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行業(yè) | 能源專家劉科:碳中和的六個(gè)誤區(qū)和五個(gè)現(xiàn)實(shí)路徑

 雨塵書屋 2021-10-21

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2021年7月15日上午,國際知名能源專家、澳大利亞國家工程院外籍院士、南方科技大學(xué)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)學(xué)院院長劉科發(fā)表演講。原標(biāo)題為《碳中和誤區(qū)及其現(xiàn)實(shí)路徑》。本文節(jié)選自原文。

關(guān)于碳中和的誤區(qū)

誤區(qū)一
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風(fēng)能和太陽能比火電都便宜了,完全可以取代火電,實(shí)現(xiàn)碳中和。

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這句話只對了1/5到1/6。因?yàn)橐荒暧?760小時(shí),而中國的太陽能每年發(fā)電小時(shí)數(shù)因地而異,在1100小時(shí)到2000多小時(shí)之間不等,超過2000多小時(shí)的區(qū)域不多,全國平均大約在1450-1750小時(shí)左右,風(fēng)能每年發(fā)電的時(shí)間比太陽能略微長一點(diǎn),大約是2000小時(shí)左右。但電是需要24小時(shí)供的,不能說一個(gè)電廠一年只供一兩千小時(shí)。

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太陽能和風(fēng)能是便宜了,但最大的問題是非穩(wěn)定供電。以2019年為例,全國的風(fēng)能和太陽能加起來發(fā)電總量相當(dāng)于約1.92億噸標(biāo)準(zhǔn)煤的發(fā)電量,也就是說,上網(wǎng)的風(fēng)能和太陽能發(fā)電總量大約只能取代煤炭發(fā)電的12.5%左右。因此,太陽能和風(fēng)能仍然無法完全取代化石能源發(fā)電。

誤區(qū)二
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運(yùn)用大規(guī)模儲(chǔ)電技術(shù),讓風(fēng)能和太陽能徹底取代火電,實(shí)現(xiàn)碳中和。

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這個(gè)假設(shè)太大了,因?yàn)樽糟U酸電池發(fā)明至今一百多年來,人類花了數(shù)千億美元的研發(fā)經(jīng)費(fèi)研究儲(chǔ)能,可從鉛酸電池的90千瓦時(shí)/立方米增加到今天特斯拉的260千瓦時(shí)/立方米,電池的能量密度并沒有得到革命性的根本的改變。要知道,汽油是8600千瓦時(shí)/立方米。同時(shí),迄今大規(guī)模GW(十億瓦特發(fā)電裝機(jī)容量)級的儲(chǔ)電最便宜的還是100多年前就被發(fā)明的抽水蓄能技術(shù)。數(shù)據(jù)顯示,目前全世界電池生產(chǎn)商5年多的電池產(chǎn)能僅能滿足東京全市3天的電能。如果說我們有4/5的時(shí)間或者5/6的時(shí)間要靠電池儲(chǔ)電,這是不可想象的。況且,這個(gè)世界也沒有那么多的鈷和鋰,沒法讓我們造那么多的電池。

誤區(qū)三
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把二氧化碳轉(zhuǎn)化成各種各樣的化學(xué)品,比如保鮮膜、化妝品等等,實(shí)現(xiàn)碳中和。

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這種項(xiàng)目要是能賺錢,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(bǔ)貼,因?yàn)檫@些沒法從根本上解決二氧化碳的問題。數(shù)據(jù)顯示,一個(gè)三口之家一年平均排放碳22噸,但什么產(chǎn)品一個(gè)家庭一年也消耗不了20多噸。

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部分石油產(chǎn)品

全世界所有的石化產(chǎn)品只消耗了大約13%的石油,剩下的大約87%的石油都是被燒掉的。如果把全世界的化學(xué)品都用二氧化碳來造,也只是解決13%的石油排碳的碳中和問題。所以說,從規(guī)模上二氧化碳制成化學(xué)品并不具備減碳價(jià)值。

誤區(qū)四
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可以大量地捕集和利用二氧化碳,實(shí)現(xiàn)碳中和。

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利用CCUS(碳捕集、利用與封存技術(shù))技術(shù),把生產(chǎn)過程排放的二氧化碳進(jìn)行捕獲提純,再投入到新的生產(chǎn)過程中進(jìn)行循環(huán)再利用或封存,理論上能夠?qū)崿F(xiàn)二氧化碳的大規(guī)模捕集?,F(xiàn)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(qū)油和埋藏等等其他的作用。

我們算過,假設(shè)打到地下的二氧化碳的成本為30美元一噸,其中20美元是把二氧化碳從整個(gè)尾氣里面分離出來成為純二氧化碳,5美元是輸送到埋藏點(diǎn),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(shù)手段下,靠CCUS利用來處理的成本很高,作用也是有限的,當(dāng)然這方面的成本通過研發(fā)也可以降一些,經(jīng)濟(jì)上能否有競爭力,取決于未來碳稅的價(jià)格。

我回國之前和曾和原GE(通用電氣,編者注)核能的總經(jīng)理交流,他提到GE今后會(huì)通過煤炭零污染的火電廠解決二氧化碳的問題,但是私下里他說,真正要去做還不如干核能,核能比零污染火電廠便宜多了。

誤區(qū)五
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通過提高能效,可以顯著碳排放,實(shí)現(xiàn)碳中和。

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能效永遠(yuǎn)要提高,提高能效是世界上成本最低的減碳路線。但是我經(jīng)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?提高了。但是碳排放的總量是增加了還是減少了?增加了。

數(shù)據(jù)顯示,2000年中國的石油消耗大概是超過2億噸,2010年大概是4億噸,到去年是近7.5億噸。2000年中國的煤炭消耗是13.8億噸,2020年近40億噸。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(xiàn)也是非常有限的,提高能效確實(shí)是成本最低的減低碳排放的方式,也是最應(yīng)該優(yōu)先做的,但是有一個(gè)現(xiàn)實(shí)的考量就是不能光靠能效提高就能夠達(dá)到碳中和。

誤區(qū)六
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電動(dòng)車可以顯著降低碳排放,實(shí)現(xiàn)碳中和。

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如果能源結(jié)構(gòu)不改變,如果電網(wǎng)主要還是煤電,那電動(dòng)車的擴(kuò)張對減少碳排放的貢獻(xiàn)非常有限。況且,在全生命周期的碳排放分析看來,我們不得不考慮電池生產(chǎn)過程中的排放。

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1912年,愛迪生跟他的電動(dòng)車合影。

實(shí)際上,一百年前的美國,在愛迪生等人的推動(dòng)下,電動(dòng)車比燃油車要更加流行。但為什么最終燃油車贏得了百年前那場比賽的勝利?接下來我要談到電動(dòng)車不能戰(zhàn)勝燃油車的原因。

一百年前電動(dòng)車未能戰(zhàn)勝燃油車的三大原因


體積能量密度低

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100多年前就發(fā)明的鉛酸電池的能量密度是90千瓦時(shí)/立方米,一百年后特斯拉、比亞迪也僅僅提升到260千瓦時(shí)/立方米。而汽油的能量密度是8600千瓦時(shí)/立方米,柴油是9600千瓦時(shí)/立方米。甲醇液體是4300千瓦時(shí)/立方米,遠(yuǎn)大于電池。


生產(chǎn)電動(dòng)車的材料成本太高

1913年,福特的流水線一上線,就讓美國的汽車從4700美元降到380美元,讓每個(gè)藍(lán)領(lǐng)工人都可以買得起汽車。但流水線降低的是加工成本,而非材料成本。而電動(dòng)車的材料成本占大頭,加工成本并不是主流,所以流水線對電動(dòng)車成本來說不能有根本的降低。


液體運(yùn)輸、儲(chǔ)存的成本更低

我請大家猜一下。現(xiàn)在油價(jià)7塊錢一升,假設(shè)這些油都是從休斯敦的煉油廠完成加工,用船拉到深圳鹽田港,再送到某個(gè)偏遠(yuǎn)郊縣的加油站。請大家猜猜:這7元里有多少是運(yùn)輸費(fèi)用和儲(chǔ)存費(fèi)用?

我之前問過很多能源界專家這個(gè)問題,有人猜3塊5,有人猜5塊,也有人猜1塊的,但真正的答案是,在成熟的管道運(yùn)輸系統(tǒng)基礎(chǔ)上,單升汽油運(yùn)費(fèi)不足7分人民幣。這就是為什么世界上產(chǎn)石油的只有那么幾個(gè)地方,但任何一個(gè)角落都可以很方便地加油開車。

這個(gè)世界有煤田、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,氫不具備上面提到的液體能源在能量密度、管道及跨海輸送、長期儲(chǔ)存方面的優(yōu)勢。 

為什么甲醇比氫更適合做大眾能源載體?

氫氣不適合于做大眾能源載體,主要的原因在于有三個(gè)方面人們無法通過研發(fā)改變:氫的體積能量密度是最小的,氫氣容易泄露,氫氣安全性有待提升。

因?yàn)樯鲜鲈颍瑲涞氖褂贸杀揪蜁?huì)隨之提升,比如要儲(chǔ)存使用氫氣,就要生產(chǎn)大量的700公斤的壓力罐;要建設(shè)加氫站,就要在周圍要設(shè)置安全區(qū),這在寸土寸金的北上廣是很難與加油站競爭的。

與氫相比,甲醇的普及更具有可操作性。現(xiàn)在中國甲醇產(chǎn)能全世界最高,大概8000多萬噸。同時(shí),我們可以把太陽能和風(fēng)能和煤結(jié)合,制出比較便宜的甲醇,完成能源儲(chǔ)存。在通過車載甲醇制氫并與燃料電池系統(tǒng)集成,而甲醇與水反應(yīng)即可生成氫氣。

以現(xiàn)在電動(dòng)車普遍的續(xù)航能力,在深圳買一個(gè)電動(dòng)車,連廣州都不敢跑一趟。如果風(fēng)能、太陽能和煤炭結(jié)合轉(zhuǎn)成甲醇,我車上永遠(yuǎn)裝50升的甲醇就好辦了。沒電的時(shí)候,就可以用車上的甲醇和水制氫,用氫發(fā)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(yīng)只需要200多度,它的余熱就可以把電池維持在最佳的溫度,也解決電動(dòng)車冬天的續(xù)航里程問題。

碳中和的五個(gè)現(xiàn)實(shí)路徑


煤化工與可再生能源結(jié)合,實(shí)現(xiàn)低碳能源系統(tǒng)

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一方面可以讓現(xiàn)有的煤制甲醇實(shí)現(xiàn)近零碳排放,另一方面是通過太陽能、風(fēng)能、核能電解水制備綠氫和氧氣,合成氣不經(jīng)水汽變換,這樣讓煤制甲醇廠不在排放二氧化碳;再用甲醇取代汽柴油開車,或甲醇和水在線制氫發(fā)電推動(dòng)燃料電池汽車或作為電動(dòng)車的充電寶。把多余的新能源以化學(xué)能的方式儲(chǔ)存起來。


利用微礦分離技術(shù)

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微礦分離技術(shù)是煤炭領(lǐng)域的碳中和技術(shù)。不經(jīng)過微礦分離的煤炭使用方式中,有10%的碳變成灰渣,形成固體廢料,整個(gè)內(nèi)蒙古的電廠粉煤灰成災(zāi)。而通過微礦分離技術(shù),在煤燃燒前,把可燃物及含污染物的礦物質(zhì)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(tài)問題,同時(shí)低成本生產(chǎn)甲醇、氫氣等高附加值化學(xué)品。


光伏和農(nóng)業(yè)聯(lián)合減碳

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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。同時(shí),光伏太陽能板可以起到減少揮發(fā)的作用。揮發(fā)減少了,就可以搞種植農(nóng)業(yè)。光伏產(chǎn)業(yè),就是要定期用水沖太陽能板。沖過的水我們還可以用來給農(nóng)作物做滴灌。這樣,發(fā)電的同時(shí)還可以把底下全部變成綠色,變好了再把太陽能板搬個(gè)幾百米,一片片土地可以治理出來。


峰谷電與熱儲(chǔ)能綜合利用

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火電廠是半夜也不能停的。在半夜12點(diǎn)到早上的6點(diǎn)電這個(gè)區(qū)間,盡管還在排放大量二氧化碳,但發(fā)的電沒人用,是浪費(fèi)掉的。怎么辦?可以用熱的形式儲(chǔ)存下來,利用分布式儲(chǔ)熱模塊,在谷電時(shí)段把電以熱的形式儲(chǔ)下來,再在需要時(shí)用于供熱或空調(diào),這樣可以讓1/4甚至是1/3的時(shí)間的電不至被浪費(fèi),可大大降低二氧化碳排放,實(shí)現(xiàn)真正的煤改電,再配合屋頂光伏戰(zhàn)略及縣域經(jīng)濟(jì),進(jìn)一步減少電能消耗。能量不僅僅是電能,國內(nèi)儲(chǔ)能領(lǐng)域?qū)τ趦?chǔ)電關(guān)注較多,但實(shí)際上大多數(shù)的能量從消費(fèi)端來看都是用在了熱能領(lǐng)域,儲(chǔ)熱技術(shù)也是需要我們?nèi)リP(guān)注和發(fā)展的。


可再生能源制甲醇,推動(dòng)分布式發(fā)電

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可以使用甲醇?xì)淠芊植际侥茉刺娲磺惺褂貌裼蜋C(jī)的場景,和光伏、風(fēng)能等不穩(wěn)定可再生能源多能互補(bǔ)。用甲醇液體作為太陽能及風(fēng)能的載體,甲醇和水制氫再發(fā)電取代柴油發(fā)電機(jī)做分布式熱電聯(lián)供,結(jié)合屋頂光伏及儲(chǔ)熱及熱泵技術(shù)在廣大農(nóng)村取代燃煤,不僅低碳,環(huán)保而且可以減碳。

實(shí)際上,我剛剛講的每一件事,比如風(fēng)能、太陽能二氧化碳轉(zhuǎn)化等都對碳中和有貢獻(xiàn),我們每一個(gè)都應(yīng)該去投入研發(fā)、去實(shí)施,但是目前的技術(shù)水平在量上對碳中和的貢獻(xiàn)是有限的。當(dāng)然,這不是說讓大家不去做,我們每一個(gè)人能應(yīng)該竭盡全力去推動(dòng)以上減碳的技術(shù)進(jìn)步,都努力去做,畢竟積少成多。

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來源:中國企業(yè)報(bào)

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