丁仲礼:深入理解碳中和的基本逻辑和技术需求

选择字号:   本文共阅读 793 次 更新时间:2022-09-09 15:58:31

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丁仲礼  

  

   2020年9月,国家主席习近平代表我国向世界作出庄严承诺:我国二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值,努力争取2060年前实现碳中和。自此之后,我国各地掀起一股争取实现“双碳”目标的热潮,并为此作了大量人力和物力的投入。这表明我国上上下下对这个“双碳”目标的态度是十分严肃的,国际社会应该对我们这个“需要在不长时期内作出世上规模最大的碳减排”的国家有充分信心。但同时我们自己也应深刻认识到:根据我们国家的能源资源禀赋以及目前所处的发展阶段,要真正在2060年前实现碳中和,困难非比寻常。这里面最大的困难是我们尚没有全面支持从“高碳社会”向“碳中和社会”转型的技术体系,因而绿色低碳的产业体系还需要在研发大量新技术的基础上才能逐步得到发展和确立。

   中国科学院在习近平主席宣布“双碳”目标后,设立了一个大型咨询项目,组织百余位来自多个学部的院士和专家,着重就我国实现碳中和需要形成一个什么样的技术体系这一问题,做了“清单式”的研究,并形成了专门报告和著作。本文将以这个研究为依据,从碳中和的概念和逻辑入手,重点介绍完成碳中和的“技术需求清单”,并在此基础上讨论几个公众比较关心的问题。

   一、碳中和的概念

   碳中和应从碳排放(碳源)和碳固定(碳汇)这两个侧面来理解。

   碳排放既可以由人为过程产生,又可以由自然过程产生。人为过程主要来自两大块,一是化石燃料的燃烧形成二氧化碳(CO2)向大气圈释放,二是土地利用变化(最典型者是森林砍伐后土壤中的碳被氧化成二氧化碳释放到大气中);自然界也有多种过程可向大气中释放二氧化碳,比如火山喷发、煤炭的地下自燃等。但应该指出:近一个多世纪以来,自然界的碳排放比之于人为碳排放,对大气二氧化碳浓度变化的影响几乎可以忽略不计。

   碳固定也有自然固定和人为固定两大类,并且以自然固定为主。最主要的自然固碳过程来自陆地生态系统。陆地生态系统的诸多类型中,又以森林生态系统占大头。所谓的人为固定二氧化碳,一种方式是把二氧化碳收集起来后,通过生物或化学过程,把它转化成其他化学品,另一种方式则是把二氧化碳封存到地下深处和海洋深处。

   过去几十年中,人为排放的二氧化碳,大致有54%被自然过程所吸收固定,剩下的46%则留存于大气中。在自然吸收的54%中,23%由海洋完成,31%由陆地生态系统完成。比如最近几年,全球每年的碳排放量大约为400亿吨二氧化碳,其中的86%来自化石燃料燃烧,14%由土地利用变化造成。这400亿吨二氧化碳中的184亿吨(46%)加入到大气中,导致大约2ppmv的大气二氧化碳浓度增加。

   所谓碳中和,就是要使大气二氧化碳浓度不再增加。我们可以这样设想:我们的经济社会运作体系,即使到有能力实现碳中和的阶段,一定会存在一部分“不得不排放的二氧化碳”,对它们一方面还会有54%左右的自然固碳过程,余下的那部分,就得通过生态系统固碳、人为地将二氧化碳转化成化工产品或封存到地下等方式来消除。只有当排放的量相等于固定的量之后,才算实现了碳中和。由此可见,碳中和同碳的零排放是两个不同的概念,它是以大气二氧化碳浓度不再增加为标志。

   二、我国二氧化碳排放来源及实现碳中和的基本逻辑

   我国当前二氧化碳年排放量大数在100亿吨左右,约为全球总排放量的四分之一。这样较大数量的排放主要由我国的能源消费总量和能源消费结构所决定。我国目前的能源消费总量约为50亿吨标准煤,其中煤炭、石油和天然气三者合起来占比接近85%,其他非碳能源的占比只有15%多一点。在煤、油、气三类化石能源中,碳排放因子最高的煤炭占比接近70%。我国能源消费结构中,煤炭占比如此之高,在世界主要国家中是绝无仅有的。

   约100亿吨二氧化碳的年总排放中,发电和供热约占45亿吨,建筑物建成后的运行(主要是用煤和用气)约占5亿吨,交通排放约占10亿吨,工业排放约占39亿吨。工业排放的四大领域是建材、钢铁、化工和有色,而建材排放的大头是水泥生产(水泥以石灰石(CaCO3)为原料,煅烧成氧化钙(CaO)后,势必形成二氧化碳排放)。

   电力/热力生产过程产生的二氧化碳排放,其“账”应该记到电力消费领域头上。根据进一步研究,发现这45亿吨二氧化碳中,约29亿吨最终也应记入工业领域排放,约12.6亿吨应记入建筑物建成后的运行排放。所以我们说,我国工业排放约占总排放量的68%,如此之高的占比在所有主要国家中,也是绝无仅有的,这是我国作为“世界工厂”、处在城镇化快速发展阶段、经济社会出现压缩式发展等因素所决定的。

   根据我国二氧化碳的排放现状,我们就非常容易作出这样的推断:中国的碳中和需要构建一个“三端共同发力体系”。

   1、电力端

   即电力/热力供应端的以煤为主应该改造发展为以风、光、水、核、地热等可再生能源和非碳能源为主。

   2、能源消费端

   即建材、钢铁、化工、有色等原材料生产过程中的用能以绿电、绿氢等替代煤、油、气,水泥生产过程把石灰石作为原料的使用量降到最低,交通用能、建筑用能以绿电、绿氢、地热等替代煤、油、气。能源消费端要实现这样的替代,一个重要的前提是全国绿电供应能力几乎处在“有求必应”的状态。

   3、固碳端

   可以想见,不管前面两端如何发展,在技术上要达到零碳排放是不太可能的,比如煤、油、气化工生产过程中的“减碳”所产生的二氧化碳,又比如水泥生产过程中总会产生的那部分二氧化碳,还有电力生产本身,真正要做到“零碳电力”也只能寄希望于遥远的将来。因此,我们还得把“不得不排放的二氧化碳”用各种人为措施将其固定下来,其中最为重要的措施是生态建设,此外还有碳捕集之后的工业化利用,以及封存到地层和深海中。

   三、电力供应端的技术需求

   传统上,电力供应系统包括了发电、储能和输电三大部分,从现在业界经常谈到的“新型电力供应系统”的角度,还应把用户也统筹考虑在内。从实现碳中和的角度,我国未来的电力供应系统应该具备以下六方面特点。

   一是电力装机容量要成倍扩大。我国目前的发电装机容量在24亿千瓦左右,如果考虑以下因素:(1)未来要实现能源消费端对化石能源的绿电替代和绿氢替代;(2)从世界大部分先发国家走过的历程看,人均GDP从一万美元到三四万美元之间,人均能源消费量还会有比较明显的增长;(3)风、光等波动性能源的“出工能力”只有传统火电的三分之一左右,那么我国2060年前的装机容量至少需要60亿到80亿千瓦。

   二是风、光资源将逐步成为主力发电和供能资源。其中西部风、光资源和沿海大陆架风力资源是主体,各地分散式(尤其是农村)光热资源是补充。

   三是“稳定电源”将从目前的火电为主逐步转化为以核电、水电以及综合互补的非碳能源为主。

   四是必须利用能量的存储、转化、调节等技术,弥补风、光资源波动性大的天然缺陷。

   五是火电还得有,但主要作为应急电源和一部分调节电源之用。与此同时,火电应完成清洁、低碳化改造,有条件的情况下,用天然气代替煤炭,以降低二氧化碳排放强度。

   六是在现有基础上,成倍扩大输电基础设施,把西部充沛的电力输送到中东部消纳区。与此同时,加强配电基础设施建设,增强对分布式能源的消纳能力。

   在这样的电力供应系统中,碳中和本身的目标要求未来电力的70%左右来自风、光发电,其他30%的稳定电源、调节电源和应急电源也要尽可能地减少火电的装机总量。正因为如此,未来需要促进发电技术、储能技术和输电技术这三方面的“革命性”进步。

   发电技术要为绿色低碳电力生产提供支撑。这里面需重点促进可再生能源发电技术的进步,特别是要注重发展以下技术:(1)光伏发电技术虽已发展到可平价上网的程度,但这类技术在降成本、增效率上还有潜力可挖;

   (2)太阳能热发电技术对电网友好,既可保证稳定输出,也可用于调峰,但目前发电成本过高,未来应在材料、装置上寻求突破;

   (3)风力发电技术也基本具备平价上网的条件,未来要在大功率风机制造、更高空间风力的利用、更远的海上风电站建设上下功夫;

   (4)地热分布广、总量大,但能量密度太低,如要将地热用于发电,还得重点突破从干热岩中提取热能的技术;

   (5)生物质能也是可再生能源,目前生物质能发电技术是成熟的,但其在总的电力供应上的占比较为有限;

   (6)海洋能和潮汐能的总量不小,但其利用技术有待进步;

   (7)传统的水电我国开发程度已经较高,未来在雅鲁藏布江、金沙江上游开发上还有较大潜力。

   除以上可再生能源发电以外,社会公众还得接受这样的现实:要达到碳中和,核电还得较大程度地发展,因为核电应作为“稳定电源”的重要组成部分。此外,火电还得在“稳定电源”“应急电源”“调节电源”方面发挥作用,正因为如此,“无碳电力”在很长时期内是难以实现的,除非我们把火电站排放出的二氧化碳收集起来再予以封存或利用。

   储能技术在未来的电力供应系统中将占有突出的位置,这是因为风、光发电具有天然波动性,用户端也有波动性,这就需要用储能技术作出调节。可以这样说,如果没有环保、可靠并相对廉价的储能技术,碳中和目标就会落空。储能是最重要的电力灵活性调节方式,包括物理储能、化学储能和电磁储能三大类,而灵活性调节还有火电机组的灵活性改造、车网互动、电转燃料、电转热等方式和技术。

   物理储能主要有四类。一是抽水蓄能电站,它是最成熟的技术,我国以东部山地为依托,已建、在建和规划中的抽水蓄能电站总量很大,但可再生能源丰富的西部如何建抽水蓄能电站还得探索。二是压缩空气储能,主要是利用地下盐穴、矿井等空间,该类技术在我国还处在起步阶段。三是重力储能,简单地说是利用悬崖、斜坡等地形,电力有余时把重物提起来,需要电力时把重物放下用势能做功,这类技术我国尚处在试验阶段。四是飞轮储能,这是成熟的技术,但其能量密度不高。

   化学储能就是利用各类电池,大家熟知的有锂电池、钠电池、铅酸(碳)电池、液流电池、液态金属电池、金属空气电池、燃料电池(氢、甲烷)等。不同的电池有不同的应用场景,它们在未来的电力供应系统中具有不可或缺的地位,但今后会遇到电池回收、环保处理、资源供应等问题。

   电磁储能主要是超级电容器和超导材料储能,目前看,它的作用还有待观察。

   现有火电机组的灵活性改造是指使其“出工能力”具备灵活性,用电高峰时机组可以发挥100%发电能力,用电低谷时只“出工”20%或30%。这个技术一旦成熟,应该非常管用,尤其在实现“双碳”目标的早中期阶段,应将其作为主打技术。

   车网互动是指电动汽车与电网的互动。简单地说,今后大量的电动汽车整合起来就是一个非常庞大的储能系统,如果在电网电力有余时,它们中的一部分集中充电,而电力不足时,它们中的一部分向电网输电,这样就起到了平滑峰谷的作用。这个想法很美好,也有点“浪漫”,但如何将理论上的可能性转化为实践中的可行性,估计还得创新商业模式。

电转燃料就是把多余电力转化为氢气、甲烷等燃料,(点击此处阅读下一页)

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