劉科院士演講：碳中和的誤區
本文是劉科院士在做客科技創新院士報告廳時所做的演講，劉院士認爲很多經濟學家都搞錯了，碳達峰碳中和不是他們理解的樣子，他們沒有數字的概念。
首先，劉院士介紹了目前碳中和的六個誤區：
1、太陽能和風能完全可以取代火電實現碳中和；
2、儲能技術進步，風能和太陽能就能徹底取代火電；
3、可以把二氧化碳轉化成各種各樣的化學品；
4、可以大量地捕集和利用二氧化碳；
5、通過提高能效就可以實現碳中和；
6、認爲電動車可以降低碳排放。
其次，他指出目前我國碳中和有以下實現途徑：
1、通過煤化工與可再生能源結合實現低碳能源系統；
2、微礦分離技術可實現煤炭產業碳中和；
3、實現光伏與農業的綜合發展；
4、峰谷電與熱儲能綜合利用；
5、利用可再生能源制甲醇，然後做分佈式的發電。
尊敬的各位領導、各位嘉賓，很高興今天有機會來跟在座的各位分享碳中和相關的內容。
我自己曾在海外工作過二十多年，之前在GE、UTC、埃克森-美孚等單位工作，2009年回國。回來以後第一份工作就是參與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），並且擔任副所長和首席技術官。再後來，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。
來到南科大後我擔任了創新創業學院院長和清潔能源研究院院長，因爲我一直在研究低碳和能源的事情，所以藉着這個時間，今天跟大家講一下碳中和的一些內容。
碳中和近期很熱，大家都在談，但真正對這一方面有全面理解的人不多。有一次我碰到一個朋友，他說我們現在專門在研究將來怎麼去計量各個單位、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，比如深圳的的碳排，只要看一年耗多少萬噸煤炭，耗多少萬噸天然氣，耗多少萬噸油，每一個乘一個係數，再加上耗電量導致的發電端的碳排放，這個城市二氧化碳的排放的總量就可估算出來了，這樣算出來的碳排放量基本上佔實際排放量的92%左右，其它如秸稈，沼氣及垃圾燃燒等只佔8%左右。
所以，今天我先給大家談一下一些數據和事實。
據統計，2020年，我們中國二氧化碳排放大約103億噸（報道數據是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CO2排放是以上煤炭、石油、天然氣這三種化石能源燃燒產生的。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，折算成標準煤大約28億噸，每噸標準煤再乘以一個係數就可以得出，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7億多噸，折成標準煤約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，這是一個天量的數字。
怎麼說呢？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，不管什麼產品，哪一個家庭一年能消耗得了22噸這麼多呢？
關於碳中和，最怕光講概念不講數字。作爲一個科學家，我今天主要跟大家分享一些數字。大家都說每天用空調、開車等等都與碳有關係，每一個人、每一小步節能，都可以爲碳中和做出一點貢獻，但完成碳中和這個任務還是非常艱鉅的，而且是一個漫長的過程，這也是爲什麼習總書記提出到2030才達峰，2060才中和，而不是現在。
改革開放40年，中國發生了翻天覆地的變化，相信在習總書記的領導下，未來40年我們肯定實現碳中和的宏偉目標；但短期內我們還缺不了化石能源。儘管風能、太陽能、CO2轉化爲化學品、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，近期內減低的比例是相當有限的。在這種情況下我們怎麼才能在對經濟影響最小的前提下，實現碳中和？碳中和的現實路徑有哪些，這是我希望跟大家進一步探討的。
01
碳中和的誤區
碳中和是一個非常複雜的系統工程，需要通過多種技術渠道及各種努力去減碳；每個行業對自己的減碳路線都有所強調，但對其他行業的減碳路徑及各種路徑對減碳貢獻的量不是很清晰，大衆對碳中和的挑戰及認知有一定侷限，存在以下幾個誤區，需要用數據來說明：
第一個誤區是認爲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。因爲一年有8760小時，而中國的太陽能每年發電小時數因地而異，在1100小時到2000多小時之間不等，超過2000多小時的區域不多，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，其成本會遠遠高於火電。風能每年發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，因爲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確實發展很大，取得非常大的成績，我們給這個領域做出貢獻的科學家、工程師必須致以崇高的敬意。但是發展了四十年到今天，儘管風能、太陽能增量巨大，可與煤電相比仍然相當有限。以2019年爲例，全國的風能和太陽能加起來發電總量相當於約1.92億噸標準煤的發電量，也就是說，上網的風能和太陽能發電總量大約只能取代煤炭發電的12.5%左右。
而且，電網靠電池儲電的概念是非常危險的。據估算，目前全世界電池生產商5年多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，這個世界也沒有那麼多的鈷和鋰，沒法讓我們造那麼多的電池。在這種情況下，棄光棄風的問題非常嚴重，因爲電網只能容納~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、太陽能的同時，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，就是因爲太陽能、風能是沒辦法預測的，電網小於15%可以容納，多於15%容納不了，隨着智能電網的發展，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於對當地GDP的考慮，寧可用當地的火電，也因各種原因不用風電、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，但技術問題解決依賴於科學和技術的發展，這個發展過程是難以預測的，仍然需要時間。
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完全取代化石能源發電。
第二個誤區是人們以爲有個魔術般的大規模儲電技術，認爲如果儲能技術進步，風能和太陽能就能徹底取代火電。這個假設太大了，因爲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，電池的能量密度並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多年前就被髮明的抽水蓄能技術。
科學技術的突破不是沒有可能，但是隻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，火藥發明之後近一千年纔有槍的發明。槍的原理一旦明白後，其實很簡單，但是你要說火藥發明後就可以預測很快會發明槍，那就錯得離譜了。有了火藥後，不能當時就假設我們很快會發明槍，很快就可以統治世界這個假設太大了。這只是個比喻，不過能夠很好地提醒我們在制定任何戰略時，千萬不要用尚未發生的突破和假設去決定可以做什麼事。過去我們的科技水平整體落後於西方，一張白紙可以借鑑已驗證的技術路線去結合我國發展需求描繪科技發展戰略。但如今很多領域我們已經實現並跑甚至是領跑，這種情況下制定戰略一定要充分論證。我們制定戰略一定是以已有的、證明的、現實的技術路線爲基礎。
不同行業的進步不一樣，計算機行業有摩爾定律，這麼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，改爲開私人飛機了。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，因爲那個年代計算機動不動就死機。所以說，大家不要認爲某一個行業發展很快，其他所有行業就都一樣能夠快速發展。能源行業本身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與突破，我們鼓勵儲能技術的創新與發展，但制定戰略時，要以今天已經被大規模證明的技術爲基礎，沒證明技術突破不能先假設這個技術肯定會有突破。
第三個誤區，有些人認爲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，可以去幹，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，但什麼產品一個家庭一年也消耗不了20多噸。
另一方面，據估算全世界只有大約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%的石油排碳的碳中和問題。所以說，從規模上二氧化碳製成化學品並不具備減碳價值。二氧化碳轉化爲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幹，但掙不了錢就別打着“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，但我們科學家要講事實，拿數字說話。我也參加過很多關於碳中和的論壇，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（碳捕集、利用與封存技術）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。現在大家說在電廠把二氧化碳分離，分離完以後打到地下可以做驅油和埋藏等等其他的作用。我看到一個數字，近年，中國整個二氧化碳驅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。而且驅油這個階段是一部分二氧化碳進到地裡，還有一部分會跟着油出來，它不是一個完全的埋藏。
把碳打到地下埋藏，我回國前在GE曾經研究過這個事情。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。當時我們做了示範工程，前後花了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，一度時間曾經計劃把這個每天耗6000多噸煤的IGCC電廠產生的CO2分離後全部打到地下埋藏，這個技術能夠實現淨零排放，但是不具備經濟性，最後決定只發電，不埋藏CO2。
這個示範具有環境方面的意義，並且工廠在美國運行至今，我們做完這個項目以後，才發現即使不分離埋藏CO2，這已經是GE創立以來最複雜的一套工業系統。別看GE生產了全世界~80%的飛機發動機、及大量的大型醫療器械如核磁共振、CT等，包括三峽水利工程的設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自愛迪生創立通用電氣以來100多年以來建設的最複雜的一套工業系統，在先進性、環保性方面具有優勢，不過這個成本太高了。
我回國之前和曾和原GE核能的總經理交流，他在一次公開演講中也提到GE今後會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，別看我在會上那麼講，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60%多將近70%就是核能，做了幾十年了。但是福島核電站泄露事故之後，全世界都在提高核能的安全係數，這個安全係數到後期每提高一點，成本就增加很多。核能是減碳很重要的base load發電技術，但人們能否接受因其高成本而導致的高電價需要討論。
因此，碳中和的事不光是一個技術的問題，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，分離完以後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，還有一些經濟效益，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，假設打到地下的CO2的成本爲30美元一噸，其中20美元是把二氧化碳從整個尾氣裡面分離出來成爲純二氧化碳，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，當然這方面的成本通過研發也可以降一些，經濟上能否有競爭力，取決於未來碳稅的價格。
實際上，我剛剛講的每一件事，比如風能、太陽能、CO2轉化、CCS、CCUS都對碳中和有貢獻，我們每一個都應該去投入研發、去實施，但是目前的技術水平在量上對碳中和的貢獻是有限的。當然，這不是說讓大家不去做，我們每一個人能應該竭盡全力去推動以上減碳的技術進步，都努力去做，畢竟積少成多。
第五個誤區是認爲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？由於我國經濟和生產水平的飛速發展，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。並且在新增的諸多工業門類中，已經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13億噸，基本上自產自銷，出口有一點，但很少。結果到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，當然也伴隨着碳排放。這該怎麼解讀？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。
第六個誤區是認爲電動車可以降低碳排放。前段時間，我在本站公開課上講《電動車和氫能的歷史與未來》，全國大概有十幾萬人觀看，很多領導看完以後跟我討論這個問題：爲什麼我們要發展電動車？很簡單，主要是因爲中國的石油不夠，我們石油73%靠進口；還有就是霧霾等環境問題。
我們石油不夠，寄望於我們已建成的超強的發電能力，這樣發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，爲了讓大家都有飯吃，很多火電廠實際發電每年不到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內蒙、新疆等地發的，污染在西部排放，不在東部地區排放。但是，在全生命週期的碳排放分析看來，電動車考慮到電池生產過程中的排放，如果電網裡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。
爲什麼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後，電動車才能算得上清潔能源，也纔有可能做到碳中和。如果能源結構不改變，如果電網主要還是煤電，那電動車的擴張對減少碳排放的貢獻非常有限，這個你們去算一下就知道了。只有能源結構和電網裡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後我們能源安全的問題怎麼解決？但是這個東西你要仔細考慮，靠電網是解決不了的。因爲電網在現代戰爭中是最脆弱的東西。石油可以到處分佈儲藏在數萬個點，一個油庫損毀，其他的還可以用。但一個城市的電網只要配電中心一旦毀壞，很容易引起大面積停電。
有的時候，能源政策和碳排放的政策不能因爲假設戰爭發生，別人打我，就不顧成本幹一些高成本東西。第一，傳統模式的戰爭發生是小概率事件；第二，真正到戰時，很多問題是靠一個國家的制海權、制空權等綜合能力去決定的，而不是說靠電動車就能夠解決問題的。
02
現實的碳中和路徑
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制甲醇實現近零碳排放，另一方面是通過太陽能、風能、核能電解水製備綠氫和氧氣，合成氣不經水汽變換，這樣讓煤制甲醇廠不在排放CO2；再用甲醇取代汽柴油開車，或甲醇和水在線制氫發電推動燃料電池汽車或作爲電動車的充電寶；這樣可大大降低交通運輸業的CO2排放，也可以部分解決中國石油不夠的問題。因爲太陽能風能電解水既可以生產製備甲醇需要的氫氣，又可以生產煤氣化制甲醇需要的氧氣；而且我們的微礦分離技術可以用廉價的劣質煤結合太陽能一起制甲醇，成本上在碳中和的背景下也會有競爭力。這樣把中國強大的太陽能風能發電能力釋放出來，把風能和太陽能以甲醇液體的形式儲存下來；是值得去探索的另外一條儲能戰略，讓太陽能，風能能夠大力發展減碳。（圖5）
圖5 儲能的另外一條途徑：通過太陽能、風能、核能電解水製備綠氫和氧氣，合成氣不經水汽變換，製備甲醇無CO2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，製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。
因爲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。通過分離之後，該做燃料就做燃料，該做土壤做土壤，分流以後，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6）
圖6 微礦分離技術效果示意
當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，而且不需要那麼高的成本，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並舉，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，我們可以採用非常保水的材料。但是西部再保水，大太陽曬還是長不出來，怎麼辦？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，就是要定期衝這個板，有了發電，大家可以花一點錢拿PVC管子接點黃河水過去，每幾周給光伏板沖水，同時，水資源寶貴，衝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。現在中國的火電廠在半夜12點到早上的6點電這個區間，儘管還在排放大量CO2，但發的電沒人用，是浪費掉的。怎麼辦？電不好儲存，可以用熱的形式儲存下來，利用分佈式儲熱模塊，在谷電時段把電以熱的形式儲下來，再在需要時用於供熱或空調，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CO2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，國內儲能領域對於儲電關注較多，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，然後做分佈式的發電。可以使用甲醇氫能分佈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。用甲醇液體作爲太陽能及風能的載體，甲醇和水制氫再發電取代柴油發電機做分佈式熱電聯供，結合屋頂光伏及儲熱及熱泵技術在廣大農村取代燃煤,不僅低碳，環保而且可以減碳。
最後提一下結論與展望，在“碳達峰、碳中和”的時代背景下，需要對一些誤區進行澄清，同時認清技術的發展邏輯，找尋現實發展路徑，我在這裡總結了以上的碳中和可能的幾個現實路徑供大家參考。
謝謝大家！
2021.7月於深圳