碳中和“时代之变”:十位院士们有话说

2021-06-20 21:24 绿创碳和
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引领绿色发展,打造产业综合服务生态

要实现低碳转型目标,无疑是一场硬仗。绿创碳和总结国内院士们的研究领域,以及院士们自己分享的研究进展,选择十位具有代表性的院士们,共同探讨这个“时代之变”。


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丁仲礼院士

实现碳中和,必须彻底颠覆现有能源体系。


丁仲礼院士指出,碳中和的最重要途径,是用非碳能源替代化石能源发电、制氢,再用电力、氢气替代化石能源应用于居民生活、交通、工业过程、建筑、农业等领域。居民生活、交通、农业等领域使用非碳能源替代问题不大。许多工业过程中使用的碳能源,用电力替代的潜力很大,但需要研发新的技术体系,同时面临市场竞争力的考验。


杜祥琬院士

实现碳中和要从三个方面努力


“能源转型既是中国的事,也是全球的事。”在中国工程院原副院长、工程院院士、国家能源咨询专家委员会副主任杜祥琬看来,当前,我国正处于能源结构发展第二阶段,化石能源和非化石能源多元发展协调互补,下一步将要继续提高非化石能源比例,依靠电气化、智能化、网络化、低碳化走向以非化石能源为主的能源结构第三阶段。能源的技术进步与破解资源匮乏是能源结构转型的两个驱动力。“改革开放以来,中国能源的快速增长支撑了经济的快速增长,但是粗放的增长、偏重的产业、偏低的能效和高碳的能源结构,使环境问题日趋尖锐。中国转变发展方式和进行能源革命是必然的,是革命性的创新。”


杜祥琬院士给出这样一组数据,从国内碳排放来说,电力行业(主要是火电)占41%,交通行业(主要是油品)占28%,建筑和工业大概占31%。“我们要从三个方面降低碳排放、减少化石能源的使用:一是提能效降能耗,尤其是在建筑、交通、工业等领域;二是用非化石能源替代化石能源,在一次能源结构中提高非化石能源,特别是可再生能源比例;三是增加碳汇(利用植物光合作用吸收二氧化碳),主要是森林碳汇,并努力研发碳捕捉技术。”


张涛院士

多元化、低碳化、清洁化是能源发展之路。


“中国能源挑战来自能源结构的不平衡与碳排放。将更多的可再生资源能源纳入整个能源结构,有利于解决这个问题。从长远来看,通过可再生能源发电制氢实现油气替代,是解决我国能源安全的有效途径。”中国科学院副院长、中科院院士,张家口可再生能源示范区专家咨询委员会主任张涛提出,要积极进行能源技术创新。


在张涛看来,多元化、低碳化、清洁化是能源发展趋势。作为能源应用大国,中国必须多能互补,煤、石油、天然气、水、风、光电热、生物质、核能并举。同时,能源技术创新在能源革命里起到决定性作用,必须摆在能源发展全局的核心位置。


“在碳达峰之前,化石能源仍占主导地位,将与清洁能源多能互补,化石能源的清洁利用是主要方向;碳中和的目的是消减二氧化碳,因此要大力发展光能、电能等可再生能源,但是如果仅仅把光能、风能作为电能、热能使用,对减少二氧化碳排放的作用有限,要将绿氢与二氧化碳结合起来。”张涛表示。


将绿氢与二氧化碳结合有哪些优势?张涛表示,通过风能、光能等可再生能源发电,再通过电解水得到的氢气被称为绿氢,被认为是未来氢能的主要获取方式。目前,氢能本身在存储、运输环节的瓶颈尚未解决。而将绿氢与二氧化碳结合制成液态甲醇,不仅可以解决储运问题,还可中和二氧化碳。这种方式得到的液态甲醇在使用后分解得到的二氧化碳和水成为下一轮循环的载体,是天然的太阳能运输者。“经过长年努力,‘液态阳光甲醇’科研水平有了大幅度提高,为今后绿色甲醇的使用奠定了很好基础。”


贺克斌院士

碳中和将导致价值重估、产业重构等,进一步推动技术创新。


贺克斌强调,实现碳中和目标需要政策引导、科技创新,建立全新的人才培养体系。“目前,留给我们的时间窗口不是很长了,在下一轮科技竞争中,我们绝不能掉队。


若继续延续以末端治理为主的控制路径,未来十年内大气污染物减排潜力将基本耗尽。若在碳中和目标下实现深度能源转型,将大大推动生态环境质量改善,使人民健康大幅获益。”贺克斌说,碳达峰、碳中和任务艰巨,意味着从2020年到2060年,我国二氧化碳排放量将减少90%,“这绝不是轻轻松松就能实现的”。


从国际上看,煤炭储量最多的前五个国家,即美国、俄罗斯等占了全球煤炭75%的储藏量;石油、天然气储量前五个国家分别占了62%、64%,与传统化石能源资源分布明显不均匀相比,全球风光资源分布更为均匀。“未来,风电、光电等新能源比例逐渐上升后,谁的新能源技术领先,谁有效利用的能源就更多,社会经济发展走向技术依赖型,迫切需要科技创新。


欧阳明高院士

电动汽车与燃料电池车将发挥重要作用。


全国政协常委、中国科学院院士、清华大学教授欧阳明高认为,能源革命是实现碳达峰、碳中和的一条途径。能源革命最核心的内容是新能源革命。新能源革命的核心是发展可再生能源。


“可再生能源是一个完整的技术体系,不仅需要太阳能、风电,更需要氢能作为能源载体和储能方式配合,形成真正的新能源体系。”在欧阳明高看来,作为未来储能的重要方式——电动汽车与燃料电池车,将发挥重要作用。


据国网测算,如果2040、2050年达到3亿辆电动轿车,车上电池储存的总电量可达200亿度。所以最终储能**要靠纯电动车电池,第二靠燃料电池车的能源—氢能,可再生能源用氢能实现大规模长周期储能是氢能燃料电池立足的基本点。


“2060年要实现碳中和首先靠能源体系的去碳化,要靠新能源汽车储能,这就是下一步新能源汽车的目标:用新能源汽车带动新能源革命,实现高质量发展。如果把新能源汽车规模化,再把新能源革命带动起来,传统的汽车、能源、化工行业都将发生天翻地覆的变化,真正实现汽车代替马车以来百年未有之大变局。


包信和院士

氢气完全有潜力取代当今的汽油。


中国长期以来都在发展煤化工,用煤炭、氧气和水来合成复杂的有机物,产出传统上需要石油制造的化学品。其缺点是需要消耗水,并排放一定的二氧化碳。但如果在这个过程中加入氢气,用高效的催化剂和智慧的化学反应过程,就能对煤进行“精准剪裁”,用更少的水、排放更少的二氧化碳来获得需要的化学产品。


氢气不光能够帮助中国的煤化工,还能用来替代现有的化石燃料,实现能量的储存与集中释放。氢燃料电池技术可以用比内燃机更高的效率释放能量,氢气完全有潜力取代当今的汽油,成为社会运行中,能源的“搬运工”。


包信和院士认为,化学家已经可以做好准备,让氢气替代汽油等液体燃料成为工业运行的“血液”,只是需要大规模的制备“绿氢”。

但这一切必须建立在“绿氢”的基础上。现在世界上每年消耗的氢气在5000万吨左右,其中96%来自化石能源,仅4%来自电解水,而且所用的电也并非全部来自可再生能源。包信和强调,在碳中和背景下,科技创新和资本投入要重点关注水电解,尤其要大力发展可再生能源驱动的大规模水电解,生产更多“绿氢”。


金涌院士

提倡将全部的或是80%以上的原油做成材料。


二氧化碳是化石能源燃烧造成的。因此,我们要协调解决碳排放的问题,首先是考虑怎么把这些化石燃料变成材料,将来可以不再烧它了。化石能源对一个国家的发展来说是永远需要的,我们不把它当成燃料烧掉,而是拿它当原材料,加工成产品。


过去的技术,每炼一吨原油,提炼出来的汽油、柴油占80%,烧了后就变成二氧化碳排放。剩下的20%才用来提炼烯烃、芳烃,而这才是可以进一步合成高分子材料的重要原料,可以制成塑料、橡胶纤维、涂料等等。可现状是,80%的原油都用来烧掉了。


因此,我们提倡将全部的或是80%以上的原油做成材料,而不是烧了后变成二氧化碳排放。那怎么实现呢?现在大家都在努力。这个事不是中国人独有的问题,全世界都有。最近全球**的石油公司埃克森美孚也找到我们清华大学化工系的团队,希望能介入研究。现在,我们已经可以做到将80%的原油变成烯烃、芳烃,进而生产合成塑料、橡胶、纤维等材料。我们生活里用的绝大多数东西也都是这些材料可以做成的。


黄震院士

“碳中和”推动资源利用方式“换赛道”。


黄震院士说,“碳中和”并不是要实现“绝对零排放”,而是使碳排放量和清除量达到平衡,即通过颠覆性的创新技术,将碳排放对自然产生的影响降低到净零程度。


例如,世界各国都在积极研发可再生合成燃料技术路线,构建以太阳能、风能、水能等新能源为主体的新型电力系统。从供给侧看,就是要脱离对化石能源依赖,实现电力的脱碳与零碳化,这是实现“碳中和”目标的关键。


“由于碳排放主要来自电力、工业、交通、建筑四大领域,‘低碳化’和‘碳中和’不仅是能源变革,更是几乎所有终端用能技术和设备,包括交通,建筑,工业各部门的低碳、零碳转型。”黄震解释,从这个角度,更能深刻理解“实现碳达峰、碳中和是一场广泛而深刻的经济社会系统性变革”这句话的涵义。


李灿院士

不断探寻储能新模式。


“有研究显示,用甘肃到新疆戈壁滩不足70%的面积建光伏电站,效率达到10%就可以支撑全国的能源消耗。”李灿院士表示,现在面临的问题是如何高效地将太阳能转化为人类可用可储存能源的问题。


李灿表示,现在我国解决西电东输的办法是建设超长的特高压输电线路,但面临成本高等问题。近些年兴起的电解水制氢技术,也面临着氢能储存、运输和加注等许多难题。“我们课题组探索的就是用化学能技术将太阳能变成液体燃料,实现易储易运易用的一条新路,即将绿氢与二氧化碳结合制成液态甲醇。”


为何选择这条技术路线?李灿表示,从储能的量来讲,水分解成氢气和氧气,每吨氢气储量是3.3万度电,然后从二氧化碳到甲醇,每吨甲醇储8000度电,储能效果很好。而甲醇本身就是优良燃料,可以作为汽油使用,这又直接推动了甲醇汽车的应用。


李灿列举了几个数据:每吨甲醇可以转化1.375吨二氧化碳,我国甲醇产能是8000万吨左右,主要从天然气和煤中制取,如果全部采用液态阳光技术生产甲醇,可以吸收上亿吨二氧化碳。如果把可再生资源的发电大量转化成液态阳光甲醇,代替汽油、柴油可以达到减排10亿吨二氧化碳的规模,即大大缓解我国石油进口安全问题,又对碳达峰、碳中和做出了直接贡献。


焦念志院士

用海洋碳汇去做交易,中国人能起这个头。


农业的进步使得人们使用了越来越多的化肥,这些化肥经过雨水的冲刷随着河流流入大海,使得海水富营养化。海水的富营养化会导致微生物“呼吸”出更多的二氧化碳。也就是说,只要减少化肥使用,就能减少碳排放。


同时,焦念志院士还提出了一个“海洋负排放”一揽子方案:向海洋人工投放硅酸盐矿物,这有助于促进碳酸盐沉积;投放硅,有利于硅藻生长,帮助固碳;投放铁,可以帮助形成黄铁矿,避免形成硫化氢气体。在海洋中完成的固碳工作,能否被国际社会所认可,成为中国的碳汇?对此,焦念志坦言,目前还没有。中国科学家已经领衔组织了“海洋负排放”国际大科学计划,就是希望通过国际合作,将这种固碳的方法、技术上升为国际标准。“目前我们还不能用海洋碳汇去做交易,但我希望中国人能起这个头”。


碳中和既是挑战又是机遇,其过程将会是经济社会的大转型,带来涉及广泛领域的大变革。“技术为王”将在此进程中得到充分体现,即谁在技术上走在前面,谁将在未来国际竞争中取得优势。实现碳中和所需资金将会是天文数字,绝不可能依靠政府财政补贴得以满足,必须坚持市场导向,鼓励竞争,稳步推进。政府的财政资金应主要投入在技术研发、产业示范上,力争使我国技术和产业的迭代进步快于他国。


绿创碳和协助地方政府与园区,围绕如下几个方面开展工作:


一、系统性宣贯应对气候变化领域政策


二、积极落实能耗双控制度,提出控煤工作路径及方法,协助完成压煤目标,合理降低能耗总量和强度,减少碳排放;


三、协助制定“碳达峰及碳中和”实施路径及行动方案,提升碳减排和碳资产管理能力;


四、组织开展城市、工业园区、机构、企业、产品、等“碳中和”咨询、核查、认定服务


五、在碳交易过程中,为买卖双方提供咨询服务,确保交易过程中的有效合规;


六、推进低碳领域的标准化建设,制定、发布相关标准;


七、碳减排人才培训服务



发起双碳专委员会,并倡议内容包括:


一、树立“零碳”导向的新型生活理念。强化绿色低碳与节能环保意识,形成争做“零碳先锋”的良好社会氛围,以进一步推动降低能耗、提高能源使用效率和优先使用清洁能源。


二、研究“零碳”导向的产业新业态。发起“零碳园区”相关课题研究,开展经验借鉴、学术交流和示范应用,以促进形成符合我国国情的以“零碳”为导向的产业发展模式。


三、鼓励“零碳”导向的技术创新。积极推动绿色、低碳、环保、新能源等技术创新,为新技术发展提供资源支持,为新技术的推广应用开拓空间,以促进新技术进步与成本下降。


四、推动“零碳”导向的项目落地。前瞻2030年和2060年的国际碳减排大趋势,以“零碳能源”、“零碳交通”、“零碳建筑”为主要内容,在全国推动落地30个零碳科技园,打造100个零碳工业园、1000家零碳工厂、1000座零碳校园、1000家零碳医院及1000个零碳社区,助力加快推进绿色“新基建”进度。


五、促进“零碳”导向的绿色投融资。以“零碳中国,绿色投资”为主题,发起“零碳”绿色产业基金。鼓励社会民间资本积极参与“零碳能源”、“零碳交通”、“零碳建筑”等“零碳”示范项目的投资,并带动更多来源绿色的国内外资金投入。


六、开展“零碳”导向的国际合作。计划每年举办“零碳创新”系列活动,着力打造“科技创新与绿色投资大会”、“新基建 绿色投资大会”、“国际清洁能源投融资大会”等品牌国际会议,为国内外企业和机构搭建权威国际合作平台,积极引入国际先进理念、技术和资金渠道,加强相关产业与国外的技术交流与项目合作,全方位助力我国向“零碳”经济转型发展,为2060年全球实现净零碳排放目标做出积极贡献。



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