中国特色的“碳中和”之路:“技术为王”“三端发力”的治理体系

2021-10-09 06:36 绿创碳和
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中国科学院院长侯建国表示,要拿出一张路线图,解决碳达峰碳中和的实现路径问题;提出一批新理论,突破降碳固碳的原理问题;攻克一批新技术,解决减排增汇的工艺和装备问题;记好一本收支账,解决碳源碳汇的监测核算问题。


“实现‘双碳’目标需要经济社会发展的全面绿色转型,涉及能源结构、工业交通、生态建设等各领域,迫切需要发挥科技创新在其中的引领和支撑作用。”


中国要在“固碳量”“中和程度”上争取话语权,在核心问题上要有自己的结论。针对我国“碳收支”状况,应尽早建立系统的监测、计算、报告、检验的标准体系,“实现碳中和,需要大量培养会计算碳收支账的人才。”


目前全球每年约排放401亿吨二氧化碳,其中86%源自化石燃料利用,14%由土地利用变化产生。排放出来的这些二氧化碳,大约46%留在大气,23%被海洋吸收,31%被陆地吸收。


碳中和就是要想办法把原本将会滞留在大气中的二氧化碳减下来或吸收掉,当前我国还处于产业结构调整升级以及经济增长进入新常态的阶段,排放量逐步进入“平台期”,面临的挑战还很艰巨。


要实现“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”的战略目标,需要科学规划和强大技术支撑。



针对碳中和问题中的科技需求,中国科学院学部设立了重大咨询项目“中国碳中和框架路线图研究”,项目按照排放端、固碳端、政策端三方面组织实施,围绕非碳能源技术研发迭代需求等九个专题开展研究。作为该项目主要牵头人之一,丁仲礼概括提出了“三端发力”的体系。


其中,**端是能源供应端,尽可能用非碳能源替代化石能源发电、制氢,构建“新型电力系统或能源供应系统”。


第二端是能源消费端,力争在居民生活、交通、工业、农业、建筑等绝大多数领域中,实现电力、氢能、地热、太阳能等非碳能源对化石能源消费的替代。


第三端是人为固碳端,通过生态建设、土壤固碳、碳捕集封存等组合工程去除不得不排放的二氧化碳。“简言之,就是选择合适的技术手段实现减碳、固碳,逐步达到碳中和。


”技术为王”将在实现碳中和的进程中得到充分体现,国家要力争以技术上的先进性获得产业上的主导权。


科技界要转变思维方式,从传统的引进、吸收、再创新,转到真正进行原始创新、颠覆性创新。同时,政府、科技界、产业界要共同研究、广泛参与,把全国的研发力量组织起来,分工协作,组建技术联盟,头部企业牵头提出需求,大学和科研院所承担攻坚任务,为产业落地提供支撑。


降碳还需要国际合作和国际共识。在不同时间节点(面向2060),我国居民生活、工业、建筑、交通等重点领域的能源需求以及全社会能源总需求。



这里有个主要的几个边界条件要明确:一个是到2035年,我们GDP比目前还会翻一番,2060年还需要再翻一番,达到人均4万美元,生活水平也要相应地同发展阶段相当,产业结构从目前的中低端发展到中高端。


另外一个因素就是人口变动,少子、老龄化这些因素必须考虑进去,要建立一个预测的模型。但预测常常是不准的,2009年有部门预测2020年我国一次能源消费将达到44亿吨标准煤,但实际上2020年我国一次能源消费达到50亿吨标准煤。所以我们希望高中低都有预测,不要局限于某一种观点。



我们需要一个什么样的新型能源供应系统,尤其是电力供应系统,如何逐步增加非碳能源,特别是风、光、水、地热、核等的比重。其次,我们要重点回答,中国西部有丰富的风、光资源,如何从各种发电、储能、转化、输电、消纳等等环节协调发力,让这些资源得到有效充分利用。尤其要解决的问题是,由于风、光资源的时空分布不平衡,如何保证稳定输出,需要一套什么样的基础设施来保证稳定输出,这是一个非常大的问题,也需要有一个框架。



需要在碳中和领域的前沿颠覆性技术攻关以及对全球未来能源转型的创新探索,提出:碳中和应以技术为王,发展少碳、用碳、无碳技术。要大力发展碳减排、碳捕捉、碳利用的CCUS新技术,更要攻关无碳排放能源颠覆性技术,走出适合中国国情的碳中和路径,而不能简单理解为去化石能源(去煤化)来实现碳中和,更不能片面性的“去碳”,甚至将“碳中和”进行“商业化”炒作。


国际上现有的碳减排路线以碳捕捉封存(CCS)技术为主,但该技术成本高,同时存在CO2逃逸风险,而我们国家应该走以CCUS为主的碳减排路线。


对此,谢和平院士重点指出,CCUS重点在“U”——将CO2能源化、资源化利用。



CO2矿化利用的新理念和CO2矿化发电利用的CCUS减排路线:要将CO2作为资源利用,利用CO2输出能源,处理碱性固废,生产高附加值产品。


团队从基本的电化学和热力学原理上出发,根据矿化是**ΔG<0的CO2利用途径这一特征,首次实现了将CO2矿化反应释放的能量转变为电能的减排技术。经过近几年的摸索和深入开发,所开发的第四代矿化电池技术利用有机质电耦合剂取代贵金属催化反应,将功率密度提升至96.75W/m2,接近现有光伏电池的功率密度,取得了重大的技术突破。



另一方面,如何降低碳捕集技术能耗和成本也是应该关注的重点方向。目前全球CO2捕集技术都是国外技术,主要方法为化学吸附法,其中最成熟、应用最广的是一乙醇胺化学吸附法,但其能耗与成本较高。



高效CO2电化学捕集新原理新技术,利用质子耦合电子转移反应(PCET)促进CO2吸收的创新原理,实现高效的CO2电化学捕集。


实验室初步结果显示耗能仅为67 kWh/吨,接近理论值,是传统化学吸收法的1/5~1/9。成本约为9.4美元/吨CO2,仅为传统化学吸收法(40美元/吨)的1/4。


下一步将开展中试与产业化技术攻关,有望破解现有碳捕集技术无法大规模应用的关键瓶颈—成本与能耗。


任何化石能源的发电利用都免不了有碳排放,但能否有一种方法能够彻底解决化石燃料如煤炭发电的碳排放,将煤炭也变成清洁能源?


零碳排放直接煤固体燃料电池发电新技术将可能解决这一世界性难题。其核心技术原理是煤炭不通过燃烧,通过透氧膜后与氧离子直接结合,释放电子,产生电能,并在体系内原位将产生的CO2进行催化、矿化转化,实现零碳排放的新型煤炭发电技术(零碳排放能源)。



从技术层面上来说,目前该体系面临着两大挑战:一是如何优化直接煤燃料电池阳极固-气-固界面催化过程,以提高发电效率?


二是如何实现零碳排放?针对这两个技术挑战,团队通过应用自主研发的煤活化处理技术与高效阳极结构-材料的开发,使直接煤燃料电池在750℃下功率密度达到了403 mW/cm2,是目前文献报道中的最高值。


该新技术体系有望能够在未来颠覆现有燃煤电厂IGCC发电方式,煤可通过零碳排放直接煤固体燃料电池发电。完全破解煤炭发电的碳排放问题,使煤从本质上成为清洁能源,真正实现无碳排放的煤炭发电技术梦想!



目前全球主流的制氢技术为煤制氢、天然气制氢以及水制氢技术。其中,煤制氢和天然气制氢需要消耗不可再生的化石燃料资源,同时产生大量的二氧化碳排放,特别是在单位质量产氢量与碳排放指标上,与水电解制氢相比不具有优势。


但是,水制氢面临着能耗偏高且全球淡水资源短缺的挑战,严重制约水制氢技术的发展推广。根据国家能源集团估计,到2060年光中国氢气年需求量将达1.3亿吨,这也意味着要消耗23亿吨的水资源用于制氢。因此,谢和平院士认为,用取之不尽的海水来制氢,才是未来制氢技术发展的主方向,关键是要大力发展海水制氢新原理,新技术。



现有的水制氢技术,如碱性电解水、PEM电解水技术无法直接用于海水制氢,症结在于海水中固有离子,如Ca2+,Mg2+ ,Cl-等对电极材料的腐蚀、毒化、堵塞等。针对这一困扰海水制氢的世界性难题,谢和平院士团队已组织攻关海水无淡化、无额外能耗的原位直接电解制氢新原理,巧妙利用物理力学与电化学相结合的新原理,率先形成了无淡化、不额外耗能的海水高效原位直接电解制氢原理与技术。目前的实验室研究成果充分证明该技术能满足电流密度最高3.5A/cm2的制氢反应(现有电解制氢技术电流密度仅0.3~0.8A/cm2),而且利用深圳湾海水进行了实际海水原位无淡化直接电解制氢,实现超过85h的稳定制氢,电解能耗与现有工业碱性电解淡水制氢能耗相当。


在理论上,这是一个是物理力学与电化学相结合的原创性原位海水直接制氢原理技术突破;在技术意义上,能集成“可再生能源(海上风能、太阳能)利用-海水资源利用-氢能生产”过程为一体的海水无淡化直接电解制氢装备。在战略意义上,有望能够将取之不尽用之不竭的海水资源,高效、低成本地原位转化成海水能源(氢能),真正意义上实现海水能源化利用。



谈及上述海水直接制氢技术的应用前景,谢和平院士团队目前正在深圳市政府立项申请支持加快上述海水直接制氢技术的中试和产业化试点,期望能在粤港澳大湾区探索构建与海上风能、太阳能再生能源相结合的一体化的沿岸海水原位无淡化直接电解制氢工厂与浮岛式海上风电原位海水无淡化直接电解制氢工厂两大技术示范工程,期待实现具有无海水淡化过程、无海水泵送输运过程、无海水污染处理过程、无海水制氢设备平台等诸多优势的海上绿氢全新生产技术与路线,与海上风力发电、光伏发电形成多能互补一体化技术体系,最终在全球率先形成中国原创的“海洋绿氢”新兴战略产业。




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