在第二十三届中国科协年会的碳中和与绿色发展国际论坛上,中国工程院院士、清华大学化学工程系教授金涌作了一场题为《2060碳中和思考》的报告,以下文字来自报告整理,有删节。

▲中国工程院院士、清华大学化学工程系教授金涌(摄影/张星海)

整理/记者 廖迈伦 图文编辑/陈永杰

新媒体编辑/房永珍

2020年9月22日,我国在联合国大会上明确表示“中国二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值,争取在2060年前实现碳中和”。作为世界第一大二氧化碳排放国,我国从碳达峰到碳中和的过渡期仅有30年,而英国有将近80年,美国也有45年,相比发达国家,我国能源结构转型、二氧化碳减排将面临更高速度与更强力度的挑战。

习近平总书记主持召开中央财经委员会第九次会议并发表重要讲话时强调,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,要把碳达峰、碳中和纳入生态文明建设整体布局。

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为什么要实现碳中和?

能源短缺、资源不足与环境恶化是当今中国发展面临的重大问题。如今,我国有超过70%的石油依赖从国外进口,接近50%的天然气需要依靠进口,我们的发展已经受到了资源、能源、环境等各方面的严重制约。

目前,我国大部分处于后工业化社会,而发达国家已进入信息化、智能化社会,这一差距主要体现在万元GDP能耗。

▲部分国家的万元GDP能耗统计(含均值)(供图/金涌)

2019年,我国生产1万元产值所需能耗约为0.5吨煤,而英国约为0.1吨煤,我国所需能耗约是英国的5倍。若想在万元基础能耗未下降的前提下实现经济翻5番,资源、能源、环境将面临极大的挑战。如果能将万元GDP能耗降到0.1吨煤,实现经济翻5番则基本不会导致能源消耗的大幅增加,甚至于保持目前的能源需求不变即可实现。

由此可见,渐进式推进碳中和,并使之与经济发展同步至关重要。

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实现碳中和的重点路径

为实现碳中和,中国必须开始进行规划,建立高耗能、低产值行业的退出机制,依靠大幅度、颠覆性科技创新,从初级产品生产转变为髙附加值精细智能化产品的生产,调整产业结构,向高端制造业迈进。

当前,工业、建筑、交通是化石能源消费最主要的来源,也是降低能耗的重点对象。其中,工业更是最主要的能耗来源,推进工业节能势在必行。要实现工业节能,需以产业结构改变为主,技术进步为辅。推动传统资源密集型低端产业、重工业向高端制造业、高技术产业发展,如信息产业、智能产业等。由于高端材料是高端制造的基础,所以在推进高技术产业发展的过程中,需同时注重其前端行业的发展,如与信息产业配套的高纯试剂、高档光刻胶、封装材料行业,以及与生化产业配套的活体3D打印材料行业等。

如今,我国基础产业与目前国际上最先进的技术比较,尚存在10%~20%的技术提高空间。以科技创新推动能源效率提高至关重要,如发电效率提升有望减少火电碳排放,能源效率提升可使吨钢能耗、单位水泥综合能耗等进一步下降。

众所周知,煤、石油、天然气等这些埋藏在地下和海洋下的不可再生能源均可作为化石燃料。在元素构成上,煤、石油、天然气均含有碳元素,而这也是它们的宝贵之处。作为有机世界的主角,碳是生命物质的重要成分。

▲世界科技发展与能源革命路线图(供图/金涌)

在目前已知的有机物中,与人类关系最密切的是碳氢化合物与碳水化合物。碳氢化合物是指只含有碳原子和氢原子的化合物,多存在于石油和天然气中,是制造塑料与合成纤维的主要原料。碳水化合物是指只含有碳、氢、氧三种元素的化合物。日常生活中,人们吃的食物多是由碳水化合物组成,如糖和淀粉。

虽然碳有诸多益处,我们的生活也离不开碳,但正是由于煤、石油、天然气中含碳,它们的燃烧排放了大量的二氧化碳,使大气中的二氧化碳浓度增高,从而导致地球产生了“温室效应”。那么是否有办法将这些碳“锁”在产品中,不让其排放到大气环境中呢?这就需要我们从化石燃料转向化石材料。

当今世界,最重要的三大化石燃料是煤、石油、天然气。以石油为例,目前的炼油技术是通过催化裂化等方式获得产品,大约80%可转化为汽油、柴油、煤油、润滑油,只有20%左右成为石脑油(石油产品之一,又叫化工轻油、粗汽油)。石脑油未来的出路则是“三烯三苯”(三烯指的是乙烯、丙烯、丁二烯,三苯指的是苯、甲苯、二甲苯),这些材料被用于制作塑料、橡胶、纤维或其他高端材料。而这些材料所含碳会保存在产品中,不会如化石燃料般通过燃烧排放到大气中。

然而这种将碳“锁”在产品中的方式依然占石油化工生产中较少的一部分。目前我国的炼油能力在7亿吨左右,但乙烯产量只有3000多万吨,从数据来看,只有5%左右的石油变成了乙烯。

未来,石油化工企业应改变结构,从生产燃料转向生产材料,同时降低石油的利润比,大量发展石油材料等新产业,争取早日脱离化石燃料时代,进入化石材料时代。

除石油外,我们对天然气的利用也存在一些误区。在我国,天然气基本上被用来做饭,也就是民用,但这并非是适合天然气大显身手的领域。以烧水为例,我们将一壶水放在燃气灶上烧,在这一过程中,其实仅有30%左右的天然气提供的热量进入了水中,其他的热能都被用于加热空气。

由此可见,用天然气做饭对能源的利用率很低。假如用电暖壶来烧水,用电来提供热能,几乎90%以上的热量都会进入水中。因此,为提高利用率,实现家用电气化,将天然气用于工业是一个很好的碳中和思路。因为天然气其实更适用于工业生产。如一项先进技术是将天然气加热到800℃,将氧气也加热到800℃,两个800℃的气体碰到一起后点着,再瞬间浇灭,就会产出乙烯或乙炔,这两者都是非常实用的工业材料。

当然,如果想实现全民家用电气化,必须保障电力的供应。可喜的是,如今我国的技术基本已经能够实现光电、风电的成本与火电持平,基本不需要再新建火电厂。2020年,中国风电在世界占比38%,居世界前十的风电企业,我国十占其七。另外,中国也有很好的自然地理优势,很多地区都适宜发展光电和风电。

可再生能源也存在着一些问题,就是不稳定性,遇多云天气,光电的产出可能就会受到一定程度的影响。因此,储能装置不可或缺。只有保证光电、风电平稳,才能组成智能电网,供人们使用。

▲电化学储能累计装机容量(供图/金涌)

由此可见,利用可再生能源发电的关键,就是解决储能问题。目前,使用较多的蓄电设施,是利用水建立水库,用多余的电把水抽到上游,需要电力时再放水推动发电。未来,我们还需要开发更多实用的储电方式。

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碳中和需要全民参与

早日实现碳中和其实与大家息息相关,需要每个人的助力。联合国环境署很早就发布了低碳生活方式的清单,并用实际数据展现了生活方式的改变对碳减排的助力。

在家附近的公园慢跑代替跑步机减排二氧化碳1千克/45分钟,不用洗衣机甩干而是自然晾干减排二氧化碳3千克/天,……个人或许是做一些微小的改变,但若能全民参与,带来的减排成果将惊艳世人。

实现碳中和并非一时一日之功,必须从现在开始规划、替代、创新,且需要渐进式推进,并与经济发展同步。在推进碳中和的进程中,需要我国从工业化时代迈向信息化时代,告别化石燃料时代转向化石材料时代,迈入可再生能源主导时代、核聚变能源时代、资源循环利用时代,助力中国经济发展摆脱资源能源匮乏的困扰。

出品:科普中央厨房

监制:北京科技报 | 科学加客户端

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来源: 科普中央厨房

中国工程院院士金涌:实现碳中和需要颠覆性科技创新

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我国明确表示“2030年前达到碳排放峰值,2060年前实现碳中和”。相比发达国家,我国在二氧化碳减排将面临更高速度与更强力度的挑战,需要颠覆性科技创新。