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，涉及一系列能源結構調(diào)整的問題、技術進步的問題、發(fā)展方式轉變的問題，當中涉及到諸多變量因素，這使得實現(xiàn)碳中和背后的邏輯變得非常復雜，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、南方科技大學創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)學院院長劉科，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)實路徑。

 

劉   科  澳大利亞國家工程院外籍院士

 

南方科技大學創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)學院院長

 

就在采訪結束之后的不久，國家發(fā)改委點名批評了減碳工作中的“跑偏”行為。提出既要堅決地推進減碳工作，又不能搞“運動式”減碳。實現(xiàn)碳中和，必須“實事求是、尊重規(guī)律、循序漸進、先立后破”，這些都與劉科院士的觀點非常一致。

 

摒棄先入為主的“窄帶”觀念，碳中和需要“全譜”分析

 

要實現(xiàn)碳中和目標，首先要正確認識碳中和，這需要“全譜”分析。如果將人類多元化的經(jīng)驗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，這并不僅僅是因為其中包含諸多變量，也因為這些變量有著完全不同的參照系，它們是跨學科變量，要想取得“全譜”的認知，就需要摒棄先入為主的“窄帶”觀念，從多個角度考慮問題。

 

劉科院士認為當前大眾對碳中和的挑戰(zhàn)及認知有一定局限，認為單一技術路線或者技術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，風能和太陽能比火電便宜了，可以完全取代火電實現(xiàn)碳中和。

 

中國各地的太陽能每年發(fā)電小時數(shù)不等，但全國各地平均起來大約在1700小時左右，風能每年發(fā)電的時間大約是2000小時左右，而每年是8760小時，用電是需要24小時連續(xù)的。這兩種能源之所以不能大幅提升，都是因為它們具有波動性，需要儲能技術配合。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，太陽能和風能建的越多，棄光棄風的問題就會越嚴重。

 

盡管風能、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，全國的風能和太陽能加起來發(fā)電總量相當于1.92億噸標準煤的發(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前，儲能技術不突破，在可見的未來仍然無法全部取代化石能源發(fā)電，對碳中和的貢獻也是非常有限的。

 

誤區(qū)二：認為有一個魔術般的大規(guī)模儲電技術。

 

人們認為如果儲能技術進步，風能和太陽能可以徹底取代火電。這個假設太大了，事實上自鉛酸電池發(fā)明至今的百年來，人類花費了數(shù)千億美元研發(fā)經(jīng)費研究儲能。從鉛酸電池的90千瓦時/立方米增加到今天特斯拉的260千瓦時/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/立方米。迄今為止大規(guī)模（如GW級）的儲電技術，最便宜的還是100多年前就被發(fā)明的抽水蓄能技術。

 

科學技術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，一定要以已有的、被證明的、現(xiàn)實的技術路線為基礎，不能假設未來肯定能發(fā)明某一個魔術般的低成本儲能技術， 技術發(fā)明需要多少時間很難預測。

 

迄今，能源行業(yè)目前還沒找到類似半導體的摩爾定律的規(guī)律，碳中和必須選擇現(xiàn)實可行的路線來推進。未來儲能技術肯定會有新發(fā)明，但在目前階段制定戰(zhàn)略目標一定要謹慎，沒有發(fā)明的技術不要先假設它的存在。

 

誤區(qū)三：認為可以把二氧化碳轉化成各種各樣的化學品。

 

人們嘗試將二氧化碳轉化為保鮮膜、化妝品，如果這些可以轉化并能產(chǎn)生經(jīng)濟效益當然可以，但事實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品對減碳和碳中和的貢獻相當有限。

 

誤區(qū)四：認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，把生產(chǎn)過程排放的二氧化碳進行捕獲提純，再投入到新的生產(chǎn)過程中進行循環(huán)再利用或封存，這種方法理論上能夠實現(xiàn)。未來十年，中國二氧化碳驅油消耗量大概是600多萬噸，而我國一年的排放是103億噸。驅油階段是一部分二氧化碳進到地里，還有一部分會跟著油出來，不是一個完全的埋藏。

 

對此，劉科院士當年在GE工作時就曾有過實踐。他們團隊上百名博士參與、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)濟性。

 

碳中和不僅是技術問題，更是經(jīng)濟和社會平衡發(fā)展的綜合性問題。電廠把二氧化碳分離后打到地下做驅油和埋藏的經(jīng)濟效益，劉科院士和團隊15年前就測算過，當時假設把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現(xiàn)碳中和。

 

不可否認，能效永遠要提高，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；但對碳中和的貢獻卻是非常有限的。

 

誤區(qū)六：認為電動車、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口，另外要解決燃油車污染物排放導致的霧霾等污染問題。一年8760小時，但我們的很多燃煤電廠目前實際使用不到4000小時，這是資產(chǎn)的巨大浪費。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。

 

只有中國的能源結構徹底改變以后，能源結構和電網(wǎng)里大部分是可再生能源構成時，電動車才能算得上清潔能源車。如果能源結構不改變，電網(wǎng)67%的來源還是煤電，那電動車對減低碳排放的貢獻是非常有限的。

 

上述碳減排的路徑盡管每一個的貢獻都是有限的，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。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)實路徑，各種方案齊頭并進，才有可能逐漸實現(xiàn)碳中和。

 

“關于電動車，我下面只講一段講歷史不預測未來”。電動車的概念并不新，1912年，歐美街頭的電動車遠遠多于燃油車。為什么迄今為止的一百年內(nèi)，電動車未能戰(zhàn)勝燃油車？其原因總結主要有三點：

 

 

第一，電池的體積能量密度偏低。即便技術發(fā)展到今天，電動車電池的能量密度也就是260千瓦時/立方米，而汽油是8600千瓦時/立方米，柴油是9600千瓦時/立方米，甲醇液體是4300千瓦時/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，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？因為內(nèi)燃發(fā)動機的成本隨著實現(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)能擴張后每臺成本會有所下降，但幅度不大。如果技術不突破，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系失衡，而會越貴。近期，鈷、鋰、鎳、銅等價格都飛漲，但全世界沒有一家靠回收電池脫穎而出的獨角獸公司產(chǎn)生。大家都用以前幾倍的價格去買，而不能靠回收賺大錢，這就從側面告訴我們電池回收技術仍有待突破。雖然電池是梯級利用，但儲能電池是有壽命的，內(nèi)含很多有害化學物質(zhì)，不可能無限期使用。如果將來不回收，當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)境的災難。

 

在今天的金屬價格下，如果電動汽車不提價，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，貴金屬回收技術也相對成熟，這都是燃料電池的優(yōu)點；但如果看今天的成本，燃料電池汽車仍然遠高于電動車。

 

氫能技術一點也不新。劉科院士早年曾在美國聯(lián)合技術（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擔。

 

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，更應該論體積。如果轉成同樣的能源概念，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、運氫有難度。大家之所以用風能、太陽能制氫，是因為電不好儲存；制成氫氣，盡管制氫成本不高，但氫氣儲運成本很高。因此，問題并沒有完全解決。

 

實現(xiàn)碳中和，需要能源全生命周期分析的理念

 

據(jù)統(tǒng)計，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就可以了。關于減碳，最怕只講概念不講數(shù)字。作為一個科學家，劉科院士更愿意用數(shù)字來闡釋碳中和背后的底層邏輯。完成碳中和的任務艱巨且將是漫長的過程。因為可見的未來，我們?nèi)辈涣诉@三個化石能源。盡管風能、太陽能、CO2轉化為化學品、CCS、CCUS、提高能效都會或多或少對減碳有些貢獻，都值得去鼓勵探索和實施，但對天量排放的CO2減低的比例是相當有限的。在這種情況下如何實現(xiàn)碳中和？

 

能源全生命周期分析概念很重要，劉科院士和團隊在美國時，美國能源部及各大相關公司曾花了幾億美元（僅美國DOE能源部的經(jīng)費就是1.5億美元），多位博士參與幾年時間建立模型，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來，讓團隊做了各種能源路徑的全生命周期分析，我們要學會使用“數(shù)據(jù)決策”。真正的決策要依靠數(shù)據(jù)，科研人員花大量時間把數(shù)學模型建起來，并不斷完善調(diào)整，最后能跟現(xiàn)實數(shù)據(jù)對上去。“數(shù)據(jù)決策”就是要用反復校正過的模型的預測數(shù)字做決策，這是我們要提倡的一種科學決策的文化。”

 

綜合評估每條路徑的后果，目前的技術，液體甲醇可能是最好的儲氫載體

 

1L甲醇和水反應可以放出143克的氫。儲氫技術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化制氫的燃料電池汽車，也是劉科院士帶領UTC、尼桑和殼牌的工程師共同努力研發(fā)出來的。

 

“當年，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)汽油在線轉化制氫驅動的燃料電池汽車，既可利用燃料電池的高效率，也可以不用加氫站。當年美國還沒有大規(guī)模開采頁巖氣，所以甲醇成本太高，當時沒有經(jīng)濟性，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局面發(fā)生了改變。甲醇制氫比汽油轉化容易很多。一方面甲醇干凈得多，沒有硫；另一方面汽油轉化需要850度以上，甲醇只需200多度就可以。

 

“當太陽能、風能可以賣碳稅時，把風能、太陽能和煤結合制出比較便宜的綠色或藍色甲醇。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施，這條技術路徑就有經(jīng)濟性。”

 

這個世界不需要絕對的“零碳”，追求零碳是不科學的。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)濟轉到天然氣經(jīng)濟或者甲醇經(jīng)濟就可以減碳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”，排放的同時要有其他技術平衡排放。

 

中國有成熟的煤制甲醇技術，只是要產(chǎn)生很多的二氧化碳，因為要通過水汽變換反應（CO+H2O→CO2+H2）制氫。如果這部分氫可以在西部用太陽能和風能制，電解水時也同時副產(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)實的一條碳中和路線。

 

風能、太陽能雖然貴一點，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，國家補貼了大量資金，并且目標在未來幾年達到30元/kg。如沒有補貼，高壓氫的實際成本近100元元/kg。如果在車上用甲醇，按今天的市場價買甲醇，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，整個能源轉型就不需要再耗費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的因素。

 

石油排碳太高可以用綠色或藍色的甲醇液體取代，可以把太陽能和風能轉成液體儲存，這就改變了儲能的概念?？侩姵刈龃笮蛢δ芤惨浅Ｖ斏鳌Ｗ罱鼑乙卜浅Ｗ⒁?，把梯級利用的大電站停下來了，安全性確實是一個問題。

 

如果原有的工業(yè)基礎通過關停并轉大幅調(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，卻沒有實際上達到碳中和，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，消費者可能不會買單。

 

如果風能、太陽能和煤炭結合轉成甲醇，車上永遠裝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，相當于晚上睡覺把手機充滿，同時還帶上充電寶。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，我認為目前甲醇可能是最好的儲氫載體， 未來隨著技術的進步，如果像乙醇液體也能夠和甲醇一樣便宜的用太陽能風能及少量的煤（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

 

在科技和經(jīng)濟上，中國屬于后發(fā)國家。當歐美已經(jīng)在追求節(jié)能、綠色、環(huán)保的時候，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。“前些年每次從藍天碧海的南加州回國下飛機后，空氣質(zhì)量的強烈對比讓我覺得有義務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?；剂先绮裼腿紵龝r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”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)性有機物（VOC）進入大氣后，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。大量使用化肥導致空氣中含有有氨，氨是堿性物，酸堿反應形成鹽顆粒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、磷酸銨強酸弱堿，氨被吸收，酸流到土壤里面，把土壤中的細菌殺死，引起大面積的土地板結。

 

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。酸浸導致土壤中微量礦物質(zhì)流失，食品不可能不變，同時伴隨著人類大量使用化肥及農(nóng)藥等酸性物質(zhì)導致土地酸化、貧化、人類的哮喘、心臟病、癌癥等疾病也相應增加。

 

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

 

微礦分離技術，跳出有限視角的科學實踐

 

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，不可燃部分是遠古時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。

 

劉科院士和團隊研發(fā)了一項核心技術，在水中把煤磨細，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?。不可燃部分?jīng)過和秸稈粉，有機肥及菌種等混合經(jīng)一系列微生物發(fā)酵反應后，可形成很好的土壤改良劑。使用這一技術，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，同時可解決煤炭運輸問題。

 

“十年前，我的觀點就是汽車尾氣對霧霾有“貢獻”，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。劉科院士以治理霧霾的心態(tài)研發(fā)的這項微礦分離技術，現(xiàn)已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化，并且做了大量的農(nóng)田實驗，效果比想象中還要好。

 

基于頂層設計和數(shù)據(jù)決策，我們需要現(xiàn)實的碳中和路徑

 

歐盟的碳排放量在1980年就已達到峰值，美國和日本在2008年達到峰值，而中國將在2030年達到。從峰值到中和，歐盟用了70年時間，美國和日本用了42年時間，但中國只有30年時間。相比之下，中國面臨的碳中和任務更重。在外有壓力、內(nèi)有困難的情況下，走切實可行的道路，既順應國際大勢，又能推動國內(nèi)產(chǎn)業(yè)的變革。習總書記說了“綠水青山就是金山銀山”，在實現(xiàn)碳中和的過程中把霧霾等污染問題一并解決，讓藍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合實現(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)品實現(xiàn)凈零碳排放；通過太陽能、風能、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品及油品的CO2排放。

 

劉科院士強調(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，其實就相當于把風能太陽能以液體甲醇的形式儲存下來，使得甲醇成為風能太陽能的儲運載體，這也可以理解為全新的風能太陽能液體儲能路線。

 

02

 

利用煤炭領域的碳中和技術——微礦分離技術。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，同時低成本生產(chǎn)甲醇、氫氣等高附加值化學品。

 

因為傳統(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，不光是浪費能源而且變成了固廢，整個內(nèi)蒙古電廠粉煤灰成災。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，這樣做可以達到或接近碳中和。

 

舉個例子，當清潔固體燃料CSF產(chǎn)量達到25萬噸時，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)實的碳中和的路徑，而且不需要那么高的成本，適當花一點錢就可以做到的。

 

03

 

實現(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，實現(xiàn)光伏和沙漠治理結合，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點到早上6點這個區(qū)間，盡管還在排放大量CO2，但發(fā)的電沒人用，是浪費掉的?？梢詫㈦娪梅植际揭詿岬男问絻Υ嫦聛?，利用分布式儲熱模塊，在谷電時段把電以熱的形式儲下來，再在需要時用于供熱或空調(diào)，這樣可以讓1/4甚至是1/3的時間的電不至被浪費，可大大降低CO2排放，實現(xiàn)真正的煤改電。

 

另外，配合屋頂光伏戰(zhàn)略及縣域經(jīng)濟，進一步減少電能消耗。國內(nèi)儲能領域對于儲電關注較多，但實際上大多數(shù)能量從消費端來看都應用于空調(diào)制冷或取暖的熱能領域，儲熱技術也是需要關注和發(fā)展的。

 

05

 

利用可再生能源制甲醇，然后做分布式的發(fā)電?？梢允褂眉状細淠芊植际侥茉刺娲磺惺褂貌裼蜋C的場景，和光伏、風能等不穩(wěn)定可再生能源多能互補。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。因為盡管電可以遠距離輸送，但熱不可能從遠距離輸運。把風能和太陽能以液體的形式儲存下來，液體通過管路遠距離輸送損失很少。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，進而大大減低碳排放。

 

實現(xiàn)碳中和過程中需要做出的決策都涉及廣泛的知識學科，若非進行跨學科的磋商和考量，則很難實現(xiàn)真正意義上的碳中和，所以我們需要的是基于頂層設計和數(shù)據(jù)決策的系統(tǒng)、科學的整套方案。