能源科学家刘科:用数字和事实来澄清碳中和的六大误区
2021-09-15 19:22:33 作者:刘科

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【导读】全球知名的能源专家刘科院士是文汇讲堂第150期嘉宾。他有20多年海外工作经历,曾任职于GE、UTC、埃克森-美孚。2009年回国,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),担任副所长和首席技术官。后受邀于南方科技大学前校长陈十一院士,任南科大创新创业学院院长和清洁能源研究院院长,一直从事低碳和能源研究。他也是澳大利亚国家工程院外籍院士,拥有美国及中国发明专利100余项。

2020年12月,讲堂在深圳举办《创新 文化 开放——深沪双城互鉴共进学术研讨会暨第150期文汇讲堂》时,就有关新能源问题采访过刘科院士。此为其近日做客科技创新报告厅第四期所做演讲,将分上下刊发。

 今天我先给大家谈一下一些数据和事实。

2020年,中国人均排放碳7吨,这是个天量数字
据统计,2020年,我们中国二氧化碳排放大约103亿吨(报道数据是102亿吨到108亿吨,我选其它文献中也用的103亿吨这个中间的数字),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CO2排放是以上煤炭、石油、天然气这三种化石能源燃烧产生的。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,不需要额外再计量CO2排放量。

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7亿多吨,折成标准煤约9亿吨,排放二氧化碳15.4亿吨;天然气消耗量折成标煤是4亿吨的样子,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,一个三口之家每年平均排放22吨二氧化碳,这是一个天量的数字。

 大家都说每天用空调、开车等等都与碳有关系,每一个人、每一小步节能,都可以为碳中和做出一点贡献,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,这也是为什么习总书记提出到2030才达峰,2060才中和,而不是现在。未来40年我们肯定实现碳中和的宏伟目标;但短期内我们还缺不了化石能源。尽管风能、太阳能、CO2转化为化学品、CCS、CCUS,提高能效都会对减碳有些贡献,都值得去鼓励探索和实施,但对目前天量排放的CO2,近期内减低的比例是相当有限的。

 碳中和是一个非常复杂的系统工程,需要通过多种技术渠道及各种努力去减碳;每个行业对自己的减碳路线都有所强调,但对其他行业的减碳路径及各种路径对减碳贡献的量不是很清晰,大众对碳中和的挑战及认知有一定局限,存在以下六个误区,需要用数据来说明:

太阳能、风能便宜,但供电不稳定,储电成本高,目前仅占火电12.5%

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储能的一条途径:通过太阳能、风能、核能电解水制备绿氢和氧气,合成气不经水汽变换,制备甲醇无CO2排放

第一,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1100小时到2000多小时之间不等,超过2000多小时的区域不多,全国平均大约在1450-1750小时左右。也就是说太阳能大约在1/6–1/5的时间段比火电便宜;而在其他5/6-4/5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,大约是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。

 因此,经过40年巨大努力,风能、太阳能增量巨大,可与煤电相比仍然相当有限。以2019年为例,全国的风能和太阳能加起来发电总量相当于约1.92亿吨标准煤的发电量,大约只能取代煤炭发电的12.5%左右。

 而且,电网靠电池储电非常危险。据估算,目前全世界电池生产商5年多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。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、太阳能的同时,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,随着智能电网的发展,这个比例会有所上升,但仍然需要时间;二是机制因素,地方保护主义的存在可能会让地方出于对当地GDP的考虑,宁可用当地的火电。机制问题在中央大力推动“碳中和”的背景下可解决。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完全取代化石能源发电。

目前战略要在意实现基础上,不能依赖可能的技术突破

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各类能源的能量密度

第二,人们以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的改变。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,但今天无法预测明天的发现。比如,火药发明之后近一千年才有枪的发明。不过能够很好地提醒我们在制定任何战略时,千万不要用尚未发生的突破和假设去决定可以做什么事。过去我们的科技水平整体落后于西方,一张白纸可以借鉴已验证的技术路线去结合我国发展需求描绘科技发展战略。但如今很多领域我们已经实现并跑甚至是领跑,这种情况下,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。没证明技术突破不能先假设这个技术肯定会有突破。

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。

 二氧化碳转化成化学品不具备减碳价值,不能以此拿国家补贴

第三,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,但是这些没法从根本上解决二氧化碳的问题。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,据估算全世界只有大约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%的石油排碳的碳中和问题。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,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。

CO2分离后打到地下驱油和埋藏,作用有限,经济价值取决于未来碳税价格

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1912年,爱迪生跟他的电动车合影

第四,可以大量地捕集和利用二氧化碳。利用CCUS(碳捕集、利用与封存技术)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。近年,中国整个二氧化碳驱油消耗量大概是每年几百万吨CO2耗量,与我们一年的排放是103亿吨CO2总量是非常有限的。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曾经研究过这个事情。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。当时我们做了示范工程,前后花了28亿美元,有上百名博士参与,用了7年的时间建成了630MW的IGCC火电厂,一度时间曾经计划把这个每天耗6000多吨煤的IGCC电厂产生的CO2分离后全部打到地下埋藏,这个技术能够实现净零排放,但是不具备经济性,最后决定只发电,不埋藏CO2。这个示范具有环境方面的意义,并且工厂在美国运行至今,我们做完这个项目以后,才发现即使不分离埋藏CO2,这已经是GE创立以来最复杂的一套工业系统。别看GE生产了全世界80%的飞机发动机、及大量的大型医疗器械如核磁共振、CT等,包括三峡水利工程的设备和青藏线的火车头等等,但是,这一630MW的近零排放的IGCC火电厂是GE自爱迪生创立通用电气以来100多年以来建设的最复杂的一套工业系统,在先进性、环保性方面具有优势,不过这个成本太高了。

核能是减碳很重要的base load发电技术,但人们能否接受因其高成本而导致的高电价需要讨论。因此,碳中和的事不光是一个技术的问题,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,还有一些经济效益,我国新疆等地已经有类似的二氧化碳驱油工程。这块的成本主要是把二氧化碳在锅炉尾气中分离出来的成本,我们算过,假设打到地下的CO2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美元是输送到埋藏点,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,当然这方面的成本通过研发也可以降一些,经济上能否有竞争力,取决于未来碳税的价格。

光靠提高能效,无法解决发展需要的总量,无法有效降低碳中和

第五,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,就可以实现碳中和。能效永远要提高,提高能效是世界上成本最低的减碳路线。由于我国经济和生产水平的飞速发展,加入WTO后二十年中,前10年我们碳排放增加得更多。我记得2000年中国的石油消耗大概是2点几亿吨,2010年大概是4亿吨,到去年是近7.5亿吨。2000年中国的煤炭消耗是13.8亿吨,2020年近40亿吨。并且在新增的诸多工业门类中,已经很大程度地提高了能效、减少了排放。

我是做能源的,从能源的数据变化可以看到整个社会的变化。我们加入WTO之前有一个很重要的数字,中国的煤产量大概是13亿吨,基本上自产自销,出口有一点,但很少。结果到2013年短短13年的时间从约13亿吨飙升到约39亿吨,这是一个天量,当然也伴随着碳排放。这该怎么解读?唯一的解读是加入WTO,世界的市场向中国开放了。当然,这一期间我们大量的房地产建设也是一个因素。煤的耗量表示电的耗量,电的耗量表示工业化的程度。这期间能效肯定提高了很多,但是单凭能效也难以解决碳中和的问题。因此,提高能效是减碳的重要手段,但只要仍然在使用化石能源,提高能效对碳中和的贡献也是非常有限的,有一个现实的考量就是不能光靠能效提高就能够达到碳中和。

从生命周期碳排放看,电动车对减碳和气候变化影响有限

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现实的碳中和路径之一:基于绿色甲醇氢能的分布式能源热电联供

第六,认为电动车可以降低碳排放。前段时间,我在网易公开课上讲《电动车和氢能的历史与未来》,全国大概有十几万人观看,很多领导看完以后跟我讨论这个问题:为什么我们要发展电动车?很简单,主要是因为中国的石油不够,我们石油73%靠进口;还有就是雾霾等环境问题。 

我们石油不够,寄望于我们已建成的超强的发电能力,这样发展电动车是有好处的。一年8760小时,但我们已建成的火电厂太多,为了让大家都有饭吃,很多火电厂实际发电每年不到4千小时,这是资产的巨大浪费。而且毕竟电动车可以让局部的污染降下来,比如东部地区的用电很多是在西部内蒙、新疆等地发的,污染在西部排放,不在东部地区排放。但是,在全生命周期的碳排放分析看来,电动车考虑到电池生产过程中的排放,如果电网里的电大部分仍然是火电,电动车对减碳及全球气候变化影响非常有限。

为什么靠电动车不能完全解决碳中和的问题?只有中国的能源结构彻底改变以后,电动车才能算得上清洁能源,也才有可能做到碳中和。如果能源结构不改变,如果电网主要还是煤电,那电动车的扩张对减少碳排放的贡献非常有限,这个你们去算一下就知道了。只有能源结构和电网里大部分是可再生能源构成的时候,电动车才能算得上清洁能源。

(李念整编)

如何有效实现碳中和?未完待续

【相关链接】

刘科:太阳能、氢能、甲醛……如何组合后实现碳中和?


  作者:刘科

  编辑:钱亦琛  李念

责任编辑:李念

      来源:南方科技大学创新创业学院微信公众号

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