt bei 77 %. Gemäß dem durchschnittlichen Anteil von 47,8 % fallen in China jährlich über 300 Millionen Tonnen Rückstände an, aber die Kapazität für die saubere Nutzung beträgt nur 49 Millionen Tonnen. Die Nutzungsrate liegt unter 20 %. Mit anderen Worten, über 80 % der schweren Ressourcen können nicht effektiv genutzt werden, und der größte Teil wird nur in abgesenkter Qualität verwendet, beispielsweise als Straßenasphalt. Dies ist zweifellos ein großer Ressourcenverschwendung. Angesichts dieser Realität haben wir Chemiker und Materialwissenschaftler uns nicht zurückgewiesen, sondern uns in die mikroskopische Welt auf molekularer Ebene vertieft und mit unserem Wissen "Löcher" in der unsichtbaren Dimension geschaffen, um diesen schweren Ressourcen einen Weg zur leichten Umwandlung zu ebnen.

Um zu verstehen, wie Chemiker dieses Problem lösen, müssen wir uns die Entwicklung der Katalysatortechnologie ansehen. Dies ist eine Geschichte des ständigen Überwindens von Skalengrenzen. In den 1960er Jahren eröffnete die Anwendung von Y-Zeolith (Porendurchmesser von etwa 0,8 Nanometer) die Ära der katalytischen Crackung; in den 1970er Jahren gelang mit dem ZSM - 5 - Molekularsieb (Porend