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            碳中和將帶來四大時代變化!只有完成這四個變遷,才能實現碳中和

            2023-03-03 11:06:01     來源:中國科協新技術公眾號

            01

            碳中和是中國發展的必然需求

            聯合國大會上,有121個國家提出要2050年達到碳中和,這當然是對中國有壓力的。我國在提出構建人類命運共同體的前提下,也堅持了自己的原則,也就是說應對氣候變化問題,大家都有責任,責任是共同但有區別的。所以,我國提出了“爭取在2060年前實現碳中和”的目標。

            那么,我國為什么要做這個事,并且作為全國的一個重大發展目標呢?事實上這和我國自身的發展需求也有關系。我覺得,我國制定“雙碳”目標,一方面是應對來自西方國家的壓力,另一方面也是我國發展到了目前的階段,不得不做的。

            中國現在發展最大的矛盾就是能源短缺,資源不夠,加上環境惡化。我國現在74%的石油是從國外進口,差不多40%至50%的天然氣進口,鐵礦石80%進口。我國在資源和能源上,如果還想進一步發展,就會受到這些方面的制約。

            02

            碳中和是環境問題,更是發展問題

            我國現在要從工業化社會變成信息化社會,就必須解決我國的資源問題、能源問題、環境問題。在這種情況下,我國正好以碳中和作為一個巨大的驅動力,來驅動中國的轉型。

            所以說,碳中和是中國必須做的,我覺得我國通過中國人的財富、才能,是完全可以做到的,是可以解決這些問題的,我國是有自己的發展目標和任務的。

            金涌院士接受《環境與生活》雜志記者采訪

            因此我國提出碳達峰、碳中和的目標,要知道我國現在是全世界碳排放量最大的國家,排放全球近1/3的二氧化碳。我國從碳達峰到碳中和只有30年時間,這是非常短的時間。世界上其他一些國家,從碳達峰到2050年碳中和,像英國是接近80年,美國也有40多年。我國要想很快地把這么大的二氧化碳排放量,降到碳中和的目標,困難還是很大的。

            碳中和絕對不是一個單純的能源問題或氣候變化問題,而是一個深刻、廣泛的經濟社會系統變革,是涉及全社會的事,是一個非常非常大的目標。也可以說,碳中和將會是主導中國經濟增長和轉型的最大驅動力,也是我國以后經濟活動最核心的部分之一。

            因為是一個整體的社會變革,如果達成目標,我國就真正做到了可持續發展,我國就不會再有對國外的能源的依賴。大部分資源我國能通過循環經濟解決,這樣的話,中國就真正做到了可持續發展,相應的,污染也減少了。

            03

            產業與能源轉型是目前最大的需求

            為什么我國的每萬元GDP能耗和發達國家有如此大的差距?根本問題在于產業結構,當然服務業少也是原因之一。改變產業結構非常重要,但是,我國也不會因此放棄制造業,因為中國是世界制造業第一大國。因此我國要發展高端制造業,向著高質量發展。

            我國現在存在很多產品價值低,但二氧化碳排放量大,并且能耗很大的產業。比如鋼鐵,我國2019年生產了12億噸鋼,占全球鋼年產量的一半。按人均產量來算,是美國的3倍。水泥就更是如此了,我國的水泥產量占全世界70%,人均水泥生產量是美國的6倍。但是問題就來了,我國未來還會再建這么多高速公路或樓房嗎?

            我國進入了信息化社會,產業就要發生很大變化,所以在這40年之內,可能我國會逐漸將一些產業淘汰,尤其是一些高耗能低產出的行業,要有序地退出,然后用先進的、高端的、耗能少、產值高的行業代替。這樣就有機會把我國的每萬元GDP能耗也降到0.1噸左右,這是完全可能實現的。所以,這將會是全行業要面臨的情況。我國要從工業化社會,變成信息化社會,這樣才有可能真正實現碳中和。要想經濟發展和減少碳排放同時實現,就需要全社會的共同努力。

            金涌院士(右二)榮獲清華大學2017年度突出貢獻獎

            接著就是產業轉型,現在我國的能源,基本都是把煤、油、天然氣直接燒掉,燃燒就會產生二氧化碳。不燒不就沒有二氧化碳了嗎?可就目前的情況來看,不燒就沒有能源了。化石能源是推動此前三次工業革命的主要力量,現在我國需要讓化石能源逐漸退出,如果不燒,自然就不會有二氧化碳排放。

            那么,能源問題怎么解決?我國提出碳中和目標的一個先決條件,就是我國的光伏發電和風電產業發展很好。在光伏發電和風電發展了十多年后的今天,其發電成本已經大幅下降。

            現在光電、風電與火電相比,每發一度電的經濟成本,已經基本相近。我國的技術已經到了這種程度,并且在這方面是領先的。我國的光電、風電發展非常好,而且現在產量、產值都是世界第一。

            我國完全可以建設光電風電的發電裝置來代替火力發電,也就是不用燒(燃料)了。中國的風力發電占全世界的1/3到1/4。中國出口的光電用硅板,產量占全世界70%。

            另外就是電動車,我國電動車保有量約為500多萬輛,也是全世界第一,當然占比還很小。電動車在未來也會成為拉動經濟的重要力量。美國就很害怕,6月初美國總統拜登在“汽車城”底特律市發表演講,說中國在電動車領域超過了美國,無論產量、市場和電池,都比美國做得好。為了趕上中國,拜登公開承諾將會投入1700億美元補貼美國的電動車產業。

            我國現在是有條件利用新的可再生能源代替火電了,技術問題都解決了,經濟問題也接近解決,那么我國的環境當然會更好。以后,我國發展經濟就需要考慮技術可行、經濟合算、二氧化碳排放量低,這是與今后的發展吻合的。這些都是先決條件,如果沒有這些條件,碳中和自然不可能實現,我國正是因為有了這些良好的基礎,才有了現在的目標。

            04

            從化石燃料到化石材料

            回到化工行業的話題,既然我國未來不燒化石燃料了,那用它做什么?首先就是石油,將來我國的汽車絕大多數會被電動車代替。這不會是十分遙遠的未來,現在歐盟一些國家已經計劃2030年后不再生產汽油車,而是全部變為電動車,那么傳統煉油產業肯定要逐漸退出市場。相應的,要把石油做成材料,而不是變成汽油、柴油、煤油。現在,我國的傳統煉油技術,80%的石油都變成了汽油、柴油、煤油,20%是石腦油。石腦油裂解再制成烯烴、芳烴。

            圖|金涌院士

            我認為,今后這種技術路線將會改變,石油化工企業將會改變結構,不再生產燃料,而是生產材料,比如說橡膠、纖維或其他高端材料、涂料。這種轉型就是石油化工的發展方向,現在已經成為全球共識。國外的一些企業已經開始著手布局這種轉型,比如歐洲的道達爾公司,就要把石油的利潤占比逐漸減少,現在占50%,將來要減少到30%,同時要大量發展新產業,也就是石油材料。

            有了石腦油,我們就可以生產三烯三苯,也就是乙烯、丙烯、丁烯、苯、甲苯、二甲苯。就可以生產非常多的化工產品,可以說所有的石化產品,原料都是三烯三苯。

            有了這些,我們就可以生產各種高分子材料。我們不再把石油燒掉,而是把碳都留在了材料中,碳對人類是非常重要的物質,碳并不壞,只是不應該讓它變成溫室氣體跑到天上去。

            所以石油總的發展方向,就是從燃料變成材料,這也是我國化工企業今后的發展方向,一方面我國不再燒石油了,減少二氧化碳排放;另一方面,企業轉型為石油材料制造商,也避免了企業的損失。

            最難的就是煤,煤燃燒是現在二氧化碳排放的大戶。如果我們不燒煤,用它做什么?煤化工顯然不是最好的選擇,我國之前從事了很多年的MTO(醇制烯烴)和“煤變油”研究,我國的煤化工產量已經達到千萬噸級了,過去因為油價很高,所以還有價值。但是繼續發展下去,隨著全球對石油的需求量越來越小,煤化工的問題也就凸顯出來,一是經濟效益差,二是二氧化碳排放高,因此我認為傳統的煤化工技術,都將慢慢淡出市場。

            那么,煤最好的出路是什么?我國需要在這方面研發出具有顛覆性的技術。事實上中國的煤資源并不多,煤儲量只有美國的一半,而人口數是美國的4倍,這樣算下來,美國的人均煤儲量是中國的8倍。中國的煤儲量只占全世界的12%,因此我國其實也不能大肆浪費煤資源。

            除了需要在未來探尋顛覆性的技術外,目前我們已知的最佳利用途徑,也就是煤的分質利用。煤不是單純的碳,煤中的碳氫比是1比0.8,也就是每10個碳原子,伴有8個氫分子,如果用煤當燃料,就相當于把氫也一起燒掉了。

            如果我們在燒之前,就先把碳、氫分開,也就是所謂的藍碳技術,現在我國在這方面做得很好,但也有一些最終的技術問題沒解決。這不是單純的煤制氫技術,煤制氫技術每制造1噸氫氣需要排放11噸二氧化碳,從碳中和的角度來看,煤制氫技術是要被淘汰的。

            煤的分質利用,是把煤所含的碳變成焦炭或半焦,把氫拿出來利用。這些比煤熱值還高的半焦,可以用于火力發電,推動蒸汽輪機,同時利用分出來的碳氫化合物揮發部分,噴在半焦發電煙道氣中,再點燃一次,推動燃氣輪機,這個技術就是燃氣輪機-蒸汽輪機聯合循環發電,這種技術的能量轉化率可以達到60%,遠高于傳統火力發電的45%。

            這樣一來,煤的利用率就提高了,相應的經濟價值也提高了。同時,聯合循環發電中的燃氣輪機可以隨時啟停,因此也可用于調峰發電。我認為,在未來大量使用光伏發電和風力發電之后,火電的生存空間,就是用于調峰發電。

            圖|金涌院士(左一)在蘇聯留學時期與同學合影

            那下一個問題就是,我們將煤分質利用后,這些半焦要如何處理?如果用來燒,還是會產生二氧化碳,所以我們也為半焦找到了出路。碳本身也是還原劑,如果把半焦加熱到一定溫度,碰到二氧化碳,就會把二氧化碳還原成一氧化碳。

            這是我們目前正在研究的項目之一,通過這種還原,半焦就不再產生二氧化碳,反而是能將二氧化碳還原為一氧化碳的還原劑,這就成為二氧化碳減排的物質了。二氧化碳還原是吸熱的,那我們同時再將一部分半焦燒掉,加入少量氧氣使燃燒放熱的同時,生成一氧化碳。一氧化碳可以用來制造很多的化工產品。我想這就是煤今后的出路。

            目前,我們對天然氣的利用存在問題,我們把天然氣用來做飯,也就是民用。舉例來說,我們把一壺水放在燃氣灶上燒,天然氣中的熱量有多少進入水壺了?其實只有30%至40%,其他的熱能都加熱空氣了,這個利用率是很低的。如果用電加熱水壺燒水,熱能的利用率可以達到90%以上。

            所以,我認為以后的家庭將會電氣化,應該把天然氣用于工業。現在,我國的情況正好相反,禁止工業使用天然氣,這是不符合碳中和原則的。美國電氣化的家庭約占50%,歐洲一些國家已經逐漸開始禁止天然氣入戶了。天然氣更適合用于工業生產,天然氣(CH4)中每有1個碳原子,就有4個氫原子,是最好的制氫原料。很多國家都利用天然氣制氫,只有中國是煤制氫,當然這也是因為我國的天然氣儲量很小。總的來說,未來的天然氣將與工業結合,要把煤分質利用產生的一氧化碳與天然氣結合,也將大幅度減少二氧化碳排放。

            總而言之,我國化石能源的煤、石油、天然氣,都需要其相應的產業慢慢轉型,這種轉型將會為二氧化碳減排做出巨大貢獻。除了化石能源轉型之外,利用其他的可再生能源也有助于減排。首先是生物技術,生物是利用太陽能最好的方法之一,目前比較有機會產業化的就是微藻利用,微藻在干燥后,以甘油三酯的形式固定光合作用產物,含油率可達50%至60%,并且藻類可以在海水中生長,生長速度和陽光利用率是陸生植物的4至5倍,這是生物代替化石能源的重要途徑。

            05

            能源結構調整需要因性而謀、因勢而定

            從電力說起,現在我們的技術已經可以讓光電風電的成本與火電持平了,但光電、風電仍然存在一個很大的缺點,就是不穩定性,所以必須有儲能裝置。

            只有讓光電、風電平穩,不波動,才能組成智能電網,儲能裝置的作用就在于此。因此現在電力發展的關鍵,就是解決儲能問題。太陽輻射到地球的能量,是目前人類所需總能量的3000倍,中國有很好的條件,很多地區都適宜發展光電和風電。

            對于光電和風電來說,技術有了,條件也有了,關鍵就是蓄電設備。目前,使用最多的蓄電設施,約占70%以上,就是利用水建立水庫,用多余的電把水抽到上游,需要電力時放水推動發電。但是,僅靠這一種方式顯然是不行的,我們還需要開發更多的方式儲電。

            我們非常看好鋰電池的發展,一方面是電動車可以代替燃油車減少碳排放。另一方面,電池本身就是儲電設備。我國現在機動車保有量是2.5億輛,假設在未來,其中的1億輛變成了電動車,在夜間不使用時充電,那這1億輛電動車就成了儲電設備,充當了調峰的角色。

            所以,我也設想,今后的電動車不再搭配銷售電池,而是將電池出租,或變為換電池的形式。電動車沒電了,可以直接到電站充電或換電池。同時,電站與電網相結合,集中給電池充電,這就起到了儲能和調峰的作用。

            現在,國家也正在積極策劃這方面的行動,當然對于目前的電動車保有量來說,還不足以實現,但就發展而言,這絕對是一個一舉兩得的措施。如果是建立大量大型的調峰電廠,將會耗費巨大的經濟成本。

            06

            碳中和將帶來四大時代變化

            所以,將來中國實現碳中和,會有幾個時代的變化。

            第一,我國要把工業化時代,變成信息化時代。這是需要全民參加的。信息化時代、智能化時代、數字化時代,這種時代的變革會同時發生。

            第二,目前的“化石能源時代”,將會變成“可再生能源時代”。這不是說我們的化石能源已經用完了,而是發展帶來的變化,就好像石器時代發展到青銅時代,也不是因為石頭用完了,而是因為有了煉銅技術。我們現在已經擁有了技術,那么時代的更迭就是必然的,這是很了不起的變化。當然,我還沒提到核能,如果核聚變能源能投入使用,那我們之前說的那些新能源都不算什么了,就要完全變成“核能時代”了。

            第三,“化石燃料時代”變成“化石材料時代”,我國要把這些化石資源進行更加科學合理的應用。

            第四,就是進入到“循環經濟時代”。

            只有真正實現了這四個時代的變遷,才能真正做到碳中和。

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