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中国工程院院士金涌:碳中和之路的三个时代之变

北极星大气网  来源:中国化工报  作者:陈菲 丁青松  2021/6/13 7:02:10  我要投稿  
所属频道: 大气治理  关键词:碳中和 碳达峰 金涌

北极星大气网讯:2020年9月22日,我国在联合国大会上提出,二氧化碳排放力争于2030年前达峰,努力争取2060年前实现碳中和。2020年12月召开的中央经济工作会议提出,将碳达峰、碳中和列为2021年八项重点任务之一。如何实现碳达峰、碳中和的双碳目标,成为业内外广泛关注和深入探讨的议题。

中国工程院院士金涌在近日接受中国化工报记者专访时指出,要实现2030年碳达峰、2060年碳中和的目标,对于我国经济和社会发展来说都将面临巨大的挑战。未来40年的碳中和之路,对于我国而言不仅是工业化向信息化转变的时代,也是化石能源向化石资源转变的时代,还是可再生能源飞速发展的时代。

碳中和是经济社会系统性变革

习近平总书记在中央财经委员会第九次会议上发表重要讲话时强调,实现碳达峰、碳中和是一场广泛而深刻的经济社会系统性变革,要把碳达峰、碳中和纳入生态文明总体布局。总书记还特别强调要构建清洁低碳安全高效的能源体系,控制化石能源总量,着力提高利用效能,实施可再生能源替代行动,深化电力体制改革,构建以新能源为主体的新型电力系统。

金涌院士在接受采访时表示,实现碳中和不但是能源问题,而且是社会问题,尤其对中国来讲是一个非常重大的课题。“我国实现碳中和的目标面临时间紧、任务重的局面。我国二氧化碳排放量在2019年已经达到102亿吨,是全球最大的碳排放国,从2030年实现碳达峰到2060年实现碳中和,在仅有30年的过渡期内排放值降到0,难度非常大,而发达国家约在20世纪90年代已达峰,距碳中和有60年时间。”这是金涌院士介绍我国实现碳中和的第一大难点。

第二大难点就是降低万元GDP能耗。美国的万元GDP能耗为0.242吨标煤,日本为0.197吨标煤,而我国是0.519吨标煤,是发达国家的两三倍。要想在到达2060年时,保持人均GDP增速不变,达到人均5万美元,且万元GDP能耗降低到发达国家同等水平,也就是0.1~0.2吨标煤/万元GDP,2060年能源消费总量将达到23.73亿~47.46亿吨标煤。我国社会2019年能源消费总量为48.6亿吨标煤,可见我国社会2060年总能耗相较于现阶段将保持持平至减少一半。这对我国来说无疑是一个巨大的挑战。

“碳达峰和碳中和要与我国经济发展同步进行,所以我们必须早规划、稳步推进,建立相关行业的退出机制,避免造成较大冲击。”金涌院士强调。

他还提出实现双碳目标要依靠大幅度、颠覆性的科技创新,要发展高端制造业,而不是金融业等虚体经济。

具体来说,实现双碳目标需从产业结构调整为主、技术进步为辅两方面下手。一方面推动传统资源密集型低端产业、重工业向高端制造业、高技术产业发展,减缓对钢铁、水泥等高能耗产品的需求,刺激对高端工业品、服务和绿色环境的需求增长。另一方面以科技创新推动能源效率提高,如发电效率提升有望减少10%~20%的火电碳排放,能源效率提升可使吨钢能耗、单位水泥综合能耗等进一步下降,使工业能耗大幅减少。

要想早日实现碳中和并降低能源消耗,各个行业都要有所作为、提前布局,尤其是那些和人们生活息息相关的行业。

以我们最熟悉的化肥行业为例,从循环经济角度出发,从减少能源和资源浪费、减少污染的角度出发,化肥行业的改进和提升的任务还很重。我国化肥产业的成就有目共睹。中国每年每人的粮食拥有量达到475千克,远高于世界平均水平,这说明我们国家已经保证中国人的饭碗端在自己手中,但我们也付出了一定代价。目前,我国化肥施用量占世界35%,单位面积施用量却是世界平均值的3.9倍。同时,以煤化工为主体的氮肥行业是我国碳排放的大户,二氧化碳年排放量达到近4亿吨,低碳发展任务艰巨而紧迫。当前,在减少化肥施用量的要求下,提高化肥利用率,保障产量不减、品质提升。这就要求不断研发和拓展化肥功能,通过生产复合肥、缓控释肥、水肥一体化、测土配方施肥等方法,提高资源利用率,使化肥更好被植物吸收。另外,按照不同作物特征发展专用肥,多元素协同,减少氮磷钾用量,实现减肥增效的目标。

建筑行业也是如此。建筑节能的重要指标是采暖与空调能耗,占总能耗的50%~70%,参照目前最先进的德国微能耗建筑,我国建筑单位面积能耗还有90%左右的下降潜能。技术进步的关键在于对建筑本身做优化设计,利用保温层做好墙体、屋顶和窗户保温,采用相变蓄热砂浆打造建筑内墙,利用地热能、风能、太阳能等可再生能源使建筑实现能量自给。预计我国2060年单位面积建筑能耗将达到现阶段国际先进水平,实现建筑运行总能耗的大幅下降。

此外,交通行业对于节能减排的响应集中体现在公路运输中。部分发达国家已发布禁售燃油车的相关规定,我国减少燃油车、推进新能源车发展的有关政策也正逐步完善。2019年,我国汽车保有量为2.6亿辆,其中新能源车为381万辆。预计2060年,我国将全部变为新能源车,保有量约为1.5亿辆。另外,随着储能技术的快速发展,航空、铁路、航海的电气化也将逐步实现,2060年有望实现全部电气化的零碳交通。

碳中和将终结化石燃料时代

“二氧化碳大部分是化石能源燃烧排放产生的。因此,我们要协调解决碳排放的问题,首先应当考虑的问题是怎么不再把化石能源当作燃料烧掉,而是越来越多地变成原料、变成材料,进而变成更多的低能耗、高附加值材料。”金涌院士对化石能源的未来发展作出了预判。

石油化工行业要调整产品结构。在目前传统的炼油路线下,只有20%的原油用于生产烯烃、芳烃等,约80%的原油还是用于生产汽油、柴油等油品,燃烧排放出大量二氧化碳。未来,人类需要用于燃烧的油品越来越少,传统的炼油路线已经很难满足发展需求。石油化工行业要转型,需要依托新的科技创新,将现在的产品比例发生翻天覆地的扭转,20%的原油生产汽柴油,80%的原油变成高附加值的材料。

当然要做成这件事不仅是我国科学家在努力,全世界的石油公司都在储备相应的技术。埃克森美孚和沙特阿美都开发出原油直接裂解制化学品工艺。埃克森美孚新加坡工厂的原油加工能力接近3000万吨/年,基本石化原料生产能力超过800万吨/年,收率约为24%。他们采用的工艺完全绕过常规炼油过程,将原油直接供给蒸汽裂解炉,并在裂解炉对流段和辐射段之间加入一个闪蒸罐。沙特阿美路线是以下行床催化裂解为主,产物以丙烯为主。清华大学魏飞教授团队主持研发了采用多级逆流下行的催化裂解模式,可实现逆流平推流反应再生,并发挥烃池反应机制使乙烯和丙烯产量相当,单程乙烯丙烯的收率可达45%,同时获得芳烃收率23%,可不出油品、油浆,且不用加氢裂解。

对于煤化工行业来说,研发绿色低碳的创新型路径尤为重要。我国资源禀赋具有缺油少气、煤炭相对丰富的特点,适度发展现代煤化工产业是实施能源替代战略、保障国家能源安全的重要举措,其与传统石油化工形成了互为补充、协调发展的产业格局。从我国三大能源产业链碳排放占比情况来看,煤化工产业碳排放量位居首位。中国石油和化学工业联合会统计数据显示,煤间接液化制油、煤直接液化制油、煤制烯烃和煤制乙二醇的吨产品二氧化碳排放量分别为6.5吨、5.8吨、11.1吨和5.6吨。截至“十三五”末,我国煤制油、煤(甲醇)制烯烃和煤(合成气)制乙二醇的年产能也已分别达到823万吨、1672万吨和597万吨。这也表明,在碳达峰、碳中和目标下,我国煤化工行业面临更加巨大的减排压力。

在碳中和目标下,煤炭消费占比势必呈下降趋势,然而煤炭的兜底作用在很长一段时间内不会改变,作为基础性保供能源储备的地位也不可替代。目前,我国煤化工产业的发展水平和技术先进程度都处于世界领先水平,包括且不限于研究能力、催化剂制备、设备制造、工程放大技术等。但要想推动我国煤化工绿色低碳发展,需要颠覆性的技术创新。中国科学院院士包信和团队研发的煤气化直接制烯烃技术或将成为破解煤化工产业发展瓶颈的关键。该技术的低碳烃类产物选择性高达94%,其中乙烯、丙烯和丁烯等低碳烯烃的选择性大于80%,还可以解决煤化工水耗大等问题。

煤炭分质利用也是需要努力攻克的方向。“煤成分中的碳和氢的比例是1∶0.8,以前烧煤的时候直接把其中的氢也烧了,现在我们提出的思路先将煤炭分质利用,产出的半焦用于蒸汽发电,碳氢化合物可裂解成氢气,用于燃气发电,这就叫做燃气蒸汽联合循环发电。”金涌院士介绍了煤炭分质利用的一个发展途径。未来燃煤电厂必然要走向调峰电厂,采用燃气蒸汽联合循环发电后,机组可以随时启停,实现调峰,发电效率也可以从现在的42%提升到60%。这或将成为未来大部分火力电厂的调整方向。

天然气作为介于传统化石能源石油、煤炭及可再生能源间的低碳清洁能源,它的碳排放低于煤炭和石油,碳中和将使天然气在能源转型中发挥更重要的作用。目前,我国的天然气大部分用于炊事等民用领域,热利用效率仅为30%~40%;如果用电来替代,热利用率可达90%以上。“未来,家庭炊事应当用电气化代替天然气,省下来的天然气可用于工业化应用。利用天然气富氢特点,将天然气和二氧化碳反应合成甲醇等其他物质。现在欧洲已规定天然气禁止民用,用于工业化,把天然气作为减排二氧化碳的重要原料。”金涌院士介绍道。

碳中和将加速可再生能源发展

碳中和目标的提出,对于风能、太阳能、生物质能和氢能等是重大利好,进而引发第三次能源革命。“正如人们所说,石器时代结束不是因为没有石头了;石油时代的终结也不是因为石油消耗完了,而是有新的技术产生了、替代了。在碳中和背景下,可再生能源终将结束化石能源所属的时代,未来终将属于可再生能源。”在金涌院士看来,我国想要如期实现碳中和,必将加速可再生能源时代的到来。

为什么这么说呢?下面这组数据可以说明这一问题。在过去的10年,可再生能源发电成本急剧下降。光伏发电成本降至0.068美元/千瓦时,陆上和海上风电成本分别降至0.053美元/千瓦时和0.115美元/千瓦时,同期火电平均发电成本约为0.05美元/千瓦时。“这也是我国为什么可以承诺力争在2060年前实现碳中和。我国的光电和风电技术经过10多年的发展,运行成本和投资成本基本和火电相当。在经济上完全可以承受,未来不再使用火电厂,而是建设更多的可再生能源发电厂。”金涌院士的一席话道出了我国实现碳中和的底气。

可再生能源的应用潜力也很大,全部可再生能源可以提供目前全球能源需求的3078倍,其中生物质能为20倍、风能为200倍、太阳能为2850倍。金涌院士提出,希望到2060年在能源结构中,可再生能源占比达到80%,化石能源降到20%以下;在2060年电力结构中,化石能源仅占12%,风电、光能、水能、核能、生物质能均衡发展,占比接近90%。

在技术进步与政策引导的双重作用下,太阳能和风能成为近年来发展最快的可再生能源。国际石油公司对太阳能和风能领域的投入近两年明显加大,通过资本运作快速进入市场,借助与领先企业的合作实现共赢发展。我国石油公司也积极发展海上风电项目,并与其他能源企业合作发展氢能、地热等。

在太阳能利用领域,中科院大连化学物理研究所李灿院士进行了有效尝试。他们参照植物光合作用的原理,建立起复合人工光合体系,实现了利用太阳光分解水制氢气和氧气的反应。利用该体系建成的全球首套千吨级规模太阳燃料合成示范项目已经试车成功,迈出了将太阳能等可再生能源转化为液体燃料工业化生产的第一步。该项目将二氧化碳作为碳资源,实现二氧化碳的积极减排,生产的太阳燃料甲醇,实现了零碳排放,为推进低碳、清洁的能源革命提供了创新的技术路线。

在生物质能领域,微藻被认为是一种极具前景的生物能源。微藻是一种单细胞藻类,分布于海水、淡水和微咸水中,能够在某些环境条件下以甘油三酯的形式储存所固定的太阳能和二氧化碳。目前,我国新奥能源控股公司已经在内蒙古建立了一个利用微藻生产生物柴油的商业工厂。他们利用煤基能源生产过程中排放的二氧化碳和浓盐水,在周边的沙荒地养殖微藻生产生物质能源,实现能源生产的清洁高效和循环发展。在微藻生物固碳技术的研发上,新奥将主要开展高产油藻株的诱变育种与基因工程改造、微藻养殖工艺优化、高效低成本养殖后处理等研究工作。一些国外公司也正在研发微藻产油规模化技术,如埃克森美孚、德国意昂等都建立了研发基地。

金涌院士还指出,“可再生发电+储能”是人类未来能源终极解决方案之一,以煤炭、天然气等化石能源为燃料的火电厂仍将保有少量规模,以满足调峰与应急需求。储能技术与可再生能源发电技术相结合,可以使得储能和可再生能源成为一个联合系统,从而减少波动,增强电力系统的灵活性,使其输出可控和可调度。

近年来,可再生能源发电和储能系统成本的快速降低和性能改进,为这一模式的推广提供了机遇。尤其是光伏发电的单位用电成本在部分光照资源丰富的地区已实现与燃煤电厂上网电价持平,但是由于以风电光伏为代表的可再生能源自身具有间断性和波动性的特点,要想实现大范围的调度消纳,就必须结合储能系统的配合以增加可再生能源发电的稳定性和可靠性。

目前,可行的储能方案包括化学储电(锂硫电池、动力电容)、相变储热(储冷量)、机械储能(压缩空气)、水力储能(上下游水库)等。在2020年新增储能的2686兆瓦中,抽水储能占69.5%、电化化学储能占30.4%。我国近几年快速发展新能源汽车行业,使其上游锂电池行业也快速发展,这在一定程度上也促进了储能系统成本下降,使锂电池储能系统离商业化应用更近一步。也有机构预测,20年后全球电动车将达到10亿辆,储能700亿千瓦时,可用于调节电力峰谷平衡。

在专访的最后,金涌院士还向大家提出了要求:“碳达峰、碳中和的早日实现需要大家的共同努力,在日常生活方式中采用低碳生活方式也可以助力实现减碳,如在公园慢跑代替跑步机,自然晾干代替洗衣机甩干,LED灯替代白炽灯,乘坐火车替代开私家车旅行等等。”

(注:本文内容是在清华大学循环经济研究院相关工作基础上形成的)

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