刘科:碳中和误区及其现实路径

选择字号:   本文共阅读 558 次 更新时间:2021-08-20 16:34:40

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刘科  

   【本文系由深圳创新发展研究院、博研商学院、深圳企联等共同主办的“科技创新院士报告厅”第四期内容,7月15日上午,澳大利亚国家工程院外籍院士刘科围绕“碳中和误区及其现实路径”做了演讲。以下内容根据刘科院士的演讲录音整理,经刘科本人审订。】

  

  

   我自己曾在海外工作过二十多年,之前在GE、UTC(联合技术公司)、埃克森-美孚等单位工作,2009年回国。回来以后第一份工作就是参与筹建北京低碳清洁能源研究所(现国家能源集团北京低碳清洁能源研究院),并且担任副所长和首席技术官。再后来,我决定出来做一些自己的事情。当时,南方科技大学前校长陈十一院士邀请我去南方科技大学,就这样几年前我就来到了深圳。

   来到南科大后我担任了创新创业学院院长和清洁能源研究院院长,因为我一直在研究低碳和能源的事情,今天与大家分享一下碳中和的一些内容。

   碳中和很热,大家都在谈,但真正做这一方面研究的人不多。有一次我碰到一个朋友,他说我们现在专门在研究将来怎么去计量各个单位、各家公司的二氧化碳排放,这是一个大产业。我说他是劳民伤财。其实一方面,碳中和是一个宏观的问题;另一方面,看一个城市的碳排放,可以系统地看,比如深圳市一年耗多少万吨煤炭,耗多少万吨天然气,耗多少万吨油,每一个乘一个系数,这个二氧化碳的排放就出来了,这样算出来的碳排放量基本上占实际排放量的92%。

   我先讲一些数据和事实

   据统计,2020年,中国二氧化碳排放大约103亿吨(大约是102亿吨到108亿吨,我选了103这个中间的数字),其中,煤炭、石油、天然气排放达到95亿吨,另外一部分是各种小的,比如沼气、生物质,还有一些其他的排放。所以,约92%的排放是以上这三个产生的。衡量任何一家公司、任何一家单位、任何一个系统,把这三个算准就可以了。国家对这三个都有统计数据,不需要额外计量。2020年,中国的总煤耗量大约36亿吨,折算成标准煤大约28亿吨,每吨标准煤再乘以一个系数就可以得出,煤炭一年大约排放73.5亿吨二氧化碳。2020年,中国的石油消耗量折成标准煤是9亿吨,排放二氧化碳15.4亿吨;天然气消耗量折成标煤是4亿吨,排放二氧化碳6亿吨;三个加起来是95亿吨。103亿吨除以14亿人口,人均大概7.4吨,一个三口之家平均每年排放22吨二氧化碳,这是一个天量的数字。怎么说呢?如果把二氧化碳转化成一种产品,22吨原料就要生产22吨产品,哪家一年能消耗掉这22吨的东西呢?

   大家都说碳中和容易,比如每天用空调、开车等等都与碳有关系,每一个人、每一小步都是可以为碳中和做出贡献的,但完成碳中和这个任务还是非常艰巨的,而且是一个漫长的过程。因为可见的未来,我们缺不了这三种化石能源。尽管风能、太阳能,二氧化碳转化为化学品,CCS(carbon capture and storage,碳捕获与封存)、CCUS(Carbon Capture,Utilization and Storage,碳捕获、利用与封存),提高能效都会或多或少地对减碳有些贡献,都值得去鼓励探索和实施,但对天量排放的二氧化碳减低的比例是相当有限的。

   在这种情况下我们怎么才能实现碳中和?这是我希望跟大家进一步探讨的。

  

  

   关于碳中和的误区

  

  

   当前大众对碳中和的挑战及认知有一定局限,认为单一的技术路线或者技术突破能够解决碳中和问题,因此常存在几个误区:

   第一个误区是认为风能和太阳能比火电都便宜了,因此太阳能和风能完全可以取代火电实现碳中和。这句话只对了1/5到1/6。因为一年有8760小时,而中国的太阳能每年发电小时数因地而异,在1300小时到2000小时之间不等,很少有超过2000小时的区域,平均在1700小时左右;也就是说太阳能大约在1/5–1/6的时间段比火电便宜;而在其他4/5-5/6的时间段,如果要储电,其成本会远远高于火电。风能每年发电的时间比太阳能略微长一点,是2000小时左右,但电是需要24小时供的,不能说一个电厂一年只供一两千小时,因为我们用电不能说有太阳有风的时候用电,没太阳、没风的时候就停电。太阳能和风能是便宜了,但最大的问题是非稳定供电。

   不可否认,中国的风能和太阳能发展了将近四十年,取得非常大的成绩,我们给这个领域做出贡献的科学家们以崇高的致敬。但直到今天,风能、太阳能与煤电相比仍然是杯水车薪。以2019年为例,全国的风能和太阳能加起来发电总量相当于1.92亿吨标准煤的发电量,而中国年发电耗煤大约是22亿吨煤,相当于18-19亿吨标准煤,也就是说,风能和太阳能只能占煤电的10%左右。

   而且,电网靠电池储电的概念是非常危险的。据估算,目前全世界5年的电池产能仅能满足东京全市停电3天的电能。如果说我们有4/5的时间或者5/6的时间要靠电池储电,这是不可想象的。况且,这个世界也没有那么多的钴和锂,没法让我们造那么多的电池。在这种情况下,弃光弃风的问题非常严重,因为电网只能容纳15%的非稳定电源。风能、太阳能发出来的电,电网没法全部承受。如果继续增加风能、太阳能,同时大规模储能问题解决不了,只能废弃更多。

   弃光弃风在中国有两方面的原因,一是技术因素,就是因为太阳能、风能是没办法预测的,电网小于15%可以容纳,多于15%容纳不了,这是一个很大的技术难题,到现在还不好解决;二是机制因素,地方保护主义的存在可能会让地方出于各种原因不用风电、光电、水电。机制问题在中央大力推动“碳中和”的背景下是可以解决的,但技术问题,不容易解决。

   因此,太阳能和风能需要大力发展,但在储电成本仍然很高的当前,在可见的未来仍然无法全部取代化石能源发电。

   第二个误区是人们以为有个魔术般的大规模储电技术,认为如果储能技术进步,风能和太阳能就能彻底取代火电。这个假设太大了,因为自铅酸电池发明至今一百多年来,人类花了数千亿美元的研发经费研究储能,可从铅酸电池的90千瓦时/立方米增加到今天特斯拉的260千瓦时/立方米,电池的能量密度并没有得到革命性的根本改变。要知道,汽油是8600千瓦时/立方米。同时,迄今大规模GW(十亿瓦特发电装机容量)级的储电最便宜的还是100多年前就被发明的抽水蓄能技术。

   科学技术的突破不是没有可能,但是只有发现了才能知道发现了。今天无法预测明天的发现。我经常举一个例子,火药发明之后近一千年才有枪的发明。枪的机械原理其实很简单,但是你要说火药发明后就可以预测肯定会发明枪,那就错得离谱了。这就提醒我们,在制定任何战略时,都千万不要假设未来这块有突破就可以做什么事。我们制定战略一定是以已有的、证明的、现实的技术路线为基础。

   不同行业的进步不一样,计算机行业有摩尔定律,这么多年确实发展得很快,但是能源行业目前还没找到类似摩尔定律一样的规律,“碳中和”必须选择现实可行的路线来推进。

   有一个笑话是,比尔·盖茨跟波音公司总裁讲,假如飞机行业的技术进步跟计算机一样快,那现在人人都可以不用开车,可以改为开飞机了。波音公司的总裁说,假如我的技术跟你一样的话,这个世界就没人敢坐飞机了,因为那个年代计算机动不动就死机。所以说,大家不要认为某一个行业发展很快,其他的行业就都一样。能源行业就是一个不断地砸钱但技术进步缓慢的行业。未来储能技术肯定会有新发明,我们鼓励储能技术的创新与发展,但是在制定战略目标的时候一定要谨慎,没发明的时候就不要先假设这个事情存在。

   第三个误区,有些人认为我们可以把二氧化碳转化成各种各样的化学品,比如保鲜膜、化妆品等等。这些要能转化、能赚钱,可以去干,但是这些解决不了二氧化碳的问题。粗略估算,一个三口之家一年平均排放碳22吨,但什么产品一个家庭一年也消耗不了20多吨。

   另一方面,全世界只有大约13%的石油就生产了我们所有的石化产品,剩下的大约87%的石油都是被烧掉的。如果把全世界的化学品都用二氧化碳来造,也只是解决13%的碳中和问题。所以说,从规模上二氧化碳制成化学品并不具备减碳价值。二氧化碳转化为其他化学品对减碳的贡献是相当有限的。

   所以说,把二氧化碳转化成任何化学品,如果能赚钱那可以去干,但挣不了钱就别打着“碳中和”的概念来拿国家的补贴。讲这个话我可能会得罪很多人,特别是企业界的人。但我们科学家要讲事实,拿数字说话。我也参加过很多关于碳中和的论坛,很多时候甚至有些经济学家在讲的时候,没有数字的概念,只有一个粗概,说这样可以减碳、那样可以减碳,但是对减多少没有概念。这个也不能怪他们,隔行如隔山。

   第四个误区,是说可以大量地捕集和利用二氧化碳。利用CCUS技术,把生产过程排放的二氧化碳进行捕获提纯,再投入到新的生产过程中进行循环再利用或封存。理论上能够实现二氧化碳的大规模捕集。现在大家说在电厂把二氧化碳分离,分离完以后打到地下可以做驱油和埋藏等等其他的作用。那么我们看看,未来十年,中国整个二氧化碳驱油消耗量大概是600多万吨,我们一年的排放是103亿吨。而且驱油这个阶段是一部分二氧化碳进到地里,还有一部分会跟着油出来,它不是一个完全的埋藏。

   把碳打到地下埋藏,我回国前在GE曾经做过这个事情。把煤和水、氧转成氢气和二氧化碳,氢气燃烧发电产生水蒸气,二氧化碳就打到地底下。我们做了示范工程,前后花了28亿美元,有上百名博士参与,用了7年的时间,这个示范具有环境方面的意义,并且工厂在美国运行至今,但是不具备经济性。我们做完这个项目以后,发现这是GE创立以来最复杂的一套工业系统。别看全GE可以生产的包括飞机发动机、医疗器械、核磁共振、CT等等这些,包括三峡水利工程的设备和青藏线的火车头等等,但是GE成立以来最复杂的一套系统就是我们当时做的“零污染火电厂”,不过这个成本太高了。

   我回国之前和当时的GE总经理交流,他在一次演讲中也提到今后通过煤炭零污染的火电厂解决二氧化碳的问题,但是讲完就下来跟我说,别看我在会上那么讲,真正要去做还不如干核能,核能比零污染火电厂便宜多了。当然,那会儿福岛核电站事故还没有发生,核能可以做。法国现在将近70%都是核能,做了几十年了。但是福岛核电站泄漏事故之后,全世界都在提高核能的安全系数,这个安全系数到后期每提高一点,成本就增加很多。

   碳中和不光是一个技术问题,更是经济和社会平衡发展的综合性问题。现在在电厂把二氧化碳分离,分离完以后打到地下可以做驱油和埋藏这条路,在可以驱油的地方可以改,还有一点经济效益,我国新疆等地已经有类似的二氧化碳驱油工程。这块的成本是把二氧化碳分离出来的成本,我们算过,假设打下去的成本为30美元一吨,其中20美元是把二氧化碳从整个尾气里面分离出来成为纯二氧化碳,5美元是输送,另外5美元是把它压缩到地底下。分离是核心,成本也最大。在目前的技术手段下,靠CCUS利用来处理的成本很高,作用也是有限的,当然这也可能是实现碳中和的保底技术。

   实际上,我刚刚讲的每一件事,比如风能、太阳能都对碳中和有贡献,我们每一个都应该去做,但是今天的技术你再怎么做,对碳中和的贡献是有限的。当然,这不是说让大家不去做,我们每一个人能够努力的都去努力,毕竟积少成多。

第五个误区是认为通过提高能效可以显著降低工业流程、产品使用中的碳排放,(点击此处阅读下一页)

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本文责编:陈冬冬
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