劉科院士：我們需要著眼全局看待碳中和

碳中和是一場系統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)革命，涉及一系列能源結(jié)構(gòu)調(diào)整的問題、技術(shù)進(jìn)步的問題、發(fā)展方式轉(zhuǎn)變的問題，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)院院長劉科，請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于碳中和的六個誤區(qū)以及現(xiàn)實(shí)路徑。

 

劉   科  澳大利亞國家工程院外籍院士

 

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

 

就在采訪結(jié)束之后的不久，國家發(fā)改委點(diǎn)名批評了減碳工作中的“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，存在兩個極端現(xiàn)象：窄帶和全譜。我們用類似的方式來想象對于碳中和的理解。不能通過單一尺度來理解碳中和，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，從多個角度考慮問題。

 

劉科院士認(rèn)為當(dāng)前大眾對碳中和的挑戰(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題，因此常存在以下幾個誤區(qū)：

 

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

 

中國各地的太陽能每年發(fā)電小時(shí)數(shù)不等，但全國各地平均起來大約在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▌有?，需要儲能技術(shù)配合。對電網(wǎng)來說，波動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。

 

太陽能和風(fēng)能最大的問題是非穩(wěn)定供電，電網(wǎng)靠電池儲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、鋰等貴金屬的儲量也無法讓人們制造天量的電池。這種情況下如果儲能的問題不解決，太陽能和風(fēng)能建的越多，棄光棄風(fēng)的問題就會越嚴(yán)重。

 

盡管風(fēng)能、太陽能增量巨大，可與煤電相比其發(fā)電量仍然非常有限。以2019年為例，全國的風(fēng)能和太陽能加起來發(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，太陽能和風(fēng)能這些低碳能源需要大力發(fā)展，但在儲電成本仍然很高的當(dāng)前，儲能技術(shù)不突破，在可見的未來仍然無法全部取代化石能源發(fā)電，對碳中和的貢獻(xiàn)也是非常有限的。

 

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

 

人們認(rèn)為如果儲能技術(shù)進(jìn)步，風(fēng)能和太陽能可以徹底取代火電。這個假設(shè)太大了，事實(shí)上自鉛酸電池發(fā)明至今的百年來，人類花費(fèi)了數(shù)千億美元研發(fā)經(jīng)費(fèi)研究儲能。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）的儲電技術(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)的突破不是沒有可能，但只有真正發(fā)現(xiàn)了才能知道。我們無法預(yù)測明天的發(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)未來肯定能發(fā)明某一個魔術(shù)般的低成本儲能技術(shù)， 技術(shù)發(fā)明需要多少時(shí)間很難預(yù)測。

 

迄今，能源行業(yè)目前還沒找到類似半導(dǎo)體的摩爾定律的規(guī)律，碳中和必須選擇現(xiàn)實(shí)可行的路線來推進(jìn)。未來儲能技術(shù)肯定會有新發(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題。粗略估算，一個三口之家一年平均排放碳22噸，但任何產(chǎn)品一個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)品都用二氧化碳來造，也只解決13%的油品燃料的碳中和問題。所以，從規(guī)模上二氧化碳制成化學(xué)品對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)。未來十年，中國二氧化碳驅(qū)油消耗量大概是600多萬噸，而我國一年的排放是103億噸。驅(qū)油階段是一部分二氧化碳進(jìn)到地里，還有一部分會跟著油出來，不是一個完全的埋藏。

 

對此，劉科院士當(dāng)年在GE工作時(shí)就曾有過實(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。這個工廠在美國運(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，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)問題，更是經(jīng)濟(jì)和社會平衡發(fā)展的綜合性問題。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年前就測算過，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電廠尾氣里面分離出來成為純二氧化碳，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時(shí)的測算數(shù)據(jù)，但從中不難看出，在電廠尾氣中把CO2分離出來的成本占比最大。

 

誤區(qū)五：認(rèn)為通過提高能效，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，我國的能效提高了很多，但碳排放總量減少了嗎？不但沒有，反而增加得很多。2000年中國的石油消耗大概是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)變化可以看到整個社會的變化。加入WTO之前有一個很重要的數(shù)字，中國的煤產(chǎn)量大概是12億噸，基本上自產(chǎn)自銷，出口很少。2012年這個數(shù)字從12億噸飆升到36億噸，這是一個天量，當(dāng)然隨之而來的碳排放也增加了3倍多。唯一的解讀是加入WTO，世界的市場向中國開放了。

 

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，碳排放總量不但沒有下降，反而增加了3倍以上。因此盡管提高能效對減低碳排放有些貢獻(xiàn)；但對碳中和的貢獻(xiàn)卻是非常有限的。

 

誤區(qū)六：認(rèn)為電動車、燃料電池車可以降低碳排放。

 

我國發(fā)展電動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)。電動車可以讓局部的污染降下來，但在全生命周期的碳排放分析看來，對全球氣候變化并沒有太大影響。

 

只有中國的能源結(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%的來源還是煤電，那電動車對減低碳排放的貢獻(xiàn)是非常有限的。

 

上述碳減排的路徑盡管每一個的貢獻(xiàn)都是有限的，這里只是用數(shù)據(jù)讓大家意識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)于電動車，我下面只講一段講歷史不預(yù)測未來”。電動車的概念并不新，1912年，歐美街頭的電動車遠(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能載體。液體能源有個非常好的特點(diǎn)，陸上可以管路輸送，可以非常便宜的跨海輸送，并可長期儲存，電和氫氣都不能長期儲存。

 

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，而電動車每臺車的電池需要一定量的鎳、鈷、鋰等金屬，其材料成本不會因產(chǎn)量增加而降低；即便產(chǎn)能擴(kuò)張后每臺成本會有所下降，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，電動車將來造得越多材料因供需關(guān)系失衡，而會越貴。近期，鈷、鋰、鎳、銅等價(jià)格都飛漲，但全世界沒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。雖然電池是梯級利用，但儲能電池是有壽命的，內(nèi)含很多有害化學(xué)物質(zhì)，不可能無限期使用。如果將來不回收，當(dāng)大量電池分布在中國大地，如果任其泄露，就會污染土地及地下水，那將是環(huán)境的災(zāi)難。

 

在今天的金屬價(jià)格下，如果電動汽車不提價(jià)，很難盈利。因電動車有以上的這些問題，近兩年網(wǎng)上瘋炒氫能，說電動車真正的未來是氫燃料電池汽車。這個觀點(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)高于電動車。

 

氫能技術(shù)一點(diǎn)也不新。劉科院士早年曾在美國聯(lián)合技術(shù)（UTC）-殼牌合資公司工作，美國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。近幾十年來美國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3萬多輛，美國不到1萬輛。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)很難挑起中國碳中和的重?fù)?dān)。

 

燃料電池汽車之所以沒有產(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、長期儲存方面的優(yōu)勢。

 

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。對于汽車來說，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，但儲氫、運(yùn)氫有難度。大家之所以用風(fēng)能、太陽能制氫，是因?yàn)殡姴缓脙Υ?；制成氫氣，盡管制氫成本不高，但氫氣儲運(yùn)成本很高。因此，問題并沒有完全解決。

 

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、任何一個系統(tǒng)，把這三個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。作為一個科學(xué)家，劉科院士更愿意用數(shù)字來闡釋碳中和背后的底層邏輯。完成碳中和的任務(wù)艱巨且將是漫長的過程。因?yàn)榭梢姷奈磥恚覀內(nèi)辈涣诉@三個化石能源。盡管風(fēng)能、太陽能、CO2轉(zhuǎn)化為化學(xué)品、CCS、CCUS、提高能效都會或多或少對減碳有些貢獻(xiàn)，都值得去鼓勵探索和實(shí)施，但對天量排放的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)在美國時(shí)，美國能源部及各大相關(guān)公司曾花了幾億美元（僅美國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)字說話。

 

“我回國后花了很大氣力，把能源各路徑全生命周期分析這套方法論引進(jìn)來，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，并不斷完善調(diào)整，最后能跟現(xiàn)實(shí)數(shù)據(jù)對上去。“數(shù)據(jù)決策”就是要用反復(fù)校正過的模型的預(yù)測數(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氫載體

 

1L甲醇和水反應(yīng)可以放出143克的氫。儲氫技術(shù)手段無非就是壓縮和冷凝。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)年美國還沒有大規(guī)模開采頁巖氣，所以甲醇成本太高，當(dāng)時(shí)沒有經(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)太陽能、風(fēng)能可以賣碳稅時(shí)，把風(fēng)能、太陽能和煤結(jié)合制出比較便宜的綠色或藍(lán)色甲醇。目前中國甲醇的產(chǎn)能位居世界首位，年產(chǎn)約8000多萬噸。通過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)動機(jī)效率高。這條路線未來是有可能的。我只能說有可能，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。”

 

這個世界不需要絕對的“零碳”，追求零碳是不科學(xué)的。我們吃的食品、植物生長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^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。張家口冬奧會氫能示范工程，國家補(bǔ)貼了大量資金，并且目標(biāo)在未來幾年達(dá)到30元/kg。如沒有補(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/天來測算，假設(shè)都建一萬座，改裝1萬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1.4萬億美元，而且這個1.4萬億還沒有考慮地價(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，可以把太陽能和風(fēng)能轉(zhuǎn)成液體儲存，這就改變了儲能的概念。靠電池做大型儲能也要非常謹(jǐn)慎。最近國家也非常注意，把梯級利用的大電站停下來了，安全性確實(shí)是一個問題。

 

如果原有的工業(yè)基礎(chǔ)通過關(guān)停并轉(zhuǎn)大幅調(diào)整，最終卻沒能提供足夠的清潔能源，排放也沒有實(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，上萬億投資花光，卻沒有實(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題，電動車還存在冬天續(xù)航問題。我國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%。電動車存在里程焦慮且冬天無法滿足供暖，到冬天一遇冷可能會趴窩，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)者可能不會買單。

 

如果風(fēng)能、太陽能和煤炭結(jié)合轉(zhuǎn)成甲醇，車上永遠(yuǎn)裝50升甲醇就可解決這個問題。今天的電動車，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)于晚上睡覺把手機(jī)充滿，同時(shí)還帶上充電寶。電池沒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。

 

“綜合評估每條路徑的后果，我認(rèn)為目前甲醇可能是最好的儲氫載體， 未來隨著技術(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能風(fēng)能及少量的煤（提供碳）制造，那會更好。”

 

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，中國屬于后發(fā)國家。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，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下飛機(jī)后，空氣質(zhì)量的強(qiáng)烈對比讓我覺得有義務(wù)一定要把中國的霧霾治理好。”

 

霧霾包括一次顆粒和二次顆粒。化石燃料如柴油燃燒時(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)萬億個PM2.5懸浮在天空中就可以遮天蔽日。

 

這兩年我國在脫硫脫硝上花了上萬億，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，問題來了。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題，其實(shí)也與碳中和息息相關(guān)，我們需要拓寬思考問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)百萬至數(shù)千萬年，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。分離出的微米級的炭顆?？蓱腋≡谒?，用特制的鍋爐讓它們?nèi)紵饋肀忍烊粴舛几蓛簟２豢扇疾糠纸?jīng)過和秸稈粉，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)輸問題。

 

“十年前，我的觀點(diǎn)就是汽車尾氣對霧霾有“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個多月，全國各地幾乎都封城，所有汽車包括電動車停開了兩個多月，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，霧霾問題依然會存在。因此，要治理霧霾首先要把煤搞干凈以后再去燒。”

 

透過不同的視角審視同一個問題，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，美國和日本在2008年達(dá)到峰值，而中國將在2030年達(dá)到。從峰值到中和，歐盟用了70年時(shí)間，美國和日本用了42年時(shí)間，但中國只有30年時(shí)間。相比之下，中國面臨的碳中和任務(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)國際大勢，又能推動國內(nèi)產(chǎn)業(yè)的變革。習(xí)總書記說了“綠水青山就是金山銀山”，在實(shí)現(xiàn)碳中和的過程中把霧霾等污染問題一并解決，讓藍(lán)天白云重回祖國大地。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現(xiàn)實(shí)路徑，如果這些路徑走通，今后不但是中國受益，全世界都將因此受益。

 

01

 

通過現(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；通過太陽能、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)能太陽能以液體甲醇的形式儲存下來，使得甲醇成為風(fēng)能太陽能的儲運(yùn)載體，這也可以理解為全新的風(fēng)能太陽能液體儲能路線。

 

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，整個內(nèi)蒙古電廠粉煤灰成災(zāi)。通過分離之后，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，讓以前不長植物的荒地變綠，讓森林長起來把放出去的二氧化碳再吸回來，這樣做可以達(dá)到或接近碳中和。

 

舉個例子，當(dāng)清潔固體燃料CSF產(chǎn)量達(dá)到25萬噸時(shí)，我們每年碳排放大約69.5萬噸，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48.7萬噸、61.9萬噸，甚至74.9萬噸。（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，大太陽曬還是長不出植物來。而太陽能板底下的揮發(fā)減少了，就可以種植物。太陽能板需要定期沖洗，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去，每幾周給光伏板沖水。水資源寶貴，沖過的水我們還可以用來給太陽能板底下的農(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，變好了再把太陽能板搬個幾百米，一片片土地可以這樣治理出來。

 

04

 

峰谷電與熱儲能綜合利用。目前火電廠在半夜12點(diǎn)到早上6點(diǎn)這個區(qū)間，盡管還在排放大量CO2，但發(fā)的電沒人用，是浪費(fèi)掉的?？梢詫㈦娪梅植际揭詿岬男问絻Υ嫦聛恚梅植际絻崮K，在谷電時(shí)段把電以熱的形式儲下來，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。國內(nèi)儲能領(lǐng)域?qū)τ趦﹄婈P(guān)注較多，但實(shí)際上大多數(shù)能量從消費(fèi)端來看都應(yīng)用于空調(diào)制冷或取暖的熱能領(lǐng)域，儲熱技術(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。可以使用甲醇?xì)淠芊植际侥茉刺娲磺惺褂貌裼蜋C(jī)的場景，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)能和太陽能以液體的形式儲存下來，液體通過管路遠(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)碳中和過程中需要做出的決策都涉及廣泛的知識學(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。