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中国工程院金涌院士:“碳中和”是中国转型的巨大驱动力

作者:中国储能网新闻中心 来源:《环境与生活》 发布时间:2021-07-19 浏览:
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原标题:“碳中和”是中国转型的巨大驱动力——专访中国工程院院士、清华大学化学工程系金涌教授

◎郑挺颖 于宝源 陈北斗 ◎实习生 宋潇阳

“碳中和”是环境问题,更是发展问题。在“碳中和”的大背景下,化工行业路在何方?如何实现产业转型与能源转型?

《环境与生活》记者专访中国工程院院士、清华大学化工科学与技术研究院院长、博士生导师金涌教授,请他分享一个资深化工科学家对“碳中和”的理解与思考。金涌院士认为,化工行业未来应该实现低碳转型,变“化石燃料”为“化石材料”——

图|2021年6月23日,中国工程院院士、清华大学化学工程系金涌教授接受《环境与生活》杂志记者采访。 于宝源 摄影

“碳中和”是中国发展的必然需求

《环境与生活》:在我国提出了2030年碳达峰,2060年碳中和的“双碳”目标之后,各行各业对此都极为重视。作为化学工程科研领域的领军人物,您深耕化工行业数十年,对“双碳”目标和化工行业的未来有着远远超越这个时代的理解和认识,请问在迈向碳中和的大背景下,化工行业应该如何转型?化工行业可持续发展的路该怎么走?

金涌:咱们就说说碳中和,去年联合国大会上,有121个国家提出要2050年达到碳中和,这当然是对中国有压力的。我国在提出构建人类命运共同体的前提下,也坚持了自己的原则,也就是说应对气候变化问题,大家都有责任,责任是共同但有区别的。所以,我国提出了“争取在2060年前实现碳中和”的目标。

那么,我国为什么要做这个事,并且作为全国的一个重大发展目标呢?事实上这和我国自身的发展需求也有关系。我觉得,我国制定“双碳”目标,一方面是应对来自西方国家的压力,另一方面也是我国发展到了目前的阶段,不得不做的。中国现在发展最大的矛盾就是能源短缺,资源不够,加上环境恶化。我国现在74%的石油是从国外进口,差不多40%至50%的天然气进口,铁矿石80%进口。我国在资源和能源上,如果还想进一步发展,就会受到这些方面的制约。

“碳中和”是环境问题,更是发展问题

《环境与生活》:对于碳中和目标,目前似乎存在着两派观点,其中一派认为实现碳中和目标需要消耗大量的财力物力,这将会是十分困难的;另一派认为,我国现在已经具有足够的技术和经济实力,因此实现碳中和将是水到渠成。那么,您认为我国实现这一目标的难度如何?

金涌:我国现在要从工业化社会变成信息化社会,就必须解决我国的资源问题、能源问题、环境问题。在这种情况下,我国正好以碳中和作为一个巨大的驱动力,来驱动中国的转型。所以说,碳中和是中国必须做的,我觉得我国通过中国人的财富、才能,是完全可以做到的,是可以解决这些问题的,我国是有自己的发展目标和任务的。

因此我国提出碳达峰、碳中和的目标,要知道我国现在是全世界碳排放量最大的国家,排放全球近1/3的二氧化碳。我国从碳达峰到碳中和只有30年时间,这是非常短的时间。世界上其他一些国家,从碳达峰到2050年碳中和,像英国是接近80年,美国也有40多年。我国要想很快地把这么大的二氧化碳排放量,降到碳中和的目标,困难还是很大的。

与此同时,我国还承诺到2050年,中国要从小康达到发达国家水平,要进入发达国家行列。发达国家最大的指标,就是人均GDP。像美国等发达国家,人均GDP能到四五万美元,我国目前的人均GDP是一万美元。在这个过程中,我国不光需要减少排放,还要提高GDP,中高速经济发展同步进行,这就比较困难了。可是还不能不做。碳中和绝对不是一个单纯的能源问题或气候变化问题,而是一个深刻、广泛的经济社会系统变革,是涉及全社会的事,是一个非常非常大的目标。也可以说,碳中和将会是主导中国经济增长和转型的最大驱动力,也是我国以后经济活动最核心的部分之一。将来,我国无论科学研究、技术开发、投资、生产、消费,一直到物流、循环利用,全部决策都需要以此作为依据。因此我觉得,我国对碳中和的目标,要从一个比较高的角度来认识,不要以为就是解决一点环境问题,不是这样的。我国和美国人的想法是完全不同的。

《环境与生活》:也有观点认为,中央是想以此为抓手,统筹整个社会的变革

金涌:对,因为是一个整体的社会变革,如果达成目标,我国就真正做到了可持续发展,我国就不会再有对国外的能源的依赖。大部分资源我国能通过循环经济解决,这样的话,中国就真正做到了可持续发展,相应的,污染也减少了。

《环境与生活》:通过您的介绍,我国对“双碳”目标也有了一个更加深刻的认识。您认为,我国后续将需要在哪些方向做出更多努力?

金涌:我觉得首先我国需要对碳达峰、碳中和的真正的内涵、高度,有正确的认识。不能一上来就说是应对气候变化的问题。

相应的,我国的经济和社会还想继续发展,就必须找到可再生能源代替化石能源。这是我想说的第一点,也就是高度的问题。我想谈的第二点,是我国需要怎么做。按人口学家的统计,到2060年,我国的人口预计还会稳定在14亿左右。也许有可能会变少,但是可以肯定不会出现大幅度增加了。我国和发达国家的水平差在哪里?我想就是万元GDP能耗,也就是每生产1万元的产值消耗多少能量。这是目前我国和外国相比,存在的最大问题。日本和美国这些发达国家,每生产1万元产值,大概需要消耗不到0.2吨标准煤。我国目前是接近0.5吨。我国每生产1万元GDP,消耗的能源太多。所以,我国必须把每万元GDP能耗降下来,也要降到0.1吨这个级别。

产业转型与能源转型,是目前最大需求

《环境与生活》:的确如您所说,2020年,我国的GDP首次突破百万亿元人民币,位列世界第二。但是,我国的人均GDP水平还是相对较低。

金涌:为什么我国的每万元GDP能耗和发达国家有如此大的差距?根本问题在于产业结构,当然服务业少也是原因之一。改变产业结构非常重要,但是,我国也不会因此放弃制造业,因为中国是世界制造业第一大国。因此我国要发展高端制造业,向着高质量发展。

我国现在存在很多产品价值低,但二氧化碳排放量大,并且能耗很大的产业。比如钢铁,我国2019年生产了12亿吨钢,占全球钢年产量的一半。按人均产量来算,是美国的3倍。水泥就更是如此了,我国的水泥产量占全世界70%,人均水泥生产量是美国的6倍。但是问题就来了,我国未来还会再建这么多高速公路或楼房吗?我国进入了信息化社会,产业就要发生很大变化,所以在这40年之内,可能我国会逐渐将一些产业淘汰,尤其是一些高耗能低产出的行业,要有序地退出,然后用先进的、高端的、耗能少、产值高的行业代替。这样就有机会把我国的每万元GDP能耗也降到0.1吨左右,这是完全可能实现的。所以,这将会是全行业要面临的情况。我国要从工业化社会,变成信息化社会,这样才有可能真正实现碳中和。要想经济发展和减少碳排放同时实现,就需要全社会的共同努力。

我国还需要消费拉动,比如说现在中国的高端化妆品大多数依靠进口,其实化妆品就是我刚才提到的高附加值、低能耗产品。那我国为什么不可以打造我们自己的高端化妆品?现在,我国每年进口的化妆品约有4000亿元,要是再算上那些在国外旅游购买或者代购的,几年以后很快就会达到1万亿元。相比起来,我国每年进口石油也就只有两三万亿元。随着我国加大在化妆品方面的研究力度,会慢慢拥有自己的高端化妆品,拥有一定的话语权,我国就会把这一部分市场慢慢夺回来。

接着就是产业转型,现在我国的能源,基本都是把煤、油、天然气直接烧掉,燃烧就会产生二氧化碳。不烧不就没有二氧化碳了吗?可就目前的情况来看,不烧就没有能源了。化石能源是推动此前三次工业革命的主要力量,现在我国需要让化石能源逐渐退出,如果不烧,自然就不会有二氧化碳排放。

那么,能源问题怎么解决?我国提出碳中和目标的一个先决条件,就是我国的光伏发电和风电产业发展很好。在光伏发电和风电发展了十多年后的今天,其发电成本已经大幅下降。现在光电、风电与火电相比,每发一度电的经济成本,已经基本相近。我国的技术已经到了这种程度,并且在这方面是领先的。我国的光电、风电发展非常好,而且现在产量、产值都是世界第一。我国完全可以建设光电风电的发电装置来代替火力发电,也就是不用烧(燃料)了。中国的风力发电占全世界的1/3到1/4。中国出口的光电用硅板,产量占全世界70%。

另外就是电动车,我国电动车保有量约为500多万辆,也是全世界第一,当然占比还很小。电动车在未来也会成为拉动经济的重要力量。美国就很害怕,6月初美国总统拜登在“汽车城”底特律市发表演讲,说中国在电动车领域超过了美国,无论产量、市场和电池,都比美国做得好。为了赶上中国,拜登公开承诺将会投入1700亿美元补贴美国的电动车产业。

我国现在是有条件利用新的可再生能源代替火电了,技术问题都解决了,经济问题也接近解决,那么我国的环境当然会更好。以后,我国发展经济就需要考虑技术可行、经济合算、二氧化碳排放量低,这是与今后的发展吻合的。这些都是先决条件,如果没有这些条件,碳中和自然不可能实现,我国正是因为有了这些良好的基础,才有了现在的目标。

从“化石燃料”到“化石材料”

《环境与生活》:作为深耕化工行业几十年的专家,您对我国化工行业现状有着准确、全面、清醒、超前的认识。您认为在“双碳”目标提出后,我国的化工领域会受到哪些影响?同时基于您刚刚提到的产业结构转型,您认为化工行业后续的发展方向是什么?

金涌:回到化工行业的话题,既然我国未来不烧化石燃料了,那用它做什么?首先就是石油,将来我国的汽车绝大多数会被电动车代替。这不会是十分遥远的未来,现在欧盟一些国家已经计划2030年后不再生产汽油车,而是全部变为电动车,那么传统炼油产业肯定要逐渐退出市场。相应的,要把石油做成材料,而不是变成汽油、柴油、煤油。现在,我国的传统炼油技术,80%的石油都变成了汽油、柴油、煤油,20%是石脑油。石脑油裂解再制成烯烃、芳烃。

我认为,今后这种技术路线将会改变,石油化工企业将会改变结构,不再生产燃料,而是生产材料,比如说橡胶、纤维或其他高端材料、涂料。这种转型就是石油化工的发展方向,现在已经成为全球共识。国外的一些企业已经开始着手布局这种转型,比如欧洲的道达尔公司,就要把石油的利润占比逐渐减少,现在占50%,将来要减少到30%,同时要大量发展新产业,也就是石油材料。这也是我们清华大学化工系目前的主要任务之一,现在我们的实验室在研究把石油制成材料,我们也有相关的研究基础,在十多年前就开展了这方面的研究。

《环境与生活》:您当时为什么会想到以此作为研究方向?

金涌:当时的环境问题和能源问题并不像现在这么尖锐,但是我们作为科学研究者,意识到了炼油技术存在的问题。炼油最重要的第一步就是催化裂化,这个步骤决定了汽油、柴油、煤油和石脑油的占比。现在使用的反应器,是催化剂和石油气从下向上走,也就是上行床。我们研究的反应器与之相反,是下行床,也就是从上往下走,我们在10年前就已经做了年产15万吨的实验,证明了下行床可以大幅度提高石脑油的占比。我们在济南炼油厂利用厂区废弃的设备进行改造,完成了实验。通过实验证明,改进的下行床可以把石脑油的占比提高到70%。

有了石脑油,我们就可以生产三烯三苯,也就是乙烯、丙烯、丁烯、苯、甲苯、二甲苯。就可以生产非常多的化工产品,可以说所有的石化产品,原料都是三烯三苯。有了这些,我们就可以生产各种高分子材料。我们不再把石油烧掉,而是把碳都留在了材料中,碳对人类是非常重要的物质,碳并不坏,只是不应该让它变成温室气体跑到天上去。所以石油总的发展方向,就是从燃料变成材料,这也是我国化工企业今后的发展方向,一方面我国不再烧石油了,减少二氧化碳排放;另一方面,企业转型为石油材料制造商,也避免了企业的损失。

《环境与生活》:那煤炭何去何从?煤炭最好的出路是什么?

金涌:最难的就是煤,煤燃烧是现在二氧化碳排放的大户。如果我们不烧煤,用它做什么?煤化工显然不是最好的选择,我国之前从事了很多年的MTO(醇制烯烃)和“煤变油”研究,我国的煤化工产量已经达到千万吨级了,过去因为油价很高,所以还有价值。但是继续发展下去,随着全球对石油的需求量越来越小,煤化工的问题也就凸显出来,一是经济效益差,二是二氧化碳排放高,因此我认为传统的煤化工技术,都将慢慢淡出市场。

那么,煤最好的出路是什么?我国需要在这方面研发出具有颠覆性的技术。事实上中国的煤资源并不多,煤储量只有美国的一半,而人口数是美国的4倍,这样算下来,美国的人均煤储量是中国的8倍。中国的煤储量只占全世界的12%,因此我国其实也不能大肆浪费煤资源。

除了需要在未来探寻颠覆性的技术外,目前我们已知的最佳利用途径,也就是煤的分质利用。煤不是单纯的碳,煤中的碳氢比是1比0.8,也就是每10个碳原子,伴有8个氢分子,如果用煤当燃料,就相当于把氢也一起烧掉了。

如果我们在烧之前,就先把碳、氢分开,也就是所谓的蓝碳技术,现在我国在这方面做得很好,但也有一些最终的技术问题没解决。这不是单纯的煤制氢技术,煤制氢技术每制造1吨氢气需要排放11吨二氧化碳,从碳中和的角度来看,煤制氢技术是要被淘汰的。

煤的分质利用,是把煤所含的碳变成焦炭或半焦,把氢拿出来利用。这些比煤热值还高的半焦,可以用于火力发电,推动蒸汽轮机,同时利用分出来的碳氢化合物挥发部分,喷在半焦发电烟道气中,再点燃一次,推动燃气轮机,这个技术就是燃气轮机-蒸汽轮机联合循环发电,这种技术的能量转化率可以达到60%,远高于传统火力发电的45%。这样一来,煤的利用率就提高了,相应的经济价值也提高了。同时,联合循环发电中的燃气轮机可以随时启停,因此也可用于调峰发电。我认为,在未来大量使用光伏发电和风力发电之后,火电的生存空间,就是用于调峰发电。

那下一个问题就是,我们将煤分质利用后,这些半焦要如何处理?如果用来烧,还是会产生二氧化碳,所以我们也为半焦找到了出路。碳本身也是还原剂,如果把半焦加热到一定温度,碰到二氧化碳,就会把二氧化碳还原成一氧化碳。这是我们目前正在研究的项目之一,通过这种还原,半焦就不再产生二氧化碳,反而是能将二氧化碳还原为一氧化碳的还原剂,这就成为二氧化碳减排的物质了。二氧化碳还原是吸热的,那我们同时再将一部分半焦烧掉,加入少量氧气使燃烧放热的同时,生成一氧化碳。一氧化碳可以用来制造很多的化工产品。我想这就是煤今后的出路。

《环境与生活》:再就是天然气,我国要如何处理天然气才能与碳中和的目标相吻合?

金涌:目前,我们对天然气的利用存在问题,我们把天然气用来做饭,也就是民用。举例来说,我们把一壶水放在燃气灶上烧,天然气中的热量有多少进入水壶了?其实只有30%至40%,其他的热能都加热空气了,这个利用率是很低的。如果用电加热水壶烧水,热能的利用率可以达到90%以上。所以,我认为以后的家庭将会电气化,应该把天然气用于工业。现在,我国的情况正好相反,禁止工业使用天然气,这是不符合碳中和原则的。美国电气化的家庭约占50%,欧洲一些国家已经逐渐开始禁止天然气入户了。天然气更适合用于工业生产,天然气(CH4)中每有1个碳原子,就有4个氢原子,是最好的制氢原料。很多国家都利用天然气制氢,只有中国是煤制氢,当然这也是因为我国的天然气储量很小。总的来说,未来的天然气将与工业结合,要把煤分质利用产生的一氧化碳与天然气结合,也将大幅度减少二氧化碳排放。

总而言之,我国化石能源的煤、石油、天然气,都需要其相应的产业慢慢转型,这种转型将会为二氧化碳减排做出巨大贡献。除了化石能源转型之外,利用其他的可再生能源也有助于减排。首先是生物技术,生物是利用太阳能最好的方法之一,目前比较有机会产业化的就是微藻利用,微藻在干燥后,以甘油三酯的形式固定光合作用产物,含油率可达50%至60%,并且藻类可以在海水中生长,生长速度和阳光利用率是陆生植物的4至5倍,这是生物代替化石能源的重要途径。

《环境与生活》:目前,我国有藻类制油的项目落地吗?

金涌:我国的新奥集团就有这种阳光微藻转化器,在温室中搭建玻璃管道,管道内通入海水,加入二氧化碳和藻类,在流动过程中藻类就会快速生长,成品的藻类形态就像黄酱一样。不过,目前产业化还存在一定困难,因为成品藻类的含水率在90%以上,干燥需要大量热量,如果用烧煤干燥,消耗的热能比藻类产生的能量要高出很多。现在也在研究如何不经过干燥,直接将藻类生成的能量提取出来,也就是不干燥直接把油拿出来,但是目前这项技术还没有打通。日晒是不行的,因为如果遇到阴天,藻类很容易变质腐烂,所以这方面的技术还得继续探索。

《环境与生活》:沼气、生物乙醇这些还有生存空间吗?

金涌:我国有很多的秸秆、人畜粪便可以进一步利用,也就是生产沼气。关于沼气,我认为沼气不能一家一户去做,而是要以村为单位,一个村设置一两个沼气站,由专人或公司负责,维持沼气的高产。这可以解决农村的能源使用问题,并且制沼气的副产物——沼渣沼液可以用做肥料。

另外,有人说种树可以解决二氧化碳排放问题,其实并非如此。首先,如果要通过植树吸收人类活动排放的二氧化碳,需要的植被数量是非常大的。其次,植物在白天通过光合作用吸收二氧化碳,固定碳元素,到夜间还要排放二氧化碳。同时,树木落叶腐烂会产生大量甲烷,其温室效应比二氧化碳还要高得多。对于这些落叶、农作物秸秆,我们也要将其碳化,做成生物炭。有一个企业叫三聚环保,他们把秸秆制成了具有多孔结构的生物炭,将这种生物炭投入土地可以保水、改良土壤,或使化肥缓释。

另外就是生物乙醇。美国的乙醇汽油技术比较成熟,因为他们的粮食有富余,在粮价下跌时,为了稳定粮价,就把粮食做成乙醇。美国的乙醇产量可以达到4000万吨/年,全部用于代替石油。巴西的乙醇产量是2000万吨/年。巴西有很多制糖副产物,也就是糖蜜,是不可以食用的,但它是非常好的发酵原料。

我国没有那么多富余的粮食用来制乙醇,我国目前主要是利用废粮制乙醇,乙醇产量为300万吨/年。事实上,我国的乙醇需求量是每年1500万至2000万吨。我国没有多余的粮食,用什么来做?煤可以制醇,但是工艺路线很长,经济效益一般。

目前,在首钢曹妃甸地区还有一个乙醇生产线,是利用一氧化碳作为碳源,来发酵生产乙醇。目前,已经建成了4.5万吨/年的装置,同时副产5000吨/年的生物蛋白饲料,具有很好的经济效益。这样的话,我国不用粮食,不排放二氧化碳,就可以生产乙醇,所需要的一氧化碳,可以通过煤来生产。

这样的话,整个过程就接上了,形成了一个产业链,这一套产业链中的二氧化碳排放量非常低。

煤,我们把它分质利用制成半焦和氢气。

焦炭,我国把它作为还原剂,将二氧化碳还原成一氧化碳。

一氧化碳,我们用它来制乙醇。

乙醇,脱水后就是乙烯,再聚合后就是丁二烯。

这样的话,作为我国储量最高的化石能源,煤就有了新的利用方式,在不排二氧化碳的同时,产生了可用于制作材料的新资源。这就是我们对于煤、石油、天然气、生物技术的整体规划,在实现碳中和目标的过程中,这些都是十分重要的,既解决了二氧化碳的排放,同时也为它们找到了新的用途。

能源结构的调整需要因性而谋、因势而定

《环境与生活》:关于可再生能源的问题,我们注意到您也曾提出生物质能和微藻产油等新能源技术,能否请您向大家详细介绍这些新技术目前的发展状况?

金涌:我们先从电力说起,现在我们的技术已经可以让光电风电的成本与火电持平了,但光电、风电仍然存在一个很大的缺点,就是不稳定性,所以必须有储能装置。只有让光电、风电平稳,不波动,才能组成智能电网,储能装置的作用就在于此。因此现在电力发展的关键,就是解决储能问题。太阳辐射到地球的能量,是目前人类所需总能量的3000倍,中国有很好的条件,很多地区都适宜发展光电和风电。对于光电和风电来说,技术有了,条件也有了,关键就是蓄电设备。目前,使用最多的蓄电设施,约占70%以上,就是利用水建立水库,用多余的电把水抽到上游,需要电力时放水推动发电。但是,仅靠这一种方式显然是不行的,我们还需要开发更多的方式储电。

目前,清华大学在储能领域的主要攻关方向是电动车,电动车需要电池,现在的锂电池大部分问题都已经解决,剩下的小问题我相信慢慢都会解决,比如说储电能力不够,充一次电只能跑两三百公里。随着锂硫电池的发展,国内已经形成产业化,充一次电可以跑800公里,续航问题解决了。有的人说锂硫电池容易着火,现在这个问题也已经解决。将来,我国的所有交通都可以电气化,不用烧油了,因此就需要大量的储电设备。当然,制造电池的门槛很高,我们做化工的人不做电池,但我们可以为电池提供材料,有了更好的材料,才能做出更好的电池。我们现在已经产业化的,一个是纳米碳管材料,将石墨烯与纳米碳管结合,形成立体的结构,我们称为石墨烯和纳米碳管的杂化,这种碳材料是非常好的锂电池正极材料。我们把产品出售给其他国家,并弄清楚其用途。他们将这种材料和离子液体混合,压入多孔的泡沫铝中,就做成了锂电池的正极材料。于是,我们也研究制作出多孔的泡沫铝材料,用于生产电池。比起传统材料,我们的材料拥有更好的储电能力。现在这项技术也正在产业化,相信很快就能看到这种材料最终的效益。这是比较成功的,已经产业化的材料。同时,我们也在着手研发一些新的技术,比如说固体电解质。固体电解质制成电池的安全性很高,因为其内部不存在有机材料,不会着火。

我们非常看好锂电池的发展,一方面是电动车可以代替燃油车减少碳排放。另一方面,电池本身就是储电设备。我国现在机动车保有量是2.5亿辆,假设在未来,其中的1亿辆变成了电动车,在夜间不使用时充电,那这1亿辆电动车就成了储电设备,充当了调峰的角色。所以,我也设想,今后的电动车不再搭配销售电池,而是将电池出租,或变为换电池的形式。电动车没电了,可以直接到电站充电或换电池。同时,电站与电网相结合,集中给电池充电,这就起到了储能和调峰的作用。现在,国家也正在积极策划这方面的行动,当然对于目前的电动车保有量来说,还不足以实现,但就发展而言,这绝对是一个一举两得的措施。如果是建立大量大型的调峰电厂,将会耗费巨大的经济成本。

《环境与生活》:有人说现在的锂电池虽然有调峰的作用,但经过多次的充放电后,电池的储电能力会明显下降。同时,全球锂矿的储量是否能支持如此大量的锂电池生产?

金涌:锂电池需要经过几万次的充放电才会有显著的影响,并且现在锂电池可以回收,这方面的技术也已经解决了。废旧的锂电池可以用于制造新的电池。

至于全球锂矿的储量是否能支持如此大量的锂电池生产,我认为现在还不需要把这些因素作为顾虑。除了锂电池之外,现在研究人员还在研究钠电池,还有空气电池。电池的发展有很多渠道,锂电池仅仅是第一个突破。后续肯定会有很多新的技术投入使用。

《环境与生活》:关于氢能,以及相对应的氢燃料电池,我们也注意到您一直都持有保留态度,能否请您详细说明一下?

金涌:我们做化工的人,舍不得把氢拿来烧掉。氢燃料电池本质上不是储电设备,而是烧氢气的,它是通过电化学反应,把氢和氧烧成水,同时产生电能。我们好不容易得到了氢,它有很多种用途来降低二氧化碳排放,为什么要把它烧掉?

更关键的问题在于,现在全世界还没有电解水制氢的大型工厂,因为没有任何的经济效益。电解水制氢,能源的利用率只有30%左右,即使今后利用率可以提高,也不会超过60%。同时,氢到了燃料电池中再重新转化为电能,目前转化率的目标是50%,我想以后最多也就是60%。也就是说,用电制氢气,能量就先少了一半,再把氢转化成电,就又少了一半,即使是理想状态下,60%乘60%,最终的利用率只有36%。电网中的一度电,最后到氢燃料电池释放出来,就只剩下1/3,这样的利用率太低了。有的人可能会说没关系,因为太阳能是取之不尽的。但我们还要考虑设备投入的成本,以及使用的成本。

事实上,我们非常需要氢,非常愿意生产氢,因为我们可以用氢把二氧化碳还原回来。氢气是一个好东西,比如美国人就提出了“氢经济时代”的概念,而不是“氢燃料时代”。氢是非常重要的,但不是用来烧的,这是两个不同的概念。氢太宝贵了,它可以解决碳排放的问题,可以用来做很多合成。氢气对化学家非常宝贵,我们不愿意把它烧掉,从另一个角度来说,氢烧掉的利用率太低,没有经济效益。日本人愿意烧氢,是因为他们进口的天然气多,天然气中每有1个碳原子就有4个氢原子,他们的氢是富余的。同样,美国也不愿意,他们很早就不做氢燃料电池了,因为美国的能源结构和中国类似。所以,现在炒作氢燃料电池概念的只有日本,因为他们研究的时间很长,想把这个技术卖给中国,但我认为这是个大坑。

从我的认知看来,氢燃料电池汽车是没有出路的。氢气不好储存,不便于运输,容易泄漏,还有爆炸的风险。如果说有一个地下停车场,几百辆氢燃料汽车在里面停着,有一辆车的氢漏了,积累到一定浓度会发生爆炸,那这几百辆车就全都要爆炸了。现在有800公斤的压力瓶放在车里储存氢气,如果全中国几亿辆车都带着压力瓶到处跑,你害怕不害怕?即使有一个爆炸,都是很大的事故,要是遇到连环交通事故,那更是不得了。所以,我认为这是不可靠的,不安全的。从能量上来看,利用率低没有经济效益,从安全性上看,缺乏可靠性。我们不谈氢气的性质,单说压力罐如果出现问题,气体膨胀发生爆炸也十分危险。

当然,氢燃料电池真的就完全没用吗?我想也并非如此。比如说潜艇、轮船、飞机,这些大型运输工具想用锂电池显然是不可能的,因为锂电池很重。这些大型运输工具的电气化,我想还是要用氢燃料电池。还有就是煤矿中的矿车,因为要装载大量的货物,并且矿车本身较重,如果再使用锂电池,就会存在很多问题。因此我认为,氢燃料电池在一些特殊情况下、特殊的场景中,比如说需要长距离或重载的交通运输中,有很好的应用前景。目前,锂电池与氢燃料电池相比,单位重量储存的电量还远远不够,如果进行长距离运输,显然不如氢有优势。我想在未来,一些大型车辆,或是轮船,都有机会变为氢燃料电池供能。

“碳中和”需要全民参与

《环境与生活》:“碳中和”与我们的生活息息相关。那么,在普通人的生活中,碳中和除了带来电动车之类的改变,还有哪些也会随之改变?

金涌:到了碳中和的那一天,我们发电就不再使用火电了,交通也要做到零碳排放。那么,下一个大量消耗能源、排放二氧化碳的就是住房问题。现在的人们都追求舒适的居住环境,这就涉及供热取暖的问题,也就是建筑节能。中国的二氧化碳排放,有近20%是人居产生的,包括供热、制冷,这也是未来需要解决的问题。当然,外国人在这方面也有很多成熟的技术,有一些建筑物已经做到能源完全自供。前一阵我去万通地产,他们就在发展地源热泵技术,利用地球本身的热能取暖。另外,就是保温建筑材料,还有利用工厂的废热供暖,这些技术目前整体发展都比较完善,在国际上也有先例。德国人在这方面做得最好,在建筑节能方面有相应的标准,也就是房子要达到居住舒适的标准,冬天取暖夏天制冷,每平方米建筑面积的耗能不能超过7升柴油/年,他们把这个叫做“7升房”。目前,德国的建筑水平可以达到3升柴油/年。中国的一些老房子,可能每平方米20升柴油/年都不止。因此,我国在这方面如果能有所进步,相应的二氧化碳排放量就可以有很大的下降。这方面的市场商机也很大,万通就在生产泡沫材料,之后新建的建筑将会使用泡沫材料作为隔热层。因为泡沫材料不导热,室内的温度不容易受到室外影响,也就是冬暖夏凉。未来的建筑表面还可以设置光伏发电材料,真正实现建筑物的用电自给自足。在这方面国外的一些成功经验,我们都可以参考学习。

最后一点就是全民参与。联合国早就提出了全民参与的概念,环境与我们每个人都有关系,因此大家都需要节能。联合国发布过一个核算表,里面列出的很多数据很有意思,比如洗完衣服不甩干,而是自然晾干,每人每天就可以少排放2.3公斤的二氧化碳;不使用白炽灯,而使用荧光灯或LED灯;到室外慢跑而不使用跑步机……我说这些就是想说明,低碳环保需要全民参与,我们生活中每一个细节的改变都有助于减排。

所以,将来中国实现碳中和,会有几个时代的变化。

第一,我国要把工业化时代,变成信息化时代,这是需要全民参加的。信息化时代、智能化时代、数字化时代,这种时代的变革会同时发生。

第二,目前的“化石能源时代”,将会变成“可再生能源时代”,这不是说我们的化石能源已经用完了,而是发展带来的变化,就好像石器时代发展到青铜时代,也不是因为石头用完了,而是因为有了炼铜技术。我们现在已经拥有了技术,那么时代的更迭就是必然的,这是很了不起的变化。当然,我还没提到核能,如果核聚变能源能投入使用,那我们之前说的那些新能源都不算什么了,就要完全变成“核能时代”了。

第三,“化石燃料时代”变成“化石材料时代”,我国要把这些化石资源进行更加科学合理的应用。

第四,就是进入到“循环经济时代”。

只有真正实现了这四个时代的变迁,才能真正做到碳中和。

【人物百科】

金涌

金涌,83岁,清华大学化学工程系教授,中国工程院院士。他是国际公认流态化、反应工程领域的领军人物、循环经济领域相关学科发展与实践推动的先驱者之一。他的科研成果获4项国家奖。他编写教材及专著5部,发表科研论文400余篇。

他创建了清华大学化学反应工程教研室和生态工业工程学科方向,建立了北京市绿色反应工程重点实验室,还组建了全国生态经济学会所属的生态工业与技术专业委员会。

他曾任数届全国化工学会、颗粒学会常务理事,中国环境科学学会顾问。他连续两次担任中美化工大会主席,还担任两届全国学位委员会化工学科评议组召集人。

近五年来,他结合重大社会转型发展关键问题,进行主旨发言和科普讲演300余场,对各省、市、县领导作循环经济主题宣讲报告30多次。主持编制《探索化学化工未来世界》系列科普片和配套书,获“典赞·2016科普中国”十大传播人物奖。他曾获全国“五·一”劳动奖章及劳动模范称号、全国优秀教师奖、北京市优秀教师奖、北京市教学名师奖、中国石油和化工行业影响力人物奖、中国石化和化工行业“十二五”十佳人物奖光华工程科技奖(奖金全部捐赠至“金涌奖学金基金”)。

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