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碳中和之路的三個時代之變——訪中國工程院院士金涌

时间:2021-06-15     【转载】   来自:中國化工報   阅读

2020年9月22日,我國在聯合國大會上提出,二氧化碳排放力爭于2030年前達峰,努力爭取2060年前實現碳中和。2020年12月召開的中央經濟工作會議提出,將碳達峰、碳中和列為2021年八項重點任務之一。如何實現碳達峰、碳中和的雙碳目標,成為業內外廣泛關注和深入探討的議題。

中國工程院院士金涌在近日接受中國化工報記者專訪時指出,要實現2030年碳達峰、2060年碳中和的目標,對于我國經濟和社會發展來說都將面臨巨大的挑戰。未來40年的碳中和之路,對于我國而言不僅是工業化向信息化轉變的時代,也是化石能源向化石資源轉變的時代,還是可再生能源飛速發展的時代。

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碳中和是經濟社會系統性變革

習近平總書記在中央財經委員會第九次會議上發表重要講話時強調,實現碳達峰、碳中和是一場廣泛而深刻的經濟社會系統性變革,要把碳達峰、碳中和納入生態文明總體布局。總書記還特別強調要構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,實施可再生能源替代行動,深化電力體制改革,構建以新能源為主體的新型電力系統。

金涌院士在接受采訪時表示,實現碳中和不但是能源問題,而且是社會問題,尤其對中國來講是一個非常重大的課題。“我國實現碳中和的目標面臨時間緊、任務重的局面。我國二氧化碳排放量在2019年已經達到102億噸,是全球最大的碳排放國,從2030年實現碳達峰到2060年實現碳中和,在僅有30年的過渡期內排放值降到0,難度非常大,而發達國家約在20世紀90年代已達峰,距碳中和有60年時間。”這是金涌院士介紹我國實現碳中和的第一大難點。

第二大難點就是降低萬元GDP能耗美國的萬元GDP能耗為0.242噸標煤,日本為0.197噸標煤,而我國是0.519噸標煤,是發達國家的兩三倍。要想在到達2060年時,保持人均GDP增速不變,達到人均5萬美元,且萬元GDP能耗降低到發達國家同等水平,也就是0.1-0.2噸標煤/萬元GDP,2060年能源消費總量將達到23.73億~47.46億噸標煤。我國社會2019年能源消費總量為48.6億噸標煤,可見我國社會2060年總能耗相較于現階段將保持持平至減少一半。這對我國來說無疑是一個巨大的挑戰。

“碳達峰和碳中和要與我國經濟發展同步進行,所以我們必須早規劃、穩步推進,建立相關行業的退出機制,避免造成較大沖擊。”金涌院士強調。

他還提出實現雙碳目標要依靠大幅度、顛覆性的科技創新,要發展高端制造業而不是金融業等虛體經濟。

具體來說,實現雙碳目標需從產業結構調整為主、技術進步為輔兩方面下手。一方面推動傳統資源密集型低端產業、重工業向高端制造業、高技術產業發展,減緩對鋼鐵、水泥等高能耗產品的需求,刺激對高端工業品、服務和綠色環境的需求增長。另一方面以科技創新推動能源效率提高,如發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一步下降,使工業能耗大幅減少。

要想早日實現碳中和并降低能源消耗,各個行業都要有所作為、提前布局,尤其是那些和人們生活息息相關的行業。

以我們最熟悉的化肥行業為例,從循環經濟角度出發,從減少能源和資源浪費、減少污染的角度出發,化肥行業的改進和提升的任務還很重。我國化肥產業的成就有目共睹。中國每年每人的糧食擁有量達到475千克,遠高于世界平均水平,這說明我們國家已經保證中國人的飯碗端在自己手中,但我們也付出了一定代價。目前,我國化肥施用量占世界35%,單位面積施用量卻是世界平均值的3.9倍。同時,以煤化工為主體的氮肥行業是我國碳排放的大戶,二氧化碳年排放量達到近4億噸,低碳發展任務艱巨而緊迫。當前,在減少化肥施用量的要求下,提高化肥利用率,保障產量不減、品質提升。這就要求不斷研發和拓展化肥功能,通過生產復合肥、緩控釋肥、水肥一體化、測土配方施肥等方法,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展專用肥,多元素協同,減少氮磷鉀用量,實現減肥增效的目標。

建筑行業也是如此。建筑節能的重要指標是采暖與空調能耗,占總能耗的50%~70%,參照目前最先進的德國微能耗建筑,我國建筑單位面積能耗還有90%左右的下降潛能。技術進步的關鍵在于對建筑本身做優化設計,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墻,利用地熱能、風能、太陽能等可再生能源使建筑實現能量自給。預計我國2060年單位面積建筑能耗將達到現階段國際先進水平,實現建筑運行總能耗的大幅下降。

此外,交通行業對于節能減排的響應集中體現在公路運輸中。部分發達國家已發布禁售燃油車的相關規定,我國減少燃油車、推進新能源車發展的有關政策也正逐步完善。2019年,我國汽車保有量為2.6億輛,其中新能源車為381萬輛。預計2060年,我國將全部變為新能源車,保有量約為1.5億輛。另外,隨著儲能技術的快速發展,航空、鐵路、航海的電氣化也將逐步實現,2060年有望實現全部電氣化的零碳交通。

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碳中和將終結化石燃料時代

“二氧化碳大部分是化石能源燃燒排放產生的。因此,我們要協調解決碳排放的問題,首先應當考慮的問題是怎么不再把化石能源當作燃料燒掉,而是越來越多地變成原料、變成材料,進而變成更多的低能耗、高附加值材料。”金涌院士對化石能源的未來發展作出了預判。

石油化工行業要調整產品結構。在目前傳統的煉油路線下,只有20%的原油用于生產烯烴、芳烴等,約80%的原油還是用于生產汽油、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,傳統的煉油路線已經很難滿足發展需求。石油化工行業要轉型,需要依托新的科技創新,將現在的產品比例發生翻天覆地的扭轉,20%的原油生產汽柴油,80%的原油變成高附加值的材料

當然要做成這件事不僅是我國科學家在努力,全世界的石油公司都在儲備相應的技術。埃克森美孚和沙特阿美都開發出原油直接裂解制化學品工藝。埃克森美孚新加坡工廠的原油加工能力接近3000萬噸/年,基本石化原料生產能力超過800萬噸/年,收率約為24%。他們采用的工藝完全繞過常規煉油過程,將原油直接供給蒸汽裂解爐,并在裂解爐對流段和輻射段之間加入一個閃蒸罐。沙特阿美路線是以下行床催化裂解為主,產物以丙烯為主。清華大學魏飛教授團隊主持研發了采用多級逆流下行的催化裂解模式,可實現逆流平推流反應再生,并發揮烴池反應機制使乙烯和丙烯產量相當單程乙烯丙烯的收率可達45%,同時獲得芳烴收率23%,可不出油品、油漿,且不用加氫裂解。

對于煤化工行業來說,研發綠色低碳的創新型路徑尤為重要。我國資源稟賦具有缺油少氣、煤炭相對豐富的特點,適度發展現代煤化工產業是實施能源替代戰略、保障國家能源安全的重要舉措,其與傳統石油化工形成了互為補充、協調發展的產業格局。從我國三大能源產業鏈碳排放占比情況來看,煤化工產業碳排放量位居首位。中國石油和化學工業聯合會統計數據顯示,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,我國煤制油、煤(甲醇)制烯烴和煤(合成氣)制乙二醇的年產能也已分別達到823萬噸、1672萬噸和597萬噸。這也表明,在碳達峰、碳中和目標下,我國煤化工行業面臨更加巨大的減排壓力。

在碳中和目標下,煤炭消費占比勢必呈下降趨勢,然而煤炭的兜底作用在很長一段時間內不會改變,作為基礎性保供能源儲備的地位也不可替代。目前,我國煤化工產業的發展水平和技術先進程度都處于世界領先水平,包括且不限于研究能力、催化劑制備、設備制造、工程放大技術等。但要想推動我國煤化工綠色低碳發展,需要顛覆性的技術創新。中國科學院院士包信和團隊研發的煤氣化直接制烯烴技術或將成為破解煤化工產業發展瓶頸的關鍵。該技術的低碳烴類產物選擇性高達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。

煤炭分質利用也是需要努力攻克的方向。“煤成分中的碳和氫的比例是1∶0.8,以前燒煤的時候直接把其中的氫也燒了,現在我們提出的思路先將煤炭分質利用,產出的半焦用于蒸汽發電,碳氫化合物可裂解成氫氣,用于燃氣發電,這就叫做燃氣蒸汽聯合循環發電。”金涌院士介紹了煤炭分質利用的一個發展途徑。未來燃煤電廠必然要走向調峰電廠,采用燃氣蒸汽聯合循環發電后,機組可以隨時啟停,實現調峰,發電效率也可以從現在的42%提升到60%。這或將成為未來大部分火力電廠的調整方向。

天然氣作為介于傳統化石能源石油、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型中發揮更重要的作用。目前,我國的天然氣大部分用于炊事等民用領域,熱利用效率僅為30%~40%;如果用電來替代,熱利用率可達90%以上。“未來,家庭炊事應當用電氣化代替天然氣,省下來的天然氣可用于工業化應用。利用天然氣富氫特點,將天然氣和二氧化碳反應合成甲醇等其他物質。現在歐洲已規定天然氣禁止民用,用于工業化,把天然氣作為減排二氧化碳的重要原料。”金涌院士介紹道。

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碳中和將加速可再生能源發展

碳中和目標的提出,對于風能、太陽能、生物質能和氫能等是重大利好,進而引發第三次能源革命。“正如人們所說,石器時代結束不是因為沒有石頭了;石油時代的終結也不是因為石油消耗完了,而是有新的技術產生了、替代了。在碳中和背景下,可再生能源終將結束化石能源所屬的時代,未來終將屬于可再生能源。”在金涌院士看來,我國想要如期實現碳中和,必將加速可再生能源時代的到來。

為什么這么說呢?下面這組數據可以說明這一問題。在過去的10年,可再生能源發電成本急劇下降。光伏發電成本降至0.068美元/千瓦時,陸上和海上風電成本分別降至0.053美元/千瓦時和0.115美元/千瓦時,同期火電平均發電成本約為0.05美元/千瓦時。“這也是我國為什么可以承諾力爭在2060年前實現碳中和。我國的光電和風電技術經過10多年的發展,運行成本和投資成本基本和火電相當。在經濟上完全可以承受,未來不再使用火電廠,而是建設更多的可再生能源發電廠。”金涌院士的一席話道出了我國實現碳中和的底氣。

可再生能源的應用潛力也很大,全部可再生能源可以提供目前全球能源需求的3078倍,其中生物質能為20倍、風能為200倍、太陽能為2850倍。金涌院士提出,希望到2060年在能源結構中,可再生能源占比達到80%,化石能源降到20%以下;在2060年電力結構中,化石能源僅占12%,風電、光能、水能、核能、生物質能均衡發展,占比接近90%。

在技術進步與政策引導的雙重作用下,太陽能和風能成為近年來發展最快的可再生能源。國際石油公司對太陽能和風能領域的投入近兩年明顯加大,通過資本運作快速進入市場,借助與領先企業的合作實現共贏發展。我國石油公司也積極發展海上風電項目,并與其他能源企業合作發展氫能、地熱等。

在太陽能利用領域,中科院大連化學物理研究所李燦院士進行了有效嘗試。他們參照植物光合作用的原理,建立起復合人工光合體系,實現了利用太陽光分解水制氫氣和氧氣的反應。利用該體系建成的全球首套千噸級規模太陽燃料合成示范項目已經試車成功,邁出了將太陽能等可再生能源轉化為液體燃料工業化生產的第一步。該項目將二氧化碳作為碳資源,實現二氧化碳的積極減排,生產的太陽燃料甲醇,實現了零碳排放,為推進低碳、清潔的能源革命提供了創新的技術路線。

在生物質能領域,微藻被認為是一種極具前景的生物能源。微藻是一種單細胞藻類,分布于海水、淡水和微咸水中,能夠在某些環境條件下以甘油三酯的形式儲存所固定的太陽能和二氧化碳。目前,我國新奧能源控股公司已經在內蒙古建立了一個利用微藻生產生物柴油的商業工廠。他們利用煤基能源生產過程中排放的二氧化碳和濃鹽水,在周邊的沙荒地養殖微藻生產生物質能源,實現能源生產的清潔高效和循環發展。在微藻生物固碳技術的研發上,新奧將主要開展高產油藻株的誘變育種與基因工程改造、微藻養殖工藝優化、高效低成本養殖后處理等研究工作。一些國外公司也正在研發微藻產油規模化技術,如埃克森美孚、德國意昂等都建立了研發基地。

金涌院士還指出,“可再生發電+儲能”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模,以滿足調峰與應急需求。儲能技術與可再生能源發電技術相結合,可以使得儲能和可再生能源成為一個聯合系統,從而減少波動,增強電力系統的靈活性,使其輸出可控和可調度。

近年來,可再生能源發電和儲能系統成本的快速降低和性能改進,為這一模式的推廣提供了機遇。尤其是光伏發電的單位用電成本在部分光照資源豐富的地區已實現與燃煤電廠上網電價持平,但是由于以風電光伏為代表的可再生能源自身具有間斷性和波動性的特點,要想實現大范圍的調度消納,就必須結合儲能系統的配合以增加可再生能源發電的穩定性和可靠性。

目前,可行的儲能方案包括化學儲電(鋰硫電池、動力電容)、相變儲熱(儲冷量)、機械儲能(壓縮空氣)、水力儲能(上下游水庫)等。在2020年新增儲能的2686兆瓦中,抽水儲能占69.5%、電化化學儲能占30.4%。我國近幾年快速發展新能源汽車行業,使其上游鋰電池行業也快速發展,這在一定程度上也促進了儲能系統成本下降,使鋰電池儲能系統離商業化應用更近一步。也有機構預測,20年后全球電動車將達到10億輛,儲能700億千瓦時,可用于調節電力峰谷平衡。

在專訪的最后,金涌院士還向大家提出了要求:“碳達峰、碳中和的早日實現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現減碳,如在公園慢跑代替跑步機,自然晾干代替洗衣機甩干,LED燈替代白熾燈,乘坐火車替代開私家車旅行等等。”


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