碳中和之路的三個(gè)時(shí)代之變——訪中國(guó)工程院院士金涌
2020年9月22日，我國(guó)在聯(lián)合國(guó)大會(huì)上提出，二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)峰，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。2020年12月召開的中央經(jīng)濟(jì)工作會(huì)議提出，將碳達(dá)峰、碳中和列為2021年八項(xiàng)重點(diǎn)任務(wù)之一。如何實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和的雙碳目標(biāo)，成為業(yè)內(nèi)外廣泛關(guān)注和深入探討的議題。
中國(guó)工程院院士金涌在近日接受中國(guó)化工報(bào)記者專訪時(shí)指出，要實(shí)現(xiàn)2030年碳達(dá)峰、2060年碳中和的目標(biāo)，對(duì)于我國(guó)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展來說都將面臨巨大的挑戰(zhàn)。未來40年的碳中和之路，對(duì)于我國(guó)而言不僅是工業(yè)化向信息化轉(zhuǎn)變的時(shí)代，也是化石能源向化石資源轉(zhuǎn)變的時(shí)代，還是可再生能源飛速發(fā)展的時(shí)代。
碳中和是經(jīng)濟(jì)社會(huì)系統(tǒng)性變革
習(xí)近平總書記在中央財(cái)經(jīng)委員會(huì)第九次會(huì)議上發(fā)表重要講話時(shí)強(qiáng)調(diào)，實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和是一場(chǎng)廣泛而深刻的經(jīng)濟(jì)社會(huì)系統(tǒng)性變革，要把碳達(dá)峰、碳中和納入生態(tài)文明總體布局?？倳涍€特別強(qiáng)調(diào)要構(gòu)建清潔低碳安全高效的能源體系，控制化石能源總量，著力提高利用效能，實(shí)施可再生能源替代行動(dòng)，深化電力體制改革，構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)。
金涌院士在接受采訪時(shí)表示，實(shí)現(xiàn)碳中和不但是能源問題，而且是社會(huì)問題，尤其對(duì)中國(guó)來講是一個(gè)非常重大的課題。“我國(guó)實(shí)現(xiàn)碳中和的目標(biāo)面臨時(shí)間緊、任務(wù)重的局面。我國(guó)二氧化碳排放量在2019年已經(jīng)達(dá)到102億噸，是全球最大的碳排放國(guó)，從2030年實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰到2060年實(shí)現(xiàn)碳中和，在僅有30年的過渡期內(nèi)排放值降到0，難度非常大，而發(fā)達(dá)國(guó)家約在20世紀(jì)90年代已達(dá)峰，距碳中和有60年時(shí)間。”這是金涌院士介紹我國(guó)實(shí)現(xiàn)碳中和的第一大難點(diǎn)。
第二大難點(diǎn)就是降低萬元GDP能耗。美國(guó)的萬元GDP能耗為0.242噸標(biāo)煤，日本為0.197噸標(biāo)煤，而我國(guó)是0.519噸標(biāo)煤，是發(fā)達(dá)國(guó)家的兩三倍。要想在到達(dá)2060年時(shí)，保持人均GDP增速不變，達(dá)到人均5萬美元，且萬元GDP能耗降低到發(fā)達(dá)國(guó)家同等水平，也就是0.1~0.2噸標(biāo)煤/萬元GDP，2060年能源消費(fèi)總量將達(dá)到23.73億~47.46億噸標(biāo)煤。我國(guó)社會(huì)2019年能源消費(fèi)總量為48.6億噸標(biāo)煤，可見我國(guó)社會(huì)2060年總能耗相較于現(xiàn)階段將保持持平至減少一半。這對(duì)我國(guó)來說無疑是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。
“碳達(dá)峰和碳中和要與我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展同步進(jìn)行，所以我們必須早規(guī)劃、穩(wěn)步推進(jìn)，建立相關(guān)行業(yè)的退出機(jī)制，避免造成較大沖擊。”金涌院士強(qiáng)調(diào)。
他還提出實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)要依靠大幅度、顛覆性的科技創(chuàng)新，要發(fā)展高端制造業(yè)，而不是金融業(yè)等虛體經(jīng)濟(jì)。
具體來說，實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)需從產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整為主、技術(shù)進(jìn)步為輔兩方面下手。一方面推動(dòng)傳統(tǒng)資源密集型低端產(chǎn)業(yè)、重工業(yè)向高端制造業(yè)、高技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，減緩對(duì)鋼鐵、水泥等高能耗產(chǎn)品的需求，刺激對(duì)高端工業(yè)品、服務(wù)和綠色環(huán)境的需求增長(zhǎng)。另一方面以科技創(chuàng)新推動(dòng)能源效率提高，如發(fā)電效率提升有望減少10%~20%的火電碳排放，能源效率提升可使噸鋼能耗、單位水泥綜合能耗等進(jìn)一步下降，使工業(yè)能耗大幅減少。
要想早日實(shí)現(xiàn)碳中和并降低能源消耗，各個(gè)行業(yè)都要有所作為、提前布局，尤其是那些和人們生活息息相關(guān)的行業(yè)。
以我們最熟悉的化肥行業(yè)為例，從循環(huán)經(jīng)濟(jì)角度出發(fā)，從減少能源和資源浪費(fèi)、減少污染的角度出發(fā)，化肥行業(yè)的改進(jìn)和提升的任務(wù)還很重。我國(guó)化肥產(chǎn)業(yè)的成就有目共睹。中國(guó)每年每人的糧食擁有量達(dá)到475千克，遠(yuǎn)高于世界平均水平，這說明我們國(guó)家已經(jīng)保證中國(guó)人的飯碗端在自己手中，但我們也付出了一定代價(jià)。目前，我國(guó)化肥施用量占世界35%，單位面積施用量卻是世界平均值的3.9倍。同時(shí)，以煤化工為主體的氮肥行業(yè)是我國(guó)碳排放的大戶，二氧化碳年排放量達(dá)到近4億噸，低碳發(fā)展任務(wù)艱巨而緊迫。當(dāng)前，在減少化肥施用量的要求下，提高化肥利用率，保障產(chǎn)量不減、品質(zhì)提升。這就要求不斷研發(fā)和拓展化肥功能，通過生產(chǎn)復(fù)合肥、緩控釋肥、水肥一體化、測(cè)土配方施肥等方法，提高資源利用率，使化肥更好被植物吸收。另外，按照不同作物特征發(fā)展專用肥，多元素協(xié)同，減少氮磷鉀用量，實(shí)現(xiàn)減肥增效的目標(biāo)。
建筑行業(yè)也是如此。建筑節(jié)能的重要指標(biāo)是采暖與空調(diào)能耗，占總能耗的50%~70%，參照目前最先進(jìn)的德國(guó)微能耗建筑，我國(guó)建筑單位面積能耗還有90%左右的下降潛能。技術(shù)進(jìn)步的關(guān)鍵在于對(duì)建筑本身做優(yōu)化設(shè)計(jì)，利用保溫層做好墻體、屋頂和窗戶保溫，采用相變蓄熱砂漿打造建筑內(nèi)墻，利用地?zé)崮?、風(fēng)能、太陽能等可再生能源使建筑實(shí)現(xiàn)能量自給。預(yù)計(jì)我國(guó)2060年單位面積建筑能耗將達(dá)到現(xiàn)階段國(guó)際先進(jìn)水平，實(shí)現(xiàn)建筑運(yùn)行總能耗的大幅下降。
此外，交通行業(yè)對(duì)于節(jié)能減排的響應(yīng)集中體現(xiàn)在公路運(yùn)輸中。部分發(fā)達(dá)國(guó)家已發(fā)布禁售燃油車的相關(guān)規(guī)定，我國(guó)減少燃油車、推進(jìn)新能源車發(fā)展的有關(guān)政策也正逐步完善。2019年，我國(guó)汽車保有量為2.6億輛，其中新能源車為381萬輛。預(yù)計(jì)2060年，我國(guó)將全部變?yōu)樾履茉窜?，保有量約為1.5億輛。另外，隨著儲(chǔ)能技術(shù)的快速發(fā)展，航空、鐵路、航海的電氣化也將逐步實(shí)現(xiàn)，2060年有望實(shí)現(xiàn)全部電氣化的零碳交通。
碳中和將終結(jié)化石燃料時(shí)代
“二氧化碳大部分是化石能源燃燒排放產(chǎn)生的。因此，我們要協(xié)調(diào)解決碳排放的問題，首先應(yīng)當(dāng)考慮的問題是怎么不再把化石能源當(dāng)作燃料燒掉，而是越來越多地變成原料、變成材料，進(jìn)而變成更多的低能耗、高附加值材料。”金涌院士對(duì)化石能源的未來發(fā)展作出了預(yù)判。
石油化工行業(yè)要調(diào)整產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。在目前傳統(tǒng)的煉油路線下，只有20%的原油用于生產(chǎn)烯烴、芳烴等，約80%的原油還是用于生產(chǎn)汽油、柴油等油品，燃燒排放出大量二氧化碳。未來，人類需要用于燃燒的油品越來越少，傳統(tǒng)的煉油路線已經(jīng)很難滿足發(fā)展需求。石油化工行業(yè)要轉(zhuǎn)型，需要依托新的科技創(chuàng)新，將現(xiàn)在的產(chǎn)品比例發(fā)生翻天覆地的扭轉(zhuǎn)，20%的原油生產(chǎn)汽柴油，80%的原油變成高附加值的材料。
當(dāng)然要做成這件事不僅是我國(guó)科學(xué)家在努力，全世界的石油公司都在儲(chǔ)備相應(yīng)的技術(shù)。?？松梨诤蜕程匕⒚蓝奸_發(fā)出原油直接裂解制化學(xué)品工藝。?？松梨谛录悠鹿S的原油加工能力接近3000萬噸/年，基本石化原料生產(chǎn)能力超過800萬噸/年，收率約為24%。他們采用的工藝完全繞過常規(guī)煉油過程，將原油直接供給蒸汽裂解爐，并在裂解爐對(duì)流段和輻射段之間加入一個(gè)閃蒸罐。沙特阿美路線是以下行床催化裂解為主，產(chǎn)物以丙烯為主。清華大學(xué)魏飛教授團(tuán)隊(duì)主持研發(fā)了采用多級(jí)逆流下行的催化裂解模式，可實(shí)現(xiàn)逆流平推流反應(yīng)再生，并發(fā)揮烴池反應(yīng)機(jī)制使乙烯和丙烯產(chǎn)量相當(dāng)，單程乙烯丙烯的收率可達(dá)45%，同時(shí)獲得芳烴收率23%，可不出油品、油漿，且不用加氫裂解。
對(duì)于煤化工行業(yè)來說，研發(fā)綠色低碳的創(chuàng)新型路徑尤為重要。我國(guó)資源稟賦具有缺油少氣、煤炭相對(duì)豐富的特點(diǎn)，適度發(fā)展現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)是實(shí)施能源替代戰(zhàn)略、保障國(guó)家能源安全的重要舉措，其與傳統(tǒng)石油化工形成了互為補(bǔ)充、協(xié)調(diào)發(fā)展的產(chǎn)業(yè)格局。從我國(guó)三大能源產(chǎn)業(yè)鏈碳排放占比情況來看，煤化工產(chǎn)業(yè)碳排放量位居首位。中國(guó)石油和化學(xué)工業(yè)聯(lián)合會(huì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，煤間接液化制油、煤直接液化制油、煤制烯烴和煤制乙二醇的噸產(chǎn)品二氧化碳排放量分別為6.5噸、5.8噸、11.1噸和5.6噸。截至“十三五”末，我國(guó)煤制油、煤(甲醇)制烯烴和煤(合成氣)制乙二醇的年產(chǎn)能也已分別達(dá)到823萬噸、1672萬噸和597萬噸。這也表明，在碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)下，我國(guó)煤化工行業(yè)面臨更加巨大的減排壓力。
在碳中和目標(biāo)下，煤炭消費(fèi)占比勢(shì)必呈下降趨勢(shì)，然而煤炭的兜底作用在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)不會(huì)改變，作為基礎(chǔ)性保供能源儲(chǔ)備的地位也不可替代。目前，我國(guó)煤化工產(chǎn)業(yè)的發(fā)展水平和技術(shù)先進(jìn)程度都處于世界領(lǐng)先水平，包括且不限于研究能力、催化劑制備、設(shè)備制造、工程放大技術(shù)等。但要想推動(dòng)我國(guó)煤化工綠色低碳發(fā)展，需要顛覆性的技術(shù)創(chuàng)新。中國(guó)科學(xué)院院士包信和團(tuán)隊(duì)研發(fā)的煤氣化直接制烯烴技術(shù)或?qū)⒊蔀槠平饷夯ぎa(chǎn)業(yè)發(fā)展瓶頸的關(guān)鍵。該技術(shù)的低碳烴類產(chǎn)物選擇性高達(dá)94%，其中乙烯、丙烯和丁烯等低碳烯烴的選擇性大于80%，還可以解決煤化工水耗大等問題。
煤炭分質(zhì)利用也是需要努力攻克的方向?！懊撼煞种械奶己蜌涞谋壤?∶0.8，以前燒煤的時(shí)候直接把其中的氫也燒了，現(xiàn)在我們提出的思路先將煤炭分質(zhì)利用，產(chǎn)出的半焦用于蒸汽發(fā)電，碳?xì)浠衔锟闪呀獬蓺錃?，用于燃?xì)獍l(fā)電，這就叫做燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)發(fā)電?！苯鹩吭菏拷榻B了煤炭分質(zhì)利用的一個(gè)發(fā)展途徑。未來燃煤電廠必然要走向調(diào)峰電廠，采用燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)發(fā)電后，機(jī)組可以隨時(shí)啟停，實(shí)現(xiàn)調(diào)峰，發(fā)電效率也可以從現(xiàn)在的42%提升到60%。這或?qū)⒊蔀槲磥泶蟛糠只鹆﹄姀S的調(diào)整方向。
天然氣作為介于傳統(tǒng)化石能源石油、煤炭及可再生能源間的低碳清潔能源，它的碳排放低于煤炭和石油，碳中和將使天然氣在能源轉(zhuǎn)型中發(fā)揮更重要的作用。目前，我國(guó)的天然氣大部分用于炊事等民用領(lǐng)域，熱利用效率僅為30%~40%;如果用電來替代，熱利用率可達(dá)90%以上?！拔磥恚彝ゴ妒聭?yīng)當(dāng)用電氣化代替天然氣，省下來的天然氣可用于工業(yè)化應(yīng)用。利用天然氣富氫特點(diǎn)，將天然氣和二氧化碳反應(yīng)合成甲醇等其他物質(zhì)。現(xiàn)在歐洲已規(guī)定天然氣禁止民用，用于工業(yè)化，把天然氣作為減排二氧化碳的重要原料。”金涌院士介紹道。
碳中和將加速可再生能源發(fā)展
碳中和目標(biāo)的提出，對(duì)于風(fēng)能、太陽能、生物質(zhì)能和氫能等是重大利好，進(jìn)而引發(fā)第三次能源革命?！罢缛藗兯f，石器時(shí)代結(jié)束不是因?yàn)闆]有石頭了;石油時(shí)代的終結(jié)也不是因?yàn)槭拖耐炅耍怯行碌募夹g(shù)產(chǎn)生了、替代了。在碳中和背景下，可再生能源終將結(jié)束化石能源所屬的時(shí)代，未來終將屬于可再生能源。”在金涌院士看來，我國(guó)想要如期實(shí)現(xiàn)碳中和，必將加速可再生能源時(shí)代的到來。
為什么這么說呢?下面這組數(shù)據(jù)可以說明這一問題。在過去的10年，可再生能源發(fā)電成本急劇下降。光伏發(fā)電成本降至0.068美元/千瓦時(shí)，陸上和海上風(fēng)電成本分別降至0.053美元/千瓦時(shí)和0.115美元/千瓦時(shí)，同期火電平均發(fā)電成本約為0.05美元/千瓦時(shí)?！斑@也是我國(guó)為什么可以承諾力爭(zhēng)在2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。我國(guó)的光電和風(fēng)電技術(shù)經(jīng)過10多年的發(fā)展，運(yùn)行成本和投資成本基本和火電相當(dāng)。在經(jīng)濟(jì)上完全可以承受，未來不再使用火電廠，而是建設(shè)更多的可再生能源發(fā)電廠?！苯鹩吭菏康囊幌挼莱隽宋覈?guó)實(shí)現(xiàn)碳中和的底氣。
可再生能源的應(yīng)用潛力也很大，全部可再生能源可以提供目前全球能源需求的3078倍，其中生物質(zhì)能為20倍、風(fēng)能為200倍、太陽能為2850倍。金涌院士提出，希望到2060年在能源結(jié)構(gòu)中，可再生能源占比達(dá)到80%，化石能源降到20%以下;在2060年電力結(jié)構(gòu)中，化石能源僅占12%，風(fēng)電、光能、水能、核能、生物質(zhì)能均衡發(fā)展，占比接近90%。
在技術(shù)進(jìn)步與政策引導(dǎo)的雙重作用下，太陽能和風(fēng)能成為近年來發(fā)展最快的可再生能源。國(guó)際石油公司對(duì)太陽能和風(fēng)能領(lǐng)域的投入近兩年明顯加大，通過資本運(yùn)作快速進(jìn)入市場(chǎng)，借助與領(lǐng)先企業(yè)的合作實(shí)現(xiàn)共贏發(fā)展。我國(guó)石油公司也積極發(fā)展海上風(fēng)電項(xiàng)目，并與其他能源企業(yè)合作發(fā)展氫能、地?zé)岬取?/p>
在太陽能利用領(lǐng)域，中科院大連化學(xué)物理研究所李燦院士進(jìn)行了有效嘗試。他們參照植物光合作用的原理，建立起復(fù)合人工光合體系，實(shí)現(xiàn)了利用太陽光分解水制氫氣和氧氣的反應(yīng)。利用該體系建成的全球首套千噸級(jí)規(guī)模太陽燃料合成示范項(xiàng)目已經(jīng)試車成功，邁出了將太陽能等可再生能源轉(zhuǎn)化為液體燃料工業(yè)化生產(chǎn)的第一步。該項(xiàng)目將二氧化碳作為碳資源，實(shí)現(xiàn)二氧化碳的積極減排，生產(chǎn)的太陽燃料甲醇，實(shí)現(xiàn)了零碳排放，為推進(jìn)低碳、清潔的能源革命提供了創(chuàng)新的技術(shù)路線。
在生物質(zhì)能領(lǐng)域，微藻被認(rèn)為是一種極具前景的生物能源。微藻是一種單細(xì)胞藻類，分布于海水、淡水和微咸水中，能夠在某些環(huán)境條件下以甘油三酯的形式儲(chǔ)存所固定的太陽能和二氧化碳。目前，我國(guó)新奧能源控股公司已經(jīng)在內(nèi)蒙古建立了一個(gè)利用微藻生產(chǎn)生物柴油的商業(yè)工廠。他們利用煤基能源生產(chǎn)過程中排放的二氧化碳和濃鹽水，在周邊的沙荒地養(yǎng)殖微藻生產(chǎn)生物質(zhì)能源，實(shí)現(xiàn)能源生產(chǎn)的清潔高效和循環(huán)發(fā)展。在微藻生物固碳技術(shù)的研發(fā)上，新奧將主要開展高產(chǎn)油藻株的誘變育種與基因工程改造、微藻養(yǎng)殖工藝優(yōu)化、高效低成本養(yǎng)殖后處理等研究工作。一些國(guó)外公司也正在研發(fā)微藻產(chǎn)油規(guī)?；夹g(shù)，如?？松梨凇⒌聡?guó)意昂等都建立了研發(fā)基地。
金涌院士還指出，“可再生發(fā)電+儲(chǔ)能”是人類未來能源終極解決方案之一，以煤炭、天然氣等化石能源為燃料的火電廠仍將保有少量規(guī)模，以滿足調(diào)峰與應(yīng)急需求。儲(chǔ)能技術(shù)與可再生能源發(fā)電技術(shù)相結(jié)合，可以使得儲(chǔ)能和可再生能源成為一個(gè)聯(lián)合系統(tǒng)，從而減少波動(dòng)，增強(qiáng)電力系統(tǒng)的靈活性，使其輸出可控和可調(diào)度。
近年來，可再生能源發(fā)電和儲(chǔ)能系統(tǒng)成本的快速降低和性能改進(jìn)，為這一模式的推廣提供了機(jī)遇。尤其是光伏發(fā)電的單位用電成本在部分光照資源豐富的地區(qū)已實(shí)現(xiàn)與燃煤電廠上網(wǎng)電價(jià)持平，但是由于以風(fēng)電光伏為代表的可再生能源自身具有間斷性和波動(dòng)性的特點(diǎn)，要想實(shí)現(xiàn)大范圍的調(diào)度消納，就必須結(jié)合儲(chǔ)能系統(tǒng)的配合以增加可再生能源發(fā)電的穩(wěn)定性和可靠性。
目前，可行的儲(chǔ)能方案包括化學(xué)儲(chǔ)電(鋰硫電池、動(dòng)力電容)、相變儲(chǔ)熱(儲(chǔ)冷量)、機(jī)械儲(chǔ)能(壓縮空氣)、水力儲(chǔ)能(上下游水庫(kù))等。在2020年新增儲(chǔ)能的2686兆瓦中，抽水儲(chǔ)能占69.5%、電化化學(xué)儲(chǔ)能占30.4%。我國(guó)近幾年快速發(fā)展新能源汽車行業(yè)，使其上游鋰電池行業(yè)也快速發(fā)展，這在一定程度上也促進(jìn)了儲(chǔ)能系統(tǒng)成本下降，使鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)離商業(yè)化應(yīng)用更近一步。也有機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)，20年后全球電動(dòng)車將達(dá)到10億輛，儲(chǔ)能700億千瓦時(shí)，可用于調(diào)節(jié)電力峰谷平衡。
在專訪的最后，金涌院士還向大家提出了要求：“碳達(dá)峰、碳中和的早日實(shí)現(xiàn)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實(shí)現(xiàn)減碳，如在公園慢跑代替跑步機(jī)，自然晾干代替洗衣機(jī)甩干，LED燈替代白熾燈，乘坐火車替代開私家車旅行等等?！?/p>
(注：本文內(nèi)容是在清華大學(xué)循環(huán)經(jīng)濟(jì)研究院相關(guān)工作基礎(chǔ)上形成的)