2020年9月22日，我國在聯(lián)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(xiàn)碳中和。2020年12月召開的中央經(jīng)濟工作會議提出，將碳達峰、碳中和列為2021年八項重點任務(wù)之一。如何實現(xiàn)碳達峰、碳中和的雙碳目標，成為業(yè)內(nèi)外廣泛關(guān)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(xiàn)2030年碳達峰、2060年碳中和的目標，對于我國經(jīng)濟和社會發(fā)展來說都將面臨巨大的挑戰(zhàn)。未來40年的碳中和之路，對于我國而言不僅是工業(yè)化向信息化轉(zhuǎn)變的時代，也是化石能源向化石資源轉(zhuǎn)變的時代，還是可再生能源飛速發(fā)展的時代。
碳中和是經(jīng)濟社會系統(tǒng)性變革
習(xí)近平總書記在中央財經(jīng)委員會第九次會議上發(fā)表重要講話時強調(diào)，實現(xiàn)碳達峰、碳中和是一場廣泛而深刻的經(jīng)濟社會系統(tǒng)性變革，要把碳達峰、碳中和納入生態(tài)文明總體布局?？倳涍€特別強調(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，實施可再生能源替代行動，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表示，實現(xiàn)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(xiàn)碳中和的目標面臨時間緊、任務(wù)重的局面。我國二氧化碳排放量在2019年已經(jīng)達到102億噸，是全球最大的碳排放國，從2030年實現(xiàn)碳達峰到2060年實現(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)達國家約在20世紀90年代已達峰，距碳中和有60年時間?！边@是金涌院士介紹我國實現(xiàn)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(fā)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(fā)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(xiàn)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(zhàn)。
“碳達峰和碳中和要與我國經(jīng)濟發(fā)展同步進行，所以我們必須早規(guī)劃、穩(wěn)步推進，建立相關(guān)行業(yè)的退出機制，避免造成較大沖擊?！苯鹩吭菏繌娬{(diào)。
他還提出實現(xiàn)雙碳目標要依靠大幅度、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。
具體來說，實現(xiàn)雙碳目標需從產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整為主、技術(shù)進步為輔兩方面下手。一方面推動傳統(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，減緩對鋼鐵、水泥等高能耗產(chǎn)品的需求，刺激對高端工業(yè)品、服務(wù)和綠色環(huán)境的需求增長。另一方面以科技創(chuàng)新推動能源效率提高，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一步下降，使工業(yè)能耗大幅減少。
要想早日實現(xiàn)碳中和并降低能源消耗，各個行業(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)濟角度出發(fā)，從減少能源和資源浪費、減少污染的角度出發(fā)，化肥行業(yè)的改進和提升的任務(wù)還很重。我國化肥產(chǎn)業(yè)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(jīng)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(yè)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(fā)展任務(wù)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(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，實現(xiàn)減肥增效的目標。
建筑行業(yè)也是如此。建筑節(jié)能的重要指標是采暖與空調(diào)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(shù)進步的關(guān)鍵在于對建筑本身做優(yōu)化設(shè)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(nèi)墻，利用地?zé)崮堋L(fēng)能、太陽能等可再生能源使建筑實現(xiàn)能量自給。預(yù)計我國2060年單位面積建筑能耗將達到現(xiàn)階段國際先進水平，實現(xiàn)建筑運行總能耗的大幅下降。
此外，交通行業(yè)對于節(jié)能減排的響應(yīng)集中體現(xiàn)在公路運輸中。部分發(fā)達國家已發(fā)布禁售燃油車的相關(guān)規(guī)定，我國減少燃油車、推進新能源車發(fā)展的有關(guān)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(yù)計2060年，我國將全部變?yōu)樾履茉窜?，保有量約為1.5億輛。另外，隨著儲能技術(shù)的快速發(fā)展，航空、鐵路、航海的電氣化也將逐步實現(xiàn)，2060年有望實現(xiàn)全部電氣化的零碳交通。
碳中和將終結(jié)化石燃料時代
“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(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。
當然要做成這件事不僅是我國科學(xué)家在努力，全世界的石油公司都在儲備相應(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。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(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(chǎn)物以丙烯為主。清華大學(xué)魏飛教授團隊主持研發(fā)了采用多級逆流下行的催化裂解模式，可實現(xiàn)逆流平推流反應(yīng)再生，并發(fā)揮烴池反應(yīng)機制使乙烯和丙烯產(chǎn)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(yè)來說，研發(fā)綠色低碳的創(chuàng)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(fā)展現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)是實施能源替代戰(zhàn)略、保障國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充、協(xié)調(diào)發(fā)展的產(chǎn)業(yè)格局。從我國三大能源產(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。中國石油和化學(xué)工業(yè)聯(lián)合會統(tǒng)計數(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(yè)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(nèi)不會改變，作為基礎(chǔ)性保供能源儲備的地位也不可替代。目前，我國煤化工產(chǎn)業(yè)的發(fā)展水平和技術(shù)先進程度都處于世界領(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。但要想推動我國煤化工綠色低碳發(fā)展，需要顛覆性的技術(shù)創(chuàng)新。中國科學(xué)院院士包信和團隊研發(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，碳氫化合物可裂解成氫氣，用于燃氣發(fā)電，這就叫做燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電?！苯鹩吭菏拷榻B了煤炭分質(zhì)利用的一個發(fā)展途徑。未來燃煤電廠必然要走向調(diào)峰電廠，采用燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電后，機組可以隨時啟停，實現(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90%以上?！拔磥?，家庭炊事應(yīng)當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，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?！苯鹩吭菏拷榻B道。
碳中和將加速可再生能源發(fā)展
碳中和目標的提出，對于風(fēng)能、太陽能、生物質(zhì)能和氫能等是重大利好，進而引發(fā)第三次能源革命?！罢缛藗兯f，石器時代結(jié)束不是因為沒有石頭了;石油時代的終結(jié)也不是因為石油消耗完了，而是有新的技術(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(xiàn)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(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，陸上和海上風(fēng)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(fā)電成本約為0.05美元/千瓦時?！斑@也是我國為什么可以承諾力爭在2060年前實現(xiàn)碳中和。我國的光電和風(fēng)電技術(shù)經(jīng)過10多年的發(fā)展，運行成本和投資成本基本和火電相當。在經(jīng)濟上完全可以承受，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。”金涌院士的一席話道出了我國實現(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。國際石油公司對太陽能和風(fēng)能領(lǐng)域的投入近兩年明顯加大，通過資本運作快速進入市場，借助與領(lǐng)先企業(yè)的合作實現(xiàn)共贏發(fā)展。我國石油公司也積極發(fā)展海上風(fēng)電項目，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規(guī)模太陽燃料合成示范項目已經(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。該項目將二氧化碳作為碳資源，實現(xiàn)二氧化碳的積極減排，生產(chǎn)的太陽燃料甲醇，實現(xiàn)了零碳排放，為推進低碳、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(huán)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(jīng)在內(nèi)蒙古建立了一個利用微藻生產(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。一些國外公司也正在研發(fā)微藻產(chǎn)油規(guī)?；夹g(shù)，如?？松梨?、德國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，可以使得儲能和可再生能源成為一個聯(lián)合系統(tǒng)，從而減少波動，增強電力系統(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)電和儲能系統(tǒng)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(fā)電的單位用電成本在部分光照資源豐富的地區(qū)已實現(xiàn)與燃煤電廠上網(wǎng)電價持平，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性的特點，要想實現(xiàn)大范圍的調(diào)度消納，就必須結(jié)合儲能系統(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，可行的儲能方案包括化學(xué)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(xué)儲能占30.4%。我國近幾年快速發(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了儲能系統(tǒng)成本下降，使鋰電池儲能系統(tǒng)離商業(yè)化應(yīng)用更近一步。也有機構(gòu)預(yù)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(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：“碳達峰、碳中和的早日實現(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現(xiàn)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。”
(注：本文內(nèi)容是在清華大學(xué)循環(huán)經(jīng)濟研究院相關(guān)工作基礎(chǔ)上形成的)