ZT: 刘科院士:碳中和的6大误区和5大现实路径, 中国化工信息周刊 2021-08-22, 建议阅读时间 40 分钟

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今我来思 羽雪霏霏
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2005-08-22
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中国的能源结构彻底改变以后,电动车才有可能推动碳中和,否则电动车的盲目扩张就是在增加而非减少碳排放。


碳中和很热,大家都在谈,但真正做这一方面研究的人不多。有一次我碰到一个朋友,他说我们现在专门在研究将来怎么去计量各个单位、各家公司的二氧化碳排放,这是一个大产业。我说他是劳民伤财。其实一方面,碳中和是一个宏观的问题;另一方面,看一个城市的碳排放,可以系统地看,比如深圳市一年耗多少万吨煤炭,耗多少万吨天然气,耗多少万吨油,每一个乘一个系数,这个二氧化碳的排放就出来了,这样算出来的碳排放量基本上占实际排放量的92%。

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我先讲一些数据和事实


据统计,2020年,中国二氧化碳排放大约103亿吨(大约是102亿吨到108亿吨,我选了103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%的排放是以上这三个产生的。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,不需要额外计量。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,中国的石油消耗量折成标准煤是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,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,一个三口之家平均每年排放22吨二氧化碳,这是一个天量的数字。怎么说呢?如果把二氧化碳转化成一种产品,22吨原料就要生产22吨产品,哪家一年能消耗掉这22吨的东西呢?


大家都说碳中和容易,比如每天用空调、开车等等都与碳有关系,每一个人、每一小步都是可以为碳中和做出贡献的,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。因为可见的未来,我们缺不了这三种化石能源。尽管风能、太阳能,二氧化碳转化为化学品,CCS(carbon capture and storage,碳捕获与封存)、CCUS(Carbon Capture,Utilization and Storage,碳捕获、利用与封存),提高能效都会或多或少地对减碳有些贡献,都值得去鼓励探索和实施,但对天量排放的二氧化碳减低的比例是相当有限的。


在这种情况下我们怎么才能实现碳中和?这是我希望跟大家进一步探讨的。



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关于碳中和的误区



当前大众对碳中和的挑战及认知有一定局限,认为单一的技术路线或者技术突破能够解决碳中和问题,因此常存在几个误区:


第一个误区是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1300小时到2000小时之间不等,很少有超过2000小时的区域,平均在1700小时左右;也就是说太阳能大约在1/5–1/6的时间段比火电便宜;而在其他4/5-5/6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,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。


不可否认,中国的风能和太阳能发展了将近四十年,取得非常大的成绩,我们给这个领域做出贡献的科学家们以崇高的致敬。但直到今天,风能、太阳能与煤电相比仍然是杯水车薪。以2019年为例,全国的风能和太阳能加起来发电总量相当于1.92亿吨标准煤的发电量,而中国年发电耗煤大约是22亿吨煤,相当于18-19亿吨标准煤,也就是说,风能和太阳能只能占煤电的10%左右。


而且,电网靠电池储电的概念是非常危险的。据估算,目前全世界5年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。况且,这个世界也没有那么多的钴和锂,没法让我们造那么多的电池。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,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,这是一个很大的技术难题,到现在还不好解决;二是机制因素,地方保护主义的存在可能会让地方出于各种原因不用风电、光电、水电。机制问题在中央大力推动“碳中和”的背景下是可以解决的,但技术问题,不容易解决。


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全部取代化石能源发电。


第二个误区是人们以为有个魔术般的大规模储电技术,认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,但是只有发现了才能知道发现了。今天无法预测明天的发现。我经常举一个例子,火药发明之后近一千年才有枪的发明。枪的机械原理其实很简单,但是你要说火药发明后就可以预测肯定会发明枪,那就错得离谱了。这就提醒我们,在制定任何战略时,都千万不要假设未来这块有突破就可以做什么事。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。


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。


有一个笑话是,比尔·盖茨跟波音公司总裁讲,假如飞机行业的技术进步跟计算机一样快,那现在人人都可以不用开车,可以改为开飞机了。波音公司的总裁说,假如我的技术跟你一样的话,这个世界就没人敢坐飞机了,因为那个年代计算机动不动就死机。所以说,大家不要认为某一个行业发展很快,其他的行业就都一样。能源行业就是一个不断地砸钱但技术进步缓慢的行业。未来储能技术肯定会有新发明,我们鼓励储能技术的创新与发展,但是在制定战略目标的时候一定要谨慎,没发明的时候就不要先假设这个事情存在。


第三个误区,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,但是这些解决不了二氧化碳的问题。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,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,特别是企业界的人。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。


第四个误区,是说可以大量地捕集和利用二氧化碳。利用CCUS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。那么我们看看,未来十年,中国整个二氧化碳驱油消耗量大概是600多万吨,我们一年的排放是103亿吨。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曾经做过这个事情。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。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,这个示范具有环境方面的意义,并且工厂在美国运行至今,但是不具备经济性。我们做完这个项目以后,发现这是GE创立以来最复杂的一套工业系统。别看全GE可以生产的包括飞机发动机、医疗器械、核磁共振、CT等等这些,包括三峡水利工程的设备和青藏线的火车头等等,但是GE成立以来最复杂的一套系统就是我们当时做的“零污染火电厂”,不过这个成本太高了。


我回国之前和当时的GE总经理交流,他在一次演讲中也提到今后通过煤炭零污染的火电厂解决二氧化碳的问题,但是讲完就下来跟我说,别看我在会上那么讲,真正要去做还不如干核能,核能比零污染火电厂便宜多了。当然,那会儿福岛核电站事故还没有发生,核能可以做。法国现在将近70%都是核能,做了几十年了。但是福岛核电站泄漏事故之后,全世界都在提高核能的安全系数,这个安全系数到后期每提高一点,成本就增加很多。


碳中和不光是一个技术问题,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,还有一点经济效益,我国新疆等地已经有类似的二氧化碳驱油工程。这块的成本是把二氧化碳分离出来的成本,我们算过,假设打下去的成本为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,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,当然这也可能是实现碳中和的保底技术。


实际上,我刚刚讲的每一件事,比如风能、太阳能都对碳中和有贡献,我们每一个都应该去做,但是今天的技术你再怎么做,对碳中和的贡献是有限的。当然,这不是说让大家不去做,我们每一个人能够努力的都去努力,毕竟积少成多。


第五个误区是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,提高能效也很对,也是世界上成本最低的减碳路线。但是我经常问一句话,加入WTO这二十年来,我们国家的能效提高了还是降低了?我们能效提高了很多,但是碳排放的总量是增加了还是减少了?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7.5亿吨。


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12亿吨,基本上自产自销,出口有一点,但很少。结果到2012年短短12年的时间,从12亿吨飙升到36亿吨,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,提高能效确实是成本最低的减低碳排放的方式,也是最应该优先做的,但是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。


第六个误区是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;还有就是雾霾的问题。


我们石油不够,寄望于我们的多余的发电能力,这样发展电动车是有好处的。因为电厂正常一年8760小时,但我们实际使用不到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新疆等地发的,污染在西部新疆等地排放,不在东部地区排放。但是,在全生命周期的碳排放分析看来,对全球气候变化并没有什么影响。


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,电网67%的还是煤电,那电动车的盲目扩张是在增加碳排放,而不是减少碳排放,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。


大家老在谈一个问题,说假设马六甲海峡封了以后我们能源安全的问题怎么解决?但是这个东西你要仔细考虑,靠电网是解决不了的。因为电网在现代战争中是最脆弱的东西。石油可以到处分布,可以分一万个点去藏,炸了一个油库,其他的还可以用。但一个城市的电网只有一个配电中心站,电网的安全也非常重要。


有的时候,能源政策和碳排放的政策不能因为假设战争发生,别人打我,就不顾成本干一些高成本东西。第一,打仗是小概率事件,第二,真正到那会儿是靠一个国家的制海权、制空权等综合能力,而不是说靠一个电动车就能够解决问题的。


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为什么前一百年电动车未能战胜燃油车?



电动车这个概念并不新,1912年,纽约、伦敦、巴黎,还有洛杉矶的大街上,跑的电动车远远多于燃油车。



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图1 1912年,爱迪生跟他的电动车合影


电动车和燃油车之争不是今天刚刚开始。1912年,以爱迪生为首的一批科学家,就觉得将来电动车可以统领世界。以福特为代表的汽车公司走的是燃油车路线。到了20世纪30年代以后电动车就几乎销声匿迹了,今天燃油车仍然占有绝对统治地位。


为什么一百年前电动车多于燃油车?因为铅酸电池早于内燃机发明二十多年。有了铅酸电池,再接一个发动机,就是今天高尔夫球场开的车,上面再加一个棚子就是汽车了。今天高尔夫球场开的车就是一百年前爱迪生开的车,所以电动车不是什么新技术,它这么多年来创新的核心在电池和电控系统。


那么,为什么前一百年电动车没有竞争过燃油车?原因是什么?我只讲历史不预测未来。我跟大家解释几个原因。


第一个原因,我们做能源的人都有一个概念叫做体积能量密度。汽车有压舱钢板,轮船有压舱水,这个能源略微重一点对汽车、轮船的影响不大,但油箱不能无穷大。假设我们的油箱都是1立方米,每种能源蕴含的能量密度大小,也就决定了汽车能跑的距离远近。

100多年前就发明的铅酸电池的能量密度是90千瓦时/立方米,人类花了上千亿美元和100多年的探索,电池能量密度到现在特斯拉的电池、比亚迪的刀片电池,也就是260千瓦时/立方米。而汽油的能量密度是8600千瓦时/立方米,柴油是9600千瓦时/立方米。稍后即将提到的甲醇液体是4300千瓦时/立方米。

第二个原因,我认为液体可能是最好的储能的载体。液体能源有个非常好的特点,陆上可以管路输送,海上可以非常便宜地跨海输送。

2016年我到深圳工作不久,邀请了我的三个好朋友,有时任美国能源部部长、诺贝尔奖获得者朱棣文先生,还有当时中国工程院主管能源的副院长谢克昌院士,以及中国科学院主管能源的副院长李静海院士参加南科大清洁能源研究院成立的揭牌仪式。

当时在一个能源研讨会上,我问大家一个问题,说很长一段时间在深圳开车加油是7块钱一升,假设这个汽油是从休斯敦炼油厂用船拉到深圳盐田港再到加油站,这一升的运费是多少钱?我让好多搞能源的朋友猜,有人猜是3块5,甚至有人猜5块,也有人猜1块的,我说真正的答案是7分钱不到。

我说7分钱的时候大家没人相信,但一算就明白了。现在一条大船可以拉30万吨,大概是4亿升。液体的好处在于,使用泵和管道就能装船,不需要人工。到了深圳的码头,管道连接好后,使用泵就能打到罐里,也不要人工。路上耗费的就是船的油钱和折旧费,4亿升,如果一升一毛钱就是4000万元,但跑一趟船根本用不了这么多油钱。这就是为什么世界上产石油的只有那么几个地方,但任何一个角落都可以很方便地加油开车。所以,液体在运输上有很多好处,而且可以长期储存。高度酒(醇类)存50年没问题,但电和气都不能长期储存。

这些最基本的概念大家需要清楚,这也是为什么我冬天到加拿大那些靠近北极的镇子去看,那里没有电网、天然气网,只有一个加油站,一罐汽油、一罐柴油拉过来就可以生产了。在世界上再偏僻的角落,只要有公路的地方,拉过去就可以长期储存,拉一罐,一两个月就够了,但电和天然气管网没那么容易可以铺设到。这就是液体能源的优势。人类永远选择经济最优化的东西,不是谁喜欢什么,是什么东西最科学。



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第三点,为什么人类的第一条流水线是福特的流水线?内燃发动机是机械的东西,造一台很贵,但当一条流水线造出100万台的时候,每台的成本会极大降低。1913年,福特的流水线一上去量产,就让美国的汽车从4700美元降到380美元,让蓝领工人都可以买得起汽车。

然而电动车不同,每个电池都需要一定量的镍、钴、锂,车上还有铜等各种金属。产能扩张后每台成本会有所下降,但是下降不多,不像机械不锈钢,要多少,产多少,造得越多,成本越低,材料成本很少。电动车的材料成本占大头,加工成本并不是主流,所以你可以采用流水线,可以降低一点,但不能有根本的降低。

中国的电动车从2016年底的51.7万辆增加到2018年第一个季度的79.4万辆,增量为28万辆,相对于当时整个汽车市场一年2900万辆的产量,是很少的,但同期追踪全世界的钴的价格和锂的价格,分别翻了四倍和一倍。这种情况告诉我们,如果技术不突破,不把钴和锂的用量降下来,造得越多材料越贵。当钴价格翻了四倍,锂价格翻了一倍的时候,全世界没有一家公司声称通过回收电池里的钴和锂能实现盈利,电池的回收技术还有待突破。

最近很多原材料涨价,一方面是因为量化宽松,另一方面就是这些金属原来的供需关系发生了变化。原来的供需关系是非常稳定的,因为工业上用到的钴、镍这些的量非常有限。现在突然来了这么多造车新势力,供需关系就变了。当供需关系变了以后价格绝对不会说是按比例增长,比如世界上100个人,但是只有99瓶矿泉水,最后1瓶的矿泉水一定不是涨到1.1倍,而是最后一个人买不起的价格。

就按今天的价格,我们电动车的成本其实每个人心里都有数。我列出来,每辆车需要铜53.2公斤,锂8.9公斤,镍39.9公斤,锰24.5公斤,钴13.3公斤,石墨66.3公斤,稀土0.5公斤,其他0.3公斤。最近,磷酸铁锂电池出来,钴的用量可以降下来,但是最大的问题是冬天温度一低它的性能不好了。所以,今天的这个价格,一辆最好的宝马、奔驰的内燃机成本在2300美元左右,特斯拉的电池成本则是在2万美元左右。一个工业要发展必须是可以大规模量产的时候,越大规模越便宜。这就是为什么人类的第一条流水线是福特的流水线。这都不是偶然的。这些问题我们大众不清楚,但是行业里面是清楚的。现在资本市场很热,但是一旦补贴政策停止了,能不能挣钱冷暖自知。

2018年网上疯炒氢能,炒作说电动车真正的未来是氢燃料电池汽车。氢能有它的好处,发电效率高,能降低对石油的依赖,排放的是水蒸气,而且大规模量产后成本能下来。尽管燃料电池也要用贵金属,但是它的贵金属回收技术相对来讲比较成熟。并且这些年的研发使得贵金属用料量在降低,这都是它的优点。

现在我们的电池是梯级利用,今天的电动汽车用了5到7年,把退役动力电池用作储能电源,比如放到5G基站底下做储能,可能还可以再延迟一二十年。但是储能电池是有寿命的,里边有很多对自然有害的化学物质,不可能无限期使用,一二十年后仍然需要回收。如果不回收,当几百万个甚至将来上千万个电池分布在中国大地,如果任其泄露,那是环境的灾难。

能源全生命周期分析概念很重要,我们曾经做过一百多条线的“油井到车轮子”或者是“矿井到车轮子”的分析,要知道中国的能源40%在新疆,怎么把能源输送过来,这是一个复杂的系统。

我在GE曾花了几百亿美元和很多博士一起做分析研究的模型,每一步的排碳是多少,效率是多少,最后用数字说话。于是,我花了很大的代价把这套方法论引进来,做了一个“能源的全生命周期的分析”。这种软课题在国内很难拿到,但是很重要,因为要用“数据决策”。中国工程院谢克昌院士正在致力于推动这一块短板的开发,因为真正的决策最后是要依靠数据的,要科研人员花大量的时间把数学模型一点点建起来,并不断地调整,最后能够跟现实的数据对上去,用这些模型的预测数字做未来的决策,这叫“数据决策”,这是我们要提倡的一种文化。就像碳中和,将来也要做好各种渠道的碳中和数据搜集,从油井、矿井、天然气井到车轮子、到电灯泡等等,每一步的全生命周期分析,分析完以后大家用数字说话。

电动车遇到这些问题,不是不可以发展,电池的研发永远是重要的。但是有一点我要讲,电动化和网联化没有必然的联系。内燃机驱动只要电池足够大,够我的手机用就行了。现在有人说要搞网联化、搞智能化,所以必须搞电能化,这句话只对了一半。今天一个手机的运算能力有多少?网联化可能需要十个手机的运算能力,那也就是几块电池的问题。但是如果因为需要十个手机的运算能力,就要把驱动改成电动吗?这是没有必要的。实际上,现在一辆比较好的奔驰车,只要有一块足够的电池,里面有电动机发电也可以做网联化、智能化。所以智能化、网联化、电动化没有必然的联系。

4
为什么氢能汽车没有产业化?


氢能一点也不新,早在阿波罗登月的时候就是带着液氢液氧上天,发的电供仪器用,产生的水宇航员喝。

我曾经在UTC-壳牌合资公司工作,美国宇宙飞船的燃料电池就是联合技术公司生产的。20世纪90年代末一直到2005年、2006年,此期间美国花了上百亿美元在燃料电池的研发上。我记得2003年,小布什总统在他的国情咨文演讲时说,他会宣布一个计划,美国能源部花多少亿美元开发氢燃料电池汽车,15年后每一个美国人开的车后边排放的都是水蒸气。到现在,全世界的燃料电池(车)可能加起来也就是3万多辆,美国不到1万辆。去年全世界氢能源车只卖了1900多辆,丰田也没卖多少辆。

燃料电池汽车,也就是我们说的氢能汽车,为什么没有产业化?最根本的原因是氢气不适合于作为大众你我共有的能源载体。很多人在这块有一个误区,甚至媒体渲染说“氢气是人类的终极能源”,这句话是不严谨的。氢气不是一次能源,是一种二次能源,或者更确切地说是能源的载体。这个世界没有氢矿,我们有煤田、油田、天然气田,但没有氢田。氢和电以及甲醇一样,是通过别的能源制造的,但是作为载体,氢不具备液体能源在能量密度、管道输送、长期储存方面的优势。

氢气不适合于做大众能源载体,主要的原因在于有几个方面人类没法改变。第一,氢气是体积能量密度最小的东西,我们要求是越大越好。好多人犯了一个概念性的错误,说氢是能量密度最大的,这句话又是对了一半。如果论公斤,氢能量密度是最大的。但是对于汽车来说,应该论每立方米,论公斤是毫无意义的。如果转成同样的能源概念,它的体积能量密度是最小的(如图2)。为了增加体积能量密度,只好增加压力。目前看到所有的氢燃料电池车里的储氢罐,都是350公斤和700公斤大气压。储氢罐如果拿不锈钢设计必须做得非常厚,因为压力太高。学过理工的人都知道,700公斤压力的高压设备,不是那么容易生产制造的。

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图2 各类能源的能量密度

第二,氢气高压会有一个问题,氢气是元素周期表中最小的分子,最小的分子就意味着最容易泄露,长期储存是问题。

第三,氢气在露天没有问题,我们在20多年前在美国做过这个实验,一个加氢车,它的储氢罐为了安全一般都放在最后,普通步枪一枪是打不透的。
打完以后,因为它很轻,就像氢气球一样,一条火龙冲上天,驾驶室的温度一下子升不了那么高,人有足够时间逃生。

但是,在封闭的空间里,氢气就会有巨大的问题。氢气是爆炸范围最宽的气体,可以从4%到74%。小于4%是安全的,大于74%只着火不爆炸。但是在4%到74%这个很宽的范围内,遇火星就爆。

现在北上广深这些城市,尤其在深圳,大量的车是停到地下车库这一封闭空间里的。当大量氢能汽车进到地下车库,若有一辆车泄露,就会产生巨大的危险。尽管这个是小概率事件,但是使用众多的时候,总有部件老化等问题发生,哪怕储氢罐是安全的,阀门、管路等也有一定小概率老化,或者开车不注意发生了撞击。一旦泄露遇火星爆炸,引起其他车爆炸,一个大楼都有可能毁掉。所以在封闭的空间里,使用氢气要非常注意。

因为氢气的爆炸性,现在都不让运输氢超过一定的范围的车辆过隧道,如果把隧道炸掉了怎么办?当然,将来是不是能够建氢管道是另外一个问题。

同样因为氢气的爆炸性,建设加氢站要特别小心,周围一定距离不能有居民。现在的北上广深到处都是加油站,到哪能找那么多地,重新建加氢站呢?

因为这些问题,尽管氢能现在很热,但是要谨慎。氢气的这些问题决定了它不适合做能源载体。所以,当人们说“氢是人类能源的终极”时,很多的东西似是而非。

疫情前,科技部几位同志可能听说我做过几届全美氢能与燃料电池峰会主席,带了几个专家到深圳来调研,我们谈了一下,之后我把氢能的一些现状、问题以及解决途径写了一个简单的报告,没有想到他们就把它放进《科技日报》的头版头条。(图3)



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图3 2019年7月3日,《科技日报》头版头条专访刘科院士


制氢容易,但储氢、运氢有难度。世界上氢气的使用很广泛,今天我们用的每一克的化肥都是氢造的。世界上有这么多的化肥厂、炼油厂都要大量的氢气,但是有一个化肥厂、炼油厂是靠太阳能、风能制氢、制化肥吗?没有。什么原因?太贵了,要是便宜的话他们早就改用太阳能、风能制氢了。

氢不是说现在没用,现在全世界每年几千万吨的氢市场,而且到炼油厂,氢是最贵的,每个炼油厂边上都有几个大的气体公司。用风能、太阳能制氢不是不可以做,只是缺乏经济性。如果说这是赚钱的,相信很多企业家早就开始拿风能和太阳能制氢去了。

氢也不是没有优势,也可以做,怎么做?跟我们的碳中和有关系。

5
为什么甲醇可能成为最好的储氢载体?


如果今后真正想实现碳中和,并且太阳能、风能可以卖碳税的时候,可以把风能、太阳能和煤结合制出比较便宜的甲醇,通过车载甲醇制氢并与燃料电池系统集成,这就比直接燃烧的发动机效率高。这条路线未来是有可能的。我只说有可能,不能保证,主要取决于各种政策的调整和碳税。如果碳税上去了,这条线路就有经济性。

1L甲醇和水反应可以放出143克的氢。储氢要么压缩,要么冷凝。即使冷凝,1L的液氢也就72克,而1L甲醇的产氢量是1L液氢的2倍。

为什么这个技术有可能这样做?二十年前,全世界第一辆汽油转化制氢的燃料电池汽车,是我领着尼桑和壳牌的一些工程师造出来的。

这有一个小故事,那时丰田、本田、GM的高压氢燃料电池已经造出来了,尼桑发现落后了,于是找到壳牌,又找到我们,说能不能造一辆车,加的是汽油,汽油在车上和水、空气反应造氢,然后推动燃料电池,这样燃料电池的效率高,同时也可以不用加氢站。

当时为什么没有做甲醇?因为美国还没有大规模开采页岩气,国外的甲醇成本太高。2005年,如果我们预测到会发生页岩气革命,就不会花28亿美元建零污染火电厂。但技术是不可预测的。页岩气革命让世界上突然发现了上百年用不完的天然气,也使得天然气从17美元/百万英热单位狂降到1.5美元,现在平盘到3美元左右。

在天然气价格那么高的时候,甲醇没有经济性。所以,当时我们公司考虑用油,说能不能在车上汽油制氢。老板找我的时候,我说这个项目肯定不挣钱。他跟我说,我做阿波罗登月的时候根本没有想到挣钱,但事实上我们阿波罗登月开发的技术后来在各个领域用上了,现在有尼桑给我们钱,只要把技术做到极限,最后也能在其他领域有用。我说,只要别拿挣钱衡量我,你给我钱我来玩技术。后来,几年之内我们就把第一辆汽油转化制氢的燃料电池汽车造出来了。

有了这个技术做积累,甲醇制氢比汽油转化容易很多,因为一方面甲醇干净得多,没有硫;另一方面汽油转化需要850度以上,甲醇200度就可以了。

为什么我提甲醇这条线路?甲醇可以用煤、天然气来制,未来可以用太阳能催化二氧化碳和水来制甲醇,就变成绿色的甲醇。中国科学院大连化物所的李灿院士以及我们南方科技大学都在做绿色甲醇的研发,中科院在兰州已经建设了1000吨的论证示范工厂。现在中国甲醇产能全世界最高,大概8000多万吨。另外,页岩气革命让世界发现了100多年用不完的天然气。有100多年用不完的天然气,就有100多年用不完的甲醇。未来如果碳税真正上去了,我们也可以用风能和太阳能制氢,这样生产的甲醇就完全是绿色甲醇了。

但是这个世界不需要追求绝对的“零碳”。“碳中和”有一个概念,就是这个世界碳太多不好。但是任何人追求零碳是不科学的,因为我们吃的食品、植物生长和光合作用都需要二氧化碳。如果把中国的经济从煤经济转到天然气经济或者是甲醇经济就可以减碳67%,那么基本上就可以做到碳平衡了。因此中国讲的是“碳中和”,国外讲的是“净零排放”,也就是要排放的同时也要有别的技术平衡排放。

我个人觉得,从中国的天然禀赋来看,中国有很成熟的煤制甲醇技术,只是要产生很多的二氧化碳,因为要补氢。如果那部分的氢可以在西部用太阳能和风能制,这样煤转成甲醇就不用排放二氧化碳,再用甲醇作为能源的载体就可以减碳67%,这可能是比较现实的一条碳中和路线。

这样风能、太阳能虽然贵一点,但煤很便宜,这两个一中和,成本就可控了。氢气和二氧化碳做绿色甲醇目前还有一定的成本障碍,如今直接用现有的煤甚至劣质煤制甲醇就可以了。甲醇是一个载体,液体的载体比气和电载体科学多了。因为,电虽然好输送但是不好存储,氢既不好输送,也不好存储,只有液体比较方便。

今天氢气制造很便宜,可一旦压缩到几百公斤大气压的时候成本就上去了。张家口冬奥会做氢能示范,国家补贴了大量资金,并且目标在未来几年达到30元/kg的氢气价格。但是如果在车上用甲醇,就按今天的市场价格买甲醇,每公斤氢气的成本只有15元。

所以一方面是甲醇制氢的成本低了;另一方面,甲醇常温常压下是液体,甲醇站可以用已有的液体加油站改装。对于一般的加油站,近年可能是6个罐,前期替换成1个甲醇罐、5个汽柴油罐,再过十年,替换成2个甲醇罐,4个汽油罐。这样整个能源转型就不需要再花多少万亿去建加氢站和充电桩了。

简单估算一下布局成本,按照加油站450辆车/天的加注能力,充电站24辆车/天充电能力,小型氢气加注30辆车/天的能力来测算,假设都建一万座,甲醇大约需要20亿美元,充电站大约需要830亿美元,加氢站大约1.4万亿美元,而且这个1.4万亿还没有考虑地价的因素。

我不认为我们会把花了几万亿建起来的液体燃料基础设施毁掉再重新建加氢站和充电桩,没有必要。石油如果排碳太高可以用绿色的液体取代,而且我们可以把太阳能和风能转成液体储存下来,这就改变了储能的概念,原来大家多少年花了多少万亿就是研究储电,但是储电干了一百年都干不过一个抽水储电,这条线上再给十亿的研发经费,成功的概率也就是万分之十、千分之一。

电池对小型设备比如说手机非常重要,但是靠电池做大型的储能要非常谨慎。最近国家也非常注意,把梯级利用的大电站停下来了,因为安全性是一个问题。

电动车和燃料电池最大的问题在于基础设施的土地成本问题和冬天续航问题。现在我们城市里土地很贵,好多人为了拿国家补贴就在郊外搞一个充电站,但是买一辆车如果开车一个小时才能到充电站,你会买吗?现在,中国已建成的公共充电桩利用率平均只有4%左右,其中充电桩铺设最多的北京、上海,使用率仅为1.8%、1.5%。电动车存在里程焦虑且冬天无法满足供暖,到冬天一遇冷可能会趴窝,要知道全世界80%主要发达城市位于北纬25度以上,纽约、伦敦、巴黎、莫斯科、东京、北京、多伦多,这些城市都是有冬天的地方,如果一辆汽车只能夏天开冬天开不了,你会买吗?原来我在北京,为了研究这个,专门找电动出租车坐,上车后我发现司机大冬天穿着军大衣、棉靴子,不敢开暖气。我说把暖气打开,司机说他不敢。因为不开暖气,只能跑100多公里,如果开了暖气,马上就没电了,他根本赚不了钱。

如果风能、太阳能和煤炭结合转成甲醇,我车上永远装50升的甲醇就好办了。今天,在深圳买一辆电动车,连广州都不敢跑一趟。跑到那里没电了不知道到哪充,即使能找到充电桩,可能也要等一个小时,而快充对电池的破坏很大。怎么办?我们现在想办法给电动车赋能。反正晚上回家停车,你在停车位边安一个比较小的慢充装置,几百块钱就行了。你把它充满,但是车上永远装50L的甲醇,就相当于你晚上睡觉把手机充满,同时还带了一个充电宝。没电的时候,就可以用车上的甲醇和水制氢,用氢发电。这样根本不需要再建那么多充电站和加氢站,而且甲醇和水反应只需要200多度,它的余热就可以把电池维持在最佳的温度。

6. 雾霾的元凶在哪里?

还有一个碳中和的路线,是跟雾霾相关的。

这些年,我一直在研究雾霾。我对雾霾有亲身体会。如果一直在北京生活我们可能感觉不到,但我家在南加州,早些年回国后,每次从洛杉矶到北京以后,那种强烈的对比让我觉得一定要把中国的雾霾给治理好。

雾霾包括一次颗粒和二次颗粒。化石燃料如柴油燃烧时尾气中直接排放的颗粒是“一次颗粒(Primary Particulates)”,占雾霾总量的24%左右。对雾霾贡献最大的是 “二次颗粒(Secondary Particulates)” 占到其总量的约50%左右。“二次颗粒”是化石燃料燃烧尾气中的气态污染物(如NOx、SOx)和挥发性有机物(VOC)进入大气后,在一定的水雾状态下与空气中的氨及VOC等物质发生气溶胶反应形成的颗粒。氮氧化物在天空遇水就变成硝酸,硫氧化物氧化遇水就是硫酸。如果我们不使用化肥就只能形成酸雨形不成雾霾。大量使用化肥所以天上有氨,氨是碱,酸碱反应然后形成颗粒PM2.5。肉眼的分辨率只有60微米,头发丝大概是70微米,一个PM2.5的颗粒是看不见摸不着,但是当无数个PM2.5悬浮在天空中就可以遮天蔽日。

这两年国家在脱硫脱硝上花了上万亿,取得非常大的进展,但是到冬天还有雾霾,一个重要因素是使用化肥以及氨排放没有得到足够的重视。化肥的排放就是氨的排放。

化肥有它的问题和弊性,使用一年、两年、三年、五年没问题,但是用了三十年、五十年以后,问题来了。早些年硝酸铵、磷酸铵强酸弱碱,氨被吸收,酸流到土壤里面,把土壤中的细菌杀死,引起大面积的土地板结。

另外,用了化肥三十年、五十年后的东西看着个大皮厚,但吃着没有味道了。什么原因?因为决定食品营养和味道的是生长作物的半米左右深的土壤中微量元素和矿物质的含量。土壤中有很多矿物质不溶于水,但是一遇到酸,会发生酸浸,浸三五十年以后,当半米深的土壤中这些微量的矿物质都没有了的时候,食品不可能不变。中国淮河两岸吃的东西不一样是因为两岸的土壤组成不一样。

对比1960年的玉米和2013年的玉米情况。1960年是纯粹自然生长的,2013年的是化肥催大的,看着个大饱满,但是每100克里面钙含量下降了78%。人类大量使用化肥和农药,导致土壤中的微量元素不断下降,并伴随着哮喘、心脏病、癌症等疾病的增加。

中国自1978年改革开放之后,开始大量开始使用化肥,到大概2011年化肥产能接近峰值。这期间全中国粮食增产了87%,但化肥使用量增加到682%。每吨粮食产量需要0.1吨的化肥。2017年全国农作物总播种面积1.6亿公顷,平均化肥施用强度为352公斤/公顷,福建、海南、北京、广东等省市分别为751公斤/公顷、724公斤/公顷、707公斤/公顷、611公斤/公顷;而国际警戒线值为225公斤/公顷(世界平均水平为120公斤/公顷)。

其实随经数百万至数千万年,物质不灭,土壤中宝贵的微量元素及矿物质是以煤炭的形式保留至今的。煤炭中可燃的部分,基本是通过光合作用二氧化碳形成的;不可燃的部分从哪里来的?就是远古时期树根吸收的宝贵的矿物质、微量元素。但这些东西不能用火烧掉,一千多度以后它们就形成了玻璃状的琉璃瓦。

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图4 微矿分离技术


现在我们有一个核心技术(图4)就是在水中把煤里面可燃的和不可燃的分开进行磨细,底下浅色的就是土壤中最宝贵的东西,但是不能直接加,要经过一系列微生物的过程,最后形成最好的土壤改良剂。上层的劣质煤就可以制甲醇,这样甲醇的成本也可以降下来。这是环环相扣的。

为什么要从雾霾开始讲?因为这种小颗粒像雾霾,过滤下来以后比重比空气重得多,它以2.5微米悬浮在空中不会落下来,除非下雨,因为当粒度到这么小的时候,重力就起不了作用,而是表面力在起作用。

那么既然它悬浮到空气中下不来,我们就让它悬浮到水里面造成类似“黑色牛奶”的燃料。牛奶表面上看是液体,在显微镜底下其实是几十微米的氮颗粒悬浮在水里的。我们将微米级的煤炭颗粒、纯碳颗粒悬浮在水里,然后设计一个锅炉,让它燃烧起来比天然气都干净。我们甚至可以直接用汽化炉制甲醇,得到的燃料比现在的船油还干净、还便宜,同时还可以解决中国的煤炭运输问题。

现在到鄂尔多斯、吕梁高速公路上,很多大卡车拉煤,污染很重。目前,我们储煤的地方海拔大约1500-2000米,运煤的地方比如深圳只有几十米的海拔,这样建一个管路自己就流过来了。

十年前,我说中国的雾霾汽车有贡献但是绝对不是主要的,要治理雾霾首先要把煤搞干净以后再烧;当时推动电动车的一批人,说要治理雾霾就要把汽车变成电动车。但是去年疫情防控期间很多地方封城,让我有机会做一个大实验,当时,全中国的汽车,包括电动车都停了两个多月,可北京、太原、西安、哈尔滨、郑州雾霾的天还是很多。原因在哪里?主要还是抗疫的时候大冬天家里供暖的问题,中国的天然气不够,还得烧煤。

当时,我以治理雾霾的心态做这个技术,现在已经产业化了,工厂已经开始运转了,而且做了大量的农田实验,效果比我们想象的要好。

7. 碳中和的现实路径

这样,我们就可以谈碳中和的几个现实路径。

第一是通过现有煤化工与可再生能源结合实现低碳能源系统。一方面可以让现有的煤化工实现净零碳排放,另一方面是通过太阳能、风能、核能电解水制备绿氢和氧气,合成气不经水汽变换,大大降低煤制甲醇的二氧化碳排放。



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第二是利用煤炭领域的碳中和技术——微矿分离技术。在煤燃烧前,把可燃物及含污染物的矿物质分离开,制备低成本类液体燃料+土壤改良剂,源头解决煤污染、滥用化肥及土壤生态问题,同时低成本生产甲醇、氢气等高附加值化学品。

因为传统的煤炭使用方式燃烧二氧化碳排放产生的灰渣有10%的碳,不光是浪费能源而且现在变成了固废,整个内蒙古的电厂粉煤灰成灾。通过分离之后,该做燃料就做燃料,该做土壤做土壤,分流以后,这边释放二氧化碳,更多的森林长起来把二氧化碳吸回来,这样做了完全可以达到碳中和。(图5)



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图5 微矿分离技术效果示意

当清洁固体燃料CSF产量达到25万吨时,我们每年碳排放大约69.5万吨,根据治理的面积大约可以吸回来20.8万吨,在施用土壤矿物改良剂SRA条件下,可以吸回来48.7万吨、61.9万吨,甚至74.9万吨。(见下表)

这是比较现实的碳中和的路径,而且不需要那么高的成本,适当花一点钱就可以做到的。

第三,实现光伏与农业的综合发展,将光伏与农业、畜牧业、水资源利用及沙漠治理并举,实现光伏和沙漠治理结合,及光伏和农业联合减碳。

西部缺水,水一浇就漏下去了,因此,我们可以采用非常保水的材料。但是西部再保水,大太阳晒还是长不出来,怎么办?有了太阳能板,底下的挥发减少了,就可以种东西。太阳能有一个最大的好处,就是要定期冲这个板,有了发电,大家可以花一点钱拿PVC管接点黄河水过去,每几周给光伏板冲水,同时,水资源宝贵,冲过的水我们还可以用来给农作物做滴灌。这样,发电的同时还可以把底下全部变成绿色,变好了再把太阳能板搬个几百米,一片片土地可以治理出来。

第四,峰谷电与热储能综合利用。火电厂是半夜也不能停的。现在中国的火电厂在半夜12点到早上的6点电这个区间,尽管还在排放大量二氧化碳,但发的电没人用,是浪费掉的。怎么办?电不好储存,可以用热的形式储存下来,利用分布式储热模块,在谷电时段把电以热的形式储下来,再在需要时用于供热或空调,这样可以让1/4甚至是1/3的时间的电不至被浪费,可大大降低二氧化碳排放,实现真正的煤改电,再配合屋顶光伏战略及县域经济,进一步减少电能消耗。能量不仅仅是电能,国内储能领域对于储电关注较多,但实际上大多数的能量从消费端来看都是用在了热能领域,储热技术也是需要我们去关注和发展的。

第五,利用可再生能源制甲醇,然后做分布式的发电。可以使用甲醇氢能分布式能源替代一切使用柴油机的场景,和光伏、风能等不稳定可再生能源多能互补。
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来源: 财经十一人,作者:澳大利亚国家工程院外籍院士、南方科技大学创新创业学院院长刘科

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文章真长。快速看了一下,总体感觉很不错。

不知是不是因为我看得太快漏掉了,没看到甲醇在车上转化成氢后,碳是如何处理的?
 

billwanhua

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氢气无污染夸大了,最近读了几篇关于氢气误区的文章,氢燃烧存在着诸多缺陷,如能量品位低及由于较高的燃烧温度所产生的氮氧化物NOx污染等,传统的内燃机燃用氢气就具有很高的NOx排放.另外产生氢气和运输储存也需要大量能量
 

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真正的碳中和,只有一个

种树。

这是地球碳氧平衡的唯一且最有效的调节器。人类那些花活,都是暂时的虚影。



到现在应该看清楚了。所谓CO2, 所谓温室气体,所谓化石能源,就是
CO2在远古,被植物吸收融合太阳能,变成化石能源被存储在地下。
人类用的石油,是植物的老祖宗的尸体和祖坟里埋藏的远古植物收集的太阳能而已
现在,能量杯使用,CO2被排放,那么只有一条路。是真正有效平衡这一反应的手段



石化能源的使用



植物增殖挂钩。

大量增加森林面积。
 
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真正的能源危机解决方案

圈儿哥也只看到一个

可控核聚变。
 

mass

今我来思 羽雪霏霏
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文章真长。快速看了一下,总体感觉很不错。

不知是不是因为我看得太快漏掉了,没看到甲醇在车上转化成氢后,碳是如何处理的?
是的,总体不错,好像就是从宏观角度谈碳中和,在细节上有些争议,甲醇是一个,他没给出技术路线,不好评价,还有燃料电池,和雾霾,有些说法不严谨,大家也都看出来了,不是科技文献,可以理解。

文章最大问题是biomass 谈得太少了,就这一句话,“第五,利用可再生能源制甲醇,然后做分布式的发电。可以使用甲醇氢能分布式能源替代一切使用柴油机的场景,和光伏、风能等不稳定可再生能源多能互补。”

生物质能源资源丰富,可以生产燃料,也可发电和产热。

在加拿大,Bioenergy comprises about 4 per cent of Canada's total energy supply, and is the country's second largest source of renewable energy after hydroelectricity. Enerkem 是比较成功的公司,从城市垃圾生产甲醇。


中国也有好多成功项目,例如:

 
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