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    劉科院士:碳中和誤區及其現實路徑

    發布時間: 2021-08-25 11:13:47   試劑信息網
    摘要: 本文系由深圳創新發展研究院、博研商學院、深圳企聯等共同主辦的“科技創新院士報告廳”第四期內容,7月15日上午,劉科院士圍繞“碳中和誤區及其現實路徑”做了演講。

    劉科院士演講現場

    我自己曾在海外工作過二十多年,之前在GE、UTC(聯合技術公司)、??松?美孚等單位工作,2009年回國?;貋硪院蟮谝环莨ぷ骶褪菂⑴c籌建北京低碳清潔能源研究所(現國家能源集團北京低碳清潔能源研究院),并且擔任副所長和首席技術官。再后來,我決定出來做一些自己的事情。當時,南方科技大學前校長陳十一院士邀請我去南方科技大學,就這樣幾年前我就來到了深圳。
    來到南科大后我擔任了創新創業學院院長和清潔能源研究院院長,因為我一直在研究低碳和能源的事情,今天與大家分享一下碳中和的一些內容。
    碳中和很熱,大家都在談,但真正做這一方面研究的人不多。有一次我碰到一個朋友,他說我們現在專門在研究將來怎么去計量各個單位、各家公司的二氧化碳排放,這是一個大產業。我說他是勞民傷財。其實一方面,碳中和是一個宏觀的問題;另一方面,看一個城市的碳排放,可以系統地看,比如深圳市一年耗多少萬噸煤炭,耗多少萬噸天然氣,耗多少萬噸油,每一個乘一個系數,這個二氧化碳的排放就出來了,這樣算出來的碳排放量基本上占實際排放量的92%。
    我先講一些數據和事實
    據統計,2020年,中國二氧化碳排放大約103億噸(大約是102億噸到108億噸,我選了103這個中間的數字),其中,煤炭、石油、天然氣排放達到95億噸,另外一部分是各種小的,比如沼氣、生物質,還有一些其他的排放。所以,約92%的排放是以上這三個產生的。衡量任何一家公司、任何一家單位、任何一個系統,把這三個算準就可以了。國家對這三個都有統計數據,不需要額外計量。2020年,中國的總煤耗量大約36億噸,折算成標準煤大約28億噸,每噸標準煤再乘以一個系數就可以得出,煤炭一年大約排放73.5億噸二氧化碳。2020年,中國的石油消耗量折成標準煤是9億噸,排放二氧化碳15.4億噸;天然氣消耗量折成標煤是4億噸,排放二氧化碳6億噸;三個加起來是95億噸。103億噸除以14億人口,人均大概7.4噸,一個三口之家平均每年排放22噸二氧化碳,這是一個天量的數字。怎么說呢?如果把二氧化碳轉化成一種產品,22噸原料就要生產22噸產品,哪家一年能消耗掉這22噸的東西呢?
    大家都說碳中和容易,比如每天用空調、開車等等都與碳有關系,每一個人、每一小步都是可以為碳中和做出貢獻的,但完成碳中和這個任務還是非常艱巨的,而且是一個漫長的過程。因為可見的未來,我們缺不了這三種化石能源。盡管風能、太陽能,二氧化碳轉化為化學品,CCS(carbon capture and storage,碳捕獲與封存)、CCUS(Carbon Capture,Utilization and Storage,碳捕獲、利用與封存),提高能效都會或多或少地對減碳有些貢獻,都值得去鼓勵探索和實施,但對天量排放的二氧化碳減低的比例是相當有限的。
    在這種情況下我們怎么才能實現碳中和?這是我希望跟大家進一步探討的。 
    關于碳中和的誤區
    當前大眾對碳中和的挑戰及認知有一定局限,認為單一的技術路線或者技術突破能夠解決碳中和問題,因此常存在幾個誤區:
    第一個誤區是認為風能和太陽能比火電都便宜了,因此太陽能和風能完全可以取代火電實現碳中和。這句話只對了1/5到1/6。因為一年有8760小時,而中國的太陽能每年發電小時數因地而異,在1300小時到2000小時之間不等,很少有超過2000小時的區域,平均在1700小時左右;也就是說太陽能大約在1/5–1/6的時間段比火電便宜;而在其他4/5-5/6的時間段,如果要儲電,其成本會遠遠高于火電。風能每年發電的時間比太陽能略微長一點,是2000小時左右,但電是需要24小時供的,不能說一個電廠一年只供一兩千小時,因為我們用電不能說有太陽有風的時候用電,沒太陽、沒風的時候就停電。太陽能和風能是便宜了,但最大的問題是非穩定供電。
    不可否認,中國的風能和太陽能發展了將近四十年,取得非常大的成績,我們給這個領域做出貢獻的科學家們以崇高的致敬。但直到今天,風能、太陽能與煤電相比仍然是杯水車薪。以2019年為例,全國的風能和太陽能加起來發電總量相當于1.92億噸標準煤的發電量,而中國年發電耗煤大約是22億噸煤,相當于18-19億噸標準煤,也就是說,風能和太陽能只能占煤電的10%左右。
    而且,電網靠電池儲電的概念是非常危險的。據估算,目前全世界5年的電池產能僅能滿足東京全市停電3天的電能。如果說我們有4/5的時間或者5/6的時間要靠電池儲電,這是不可想象的。況且,這個世界也沒有那么多的鈷和鋰,沒法讓我們造那么多的電池。在這種情況下,棄光棄風的問題非常嚴重,因為電網只能容納15%的非穩定電源。風能、太陽能發出來的電,電網沒法全部承受。如果繼續增加風能、太陽能,同時大規模儲能問題解決不了,只能廢棄更多。
    棄光棄風在中國有兩方面的原因,一是技術因素,就是因為太陽能、風能是沒辦法預測的,電網小于15%可以容納,多于15%容納不了,這是一個很大的技術難題,到現在還不好解決;二是機制因素,地方保護主義的存在可能會讓地方出于各種原因不用風電、光電、水電。機制問題在中央大力推動“碳中和”的背景下是可以解決的,但技術問題,不容易解決。
    因此,太陽能和風能需要大力發展,但在儲電成本仍然很高的當前,在可見的未來仍然無法全部取代化石能源發電。
    第二個誤區是人們以為有個魔術般的大規模儲電技術,認為如果儲能技術進步,風能和太陽能就能徹底取代火電。這個假設太大了,因為自鉛酸電池發明至今一百多年來,人類花了數千億美元的研發經費研究儲能,可從鉛酸電池的90千瓦時/立方米增加到今天特斯拉的260千瓦時/立方米,電池的能量密度并沒有得到革命性的根本改變。要知道,汽油是8600千瓦時/立方米。同時,迄今大規模GW(十億瓦特發電裝機容量)級的儲電最便宜的還是100多年前就被發明的抽水蓄能技術。
    科學技術的突破不是沒有可能,但是只有發現了才能知道發現了。今天無法預測明天的發現。我經常舉一個例子,火藥發明之后近一千年才有槍的發明。槍的機械原理其實很簡單,但是你要說火藥發明后就可以預測肯定會發明槍,那就錯得離譜了。這就提醒我們,在制定任何戰略時,都千萬不要假設未來這塊有突破就可以做什么事。我們制定戰略一定是以已有的、證明的、現實的技術路線為基礎。
    不同行業的進步不一樣,計算機行業有摩爾定律,這么多年確實發展得很快,但是能源行業目前還沒找到類似摩爾定律一樣的規律,“碳中和”必須選擇現實可行的路線來推進。
    有一個笑話是,比爾·蓋茨跟波音公司總裁講,假如飛機行業的技術進步跟計算機一樣快,那現在人人都可以不用開車,可以改為開飛機了。波音公司的總裁說,假如我的技術跟你一樣的話,這個世界就沒人敢坐飛機了,因為那個年代計算機動不動就死機。所以說,大家不要認為某一個行業發展很快,其他的行業就都一樣。能源行業就是一個不斷地砸錢但技術進步緩慢的行業。未來儲能技術肯定會有新發明,我們鼓勵儲能技術的創新與發展,但是在制定戰略目標的時候一定要謹慎,沒發明的時候就不要先假設這個事情存在。
    第三個誤區,有些人認為我們可以把二氧化碳轉化成各種各樣的化學品,比如保鮮膜、化妝品等等。這些要能轉化、能賺錢,可以去干,但是這些解決不了二氧化碳的問題。粗略估算,一個三口之家一年平均排放碳22噸,但什么產品一個家庭一年也消耗不了20多噸。
    另一方面,全世界只有大約13%的石油就生產了我們所有的石化產品,剩下的大約87%的石油都是被燒掉的。如果把全世界的化學品都用二氧化碳來造,也只是解決13%的碳中和問題。所以說,從規模上二氧化碳制成化學品并不具備減碳價值。二氧化碳轉化為其他化學品對減碳的貢獻是相當有限的。
    所以說,把二氧化碳轉化成任何化學品,如果能賺錢那可以去干,但掙不了錢就別打著“碳中和”的概念來拿國家的補貼。講這個話我可能會得罪很多人,特別是企業界的人。但我們科學家要講事實,拿數字說話。我也參加過很多關于碳中和的論壇,很多時候甚至有些經濟學家在講的時候,沒有數字的概念,只有一個粗概,說這樣可以減碳、那樣可以減碳,但是對減多少沒有概念。這個也不能怪他們,隔行如隔山。
    第四個誤區,是說可以大量地捕集和利用二氧化碳。利用CCUS技術,把生產過程排放的二氧化碳進行捕獲提純,再投入到新的生產過程中進行循環再利用或封存。理論上能夠實現二氧化碳的大規模捕集?,F在大家說在電廠把二氧化碳分離,分離完以后打到地下可以做驅油和埋藏等等其他的作用。那么我們看看,未來十年,中國整個二氧化碳驅油消耗量大概是600多萬噸,我們一年的排放是103億噸。而且驅油這個階段是一部分二氧化碳進到地里,還有一部分會跟著油出來,它不是一個完全的埋藏。
    把碳打到地下埋藏,我回國前在GE曾經做過這個事情。把煤和水、氧轉成氫氣和二氧化碳,氫氣燃燒發電產生水蒸氣,二氧化碳就打到地底下。我們做了示范工程,前后花了28億美元,有上百名博士參與,用了7年的時間,這個示范具有環境方面的意義,并且工廠在美國運行至今,但是不具備經濟性。我們做完這個項目以后,發現這是GE創立以來最復雜的一套工業系統。別看全GE可以生產的包括飛機發動機、醫療器械、核磁共振、CT等等這些,包括三峽水利工程的設備和青藏線的火車頭等等,但是GE成立以來最復雜的一套系統就是我們當時做的“零污染火電廠”,不過這個成本太高了。
    我回國之前和當時的GE總經理交流,他在一次演講中也提到今后通過煤炭零污染的火電廠解決二氧化碳的問題,但是講完就下來跟我說,別看我在會上那么講,真正要去做還不如干核能,核能比零污染火電廠便宜多了。當然,那會兒福島核電站事故還沒有發生,核能可以做。法國現在將近70%都是核能,做了幾十年了。但是福島核電站泄漏事故之后,全世界都在提高核能的安全系數,這個安全系數到后期每提高一點,成本就增加很多。
    碳中和不光是一個技術問題,更是經濟和社會平衡發展的綜合性問題。現在在電廠把二氧化碳分離,分離完以后打到地下可以做驅油和埋藏這條路,在可以驅油的地方可以改,還有一點經濟效益,我國新疆等地已經有類似的二氧化碳驅油工程。這塊的成本是把二氧化碳分離出來的成本,我們算過,假設打下去的成本為30美元一噸,其中20美元是把二氧化碳從整個尾氣里面分離出來成為純二氧化碳,5美元是輸送,另外5美元是把它壓縮到地底下。分離是核心,成本也最大。在目前的技術手段下,靠CCUS利用來處理的成本很高,作用也是有限的,當然這也可能是實現碳中和的保底技術。
    實際上,我剛剛講的每一件事,比如風能、太陽能都對碳中和有貢獻,我們每一個都應該去做,但是今天的技術你再怎么做,對碳中和的貢獻是有限的。當然,這不是說讓大家不去做,我們每一個人能夠努力的都去努力,畢竟積少成多。
    第五個誤區是認為通過提高能效可以顯著降低工業流程、產品使用中的碳排放,就可以實現碳中和。能效永遠要提高,提高能效也很對,也是世界上成本最低的減碳路線。但是我經常問一句話,加入WTO這二十年來,我們國家的能效提高了還是降低了?我們能效提高了很多,但是碳排放的總量是增加了還是減少了?增加得更多。我記得2000年中國的石油消耗大概是2點幾億噸,2010年大概是4億噸,到去年是7.5億噸。
    我是做能源的,從能源的數據變化可以看到整個社會的變化。我們加入WTO之前有一個很重要的數字,中國的煤產量大概是12億噸,基本上自產自銷,出口有一點,但很少。結果到2012年短短12年的時間,從12億噸飆升到36億噸,這是一個天量,當然也伴隨著碳排放。這該怎么解讀?唯一的解讀是加入WTO,世界的市場向中國開放了。當然,這一期間我們大量的房地產建設也是一個因素。煤的耗量表示電的耗量,電的耗量表示工業化的程度。這期間能效肯定提高了很多,但是單憑能效也難以解決碳中和的問題。因此,提高能效是減碳的重要手段,但只要仍然在使用化石能源,提高能效對碳中和的貢獻也是非常有限的,提高能效確實是成本最低的減低碳排放的方式,也是最應該優先做的,但是有一個現實的考量就是不能光靠能效提高就能夠達到碳中和。
    第六個誤區是認為電動車可以降低碳排放。前段時間,我在網易公開課上講《電動車和氫能的歷史與未來》,全國大概有十幾萬人觀看,很多領導看完以后跟我討論這個問題:為什么我們要發展電動車?很簡單,主要是因為中國的石油不夠,我們石油73%靠進口;還有就是霧霾的問題。
    我們石油不夠,寄望于我們的多余的發電能力,這樣發展電動車是有好處的。因為電廠正常一年8760小時,但我們實際使用不到4千小時,這是資產的巨大浪費。而且畢竟電動車可以讓局部的污染降下來,比如東部地區的用電很多是在西部新疆等地發的,污染在西部新疆等地排放,不在東部地區排放。但是,在全生命周期的碳排放分析看來,對全球氣候變化并沒有什么影響。
    為什么靠電動車不能完全解決碳中和的問題?只有中國的能源結構徹底改變以后,電動車才能算得上清潔能源,也才有可能做到碳中和。如果能源結構不改變,電網67%的還是煤電,那電動車的盲目擴張是在增加碳排放,而不是減少碳排放,這個你們去算一下就知道了。只有能源結構和電網里大部分是可再生能源構成的時候,電動車才能算得上清潔能源。
    大家老在談一個問題,說假設馬六甲海峽封了以后我們能源安全的問題怎么解決?但是這個東西你要仔細考慮,靠電網是解決不了的。因為電網在現代戰爭中是最脆弱的東西。石油可以到處分布,可以分一萬個點去藏,炸了一個油庫,其他的還可以用。但一個城市的電網只有一個配電中心站,電網的安全也非常重要。
    有的時候,能源政策和碳排放的政策不能因為假設戰爭發生,別人打我,就不顧成本干一些高成本東西。第一,打仗是小概率事件,第二,真正到那會兒是靠一個國家的制海權、制空權等綜合能力,而不是說靠一個電動車就能夠解決問題的。


    為什么前一百年電動車未能戰勝燃油車?

    電動車這個概念并不新,1912年,紐約、倫敦、巴黎,還有洛杉磯的大街上,跑的電動車遠遠多于燃油車。

    圖1 1912年,愛迪生跟他的電動車合影

    電動車和燃油車之爭不是今天剛剛開始。1912年,以愛迪生為首的一批科學家,就覺得將來電動車可以統領世界。以福特為代表的汽車公司走的是燃油車路線。到了20世紀30年代以后電動車就幾乎銷聲匿跡了,今天燃油車仍然占有絕對統治地位。
    為什么一百年前電動車多于燃油車?因為鉛酸電池早于內燃機發明二十多年。有了鉛酸電池,再接一個發動機,就是今天高爾夫球場開的車,上面再加一個棚子就是汽車了。今天高爾夫球場開的車就是一百年前愛迪生開的車,所以電動車不是什么新技術,它這么多年來創新的核心在電池和電控系統。
    那么,為什么前一百年電動車沒有競爭過燃油車?原因是什么?我只講歷史不預測未來。我跟大家解釋幾個原因。
    第一個原因,我們做能源的人都有一個概念叫做體積能量密度。汽車有壓艙鋼板,輪船有壓艙水,這個能源略微重一點對汽車、輪船的影響不大,但油箱不能無窮大。假設我們的油箱都是1立方米,每種能源蘊含的能量密度大小,也就決定了汽車能跑的距離遠近。
    100多年前就發明的鉛酸電池的能量密度是90千瓦時/立方米,人類花了上千億美元和100多年的探索,電池能量密度到現在特斯拉的電池、比亞迪的刀片電池,也就是260千瓦時/立方米。而汽油的能量密度是8600千瓦時/立方米,柴油是9600千瓦時/立方米。稍后即將提到的甲醇液體是4300千瓦時/立方米。
    第二個原因,我認為液體可能是最好的儲能的載體。液體能源有個非常好的特點,陸上可以管路輸送,海上可以非常便宜地跨海輸送。
    2016年我到深圳工作不久,邀請了我的三個好朋友,有時任美國能源部部長、諾貝爾獎獲得者朱棣文先生,還有當時中國工程院主管能源的副院長謝克昌院士,以及中國科學院主管能源的副院長李靜海院士參加南科大清潔能源研究院成立的揭牌儀式。
    當時在一個能源研討會上,我問大家一個問題,說很長一段時間在深圳開車加油是7塊錢一升,假設這個汽油是從休斯敦煉油廠用船拉到深圳鹽田港再到加油站,這一升的運費是多少錢?我讓好多搞能源的朋友猜,有人猜是3塊5,甚至有人猜5塊,也有人猜1塊的,我說真正的答案是7分錢不到。
    我說7分錢的時候大家沒人相信,但一算就明白了?,F在一條大船可以拉30萬噸,大概是4億升。液體的好處在于,使用泵和管道就能裝船,不需要人工。到了深圳的碼頭,管道連接好后,使用泵就能打到罐里,也不要人工。路上耗費的就是船的油錢和折舊費,4億升,如果一升一毛錢就是4000萬元,但跑一趟船根本用不了這么多油錢。這就是為什么世界上產石油的只有那么幾個地方,但任何一個角落都可以很方便地加油開車。所以,液體在運輸上有很多好處,而且可以長期儲存。高度酒(醇類)存50年沒問題,但電和氣都不能長期儲存。
    這些最基本的概念大家需要清楚,這也是為什么我冬天到加拿大那些靠近北極的鎮子去看,那里沒有電網、天然氣網,只有一個加油站,一罐汽油、一罐柴油拉過來就可以生產了。在世界上再偏僻的角落,只要有公路的地方,拉過去就可以長期儲存,拉一罐,一兩個月就夠了,但電和天然氣管網沒那么容易可以鋪設到。這就是液體能源的優勢。人類永遠選擇經濟最優化的東西,不是誰喜歡什么,是什么東西最科學。
    第三點,為什么人類的第一條流水線是福特的流水線?內燃發動機是機械的東西,造一臺很貴,但當一條流水線造出100萬臺的時候,每臺的成本會極大降低。1913年,福特的流水線一上去量產,就讓美國的汽車從4700美元降到380美元,讓藍領工人都可以買得起汽車。
    然而電動車不同,每個電池都需要一定量的鎳、鈷、鋰,車上還有銅等各種金屬。產能擴張后每臺成本會有所下降,但是下降不多,不像機械不銹鋼,要多少,產多少,造得越多,成本越低,材料成本很少。電動車的材料成本占大頭,加工成本并不是主流,所以你可以采用流水線,可以降低一點,但不能有根本的降低。
    中國的電動車從2016年底的51.7萬輛增加到2018年第一個季度的79.4萬輛,增量為28萬輛,相對于當時整個汽車市場一年2900萬輛的產量,是很少的,但同期追蹤全世界的鈷的價格和鋰的價格,分別翻了四倍和一倍。這種情況告訴我們,如果技術不突破,不把鈷和鋰的用量降下來,造得越多材料越貴。當鈷價格翻了四倍,鋰價格翻了一倍的時候,全世界沒有一家公司聲稱通過回收電池里的鈷和鋰能實現盈利,電池的回收技術還有待突破。
    最近很多原材料漲價,一方面是因為量化寬松,另一方面就是這些金屬原來的供需關系發生了變化。原來的供需關系是非常穩定的,因為工業上用到的鈷、鎳這些的量非常有限?,F在突然來了這么多造車新勢力,供需關系就變了。當供需關系變了以后價格絕對不會說是按比例增長,比如世界上100個人,但是只有99瓶礦泉水,最后1瓶的礦泉水一定不是漲到1.1倍,而是最后一個人買不起的價格。
    就按今天的價格,我們電動車的成本其實每個人心里都有數。我列出來,每輛車需要銅53.2公斤,鋰8.9公斤,鎳39.9公斤,錳24.5公斤,鈷13.3公斤,石墨66.3公斤,稀土0.5公斤,其他0.3公斤。最近,磷酸鐵鋰電池出來,鈷的用量可以降下來,但是最大的問題是冬天溫度一低它的性能不好了。所以,今天的這個價格,一輛最好的寶馬、奔馳的內燃機成本在2300美元左右,特斯拉的電池成本則是在2萬美元左右。一個工業要發展必須是可以大規模量產的時候,越大規模越便宜。這就是為什么人類的第一條流水線是福特的流水線。這都不是偶然的。這些問題我們大眾不清楚,但是行業里面是清楚的?,F在資本市場很熱,但是一旦補貼政策停止了,能不能掙錢冷暖自知。
    2018年網上瘋炒氫能,炒作說電動車真正的未來是氫燃料電池汽車。氫能有它的好處,發電效率高,能降低對石油的依賴,排放的是水蒸氣,而且大規模量產后成本能下來。盡管燃料電池也要用貴金屬,但是它的貴金屬回收技術相對來講比較成熟。并且這些年的研發使得貴金屬用料量在降低,這都是它的優點。
    現在我們的電池是梯級利用,今天的電動汽車用了5到7年,把退役動力電池用作儲能電源,比如放到5G基站底下做儲能,可能還可以再延遲一二十年。但是儲能電池是有壽命的,里邊有很多對自然有害的化學物質,不可能無限期使用,一二十年后仍然需要回收。如果不回收,當幾百萬個甚至將來上千萬個電池分布在中國大地,如果任其泄露,那是環境的災難。
    能源全生命周期分析概念很重要,我們曾經做過一百多條線的“油井到車輪子”或者是“礦井到車輪子”的分析,要知道中國的能源40%在新疆,怎么把能源輸送過來,這是一個復雜的系統。
    我在GE曾花了幾百億美元和很多博士一起做分析研究的模型,每一步的排碳是多少,效率是多少,最后用數字說話。于是,我花了很大的代價把這套方法論引進來,做了一個“能源的全生命周期的分析”。這種軟課題在國內很難拿到,但是很重要,因為要用“數據決策”。中國工程院謝克昌院士正在致力于推動這一塊短板的開發,因為真正的決策最后是要依靠數據的,要科研人員花大量的時間把數學模型一點點建起來,并不斷地調整,最后能夠跟現實的數據對上去,用這些模型的預測數字做未來的決策,這叫“數據決策”,這是我們要提倡的一種文化。就像碳中和,將來也要做好各種渠道的碳中和數據搜集,從油井、礦井、天然氣井到車輪子、到電燈泡等等,每一步的全生命周期分析,分析完以后大家用數字說話。
    電動車遇到這些問題,不是不可以發展,電池的研發永遠是重要的。但是有一點我要講,電動化和網聯化沒有必然的聯系。內燃機驅動只要電池足夠大,夠我的手機用就行了?,F在有人說要搞網聯化、搞智能化,所以必須搞電能化,這句話只對了一半。今天一個手機的運算能力有多少?網聯化可能需要十個手機的運算能力,那也就是幾塊電池的問題。但是如果因為需要十個手機的運算能力,就要把驅動改成電動嗎?這是沒有必要的。實際上,現在一輛比較好的奔馳車,只要有一塊足夠的電池,里面有電動機發電也可以做網聯化、智能化。所以智能化、網聯化、電動化沒有必然的聯系。

    為什么氫能汽車沒有產業化?
    氫能一點也不新,早在阿波羅登月的時候就是帶著液氫液氧上天,發的電供儀器用,產生的水宇航員喝。
    我曾經在UTC-殼牌合資公司工作,美國宇宙飛船的燃料電池就是聯合技術公司生產的。20世紀90年代末一直到2005年、2006年,此期間美國花了上百億美元在燃料電池的研發上。我記得2003年,小布什總統在他的國情咨文演講時說,他會宣布一個計劃,美國能源部花多少億美元開發氫燃料電池汽車,15年后每一個美國人開的車后邊排放的都是水蒸氣。到現在,全世界的燃料電池(車)可能加起來也就是3萬多輛,美國不到1萬輛。去年全世界氫能源車只賣了1900多輛,豐田也沒賣多少輛。
    燃料電池汽車,也就是我們說的氫能汽車,為什么沒有產業化?最根本的原因是氫氣不適合于作為大眾你我共有的能源載體。很多人在這塊有一個誤區,甚至媒體渲染說“氫氣是人類的終極能源”,這句話是不嚴謹的。氫氣不是一次能源,是一種二次能源,或者更確切地說是能源的載體。這個世界沒有氫礦,我們有煤田、油田、天然氣田,但沒有氫田。氫和電以及甲醇一樣,是通過別的能源制造的,但是作為載體,氫不具備液體能源在能量密度、管道輸送、長期儲存方面的優勢。
    氫氣不適合于做大眾能源載體,主要的原因在于有幾個方面人類沒法改變。第一,氫氣是體積能量密度最小的東西,我們要求是越大越好。好多人犯了一個概念性的錯誤,說氫是能量密度最大的,這句話又是對了一半。如果論公斤,氫能量密度是最大的。但是對于汽車來說,應該論每立方米,論公斤是毫無意義的。如果轉成同樣的能源概念,它的體積能量密度是最小的(如圖2)。為了增加體積能量密度,只好增加壓力。目前看到所有的氫燃料電池車里的儲氫罐,都是350公斤和700公斤大氣壓。儲氫罐如果拿不銹鋼設計必須做得非常厚,因為壓力太高。學過理工的人都知道,700公斤壓力的高壓設備,不是那么容易生產制造的。

    圖2 各類能源的能量密度。

    第二,氫氣高壓會有一個問題,氫氣是元素周期表中最小的分子,最小的分子就意味著最容易泄露,長期儲存是問題。
    第三,氫氣在露天沒有問題,我們在20多年前在美國做過這個實驗,一個加氫車,它的儲氫罐為了安全一般都放在最后,普通步槍一槍是打不透的。打完以后,因為它很輕,就像氫氣球一樣,一條火龍沖上天,駕駛室的溫度一下子升不了那么高,人有足夠時間逃生。
    但是,在封閉的空間里,氫氣就會有巨大的問題。氫氣是爆炸范圍最寬的氣體,可以從4%到74%。小于4%是安全的,大于74%只著火不爆炸。但是在4%到74%這個很寬的范圍內,遇火星就爆。
    現在北上廣深這些城市,尤其在深圳,大量的車是停到地下車庫這一封閉空間里的。當大量氫能汽車進到地下車庫,若有一輛車泄露,就會產生巨大的危險。盡管這個是小概率事件,但是使用眾多的時候,總有部件老化等問題發生,哪怕儲氫罐是安全的,閥門、管路等也有一定小概率老化,或者開車不注意發生了撞擊。一旦泄露遇火星爆炸,引起其他車爆炸,一個大樓都有可能毀掉。所以在封閉的空間里,使用氫氣要非常注意。
    因為氫氣的爆炸性,現在都不讓運輸氫超過一定的范圍的車輛過隧道,如果把隧道炸掉了怎么辦?當然,將來是不是能夠建氫管道是另外一個問題。
    同樣因為氫氣的爆炸性,建設加氫站要特別小心,周圍一定距離不能有居民?,F在的北上廣深到處都是加油站,到哪能找那么多地,重新建加氫站呢?
    因為這些問題,盡管氫能現在很熱,但是要謹慎。氫氣的這些問題決定了它不適合做能源載體。所以,當人們說“氫是人類能源的終極”時,很多的東西似是而非。
    疫情前,科技部幾位同志可能聽說我做過幾屆全美氫能與燃料電池峰會主席,帶了幾個專家到深圳來調研,我們談了一下,之后我把氫能的一些現狀、問題以及解決途徑寫了一個簡單的報告,沒有想到他們就把它放進《科技日報》的頭版頭條。(圖3)

    圖3 2019年7月3日,《科技日報》頭版頭條專訪劉科院士

    制氫容易,但儲氫、運氫有難度。世界上氫氣的使用很廣泛,今天我們用的每一克的化肥都是氫造的。世界上有這么多的化肥廠、煉油廠都要大量的氫氣,但是有一個化肥廠、煉油廠是靠太陽能、風能制氫、制化肥嗎?沒有。什么原因?太貴了,要是便宜的話他們早就改用太陽能、風能制氫了。
    氫不是說現在沒用,現在全世界每年幾千萬噸的氫市場,而且到煉油廠,氫是最貴的,每個煉油廠邊上都有幾個大的氣體公司。用風能、太陽能制氫不是不可以做,只是缺乏經濟性。如果說這是賺錢的,相信很多企業家早就開始拿風能和太陽能制氫去了。

    氫也不是沒有優勢,也可以做,怎么做?跟我們的碳中和有關系。 


    為什么甲醇可能成為最好的儲氫載體?

    如果今后真正想實現碳中和,并且太陽能、風能可以賣碳稅的時候,可以把風能、太陽能和煤結合制出比較便宜的甲醇,通過車載甲醇制氫并與燃料電池系統集成,這就比直接燃燒的發動機效率高。這條路線未來是有可能的。我只說有可能,不能保證,主要取決于各種政策的調整和碳稅。如果碳稅上去了,這條線路就有經濟性。
    1L甲醇和水反應可以放出143克的氫。儲氫要么壓縮,要么冷凝。即使冷凝,1L的液氫也就72克,而1L甲醇的產氫量是1L液氫的2倍。
    為什么這個技術有可能這樣做?二十年前,全世界第一輛汽油轉化制氫的燃料電池汽車,是我領著尼桑和殼牌的一些工程師造出來的。
    這有一個小故事,那時豐田、本田、GM的高壓氫燃料電池已經造出來了,尼桑發現落后了,于是找到殼牌,又找到我們,說能不能造一輛車,加的是汽油,汽油在車上和水、空氣反應造氫,然后推動燃料電池,這樣燃料電池的效率高,同時也可以不用加氫站。
    當時為什么沒有做甲醇?因為美國還沒有大規模開采頁巖氣,國外的甲醇成本太高。2005年,如果我們預測到會發生頁巖氣革命,就不會花28億美元建零污染火電廠。但技術是不可預測的。頁巖氣革命讓世界上突然發現了上百年用不完的天然氣,也使得天然氣從17美元/百萬英熱單位狂降到1.5美元,現在平盤到3美元左右。
    在天然氣價格那么高的時候,甲醇沒有經濟性。所以,當時我們公司考慮用油,說能不能在車上汽油制氫。老板找我的時候,我說這個項目肯定不掙錢。他跟我說,我做阿波羅登月的時候根本沒有想到掙錢,但事實上我們阿波羅登月開發的技術后來在各個領域用上了,現在有尼桑給我們錢,只要把技術做到極限,最后也能在其他領域有用。我說,只要別拿掙錢衡量我,你給我錢我來玩技術。后來,幾年之內我們就把第一輛汽油轉化制氫的燃料電池汽車造出來了。
    有了這個技術做積累,甲醇制氫比汽油轉化容易很多,因為一方面甲醇干凈得多,沒有硫;另一方面汽油轉化需要850度以上,甲醇200度就可以了。
    為什么我提甲醇這條線路?甲醇可以用煤、天然氣來制,未來可以用太陽能催化二氧化碳和水來制甲醇,就變成綠色的甲醇。中國科學院大連化物所的李燦院士以及我們南方科技大學都在做綠色甲醇的研發,中科院在蘭州已經建設了1000噸的論證示范工廠?,F在中國甲醇產能全世界最高,大概8000多萬噸。另外,頁巖氣革命讓世界發現了100多年用不完的天然氣。有100多年用不完的天然氣,就有100多年用不完的甲醇。未來如果碳稅真正上去了,我們也可以用風能和太陽能制氫,這樣生產的甲醇就完全是綠色甲醇了。
    但是這個世界不需要追求絕對的“零碳”?!疤贾泻汀庇幸粋€概念,就是這個世界碳太多不好。但是任何人追求零碳是不科學的,因為我們吃的食品、植物生長和光合作用都需要二氧化碳。如果把中國的經濟從煤經濟轉到天然氣經濟或者是甲醇經濟就可以減碳67%,那么基本上就可以做到碳平衡了。因此中國講的是“碳中和”,國外講的是“凈零排放”,也就是要排放的同時也要有別的技術平衡排放。
    我個人覺得,從中國的天然稟賦來看,中國有很成熟的煤制甲醇技術,只是要產生很多的二氧化碳,因為要補氫。如果那部分的氫可以在西部用太陽能和風能制,這樣煤轉成甲醇就不用排放二氧化碳,再用甲醇作為能源的載體就可以減碳67%,這可能是比較現實的一條碳中和路線。
    這樣風能、太陽能雖然貴一點,但煤很便宜,這兩個一中和,成本就可控了。氫氣和二氧化碳做綠色甲醇目前還有一定的成本障礙,如今直接用現有的煤甚至劣質煤制甲醇就可以了。甲醇是一個載體,液體的載體比氣和電載體科學多了。因為,電雖然好輸送但是不好存儲,氫既不好輸送,也不好存儲,只有液體比較方便。
    今天氫氣制造很便宜,可一旦壓縮到幾百公斤大氣壓的時候成本就上去了。張家口冬奧會做氫能示范,國家補貼了大量資金,并且目標在未來幾年達到30元/kg的氫氣價格。但是如果在車上用甲醇,就按今天的市場價格買甲醇,每公斤氫氣的成本只有15元。
    所以一方面是甲醇制氫的成本低了;另一方面,甲醇常溫常壓下是液體,甲醇站可以用已有的液體加油站改裝。對于一般的加油站,近年可能是6個罐,前期替換成1個甲醇罐、5個汽柴油罐,再過十年,替換成2個甲醇罐,4個汽油罐。這樣整個能源轉型就不需要再花多少萬億去建加氫站和充電樁了。
    簡單估算一下布局成本,按照加油站450輛車/天的加注能力,充電站24輛車/天充電能力,小型氫氣加注30輛車/天的能力來測算,假設都建一萬座,甲醇大約需要20億美元,充電站大約需要830億美元,加氫站大約1.4萬億美元,而且這個1.4萬億還沒有考慮地價的因素。
    我不認為我們會把花了幾萬億建起來的液體燃料基礎設施毀掉再重新建加氫站和充電樁,沒有必要。石油如果排碳太高可以用綠色的液體取代,而且我們可以把太陽能和風能轉成液體儲存下來,這就改變了儲能的概念,原來大家多少年花了多少萬億就是研究儲電,但是儲電干了一百年都干不過一個抽水儲電,這條線上再給十億的研發經費,成功的概率也就是萬分之十、千分之一。
    電池對小型設備比如說手機非常重要,但是靠電池做大型的儲能要非常謹慎。最近國家也非常注意,把梯級利用的大電站停下來了,因為安全性是一個問題。
    電動車和燃料電池最大的問題在于基礎設施的土地成本問題和冬天續航問題。現在我們城市里土地很貴,好多人為了拿國家補貼就在郊外搞一個充電站,但是買一輛車如果開車一個小時才能到充電站,你會買嗎?現在,中國已建成的公共充電樁利用率平均只有4%左右,其中充電樁鋪設最多的北京、上海,使用率僅為1.8%、1.5%。電動車存在里程焦慮且冬天無法滿足供暖,到冬天一遇冷可能會趴窩,要知道全世界80%主要發達城市位于北緯25度以上,紐約、倫敦、巴黎、莫斯科、東京、北京、多倫多,這些城市都是有冬天的地方,如果一輛汽車只能夏天開冬天開不了,你會買嗎?原來我在北京,為了研究這個,專門找電動出租車坐,上車后我發現司機大冬天穿著軍大衣、棉靴子,不敢開暖氣。我說把暖氣打開,司機說他不敢。因為不開暖氣,只能跑100多公里,如果開了暖氣,馬上就沒電了,他根本賺不了錢。
    如果風能、太陽能和煤炭結合轉成甲醇,我車上永遠裝50升的甲醇就好辦了。今天,在深圳買一輛電動車,連廣州都不敢跑一趟。跑到那里沒電了不知道到哪充,即使能找到充電樁,可能也要等一個小時,而快充對電池的破壞很大。怎么辦?我們現在想辦法給電動車賦能。反正晚上回家停車,你在停車位邊安一個比較小的慢充裝置,幾百塊錢就行了。你把它充滿,但是車上永遠裝50L的甲醇,就相當于你晚上睡覺把手機充滿,同時還帶了一個充電寶。沒電的時候,就可以用車上的甲醇和水制氫,用氫發電。這樣根本不需要再建那么多充電站和加氫站,而且甲醇和水反應只需要200多度,它的余熱就可以把電池維持在最佳的溫度。
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    霧霾的元兇在哪里?

    還有一個碳中和的路線,是跟霧霾相關的
    這些年,我一直在研究霧霾。我對霧霾有親身體會。如果一直在北京生活我們可能感覺不到,但我家在南加州,早些年回國后,每次從洛杉磯到北京以后,那種強烈的對比讓我覺得一定要把中國的霧霾給治理好。
    霧霾包括一次顆粒和二次顆粒?;剂先绮裼腿紵龝r尾氣中直接排放的顆粒是“一次顆粒(Primary Particulates)”,占霧霾總量的24%左右。對霧霾貢獻最大的是 “二次顆粒(Secondary Particulates)” 占到其總量的約50%左右?!岸晤w?!笔腔剂先紵矚庵械臍鈶B污染物(如NOx、SOx)和揮發性有機物(VOC)進入大氣后,在一定的水霧狀態下與空氣中的氨及VOC等物質發生氣溶膠反應形成的顆粒。氮氧化物在天空遇水就變成硝酸,硫氧化物氧化遇水就是硫酸。如果我們不使用化肥就只能形成酸雨形不成霧霾。大量使用化肥所以天上有氨,氨是堿,酸堿反應然后形成顆粒PM2.5。肉眼的分辨率只有60微米,頭發絲大概是70微米,一個PM2.5的顆粒是看不見摸不著,但是當無數個PM2.5懸浮在天空中就可以遮天蔽日。
    這兩年國家在脫硫脫硝上花了上萬億,取得非常大的進展,但是到冬天還有霧霾,一個重要因素是使用化肥以及氨排放沒有得到足夠的重視?;实呐欧啪褪前钡呐欧?。
    化肥有它的問題和弊性,使用一年、兩年、三年、五年沒問題,但是用了三十年、五十年以后,問題來了。早些年硝酸銨、磷酸銨強酸弱堿,氨被吸收,酸流到土壤里面,把土壤中的細菌殺死,引起大面積的土地板結。
    另外,用了化肥三十年、五十年后的東西看著個大皮厚,但吃著沒有味道了。什么原因?因為決定食品營養和味道的是生長作物的半米左右深的土壤中微量元素和礦物質的含量。土壤中有很多礦物質不溶于水,但是一遇到酸,會發生酸浸,浸三五十年以后,當半米深的土壤中這些微量的礦物質都沒有了的時候,食品不可能不變。中國淮河兩岸吃的東西不一樣是因為兩岸的土壤組成不一樣。
    對比1960年的玉米和2013年的玉米情況。1960年是純粹自然生長的,2013年的是化肥催大的,看著個大飽滿,但是每100克里面鈣含量下降了78%。人類大量使用化肥和農藥,導致土壤中的微量元素不斷下降,并伴隨著哮喘、心臟病、癌癥等疾病的增加。
    中國自1978年改革開放之后,開始大量開始使用化肥,到大概2011年化肥產能接近峰值。這期間全中國糧食增產了87%,但化肥使用量增加到682%。每噸糧食產量需要0.1噸的化肥。2017年全國農作物總播種面積1.6億公頃,平均化肥施用強度為352公斤/公頃,福建、海南、北京、廣東等省市分別為751公斤/公頃、724公斤/公頃、707公斤/公頃、611公斤/公頃;而國際警戒線值為225公斤/公頃(世界平均水平為120公斤/公頃)。
    其實隨經數百萬至數千萬年,物質不滅,土壤中寶貴的微量元素及礦物質是以煤炭的形式保留至今的。煤炭中可燃的部分,基本是通過光合作用二氧化碳形成的;不可燃的部分從哪里來的?就是遠古時期樹根吸收的寶貴的礦物質、微量元素。但這些東西不能用火燒掉,一千多度以后它們就形成了玻璃狀的琉璃瓦。

    圖4 微礦分離技術

    現在我們有一個核心技術(圖4)就是在水中把煤里面可燃的和不可燃的分開進行磨細,底下淺色的就是土壤中最寶貴的東西,但是不能直接加,要經過一系列微生物的過程,最后形成最好的土壤改良劑。上層的劣質煤就可以制甲醇,這樣甲醇的成本也可以降下來。這是環環相扣的。
    為什么要從霧霾開始講?因為這種小顆粒像霧霾,過濾下來以后比重比空氣重得多,它以2.5微米懸浮在空中不會落下來,除非下雨,因為當粒度到這么小的時候,重力就起不了作用,而是表面力在起作用。
    那么既然它懸浮到空氣中下不來,我們就讓它懸浮到水里面造成類似“黑色牛奶”的燃料。牛奶表面上看是液體,在顯微鏡底下其實是幾十微米的氮顆粒懸浮在水里的。我們將微米級的煤炭顆粒、純碳顆粒懸浮在水里,然后設計一個鍋爐,讓它燃燒起來比天然氣都干凈。我們甚至可以直接用汽化爐制甲醇,得到的燃料比現在的船油還干凈、還便宜,同時還可以解決中國的煤炭運輸問題。
    現在到鄂爾多斯、呂梁高速公路上,很多大卡車拉煤,污染很重。目前,我們儲煤的地方海拔大約1500-2000米,運煤的地方比如深圳只有幾十米的海拔,這樣建一個管路自己就流過來了。
    十年前,我說中國的霧霾汽車有貢獻但是絕對不是主要的,要治理霧霾首先要把煤搞干凈以后再燒;當時推動電動車的一批人,說要治理霧霾就要把汽車變成電動車。但是去年疫情防控期間很多地方封城,讓我有機會做一個大實驗,當時,全中國的汽車,包括電動車都停了兩個多月,可北京、太原、西安、哈爾濱、鄭州霧霾的天還是很多。原因在哪里?主要還是抗疫的時候大冬天家里供暖的問題,中國的天然氣不夠,還得燒煤。
    當時,我以治理霧霾的心態做這個技術,現在已經產業化了,工廠已經開始運轉了,而且做了大量的農田實驗,效果比我們想象的要好。


    碳中和的現實路徑



    這樣,我們就可以談碳中和的幾個現實路徑。
    第一是通過現有煤化工與可再生能源結合實現低碳能源系統。一方面可以讓現有的煤化工實現凈零碳排放,另一方面是通過太陽能、風能、核能電解水制備綠氫和氧氣,合成氣不經水汽變換,大大降低煤制甲醇的二氧化碳排放。
    第二是利用煤炭領域的碳中和技術——微礦分離技術。在煤燃燒前,把可燃物及含污染物的礦物質分離開,制備低成本類液體燃料+土壤改良劑,源頭解決煤污染、濫用化肥及土壤生態問題,同時低成本生產甲醇、氫氣等高附加值化學品。
    因為傳統的煤炭使用方式燃燒二氧化碳排放產生的灰渣有10%的碳,不光是浪費能源而且現在變成了固廢,整個內蒙古的電廠粉煤灰成災。通過分離之后,該做燃料就做燃料,該做土壤做土壤,分流以后,這邊釋放二氧化碳,更多的森林長起來把二氧化碳吸回來,這樣做了完全可以達到碳中和。(圖5) 

    圖5 微礦分離技術效果示意

    當清潔固體燃料CSF產量達到25萬噸時,我們每年碳排放大約69.5萬噸,根據治理的面積大約可以吸回來20.8萬噸,在施用土壤礦物改良劑SRA條件下,可以吸回來48.7萬噸、61.9萬噸,甚至74.9萬噸。(見下表)

    這是比較現實的碳中和的路徑,而且不需要那么高的成本,適當花一點錢就可以做到的。
    第三,實現光伏與農業的綜合發展,將光伏與農業、畜牧業、水資源利用及沙漠治理并舉,實現光伏和沙漠治理結合,及光伏和農業聯合減碳。
    西部缺水,水一澆就漏下去了,因此,我們可以采用非常保水的材料。但是西部再保水,大太陽曬還是長不出來,怎么辦?有了太陽能板,底下的揮發減少了,就可以種東西。太陽能有一個最大的好處,就是要定期沖這個板,有了發電,大家可以花一點錢拿PVC管接點黃河水過去,每幾周給光伏板沖水,同時,水資源寶貴,沖過的水我們還可以用來給農作物做滴灌。這樣,發電的同時還可以把底下全部變成綠色,變好了再把太陽能板搬個幾百米,一片片土地可以治理出來。
    第四,峰谷電與熱儲能綜合利用。火電廠是半夜也不能停的?,F在中國的火電廠在半夜12點到早上的6點電這個區間,盡管還在排放大量二氧化碳,但發的電沒人用,是浪費掉的。怎么辦?電不好儲存,可以用熱的形式儲存下來,利用分布式儲熱模塊,在谷電時段把電以熱的形式儲下來,再在需要時用于供熱或空調,這樣可以讓1/4甚至是1/3的時間的電不至被浪費,可大大降低二氧化碳排放,實現真正的煤改電,再配合屋頂光伏戰略及縣域經濟,進一步減少電能消耗。能量不僅僅是電能,國內儲能領域對于儲電關注較多,但實際上大多數的能量從消費端來看都是用在了熱能領域,儲熱技術也是需要我們去關注和發展的。
    第五,利用可再生能源制甲醇,然后做分布式的發電。可以使用甲醇氫能分布式能源替代一切使用柴油機的場景,和光伏、風能等不穩定可再生能源多能互補。


    謝謝大家!

    (來源:北京能源與環境學會 ,如有侵權請聯系刪除)


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