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刘科院士:“碳达峰”“碳中和”不是他们理解的样子

中国炉具网    作者:刘科    来源:能源资讯中心    日期:2021-09-17 11:49:10    浏览:666
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        炉具网讯:近日,国际知名的能源专家、澳大利亚国家工程院外籍院士、南方科技大学创新创业学院院长刘科做客科技创新院士报告厅,围绕“碳中和误区及其现实路径”做了精彩演讲,在业内引起广泛关注。以下内容根据刘科院士的演讲速记整理节选而成。(本文有删减)

        碳中和近期很热,大家都在谈,但真正对这一方面有全面理解的人不多。有一次我碰到一个朋友,他说我们现在专门在研究将来怎么去计量各个单位、各家公司的二氧化碳排放,这是一个大产业。我说他是劳民伤财。其实一方面,碳中和是一个宏观的问题;另一方面,看一个城市,比如深圳的的碳排,只要看一年耗多少万吨煤炭,耗多少万吨天然气,耗多少万吨油,每一个乘一个系数,再加上耗电量导致的发电端的碳排放,这个城市二氧化碳的排放的总量就可估算出来了,这样算出来的碳排放量基本上占实际排放量的92%左右,其它如秸秆,沼气及垃圾燃烧等只占8%左右。

        据统计,2020年,我们中国二氧化碳排放大约103亿吨(报道数据是102亿吨到108亿吨,我选其它文献中也用的103亿吨这个中间的数字),其中,煤炭、石油、天然气排放达到95亿吨,另外一部分是各种小的,比如沼气、生物质,还有一些其他的排放。所以,约92%的CO2排放是以上煤炭、石油、天然气这三种化石能源燃烧产生的。衡量任何一家公司、任何一家单位、任何一个系统,把这三个算准就可以了。国家对这三个都有统计数据,不需要额外再计量CO2排放量。2020年,中国的总煤耗量大约36亿吨,折算成标准煤大约28亿吨,每吨标准煤再乘以一个系数就可以得出,煤炭一年大约排放73.5亿吨二氧化碳。2020年,中国的石油消耗7亿多吨,折成标准煤约9亿吨,排放二氧化碳15.4亿吨;天然气消耗量折成标煤是4亿吨的样子,排放二氧化碳6亿吨;三个加起来是95亿吨。103亿吨除以14亿人口,人均大概7.4吨,一个三口之家每年平均排放22吨二氧化碳,这是一个天量的数字。怎么说呢?如果把二氧化碳转化成一种产品,22吨原料就要生产22吨产品,不管什么产品,哪一个家庭一年能消耗得了22吨这么多呢?

        关于碳中和,最怕光讲概念不讲数字。作为一个科学家,我今天主要跟大家分享一些数字。大家都说每天用空调、开车等等都与碳有关系,每一个人、每一小步节能,都可以为碳中和做出一点贡献,但完成碳中和这个任务还是非常艰巨的,而且是一个漫长的过程,这也是为什么总书记提出到2030才达峰,2060才中和,而不是现在。改革开放40年,中国发生了翻天覆地的变化,相信在领导下,未来40年我们肯定实现碳中和的宏伟目标;但短期内我们还缺不了化石能源。尽管风能、太阳能、CO2转化为化学品、CCS、CCUS,提高能效都会对减碳有些贡献,都值得去鼓励探索和实施,但对目前天量排放的CO2,近期内减低的比例是相当有限的。在这种情况下我们怎么才能在对经济影响最小的前提下,实现碳中和?碳中和的现实路径有哪些,这是我希望跟大家进一步探讨的。

        关于碳中和的误区

        碳中和是一个非常复杂的系统工程,需要通过多种技术渠道及各种努力去减碳;每个行业对自己的减碳路线都有所强调,但对其他行业的减碳路径及各种路径对减碳贡献的量不是很清晰,大众对碳中和的挑战及认知有一定局限,存在以下几个误区,需要用数据来说明:

        第一个误区是认为风能和太阳能比火电都便宜了,因此太阳能和风能完全可以取代火电实现碳中和。这句话只对了1/5到1/6。因为一年有8760小时,而中国的太阳能每年发电小时数因地而异,在1100小时到2000多小时之间不等,超过2000多小时的区域不多,全国平均大约在1450-1750小时左右。也就是说太阳能大约在1/6–1/5的时间段比火电便宜;而在其他5/6-4/5的时间段,如果要储电,其成本会远远高于火电。风能每年发电的时间比太阳能略微长一点,大约是2000小时左右,但电是需要24小时供的,不能说一个电厂一年只供一两千小时,因为我们用电不能说有太阳有风的时候用电,没太阳、没风的时候就停电。太阳能和风能是便宜了,但最大的问题是非稳定供电。

        不可否认,中国的风能和太阳能发展了将近四十年确实发展很大,取得非常大的成绩,我们给这个领域做出贡献的科学家、工程师必须致以崇高的敬意。但是发展了四十年到今天,尽管风能、太阳能增量巨大,可与煤电相比仍然相当有限。以2019年为例,全国的风能和太阳能加起来发电总量相当于约1.92亿吨标准煤的发电量,也就是说,上网的风能和太阳能发电总量大约只能取代煤炭发电的12.5%左右。

        而且,电网靠电池储电的概念是非常危险的。据估算,目前全世界电池生产商5年多的电池产能仅能满足东京全市停电3天的电能。如果说我们有4/5的时间或者5/6的时间要靠电池储电,这是不可想象的。况且,这个世界也没有那么多的钴和锂,没法让我们造那么多的电池。在这种情况下,弃光弃风的问题非常严重,因为电网只能容纳~15%的非稳定电源。风能、太阳能发出来的电,电网没法全部承受。如果继续增加风能、太阳能的同时,大规模储能问题解决不了,只能废弃更多。

        弃光弃风在中国有两方面的原因,一是技术因素,就是因为太阳能、风能是没办法预测的,电网小于15%可以容纳,多于15%容纳不了,随着智能电网的发展,这个比例会有所上升,但仍然需要时间;二是机制因素,地方保护主义的存在可能会让地方出于对当地GDP的考虑,宁可用当地的火电,也因各种原因不用风电、光电、水电。机制问题在中央大力推动“碳中和”的背景下是可以解决的,但技术问题解决依赖于科学和技术的发展,这个发展过程是难以预测的,仍然需要时间。

        因此,太阳能和风能需要大力发展,但在储电成本仍然很高的当前,在可见的未来仍然无法完全取代化石能源发电。

        第二个误区是人们以为有个魔术般的大规模储电技术,认为如果储能技术进步,风能和太阳能就能彻底取代火电。这个假设太大了,因为自铅酸电池发明至今一百多年来,人类花了数千亿美元的研发经费研究储能,可从铅酸电池的90千瓦时/立方米增加到今天特斯拉的260千瓦时/立方米,电池的能量密度并没有得到革命性的根本的改变。要知道,汽油是8600千瓦时/立方米。同时,迄今大规模GW(十亿瓦特发电装机容量)级的储电最便宜的还是100多年前就被发明的抽水蓄能技术。

        科学技术的突破不是没有可能,但是只有发现了才能知道发现了。今天无法预测明天的发现。我经常举一个例子,火药发明之后近一千年才有枪的发明。枪的原理一旦明白后,其实很简单,但是你要说火药发明后就可以预测很快会发明枪,那就错得离谱了。有了火药后,不能当时就假设我们很快会发明枪,很快就可以统治世界这个假设太大了。这只是个比喻,不过能够很好地提醒我们在制定任何战略时,千万不要用尚未发生的突破和假设去决定可以做什么事。过去我们的科技水平整体落后于西方,一张白纸可以借鉴已验证的技术路线去结合我国发展需求描绘科技发展战略。但如今很多领域我们已经实现并跑甚至是领跑,这种情况下制定战略一定要充分论证。我们制定战略一定是以已有的、证明的、现实的技术路线为基础。

        不同行业的进步不一样,计算机行业有摩尔定律,这么多年确实发展得很快,但是能源行业目前还没找到类似摩尔定律一样的规律,“碳中和”必须选择现实可行的路线来推进。

        第三个误区,有些人认为我们可以把二氧化碳转化成各种各样的化学品,比如保鲜膜、化妆品等等。这些要能转化、能赚钱,可以去干,但是这些没法从根本上解决二氧化碳的问题。粗略估算,一个三口之家一年平均排放碳22吨,但什么产品一个家庭一年也消耗不了20多吨。

        另一方面,据估算全世界只有大约13%的石油就生产了我们所有的石化产品,剩下的大约87%的石油都是被烧掉的。如果把全世界的化学品都用二氧化碳来造,也只是解决13%的石油排碳的碳中和问题。所以说,从规模上二氧化碳制成化学品并不具备减碳价值。二氧化碳转化为其他化学品对减碳的贡献是相当有限的。

        所以说,把二氧化碳转化成任何化学品,如果能赚钱那可以去干,但挣不了钱就别打着“碳中和”的概念来拿国家的补贴。讲这个话我可能会得罪很多人,但我们科学家要讲事实,拿数字说话。我也参加过很多关于碳中和的论坛,很多时候甚至有些经济学家在讲的时候,没有数字的概念,只有一个粗概,说这样可以减碳、那样可以减碳,但是对减多少没有概念。这个也不能怪他们,隔行如隔山。

        第四个误区,是说可以大量地捕集和利用二氧化碳。利用CCUS(碳捕集、利用与封存技术)技术,把生产过程排放的二氧化碳进行捕获提纯,再投入到新的生产过程中进行循环再利用或封存。理论上能够实现二氧化碳的大规模捕集。现在大家说在电厂把二氧化碳分离,分离完以后打到地下可以做驱油和埋藏等等其他的作用。我看到一个数字,近年,中国整个二氧化碳驱油消耗量大概是每年几百万吨CO2耗量,与我们一年的排放是103亿吨CO2总量是非常有限的。而且驱油这个阶段是一部分二氧化碳进到地里,还有一部分会跟着油出来,它不是一个完全的埋藏。把碳打到地下埋藏,我回国前在GE曾经研究过这个事情。把煤和水、氧转成氢气和二氧化碳,氢气燃烧发电产生水蒸气,二氧化碳就打到地底下。当时我们做了示范工程,前后花了28亿美元,有上百名博士参与,用了7年的时间建成了630MW的IGCC火电厂,一度时间曾经计划把这个每天耗6000多吨煤的IGCC电厂产生的CO2分离后全部打到地下埋藏,这个技术能够实现净零排放,但是不具备经济性,最后决定只发电,不埋藏CO2。这个示范具有环境方面的意义,并且工厂在美国运行至今,我们做完这个项目以后,才发现即使不分离埋藏CO2,这已经是GE创立以来最复杂的一套工业系统。别看GE生产了全世界~80%的飞机发动机、及大量的大型医疗器械如核磁共振、CT等,包括三峡水利工程的设备和青藏线的火车头等等,但是,这一630MW的近零排放的IGCC火电厂是GE自爱迪生创立通用电气以来100多年以来建设的最复杂的一套工业系统,在先进性、环保性方面具有优势,不过这个成本太高了。

        我回国之前和曾和原GE核能的总经理交流,他在一次公开演讲中也提到GE今后会通过煤炭零污染的火电厂解决二氧化碳的问题,但是讲完就下来跟我说,别看我在会上那么讲,真正要去做还不如干核能,核能比零污染火电厂便宜多了。当然,那会儿福岛核电站事故还没有发生,核能可以做。法国现在60%多将近70%就是核能,做了几十年了。但是福岛核电站泄露事故之后,全世界都在提高核能的安全系数,这个安全系数到后期每提高一点,成本就增加很多。核能是减碳很重要的base load发电技术,但人们能否接受因其高成本而导致的高电价需要讨论。因此,碳中和的事不光是一个技术的问题,更是经济和社会平衡发展的综合性问题。现在在电厂把二氧化碳分离,分离完以后打到地下可以做驱油和埋藏这条路,在可以驱油的地方可以改,还有一些经济效益,我国新疆等地已经有类似的二氧化碳驱油工程。这块的成本主要是把二氧化碳在锅炉尾气中分离出来的成本,我们算过,假设打到地下的CO2的成本为30美元一吨,其中20美元是把二氧化碳从整个尾气里面分离出来成为纯二氧化碳,5美元是输送到埋藏点,另外5美元是把它压缩到地底下。分离是核心,成本也最大。在目前的技术手段下,靠CCUS利用来处理的成本很高,作用也是有限的,当然这方面的成本通过研发也可以降一些,经济上能否有竞争力,取决于未来碳税的价格。

        实际上,我刚刚讲的每一件事,比如风能、太阳能、CO2转化、CCS、CCUS都对碳中和有贡献,我们每一个都应该去投入研发、去实施,但是目前的技术水平在量上对碳中和的贡献是有限的。当然,这不是说让大家不去做,我们每一个人能应该竭尽全力去推动以上减碳的技术进步,都努力去做,毕竟积少成多。

        第五个误区是认为通过提高能效可以显著降低工业流程、产品使用中的碳排放,就可以实现碳中和。能效永远要提高,提高能效是世界上成本最低的减碳路线。但是我经常问一句话,加入WTO这二十年来,我们国家的能效提高了还是降低了?我们能效提高了很多。但是碳排放的总量是增加了还是减少了?由于我国经济和生产水平的飞速发展,前10年我们碳排放增加得更多。我记得2000年中国的石油消耗大概是2点几亿吨,2010年大概是4亿吨,到去年是近7.5亿吨。2000年中国的煤炭消耗是13.8亿吨,2020年近40亿吨。并且在新增的诸多工业门类中,已经很大程度地提高了能效、减少了排放。

        我是做能源的,从能源的数据变化可以看到整个社会的变化。我们加入WTO之前有一个很重要的数字,中国的煤产量大概是13亿吨,基本上自产自销,出口有一点,但很少。结果到2013年短短13年的时间从约13亿吨飙升到约39亿吨,这是一个天量,当然也伴随着碳排放。这该怎么解读?唯一的解读是加入WTO,世界的市场向中国开放了。当然,这一期间我们大量的房地产建设也是一个因素。煤的耗量表示电的耗量,电的耗量表示工业化的程度。这期间能效肯定提高了很多,但是单凭能效也难以解决碳中和的问题。因此,提高能效是减碳的重要手段,但只要仍然在使用化石能源,提高能效对碳中和的贡献也是非常有限的,提高能效确实是成本最低的减低碳排放的方式,也是最应该优先做的,但是有一个现实的考量就是不能光靠能效提高就能够达到碳中和。

        第六个误区是认为电动车可以降低碳排放。前段时间,我在网易公开课上讲《电动车和氢能的历史与未来》,全国大概有十几万人观看,很多领导看完以后跟我讨论这个问题:为什么我们要发展电动车?很简单,主要是因为中国的石油不够,我们石油73%靠进口;还有就是雾霾等环境问题。

        还有一个碳中和的路线,是跟雾霾相关的。

        这些年,我一直在研究雾霾。我对雾霾有亲身体会。如果一直在北京生活我们可能感觉不到,但我家在南加州,早些年回国后,每次从洛杉矶到北京以后,那种强烈的对比让我觉得一定要把中国的雾霾给治理好。

        雾霾包括一次颗粒和二次颗粒。化石燃料如柴油燃烧时尾气中直接排放的颗粒是“一次颗粒(Primary Particulates)”,占雾霾总量的24%左右。对雾霾贡献最大的是“二次颗粒(Secondary Particulates)”占到其总量的约50%左右。“二次颗粒”是化石燃料燃烧尾气中的气态污染物(如NOx、SOx)和挥发性有机物(VOC)进入大气后,在一定的水雾状态下与空气中的氨及VOC等物质发生气溶胶反应形成的颗粒。氮氧化物在天空遇水就变成硝酸,硫氧化物氧化遇水就是硫酸。如果我们不使用化肥就只能形成酸雨形不成雾霾。然而大量使用化肥向大气中释放了一定规模的氨,氨在大气中呈碱性,酸碱中和生成硝酸铵盐、硫酸铵等固体细颗粒,这些细颗粒才是PM2.5的主要来源。头发丝大概是70微米左右,肉眼的分辨率在60微米左右,一个PM2.5的颗粒是看不见摸不着的,但是当无数个PM2.5悬浮在天空中就可以遮天蔽日。

        这两年国家在脱硫脱硝上花了上万亿,取得非常大的进展,但是到冬天还有雾霾,一个重要因素是使用化肥以及氨排放没有得到足够的重视。化肥的排放就是氨的排放。

        十年前,我说中国的雾霾汽车有贡献但是绝对不是主要的,要治理雾霾首先要把煤搞干净以后再烧;当时推动电动车的一批人,说要治理雾霾就要把汽车变成电动车。但是去年疫情期间很多地方封城,让我有机会做一个大实验,当时,全中国的汽车,包括电动车都停了两个多月,可北京、太原、西安、哈尔滨、郑州雾霾的天还是很多。原因在哪里?主要还是抗疫的时候大冬天家里供暖的问题,中国的天然气不够,大冬天,北方农村取暖还得烧煤。

        当时,我以治理雾霾的心态做这个技术,现在已经产业化了,工厂已经开始运转了,而且做了很多大量的农田实验,效果比我们想象的要好。

        现实的碳中和路径

        第一是通过现有煤化工与可再生能源结合实现低碳能源系统。一方面可以让现有的煤制甲醇实现近零碳排放,另一方面是通过太阳能、风能、核能电解水制备绿氢和氧气,合成气不经水汽变换,这样让煤制甲醇厂不在排放CO2;再用甲醇取代汽柴油开车,或甲醇和水在线制氢发电推动燃料电池汽车或作为电动车的充电宝;这样可大大降低交通运输业的CO2排放,也可以部分解决中国石油不够的问题。因为太阳能风能电解水既可以生产制备甲醇需要的氢气,又可以生产煤气化制甲醇需要的氧气;而且我们的微矿分离技术可以用廉价的劣质煤结合太阳能一起制甲醇,成本上在碳中和的背景下也会有竞争力。这样把中国强大的太阳能风能发电能力释放出来,把风能和太阳能以甲醇液体的形式储存下来;是值得去探索的另外一条储能战略,让太阳能、风能能够大力发展减碳。

        第二是利用煤炭领域的碳中和技术——微矿分离技术。在煤燃烧前,把可燃物及含污染物的矿物质分离开,制备低成本类液体燃料+土壤改良剂,源头解决煤污染、滥用化肥及土壤生态问题,同时低成本生产甲醇、氢气等高附加值化学品。

        因为传统的煤炭使用方式燃烧二氧化碳排放产生的灰渣有10%的碳,不光是浪费能源而且现在变成了固废,整个内蒙古的电厂粉煤灰成灾。通过分离之后,该做燃料就做燃料,该做土壤做土壤,分流以后,这边释放二氧化碳,更多的森林长起来把二氧化碳吸回来,这样做了完全可以达到碳中和。

        当CSF产量达到25万吨时,我们每年碳排放大约69.5万吨,根据治理的面积大约可以吸回来20.8万吨,在施用SRA条件下,可以吸回来48.7万吨、61.9万吨,甚至74.9万吨。

        这是比较现实的碳中和的路径,而且不需要那么高的成本,适当花一点钱就可以做到的。

        第三,实现光伏与农业的综合发展,将光伏与农业、畜牧业、水资源利用及沙漠治理并举,实现光伏和沙漠治理结合,及光伏和农业联合减碳。

        西部缺水,水一浇就漏下去了,因此,我们可以采用非常保水的材料。但是西部再保水,大太阳晒还是长不出来,怎么办?有了太阳能板,底下的挥发减少了,就可以种东西。太阳能有一个最大的好处,就是要定期冲这个板,有了发电,大家可以花一点钱拿PVC管子接点黄河水过去,每几周给光伏板冲水,同时,水资源宝贵,冲过的水我们还可以用来给农作物做滴灌。这样,发电的同时还可以把底下全部变成绿色,变好了再把太阳能板搬个几百米,一片片土地可以治理出来。

        第四,峰谷电与热储能综合利用。火电厂是半夜也不能停的。现在中国的火电厂在半夜12点到早上的6点电这个区间,尽管还在排放大量CO2,但发的电没人用,是浪费掉的。怎么办?电不好储存,可以用热的形式储存下来,利用分布式储热模块,在谷电时段把电以热的形式储下来,再在需要时用于供热或空调,这样可以让1/4甚至是1/3的时间的电不至被浪费,可大大降低CO2排放,实现真正的煤改电,再配合屋顶光伏战略及县域经济,进一步减少电能消耗。能量不仅仅是电能,国内储能领域对于储电关注较多,但实际上大多数的能量从消费端来看都是用在了热能领域,储热技术也是需要我们去关注和发展的。

        第五,利用可再生能源制甲醇,然后做分布式的发电。可以使用甲醇氢能分布式能源替代一切使用柴油机的场景,和光伏、风能等不稳定可再生能源多能互补。用甲醇液体作为太阳能及风能的载体,甲醇和水制氢再发电取代柴油发电机做分布式热电联供,结合屋顶光伏及储热及热泵技术在广大农村取代燃煤,不仅低碳,环保而且可以减碳。在“碳达峰、碳中和”的时代背景下,需要对一些误区进行澄清,同时认清技术的发展逻辑,找寻现实发展路径。

        (刘科,作者系国际知名的能源专家、澳大利亚国家工程院外籍院士、南方科技大学创新创业学院院长)

        原标题:刘科院士:很多人都搞错了,“碳达峰”“碳中和”不是他们理解的样子

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