劉科院士：我們需要著眼全局看待碳中和

碳中和是一場(chǎng)系統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)革命，涉及一系列能源結(jié)構(gòu)調(diào)整的問(wèn)題、技術(shù)進(jìn)步的問(wèn)題、發(fā)展方式轉(zhuǎn)變的問(wèn)題，當(dāng)中涉及到諸多變量因素，這使得實(shí)現(xiàn)碳中和背后的邏輯變得非常復(fù)雜，也讓各界對(duì)碳中和的理解和分析充滿了挑戰(zhàn)性。為此《元科技·生態(tài)》記者專程去深圳拜訪澳大利亞國(guó)家工程院外籍院士、南方科技大學(xué)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)學(xué)院院長(zhǎng)劉科，請(qǐng)他為我們的讀者從著眼全局的視角分析如何正確看待碳中和，交流中他指出了大眾普遍存在的對(duì)于碳中和的六個(gè)誤區(qū)以及現(xiàn)實(shí)路徑。

 

劉   科  澳大利亞國(guó)家工程院外籍院士

 

南方科技大學(xué)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)學(xué)院院長(zhǎng)

 

就在采訪結(jié)束之后的不久，國(guó)家發(fā)改委點(diǎn)名批評(píng)了減碳工作中的“跑偏”行為。提出既要堅(jiān)決地推進(jìn)減碳工作，又不能搞“運(yùn)動(dòng)式”減碳。實(shí)現(xiàn)碳中和，必須“實(shí)事求是、尊重規(guī)律、循序漸進(jìn)、先立后破”，這些都與劉科院士的觀點(diǎn)非常一致。

 

摒棄先入為主的“窄帶”觀念，碳中和需要“全譜”分析

 

要實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)，首先要正確認(rèn)識(shí)碳中和，這需要“全譜”分析。如果將人類多元化的經(jīng)驗(yàn)想象成可聽聲的頻譜單元，在聽聲音方面，存在兩個(gè)極端現(xiàn)象：窄帶和全譜。我們用類似的方式來(lái)想象對(duì)于碳中和的理解。不能通過(guò)單一尺度來(lái)理解碳中和，這并不僅僅是因?yàn)槠渲邪T多變量，也因?yàn)檫@些變量有著完全不同的參照系，它們是跨學(xué)科變量，要想取得“全譜”的認(rèn)知，就需要摒棄先入為主的“窄帶”觀念，從多個(gè)角度考慮問(wèn)題。

 

劉科院士認(rèn)為當(dāng)前大眾對(duì)碳中和的挑戰(zhàn)及認(rèn)知有一定局限，認(rèn)為單一技術(shù)路線或者技術(shù)突破能夠解決碳中和問(wèn)題，因此常存在以下幾個(gè)誤區(qū)：

 

誤區(qū)一：媒體上經(jīng)常見到這樣的觀點(diǎn)，風(fēng)能和太陽(yáng)能比火電便宜了，可以完全取代火電實(shí)現(xiàn)碳中和。

 

中國(guó)各地的太陽(yáng)能每年發(fā)電小時(shí)數(shù)不等，但全國(guó)各地平均起來(lái)大約在1700小時(shí)左右，風(fēng)能每年發(fā)電的時(shí)間大約是2000小時(shí)左右，而每年是8760小時(shí)，用電是需要24小時(shí)連續(xù)的。這兩種能源之所以不能大幅提升，都是因?yàn)樗鼈兙哂胁▌?dòng)性，需要儲(chǔ)能技術(shù)配合。對(duì)電網(wǎng)來(lái)說(shuō)，波動(dòng)性的能量輸入是一種沖擊，傳統(tǒng)電網(wǎng)只能容納約15%左右的非穩(wěn)定電源。

 

太陽(yáng)能和風(fēng)能最大的問(wèn)題是非穩(wěn)定供電，電網(wǎng)靠電池儲(chǔ)電的概念是非常危險(xiǎn)的。據(jù)估算，目前全世界5年的電池產(chǎn)能僅能滿足東京全市停電3天的電能。況且，世界上目前的鈷、鋰等貴金屬的儲(chǔ)量也無(wú)法讓人們制造天量的電池。這種情況下如果儲(chǔ)能的問(wèn)題不解決，太陽(yáng)能和風(fēng)能建的越多，棄光棄風(fēng)的問(wèn)題就會(huì)越嚴(yán)重。

 

盡管風(fēng)能、太陽(yáng)能增量巨大，可與煤電相比其發(fā)電量仍然非常有限。以2019年為例，全國(guó)的風(fēng)能和太陽(yáng)能加起來(lái)發(fā)電總量相當(dāng)于1.92億噸標(biāo)準(zhǔn)煤的發(fā)電量，只能占煤電發(fā)電量的12%左右。

 

因此，太陽(yáng)能和風(fēng)能這些低碳能源需要大力發(fā)展，但在儲(chǔ)電成本仍然很高的當(dāng)前，儲(chǔ)能技術(shù)不突破，在可見的未來(lái)仍然無(wú)法全部取代化石能源發(fā)電，對(duì)碳中和的貢獻(xiàn)也是非常有限的。

 

誤區(qū)二：認(rèn)為有一個(gè)魔術(shù)般的大規(guī)模儲(chǔ)電技術(shù)。

 

人們認(rèn)為如果儲(chǔ)能技術(shù)進(jìn)步，風(fēng)能和太陽(yáng)能可以徹底取代火電。這個(gè)假設(shè)太大了，事實(shí)上自鉛酸電池發(fā)明至今的百年來(lái)，人類花費(fèi)了數(shù)千億美元研發(fā)經(jīng)費(fèi)研究?jī)?chǔ)能。從鉛酸電池的90千瓦時(shí)/立方米增加到今天特斯拉的260千瓦時(shí)/立方米，電池的能量密度并沒(méi)有得到革命性的根本改變。汽油的能量密度則是8600千瓦時(shí)/立方米。迄今為止大規(guī)模（如GW級(jí)）的儲(chǔ)電技術(shù)，最便宜的還是100多年前就被發(fā)明的抽水蓄能技術(shù)。

 

科學(xué)技術(shù)的突破不是沒(méi)有可能，但只有真正發(fā)現(xiàn)了才能知道。我們無(wú)法預(yù)測(cè)明天的發(fā)現(xiàn)。就好比火藥發(fā)明之后近千年才有槍的發(fā)明，但不能說(shuō)有了火藥就假設(shè)很快可以發(fā)明槍統(tǒng)治世界。這雖是比喻，但提醒我們制定碳中和戰(zhàn)略時(shí)，一定要以已有的、被證明的、現(xiàn)實(shí)的技術(shù)路線為基礎(chǔ)，不能假設(shè)未來(lái)肯定能發(fā)明某一個(gè)魔術(shù)般的低成本儲(chǔ)能技術(shù)， 技術(shù)發(fā)明需要多少時(shí)間很難預(yù)測(cè)。

 

迄今，能源行業(yè)目前還沒(méi)找到類似半導(dǎo)體的摩爾定律的規(guī)律，碳中和必須選擇現(xiàn)實(shí)可行的路線來(lái)推進(jìn)。未來(lái)儲(chǔ)能技術(shù)肯定會(huì)有新發(fā)明，但在目前階段制定戰(zhàn)略目標(biāo)一定要謹(jǐn)慎，沒(méi)有發(fā)明的技術(shù)不要先假設(shè)它的存在。

 

誤區(qū)三：認(rèn)為可以把二氧化碳轉(zhuǎn)化成各種各樣的化學(xué)品。

 

人們嘗試將二氧化碳轉(zhuǎn)化為保鮮膜、化妝品，如果這些可以轉(zhuǎn)化并能產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益當(dāng)然可以，但事實(shí)上這些手段解決不了二氧化碳的問(wèn)題。粗略估算，一個(gè)三口之家一年平均排放碳22噸，但任何產(chǎn)品一個(gè)家庭一年也消耗不了20多噸。

 

另一方面，全世界只有大約13%的石油就生產(chǎn)了所有的石化產(chǎn)品，余下約87%的石油都是被燒掉的，所以即便把全世界的化學(xué)品都用二氧化碳來(lái)造，也只解決13%的油品燃料的碳中和問(wèn)題。所以，從規(guī)模上二氧化碳制成化學(xué)品對(duì)減碳和碳中和的貢獻(xiàn)相當(dāng)有限。

 

誤區(qū)四：認(rèn)為可以大量捕集和利用二氧化碳。

 

利用CCS或CCUS（碳捕集、利用與封存）技術(shù)，把生產(chǎn)過(guò)程排放的二氧化碳進(jìn)行捕獲提純，再投入到新的生產(chǎn)過(guò)程中進(jìn)行循環(huán)再利用或封存，這種方法理論上能夠?qū)崿F(xiàn)。未來(lái)十年，中國(guó)二氧化碳驅(qū)油消耗量大概是600多萬(wàn)噸，而我國(guó)一年的排放是103億噸。驅(qū)油階段是一部分二氧化碳進(jìn)到地里，還有一部分會(huì)跟著油出來(lái)，不是一個(gè)完全的埋藏。

 

對(duì)此，劉科院士當(dāng)年在GE工作時(shí)就曾有過(guò)實(shí)踐。他們團(tuán)隊(duì)上百名博士參與、前后花了28億美元完成了GE近零污染的IGCC火電廠示范工程，開始打算把CO2分離后打入地下，后因成本太高， 選擇只清潔發(fā)電而不封存CO2。這個(gè)工廠在美國(guó)運(yùn)行至今，污染物排放比傳統(tǒng)的燃煤電廠低很多，但今天看來(lái)，只具有環(huán)境示范意義，并不具備經(jīng)濟(jì)性。

 

碳中和不僅是技術(shù)問(wèn)題，更是經(jīng)濟(jì)和社會(huì)平衡發(fā)展的綜合性問(wèn)題。電廠把二氧化碳分離后打到地下做驅(qū)油和埋藏的經(jīng)濟(jì)效益，劉科院士和團(tuán)隊(duì)15年前就測(cè)算過(guò)，當(dāng)時(shí)假設(shè)把CO2打到地底下去的成本為30美元/噸，其中20美元/噸是把二氧化碳從整個(gè)電廠尾氣里面分離出來(lái)成為純二氧化碳，5美元/噸是把CO2從電廠輸送到埋藏點(diǎn)的成本，另外5美元是壓縮到地下的成本。這雖然是15年前劉科院士在美國(guó)時(shí)的測(cè)算數(shù)據(jù)，但從中不難看出，在電廠尾氣中把CO2分離出來(lái)的成本占比最大。

 

誤區(qū)五：認(rèn)為通過(guò)提高能效，降低工業(yè)流程、產(chǎn)品使用中的碳排放可以實(shí)現(xiàn)碳中和。

 

不可否認(rèn)，能效永遠(yuǎn)要提高，這也是成本最低的碳減排路線。加入WTO二十年來(lái)，我國(guó)的能效提高了很多，但碳排放總量減少了嗎？不但沒(méi)有，反而增加得很多。2000年中國(guó)的石油消耗大概是2億噸，2010年大概是4億噸，2020年是7.5億噸。僅油品燃料這塊，碳排放增加了3倍多。

 

從能源的數(shù)據(jù)變化可以看到整個(gè)社會(huì)的變化。加入WTO之前有一個(gè)很重要的數(shù)字，中國(guó)的煤產(chǎn)量大概是12億噸，基本上自產(chǎn)自銷，出口很少。2012年這個(gè)數(shù)字從12億噸飆升到36億噸，這是一個(gè)天量，當(dāng)然隨之而來(lái)的碳排放也增加了3倍多。唯一的解讀是加入WTO，世界的市場(chǎng)向中國(guó)開放了。

 

煤的耗量表示電的耗量，電的耗量表示工業(yè)化程度。這期間能效提高了很多，但單憑能效也難以解決碳中和問(wèn)題。提高能效是成本最低的減碳方式，也是最應(yīng)該優(yōu)先做的，但只要仍然使用化石能源，即使前20年我們的能效提高很多，碳排放總量不但沒(méi)有下降，反而增加了3倍以上。因此盡管提高能效對(duì)減低碳排放有些貢獻(xiàn)；但對(duì)碳中和的貢獻(xiàn)卻是非常有限的。

 

誤區(qū)六：認(rèn)為電動(dòng)車、燃料電池車可以降低碳排放。

 

我國(guó)發(fā)展電動(dòng)車的主要原因是石油大量需要進(jìn)口，另外要解決燃油車污染物排放導(dǎo)致的霧霾等污染問(wèn)題。一年8760小時(shí)，但我們的很多燃煤電廠目前實(shí)際使用不到4000小時(shí)，這是資產(chǎn)的巨大浪費(fèi)。電動(dòng)車可以讓局部的污染降下來(lái)，但在全生命周期的碳排放分析看來(lái)，對(duì)全球氣候變化并沒(méi)有太大影響。

 

只有中國(guó)的能源結(jié)構(gòu)徹底改變以后，能源結(jié)構(gòu)和電網(wǎng)里大部分是可再生能源構(gòu)成時(shí)，電動(dòng)車才能算得上清潔能源車。如果能源結(jié)構(gòu)不改變，電網(wǎng)67%的來(lái)源還是煤電，那電動(dòng)車對(duì)減低碳排放的貢獻(xiàn)是非常有限的。

 

上述碳減排的路徑盡管每一個(gè)的貢獻(xiàn)都是有限的，這里只是用數(shù)據(jù)讓大家意識(shí)到碳中和的巨大挑戰(zhàn)，而不是讓大家放棄以上路徑；恰恰相反，劉科院士希望每一路徑大家都要力所能及地去推進(jìn)。畢竟積少成多，而且只有靠各種路徑共同努力，再加上后面講的各個(gè)現(xiàn)實(shí)路徑，各種方案齊頭并進(jìn)，才有可能逐漸實(shí)現(xiàn)碳中和。

 

“關(guān)于電動(dòng)車，我下面只講一段講歷史不預(yù)測(cè)未來(lái)”。電動(dòng)車的概念并不新，1912年，歐美街頭的電動(dòng)車遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于燃油車。為什么迄今為止的一百年內(nèi)，電動(dòng)車未能戰(zhàn)勝燃油車？其原因總結(jié)主要有三點(diǎn)：

 

 

第一，電池的體積能量密度偏低。即便技術(shù)發(fā)展到今天，電動(dòng)車電池的能量密度也就是260千瓦時(shí)/立方米，而汽油是8600千瓦時(shí)/立方米，柴油是9600千瓦時(shí)/立方米，甲醇液體是4300千瓦時(shí)/立方米。

 

第二，液體可能是最好的儲(chǔ)能載體。液體能源有個(gè)非常好的特點(diǎn)，陸上可以管路輸送，可以非常便宜的跨海輸送，并可長(zhǎng)期儲(chǔ)存，電和氫氣都不能長(zhǎng)期儲(chǔ)存。

 

第三，為什么人類的第一條汽車流水線是福特公司的？因?yàn)閮?nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的成本隨著實(shí)現(xiàn)工業(yè)流水線生產(chǎn)可極大降低，而電動(dòng)車每臺(tái)車的電池需要一定量的鎳、鈷、鋰等金屬，其材料成本不會(huì)因產(chǎn)量增加而降低；即便產(chǎn)能擴(kuò)張后每臺(tái)成本會(huì)有所下降，但幅度不大。如果技術(shù)不突破，不把鈷、鋰、鎳、銅的用量降下來(lái)，電動(dòng)車將來(lái)造得越多材料因供需關(guān)系失衡，而會(huì)越貴。近期，鈷、鋰、鎳、銅等價(jià)格都飛漲，但全世界沒(méi)有一家靠回收電池脫穎而出的獨(dú)角獸公司產(chǎn)生。大家都用以前幾倍的價(jià)格去買，而不能靠回收賺大錢，這就從側(cè)面告訴我們電池回收技術(shù)仍有待突破。雖然電池是梯級(jí)利用，但儲(chǔ)能電池是有壽命的，內(nèi)含很多有害化學(xué)物質(zhì)，不可能無(wú)限期使用。如果將來(lái)不回收，當(dāng)大量電池分布在中國(guó)大地，如果任其泄露，就會(huì)污染土地及地下水，那將是環(huán)境的災(zāi)難。

 

在今天的金屬價(jià)格下，如果電動(dòng)汽車不提價(jià)，很難盈利。因電動(dòng)車有以上的這些問(wèn)題，近兩年網(wǎng)上瘋炒氫能，說(shuō)電動(dòng)車真正的未來(lái)是氫燃料電池汽車。這個(gè)觀點(diǎn)仍然存在一定的片面性。氫能的好處是發(fā)電效率高、排放水蒸氣，可降低人類對(duì)石油的依賴，大規(guī)模量產(chǎn)后成本可降低。燃料電池也要用到貴金屬，但用料量在降低，貴金屬回收技術(shù)也相對(duì)成熟，這都是燃料電池的優(yōu)點(diǎn)；但如果看今天的成本，燃料電池汽車仍然遠(yuǎn)高于電動(dòng)車。

 

氫能技術(shù)一點(diǎn)也不新。劉科院士早年曾在美國(guó)聯(lián)合技術(shù)（UTC）-殼牌合資公司工作，美國(guó)阿波羅宇宙飛船的燃料電池就是聯(lián)合技術(shù)公司生產(chǎn)的。近幾十年來(lái)美國(guó)花了上百億美元研發(fā)燃料電池。迄今為止，全世界的燃料電池車總量也就3萬(wàn)多輛，美國(guó)不到1萬(wàn)輛。去年，全世界氫能源車只賣了1900多輛。所以氫能及燃料電池汽車在短期內(nèi)很難挑起中國(guó)碳中和的重?fù)?dān)。

 

燃料電池汽車之所以沒(méi)有產(chǎn)業(yè)化，最根本的原因是氫氣不適合作為大眾共有的能源載體。氫作為能源載體，不具備液體能源在能量密度、管道輸送、長(zhǎng)期儲(chǔ)存方面的優(yōu)勢(shì)。

 

第一，氫氣體積能量密度小。如果論重量，氫能量密度是最大的。對(duì)于汽車來(lái)說(shuō)，更應(yīng)該論體積。如果轉(zhuǎn)成同樣的能源概念，氫的體積能量密度是最小的（如下圖）。為了增加體積能量密度，只好增加壓力；

 

第二，氫氣分子很小容易泄露，存儲(chǔ)非常困難；

 

第三，氫氣在封閉的空間里爆炸范圍很寬，有巨大的安全隱患。

 

因此，制氫容易，但儲(chǔ)氫、運(yùn)氫有難度。大家之所以用風(fēng)能、太陽(yáng)能制氫，是因?yàn)殡姴缓脙?chǔ)存；制成氫氣，盡管制氫成本不高，但氫氣儲(chǔ)運(yùn)成本很高。因此，問(wèn)題并沒(méi)有完全解決。

 

實(shí)現(xiàn)碳中和，需要能源全生命周期分析的理念

 

據(jù)統(tǒng)計(jì)，二氧化碳排放中約92%是由煤炭、石油、天然氣產(chǎn)生。衡量任何一家公司、任何一家單位、任何一個(gè)系統(tǒng)，把這三個(gè)化石能源的耗量再加上耗電量算準(zhǔn)就可以了。關(guān)于減碳，最怕只講概念不講數(shù)字。作為一個(gè)科學(xué)家，劉科院士更愿意用數(shù)字來(lái)闡釋碳中和背后的底層邏輯。完成碳中和的任務(wù)艱巨且將是漫長(zhǎng)的過(guò)程。因?yàn)榭梢姷奈磥?lái)，我們?nèi)辈涣诉@三個(gè)化石能源。盡管風(fēng)能、太陽(yáng)能、CO2轉(zhuǎn)化為化學(xué)品、CCS、CCUS、提高能效都會(huì)或多或少對(duì)減碳有些貢獻(xiàn)，都值得去鼓勵(lì)探索和實(shí)施，但對(duì)天量排放的CO2減低的比例是相當(dāng)有限的。在這種情況下如何實(shí)現(xiàn)碳中和？

 

能源全生命周期分析概念很重要，劉科院士和團(tuán)隊(duì)在美國(guó)時(shí)，美國(guó)能源部及各大相關(guān)公司曾花了幾億美元（僅美國(guó)DOE能源部的經(jīng)費(fèi)就是1.5億美元），多位博士參與幾年時(shí)間建立模型，先后做了72條路徑的“從油井到車輪子”及“從礦井到家庭”的全生命周期模型分析，每一步的排碳量、效率、成本是多少，都有詳盡的數(shù)字分析。我們現(xiàn)在要做碳中和，也要做好各種渠道的數(shù)據(jù)搜集，從油井、礦井、天然氣井到車輪子、電燈泡等，每一步的全生命周期數(shù)字分析，最后用數(shù)字說(shuō)話。

 

“我回國(guó)后花了很大氣力，把能源各路徑全生命周期分析這套方法論引進(jìn)來(lái)，讓團(tuán)隊(duì)做了各種能源路徑的全生命周期分析，我們要學(xué)會(huì)使用“數(shù)據(jù)決策”。真正的決策要依靠數(shù)據(jù)，科研人員花大量時(shí)間把數(shù)學(xué)模型建起來(lái)，并不斷完善調(diào)整，最后能跟現(xiàn)實(shí)數(shù)據(jù)對(duì)上去。“數(shù)據(jù)決策”就是要用反復(fù)校正過(guò)的模型的預(yù)測(cè)數(shù)字做決策，這是我們要提倡的一種科學(xué)決策的文化。”

 

綜合評(píng)估每條路徑的后果，目前的技術(shù)，液體甲醇可能是最好的儲(chǔ)氫載體

 

1L甲醇和水反應(yīng)可以放出143克的氫。儲(chǔ)氫技術(shù)手段無(wú)非就是壓縮和冷凝。即使冷凝，1L液氫也就72克，而1L甲醇和水反應(yīng)的產(chǎn)氫量是1L液氫的2倍。二十年前，全世界第一輛汽油在線轉(zhuǎn)化制氫的燃料電池汽車，也是劉科院士帶領(lǐng)UTC、尼桑和殼牌的工程師共同努力研發(fā)出來(lái)的。

 

“當(dāng)年，豐田、本田、GM用高壓氫燃料制成的電池已經(jīng)造出來(lái)了，尼桑找到殼牌繼而找到我們，共同研發(fā)汽油在線轉(zhuǎn)化制氫驅(qū)動(dòng)的燃料電池汽車，既可利用燃料電池的高效率，也可以不用加氫站。當(dāng)年美國(guó)還沒(méi)有大規(guī)模開采頁(yè)巖氣，所以甲醇成本太高，當(dāng)時(shí)沒(méi)有經(jīng)濟(jì)性，就考慮在車上用汽油制氫，幾年后獲得了成功。”

 

頁(yè)巖氣革命讓世界發(fā)現(xiàn)了100多年用不完的天然氣，就有了100多年用不完的甲醇，頁(yè)巖氣革命讓天然氣供應(yīng)局面發(fā)生了改變。甲醇制氫比汽油轉(zhuǎn)化容易很多。一方面甲醇干凈得多，沒(méi)有硫；另一方面汽油轉(zhuǎn)化需要850度以上，甲醇只需200多度就可以。

 

“當(dāng)太陽(yáng)能、風(fēng)能可以賣碳稅時(shí)，把風(fēng)能、太陽(yáng)能和煤結(jié)合制出比較便宜的綠色或藍(lán)色甲醇。目前中國(guó)甲醇的產(chǎn)能位居世界首位，年產(chǎn)約8000多萬(wàn)噸。通過(guò)車載甲醇制氫并與燃料電池系統(tǒng)集成，就比直接燃燒的發(fā)動(dòng)機(jī)效率高。這條路線未來(lái)是有可能的。我只能說(shuō)有可能，取決于政策的調(diào)整和碳稅。如果碳稅政策開始實(shí)施，這條技術(shù)路徑就有經(jīng)濟(jì)性。”

 

這個(gè)世界不需要絕對(duì)的“零碳”，追求零碳是不科學(xué)的。我們吃的食品、植物生長(zhǎng)和光合作用都需要二氧化碳。如果從煤經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)到天然氣經(jīng)濟(jì)或者甲醇經(jīng)濟(jì)就可以減碳60%以上，基本上就可以做到碳中和。因此我們講的是“碳中和”，國(guó)外講的是“凈零排放”，排放的同時(shí)要有其他技術(shù)平衡排放。

 

中國(guó)有成熟的煤制甲醇技術(shù)，只是要產(chǎn)生很多的二氧化碳，因?yàn)橐ㄟ^(guò)水汽變換反應(yīng)（CO+H2O→CO2+H2）制氫。如果這部分氫可以在西部用太陽(yáng)能和風(fēng)能制，電解水時(shí)也同時(shí)副產(chǎn)氧氣可供煤氣化爐使用，這樣煤制成甲醇就不用排放二氧化碳，再用甲醇作為能源載體就可以減碳60%以上，這可能是比較現(xiàn)實(shí)的一條碳中和路線。

 

風(fēng)能、太陽(yáng)能雖然貴一點(diǎn)，但煤很便宜，兩者耦合后成本就可控。氫氣和二氧化碳做綠色甲醇目前還有一定的成本障礙，直接用現(xiàn)有的煤甚至劣質(zhì)煤制甲醇成本比H2和CO2合成甲醇要便宜很多。

 

氫氣制造雖然便宜，可一旦壓縮成本就很高。張家口冬奧會(huì)氫能示范工程，國(guó)家補(bǔ)貼了大量資金，并且目標(biāo)在未來(lái)幾年達(dá)到30元/kg。如沒(méi)有補(bǔ)貼，高壓氫的實(shí)際成本近100元元/kg。如果在車上用甲醇，按今天的市場(chǎng)價(jià)買甲醇，成本只有15元/kg左右。

 

甲醇制氫不僅成本低,且甲醇常溫常壓下是液體。甲醇站可利用現(xiàn)有的液體加油站改裝，整個(gè)能源轉(zhuǎn)型就不需要再耗費(fèi)巨資去建加氫站和充電樁。簡(jiǎn)單估算布局成本，按加油站450輛車/天的加注能力，充電站24輛車/天充電能力，小型氫氣加注30輛車/天來(lái)測(cè)算，假設(shè)都建一萬(wàn)座，改裝1萬(wàn)座加油站加甲醇大約需要20億美元，充電站大約需要830億美元，加氫站大約需要1.4萬(wàn)億美元，而且這個(gè)1.4萬(wàn)億還沒(méi)有考慮地價(jià)的因素。

 

石油排碳太高可以用綠色或藍(lán)色的甲醇液體取代，可以把太陽(yáng)能和風(fēng)能轉(zhuǎn)成液體儲(chǔ)存，這就改變了儲(chǔ)能的概念?？侩姵刈龃笮蛢?chǔ)能也要非常謹(jǐn)慎。最近國(guó)家也非常注意，把梯級(jí)利用的大電站停下來(lái)了，安全性確實(shí)是一個(gè)問(wèn)題。

 

如果原有的工業(yè)基礎(chǔ)通過(guò)關(guān)停并轉(zhuǎn)大幅調(diào)整，最終卻沒(méi)能提供足夠的清潔能源，排放也沒(méi)有實(shí)質(zhì)性減少，這是我們要警惕的。一旦發(fā)生這樣的事情，多年以后回看，上萬(wàn)億投資花光，卻沒(méi)有實(shí)際上達(dá)到碳中和，這將是非常致命的。

 

在北上廣深這些中心城市，充電站或加氫站除了面臨土地成本昂貴的問(wèn)題，電動(dòng)車還存在冬天續(xù)航問(wèn)題。我國(guó)已建成的公共充電樁利用率平均只有4%左右，其中充電樁鋪設(shè)最多的北京、上海，使用率僅為1.8%、1.5%。電動(dòng)車存在里程焦慮且冬天無(wú)法滿足供暖，到冬天一遇冷可能會(huì)趴窩，而全世界80%主要發(fā)達(dá)城市位于北緯25度以上，都是有冬天的地方。如果一輛汽車只能夏天開冬天開不了，消費(fèi)者可能不會(huì)買單。

 

如果風(fēng)能、太陽(yáng)能和煤炭結(jié)合轉(zhuǎn)成甲醇，車上永遠(yuǎn)裝50升甲醇就可解決這個(gè)問(wèn)題。今天的電動(dòng)車，受限于充電樁數(shù)量少和充電等待時(shí)間的限制，要想辦法給電動(dòng)車賦能。在家庭停車位旁邊安裝幾百塊錢的慢充裝置，車上再裝50L甲醇，相當(dāng)于晚上睡覺(jué)把手機(jī)充滿，同時(shí)還帶上充電寶。電池沒(méi)電可以用車上的甲醇和水制氫，用氫發(fā)電。甲醇和水反應(yīng)只需要200多度，余熱在冬天也可以把電池維持在最佳溫度。

 

“綜合評(píng)估每條路徑的后果，我認(rèn)為目前甲醇可能是最好的儲(chǔ)氫載體， 未來(lái)隨著技術(shù)的進(jìn)步，如果像乙醇液體也能夠和甲醇一樣便宜的用太陽(yáng)能風(fēng)能及少量的煤（提供碳）制造，那會(huì)更好。”

 

放寬思考的譜系范圍，霧霾的治理也與碳中和息息相關(guān)

 

在科技和經(jīng)濟(jì)上，中國(guó)屬于后發(fā)國(guó)家。當(dāng)歐美已經(jīng)在追求節(jié)能、綠色、環(huán)保的時(shí)候，我們還沒(méi)有完全釋放生產(chǎn)力，于是污染、能耗都很高，水、空氣、土壤都在重現(xiàn)歐美一百多年前的困境。多年來(lái)，劉科院士也一直致力于霧霾成因的研究。“前些年每次從藍(lán)天碧海的南加州回國(guó)下飛機(jī)后，空氣質(zhì)量的強(qiáng)烈對(duì)比讓我覺(jué)得有義務(wù)一定要把中國(guó)的霧霾治理好。”

 

霧霾包括一次顆粒和二次顆粒?；剂先绮裼腿紵龝r(shí)尾氣中直接排放的顆粒是“一次顆粒”，占霧霾總量的24%左右。對(duì)霧霾“貢獻(xiàn)”最大的是 “二次顆粒” ，占霧霾總量約50%左右。“二次顆粒”是化石燃料燃燒尾氣中的氣態(tài)污染物（如NOx、SOx）和揮發(fā)性有機(jī)物（VOC）進(jìn)入大氣后，在一定的水霧狀態(tài)下與空氣中的氨及VOC等物質(zhì)發(fā)生氣溶膠反應(yīng)形成的顆粒。氮氧化物在天空遇水就變成硝酸，硫氧化物氧化遇水就是硫酸。如果人們不使用化肥，空氣中沒(méi)有氨排放，就只形成酸雨形不成霧霾。大量使用化肥導(dǎo)致空氣中含有有氨，氨是堿性物，酸堿反應(yīng)形成鹽顆粒PM2.5。頭發(fā)絲大概是70微米左右，肉眼的分辨率只有60微米左右，PM2.5的顆粒是看不見摸不著的，但當(dāng)萬(wàn)億個(gè)PM2.5懸浮在天空中就可以遮天蔽日。

 

這兩年我國(guó)在脫硫脫硝上花了上萬(wàn)億，取得非常大的進(jìn)展，但仍然有霧霾成因的重要因素是使用化肥以及氨排放沒(méi)有得到足夠重視?；试诙虝r(shí)間使用副作用顯現(xiàn)不明顯，但使用三五十年以后，問(wèn)題來(lái)了。早些年硝酸銨、磷酸銨強(qiáng)酸弱堿，氨被吸收，酸流到土壤里面，把土壤中的細(xì)菌殺死，引起大面積的土地板結(jié)。

 

另外，長(zhǎng)期使用化肥的土地產(chǎn)出的農(nóng)作物微量元素和礦物質(zhì)含量會(huì)大幅降低。土壤中有很多礦物質(zhì)不溶于水，但是一遇到酸會(huì)發(fā)生酸浸。酸浸導(dǎo)致土壤中微量礦物質(zhì)流失，食品不可能不變，同時(shí)伴隨著人類大量使用化肥及農(nóng)藥等酸性物質(zhì)導(dǎo)致土地酸化、貧化、人類的哮喘、心臟病、癌癥等疾病也相應(yīng)增加。

 

看待復(fù)雜問(wèn)題時(shí)，切忌單一思維。如果放寬思考的譜系范圍，認(rèn)真考慮如何解決霧霾的問(wèn)題，其實(shí)也與碳中和息息相關(guān)，我們需要拓寬思考問(wèn)題成因的廣度和深度。

 

微礦分離技術(shù)，跳出有限視角的科學(xué)實(shí)踐

 

物質(zhì)不滅，雖經(jīng)數(shù)百萬(wàn)至數(shù)千萬(wàn)年，土壤中寶貴的微量元素及礦物質(zhì)以煤炭的形式保留至今。煤炭中可燃部分基本是二氧化碳和水通過(guò)光合作用形成，不可燃部分是遠(yuǎn)古時(shí)期樹根吸收的礦物質(zhì)、微量元素。如果直接用火燒掉，一千多度以后它們就形成了玻璃狀的琉璃瓦，把對(duì)土壤有利的寶貴的礦物質(zhì)鈍化。

 

劉科院士和團(tuán)隊(duì)研發(fā)了一項(xiàng)核心技術(shù)，在水中把煤磨細(xì)，然后再較低溫度下把煤里的可燃和不可燃的物質(zhì)分開。分離出的微米級(jí)的炭顆?？蓱腋≡谒铮锰刂频腻仩t讓它們?nèi)紵饋?lái)比天然氣都干凈。不可燃部分經(jīng)過(guò)和秸稈粉，有機(jī)肥及菌種等混合經(jīng)一系列微生物發(fā)酵反應(yīng)后，可形成很好的土壤改良劑。使用這一技術(shù)，劣質(zhì)煤都可以用來(lái)制甲醇，且成本很低， 得到的甲醇燃料比等熱值的汽油還干凈、便宜，同時(shí)可解決煤炭運(yùn)輸問(wèn)題。

 

“十年前，我的觀點(diǎn)就是汽車尾氣對(duì)霧霾有“貢獻(xiàn)”，但不是霧霾的主要成因，很多人不信。疫情初期，武漢封城后2個(gè)多月，全國(guó)各地幾乎都封城，所有汽車包括電動(dòng)車停開了兩個(gè)多月，期間北方一些城市霧霾還很嚴(yán)重。由此可見，即使汽車全停了， 如果冬季供暖，發(fā)電主要靠煤，霧霾問(wèn)題依然會(huì)存在。因此，要治理霧霾首先要把煤搞干凈以后再去燒。”

 

透過(guò)不同的視角審視同一個(gè)問(wèn)題，不僅可以讓人們更清楚地看到影響決策的所有因素，也有助于發(fā)現(xiàn)先前不易覺(jué)察的替代選項(xiàng)。劉科院士以治理霧霾的心態(tài)研發(fā)的這項(xiàng)微礦分離技術(shù)，現(xiàn)已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化，并且做了大量的農(nóng)田實(shí)驗(yàn)，效果比想象中還要好。

 

基于頂層設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)決策，我們需要現(xiàn)實(shí)的碳中和路徑

 

歐盟的碳排放量在1980年就已達(dá)到峰值，美國(guó)和日本在2008年達(dá)到峰值，而中國(guó)將在2030年達(dá)到。從峰值到中和，歐盟用了70年時(shí)間，美國(guó)和日本用了42年時(shí)間，但中國(guó)只有30年時(shí)間。相比之下，中國(guó)面臨的碳中和任務(wù)更重。在外有壓力、內(nèi)有困難的情況下，走切實(shí)可行的道路，既順應(yīng)國(guó)際大勢(shì)，又能推動(dòng)國(guó)內(nèi)產(chǎn)業(yè)的變革。習(xí)總書記說(shuō)了“綠水青山就是金山銀山”，在實(shí)現(xiàn)碳中和的過(guò)程中把霧霾等污染問(wèn)題一并解決，讓藍(lán)天白云重回祖國(guó)大地。因此，碳中和是一條多贏的正確道路。采訪中，劉科院士談到了碳中和的幾個(gè)現(xiàn)實(shí)路徑，如果這些路徑走通，今后不但是中國(guó)受益，全世界都將因此受益。

 

01

 

通過(guò)現(xiàn)有煤化工與可再生能源結(jié)合實(shí)現(xiàn)低碳能源系統(tǒng)。既可以讓現(xiàn)有的煤制甲醇及其他煤化工產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)凈零碳排放；通過(guò)太陽(yáng)能、風(fēng)能、核能電解水制備綠氫和氧氣，這樣就不需要水汽變換去制氫；同時(shí)副產(chǎn)的氧氣供煤氣化使用，可大大降低煤制甲醇和其他化學(xué)品及油品的CO2排放。

 

劉科院士強(qiáng)調(diào)，煤化工過(guò)程中氧氣制造的“空分裝置”不僅投資巨大，而且很耗電。使用可再生能源電解水制氫制氧供煤制甲醇使用，大大降低目前煤制甲醇廠的碳排放，其實(shí)就相當(dāng)于把風(fēng)能太陽(yáng)能以液體甲醇的形式儲(chǔ)存下來(lái)，使得甲醇成為風(fēng)能太陽(yáng)能的儲(chǔ)運(yùn)載體，這也可以理解為全新的風(fēng)能太陽(yáng)能液體儲(chǔ)能路線。

 

02

 

利用煤炭領(lǐng)域的碳中和技術(shù)——微礦分離技術(shù)。在煤燃燒前，把可燃物及含污染物的礦物質(zhì)分離開，制備低成本類液體燃料+土壤改良劑，源頭解決煤污染、濫用化肥及土壤生態(tài)問(wèn)題，同時(shí)低成本生產(chǎn)甲醇、氫氣等高附加值化學(xué)品。

 

因?yàn)閭鹘y(tǒng)的煤炭使用方式燃燒二氧化碳排放產(chǎn)生的灰渣有10%的碳，不光是浪費(fèi)能源而且變成了固廢，整個(gè)內(nèi)蒙古電廠粉煤灰成災(zāi)。通過(guò)分離之后，該做燃料就做燃料，該做土壤改良的去用于土壤改良。分流以后，這邊釋放二氧化碳，而副產(chǎn)的土壤改良劑可用于板結(jié)土地、鹽堿地及沙漠治理，讓以前不長(zhǎng)植物的荒地變綠，讓森林長(zhǎng)起來(lái)把放出去的二氧化碳再吸回來(lái)，這樣做可以達(dá)到或接近碳中和。

 

舉個(gè)例子，當(dāng)清潔固體燃料CSF產(chǎn)量達(dá)到25萬(wàn)噸時(shí)，我們每年碳排放大約69.5萬(wàn)噸，在施用土壤改良劑SRA的條件下，根據(jù)治理的面積大約分別可以吸回來(lái)48.7萬(wàn)噸、61.9萬(wàn)噸，甚至74.9萬(wàn)噸。（見上表）這是比較現(xiàn)實(shí)的碳中和的路徑，而且不需要那么高的成本，適當(dāng)花一點(diǎn)錢就可以做到的。

 

03

 

實(shí)現(xiàn)光伏與農(nóng)業(yè)的綜合發(fā)展，將光伏與農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)、水資源利用及沙漠治理并舉，實(shí)現(xiàn)光伏和沙漠治理結(jié)合，及光伏和農(nóng)業(yè)聯(lián)合減碳。

 

西部缺水，我們即便采用再多含保水材料的土壤改良劑，大太陽(yáng)曬還是長(zhǎng)不出植物來(lái)。而太陽(yáng)能板底下的揮發(fā)減少了，就可以種植物。太陽(yáng)能板需要定期沖洗，有了發(fā)電，大家可以花一點(diǎn)錢用PVC管子輸一些黃河水過(guò)去，每幾周給光伏板沖水。水資源寶貴，沖過(guò)的水我們還可以用來(lái)給太陽(yáng)能板底下的農(nóng)作物做滴灌。這樣，發(fā)電的同時(shí)還可以把底下全部變成綠色，變好了再把太陽(yáng)能板搬個(gè)幾百米，一片片土地可以這樣治理出來(lái)。

 

04

 

峰谷電與熱儲(chǔ)能綜合利用。目前火電廠在半夜12點(diǎn)到早上6點(diǎn)這個(gè)區(qū)間，盡管還在排放大量CO2，但發(fā)的電沒(méi)人用，是浪費(fèi)掉的?？梢詫㈦娪梅植际揭詿岬男问絻?chǔ)存下來(lái)，利用分布式儲(chǔ)熱模塊，在谷電時(shí)段把電以熱的形式儲(chǔ)下來(lái)，再在需要時(shí)用于供熱或空調(diào)，這樣可以讓1/4甚至是1/3的時(shí)間的電不至被浪費(fèi)，可大大降低CO2排放，實(shí)現(xiàn)真正的煤改電。

 

另外，配合屋頂光伏戰(zhàn)略及縣域經(jīng)濟(jì)，進(jìn)一步減少電能消耗。國(guó)內(nèi)儲(chǔ)能領(lǐng)域?qū)τ趦?chǔ)電關(guān)注較多，但實(shí)際上大多數(shù)能量從消費(fèi)端來(lái)看都應(yīng)用于空調(diào)制冷或取暖的熱能領(lǐng)域，儲(chǔ)熱技術(shù)也是需要關(guān)注和發(fā)展的。

 

05

 

利用可再生能源制甲醇，然后做分布式的發(fā)電?？梢允褂眉状?xì)淠芊植际侥茉刺娲磺惺褂貌裼蜋C(jī)的場(chǎng)景，和光伏、風(fēng)能等不穩(wěn)定可再生能源多能互補(bǔ)。分布式發(fā)電，可以做到熱電聯(lián)供，這樣系統(tǒng)總體效率比激增發(fā)電高很多。因?yàn)楸M管電可以遠(yuǎn)距離輸送，但熱不可能從遠(yuǎn)距離輸運(yùn)。把風(fēng)能和太陽(yáng)能以液體的形式儲(chǔ)存下來(lái)，液體通過(guò)管路遠(yuǎn)距離輸送損失很少。再用甲醇分布式熱電聯(lián)供，比現(xiàn)有的西部煤發(fā)電輸送到東部供電供熱模式，其能源效率要高很多，進(jìn)而大大減低碳排放。

 

實(shí)現(xiàn)碳中和過(guò)程中需要做出的決策都涉及廣泛的知識(shí)學(xué)科，若非進(jìn)行跨學(xué)科的磋商和考量，則很難實(shí)現(xiàn)真正意義上的碳中和，所以我們需要的是基于頂層設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)決策的系統(tǒng)、科學(xué)的整套方案。