能源科學(xué)家劉科：用數(shù)字和事實來澄清碳中和的六大誤區(qū)
【導(dǎo)讀】全球知名的能源專家劉科院士是文匯講堂第150期嘉賓。他有20多年海外工作經(jīng)歷，曾任職于GE、UTC、?？松?美孚。2009年回國，參與籌建北京低碳清潔能源研究所(現(xiàn)國家能源集團北京低碳清潔能源研究院)，擔(dān)任副所長和首席技術(shù)官。后受邀于南方科技大學(xué)前校長陳十一院士，任南科大創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)學(xué)院院長和清潔能源研究院院長，一直從事低碳和能源研究。他也是澳大利亞國家工程院外籍院士，擁有美國及中國發(fā)明專利100余項。
2020年12月，講堂在深圳舉辦《創(chuàng)新 文化 開放——深滬雙城互鑒共進學(xué)術(shù)研討會暨第150期文匯講堂》時，就有關(guān)新能源問題采訪過劉科院士。此為其近日做客科技創(chuàng)新報告第四期所做演講，將分上下刊發(fā)。
今天我先給大家談一下一些數(shù)據(jù)和事實。
2020年，中國人均排放碳7噸，這是個天量數(shù)字
據(jù)統(tǒng)計，2020年，我們中國二氧化碳排放大約103億噸(報道數(shù)據(jù)是102億噸到108億噸，我選其它文獻中也用的103億噸這個中間的數(shù)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(zhì)，還有一些其他的排放。所以，約92%的CO2排放是以上煤炭、石油、天然氣這三種化石能源燃燒產(chǎn)生的。衡量任何一家公司、任何一家單位、任何一個系統(tǒng)，把這三個算準(zhǔn)就可以了。國家對這三個都有統(tǒng)計數(shù)據(jù)，不需要額外再計量CO2排放量。
2020年，中國的總煤耗量大約36億噸，折算成標(biāo)準(zhǔn)煤大約28億噸，每噸標(biāo)準(zhǔn)煤再乘以一個系數(shù)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7億多噸，折成標(biāo)準(zhǔn)煤約9億噸，排放二氧化碳15.4億噸;天然氣消耗量折成標(biāo)煤是4億噸的樣子，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，一個三口之家每年平均排放22噸二氧化碳，這是一個天量的數(shù)字。
大家都說每天用空調(diào)、開車等等都與碳有關(guān)系，每一個人、每一小步節(jié)能，都可以為碳中和做出一點貢獻，但完成碳中和這個任務(wù)還是非常艱巨的，而且是一個漫長的過程，這也是為什么習(xí)總書記提出到2030才達峰，2060才中和，而不是現(xiàn)在。未來40年我們肯定實現(xiàn)碳中和的宏偉目標(biāo);但短期內(nèi)我們還缺不了化石能源。盡管風(fēng)能、太陽能、CO2轉(zhuǎn)化為化學(xué)品、CCS、CCUS，提高能效都會對減碳有些貢獻，都值得去鼓勵探索和實施，但對目前天量排放的CO2，近期內(nèi)減低的比例是相當(dāng)有限的。
碳中和是一個非常復(fù)雜的系統(tǒng)工程，需要通過多種技術(shù)渠道及各種努力去減碳;每個行業(yè)對自己的減碳路線都有所強調(diào)，但對其他行業(yè)的減碳路徑及各種路徑對減碳貢獻的量不是很清晰，大眾對碳中和的挑戰(zhàn)及認(rèn)知有一定局限，存在以下六個誤區(qū)，需要用數(shù)據(jù)來說明：
太陽能、風(fēng)能便宜，但供電不穩(wěn)定，儲電成本高，目前僅占火電12.5%
儲能的一條途徑：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，制備甲醇無CO2排放
第一，認(rèn)為風(fēng)能和太陽能比火電都便宜了，因此太陽能和風(fēng)能完全可以取代火電實現(xiàn)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(fā)電小時數(shù)因地而異，在1100小時到2000多小時之間不等，超過2000多小時的區(qū)域不多，全國平均大約在1450-1750小時左右。也就是說太陽能大約在1/6–1/5的時間段比火電便宜;而在其他5/6-4/5的時間段，如果要儲電，其成本會遠遠高于火電。風(fēng)能每年發(fā)電的時間比太陽能略微長一點，大約是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(fēng)的時候用電，沒太陽、沒風(fēng)的時候就停電。太陽能和風(fēng)能是便宜了，但最大的問題是非穩(wěn)定供電。
因此，經(jīng)過40年巨大努力，風(fēng)能、太陽能增量巨大，可與煤電相比仍然相當(dāng)有限。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，大約只能取代煤炭發(fā)電的12.5%左右。
而且，電網(wǎng)靠電池儲電非常危險。據(jù)估算，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。在這種情況下，棄光棄風(fēng)的問題非常嚴(yán)重，因為電網(wǎng)只能容納15%的非穩(wěn)定電源。風(fēng)能、太陽能發(fā)出來的電，電網(wǎng)沒法全部承受。如果繼續(xù)增加風(fēng)能、太陽能的同時，大規(guī)模儲能問題解決不了，只能廢棄更多。
棄光棄風(fēng)在中國有兩方面的原因，一是技術(shù)因素，就是因為太陽能、風(fēng)能是沒辦法預(yù)測的，電網(wǎng)小于15%可以容納，多于15%容納不了，隨著智能電網(wǎng)的發(fā)展，這個比例會有所上升，但仍然需要時間;二是機制因素，地方保護主義的存在可能會讓地方出于對當(dāng)?shù)谿DP的考慮，寧可用當(dāng)?shù)氐幕痣姟C制問題在中央大力推動“碳中和”的背景下可解決。因此，太陽能和風(fēng)能需要大力發(fā)展，但在儲電成本仍然很高的當(dāng)前，在可見的未來仍然無法完全取代化石能源發(fā)電。
目前戰(zhàn)略要在意實現(xiàn)基礎(chǔ)上，不能依賴可能的技術(shù)突破
各類能源的能量密度
第二，人們以為如果儲能技術(shù)進步，風(fēng)能和太陽能就能徹底取代火電。這個假設(shè)太大了，因為自鉛酸電池發(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的改變。要知道，汽油是8600千瓦時/立方米。同時，迄今大規(guī)模GW(十億瓦特發(fā)電裝機容量)級的儲電最便宜的還是100多年前就被發(fā)明的抽水蓄能技術(shù)。
科學(xué)技術(shù)的突破不是沒有可能，但今天無法預(yù)測明天的發(fā)現(xiàn)。比如，火藥發(fā)明之后近一千年才有槍的發(fā)明。不過能夠很好地提醒我們在制定任何戰(zhàn)略時，千萬不要用尚未發(fā)生的突破和假設(shè)去決定可以做什么事。過去我們的科技水平整體落后于西方，一張白紙可以借鑒已驗證的技術(shù)路線去結(jié)合我國發(fā)展需求描繪科技發(fā)展戰(zhàn)略。但如今很多領(lǐng)域我們已經(jīng)實現(xiàn)并跑甚至是領(lǐng)跑，這種情況下，我們制定戰(zhàn)略一定是以已有的、證明的、現(xiàn)實的技術(shù)路線為基礎(chǔ)。沒證明技術(shù)突破不能先假設(shè)這個技術(shù)肯定會有突破。
不同行業(yè)的進步不一樣，計算機行業(yè)有摩爾定律，這么多年確實發(fā)展得很快，但是能源行業(yè)目前還沒找到類似摩爾定律一樣的規(guī)律，“碳中和”必須選擇現(xiàn)實可行的路線來推進。
二氧化碳轉(zhuǎn)化成化學(xué)品不具備減碳價值，不能以此拿國家補貼
第三，有些人認(rèn)為我們可以把二氧化碳轉(zhuǎn)化成各種各樣的化學(xué)品，比如保鮮膜、化妝品等等。這些要能轉(zhuǎn)化、能賺錢，可以去干，但是這些沒法從根本上解決二氧化碳的問題。粗略估算，一個三口之家一年平均排放碳22噸，但什么產(chǎn)品一個家庭一年也消耗不了20多噸。
另一方面，據(jù)估算全世界只有大約13%的石油就生產(chǎn)了我們所有的石化產(chǎn)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(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)品并不具備減碳價值。二氧化碳轉(zhuǎn)化為其他化學(xué)品對減碳的貢獻是相當(dāng)有限的。
所以說，把二氧化碳轉(zhuǎn)化成任何化學(xué)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，但我們科學(xué)家要講事實，拿數(shù)字說話。我也參加過很多關(guān)于碳中和的論壇，很多時候甚至有些經(jīng)濟學(xué)家在講的時候，沒有數(shù)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。
CO2分離后打到地下驅(qū)油和埋藏，作用有限，經(jīng)濟價值取決于未來碳稅價格
1912年，愛迪生跟他的電動車合影
第四，可以大量地捕集和利用二氧化碳。利用CCUS(碳捕集、利用與封存技術(shù))技術(shù)，把生產(chǎn)過程排放的二氧化碳進行捕獲提純，再投入到新的生產(chǎn)過程中進行循環(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。近年，中國整個二氧化碳驅(qū)油消耗量大概是每年幾百萬噸CO2耗量，與我們一年的排放是103億噸CO2總量是非常有限的。而且驅(qū)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(jīng)研究過這個事情。把煤和水、氧轉(zhuǎn)成氫氣和二氧化碳，氫氣燃燒發(fā)電產(chǎn)生水蒸氣，二氧化碳就打到地底下。當(dāng)時我們做了示范工程，前后花了28億美元，有上百名博士參與，用了7年的時間建成了630MW的IGCC火電廠，一度時間曾經(jīng)計劃把這個每天耗6000多噸煤的IGCC電廠產(chǎn)生的CO2分離后全部打到地下埋藏，這個技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)凈零排放，但是不具備經(jīng)濟性，最后決定只發(fā)電，不埋藏CO2。這個示范具有環(huán)境方面的意義，并且工廠在美國運行至今，我們做完這個項目以后，才發(fā)現(xiàn)即使不分離埋藏CO2，這已經(jīng)是GE創(chuàng)立以來最復(fù)雜的一套工業(yè)系統(tǒng)。別看GE生產(chǎn)了全世界80%的飛機發(fā)動機、及大量的大型醫(yī)療器械如核磁共振、CT等，包括三峽水利工程的設(shè)備和青藏線的火車頭等等，但是，這一630MW的近零排放的IGCC火電廠是GE自愛迪生創(chuàng)立通用電氣以來100多年以來建設(shè)的最復(fù)雜的一套工業(yè)系統(tǒng)，在先進性、環(huán)保性方面具有優(yōu)勢，不過這個成本太高了。
核能是減碳很重要的base load發(fā)電技術(shù)，但人們能否接受因其高成本而導(dǎo)致的高電價需要討論。因此，碳中和的事不光是一個技術(shù)的問題，更是經(jīng)濟和社會平衡發(fā)展的綜合性問題?，F(xiàn)在在電廠把二氧化碳分離，分離完以后打到地下可以做驅(qū)油和埋藏這條路，在可以驅(qū)油的地方可以改，還有一些經(jīng)濟效益，我國新疆等地已經(jīng)有類似的二氧化碳驅(qū)油工程。這塊的成本主要是把二氧化碳在鍋爐尾氣中分離出來的成本，我們算過，假設(shè)打到地下的CO2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美元是輸送到埋藏點，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)濟上能否有競爭力，取決于未來碳稅的價格。
光靠提高能效，無法解決發(fā)展需要的總量，無法有效降低碳中和
第五，認(rèn)為通過提高能效可以顯著降低工業(yè)流程、產(chǎn)品使用中的碳排放，就可以實現(xiàn)碳中和。能效永遠要提高，提高能效是世界上成本最低的減碳路線。由于我國經(jīng)濟和生產(chǎn)水平的飛速發(fā)展，加入WTO后二十年中，前10年我們碳排放增加得更多。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。并且在新增的諸多工業(yè)門類中，已經(jīng)很大程度地提高了能效、減少了排放。
我是做能源的，從能源的數(shù)據(jù)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(shù)字，中國的煤產(chǎn)量大概是13億噸，基本上自產(chǎn)自銷，出口有一點，但很少。結(jié)果到2013年短短13年的時間從約13億噸飆升到約39億噸，這是一個天量，當(dāng)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(dāng)然，這一期間我們大量的房地產(chǎn)建設(shè)也是一個因素。煤的耗量表示電的耗量，電的耗量表示工業(yè)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，有一個現(xiàn)實的考量就是不能光靠能效提高就能夠達到碳中和。
從生命周期碳排放看，電動車對減碳和氣候變化影響有限
現(xiàn)實的碳中和路徑之一：基于綠色甲醇?xì)淠艿姆植际侥茉礋犭娐?lián)供
第六，認(rèn)為電動車可以降低碳排放。前段時間，我在網(wǎng)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(lǐng)導(dǎo)看完以后跟我討論這個問題：為什么我們要發(fā)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;還有就是霧霾等環(huán)境問題。
我們石油不夠，寄望于我們已建成的超強的發(fā)電能力，這樣發(fā)展電動車是有好處的。一年8760小時，但我們已建成的火電廠太多，為了讓大家都有飯吃，很多火電廠實際發(fā)電每年不到4千小時，這是資產(chǎn)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(qū)的用電很多是在西部內(nèi)蒙、新疆等地發(fā)的，污染在西部排放，不在東部地區(qū)排放。但是，在全生命周期的碳排放分析看來，電動車考慮到電池生產(chǎn)過程中的排放，如果電網(wǎng)里的電大部分仍然是火電，電動車對減碳及全球氣候變化影響非常有限。
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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)不改變，如果電網(wǎng)主要還是煤電，那電動車的擴張對減少碳排放的貢獻非常有限，這個你們?nèi)ニ阋幌戮椭懒?。只有能源結(jié)構(gòu)和電網(wǎng)里大部分是可再生能源構(gòu)成的時候，電動車才能算得上清潔能源。
