专家关于“碳达峰”“碳中和”的讲座.docx
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1、专家关于“碳达峰”“碳中和”的讲座很多人都搞错了,“碳达峰”“碳中和”不是他们理解的样子国际知名的能源专家、澳大利亚国家工程院外籍院士、南方科技大学创新 创业学院院长刘科围绕“碳中和误区及其现实路径”做了精彩演讲,在业内引 起广泛关注。尊敬的各位领导、各位嘉宾,很高兴今天有机会来跟在座的各位提供碳中和相 关的内容。碳中和近期很热,大家都在谈,但真正对这一方面有全面理解的人不多。 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,比方深圳的的碳排, 只要看一年
2、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,再加上耗电量导致的发电端的碳排放,这个城市二氧化碳的排放的总 量就可估算出来了,这样算出来的碳排放量基本上占实际排放量的92%左右, 其它如秸秆,沼气及垃圾燃烧等只占8%左右。所以,今天我先给大家谈一下一些数据和事实。据统计,2020年,我们中国二氧化碳排放大约103亿吨,其中,煤炭、石 油、天然气排放到达95亿吨,另外一局部是各种小的,比方沼气、生物质, 还有一些其他的排放。所以,约92%的CO2排放是以上煤炭、石油、天然气这 三种化石能源燃烧产生的。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
3、对这三个都有统计数据,不需要额外再计量 CO2排放量。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7亿多吨,折成标准煤约9亿吨,排放二氧 化碳15.4亿吨;天然气消耗量折成标煤是4亿吨的样子,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 三口之家每年平均排放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,不管什么产 品,哪一个家庭一年能消耗得了 22吨这么多呢?第
4、1页共22页然而电动车的不同之处在于,每个电池都需要一定量的银、钻、锂,车上 还有铜等各种金属。产能扩张后每台本钱会有所下降,但是下降不多,不像机 械不锈钢,要多少,产多少,造得越多,本钱越低,材料本钱很少。电动车的 材料本钱占大头,加工本钱并不是主流,所以采用流水线可以降低一些,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2900万辆的产量的 1/1000,但同期追踪全世界的钻的价格和锂的价格,分别涨到了原来的四倍和 两倍。这种情况告诉我们,如果技术不突破,不把钻和锂的用量降下来,造得 越
5、多材料越贵。当钻的价格翻了四倍,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钻和锂能实现盈利,这反过来告诉我们,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 钻、银这些的量非常有限。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,比方世界上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,电动车的本钱其实每个人心里都有数。我列出来,每辆 车需要铜
6、53.2公斤,锂8.9公斤,银39.9公斤,镒24.5公斤,钻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,钻 的用量可以降来,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、奔驰的内燃机本钱在2300美元左右,特斯 拉的电池本钱那么是在2万美元左右。一个工业要开展必须是可以大规模量产的 时候,越大规模越廉价。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。这些问题我们群众不清楚,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。第10页共22页图2.2018年
7、5月13日,李克强总理参观日本丰田氢燃料汽车大家关心汽 车的人可能都看过这张照片(图2)。借着2018年5月13日国家总理李克强 访问丰田汽车公司,网上疯炒氢能,说电动车真正的未来是氢燃料电池汽车, 不是电动车。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,而且大规模量产后本钱能下来。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拟成熟。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,比方放到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
8、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 把能源输过来,这是一个复杂的系统。我在GE曾花了几百万美元和很多博士一起做能源的全生命周期分析研究 的模型,每一步的排碳是多少,效率是多少,最后用数字说话。回国后,我花 了很大的代价把这套方法论引进来,专门在低碳所和美国的最大的EPC公司及 国家实验室合作启动了 “能源的全生命周期的分析”的工程,从
9、零开始培养这 方面的人才。这种软课题在国内很难拿到大的经费支持,但是很重要,因为要第11页共22页 用“数据决策”。原中国工程院副院长谢克昌院士领导的团队包括低碳所的田 亚俊博士等正在致力于推动这方面的工作,补这一块的短板,是非常有意义、 有价值的工作。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照,不 断修正模型参数,最后用这些模型的预测数字做未来的决策,这叫“数据决策 data-driven decision makingv ,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,从油井、矿井、天
10、然气井到车轮子、 到电灯泡等等,每一步的全生命周期分析,建立模型,用模型分析完以后大家 用数字说话。电动车遇到这些问题,并不意味着不去开展电动车和电池技术,电池技术 的研发永远是重要的,不仅是工业界在推动研发各种先进电池技术,我们南方 科技大学的赵予生教授、邓永红教授等团队在这方面一直努力创新研发,并且 取得了领先的进展。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,够一台较好的计算机用就行了。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。今天一个智能手机 的运算能力有多少?网联化可能需要几十个手机的运算能力,那也就是几块电 池的问题。但是
11、如果因为需要这种运算能力,就一定要把驱动改成电动吗?实 际上,现在一辆比拟好的奔驰车,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、网联化和电动化没有必然的联系。03、为什么氢能汽车还没有产业化?氢能一点也不新,早在上个世纪六十年代,阿波罗登月的时候就是带着液 氢液氧上天,氢能发的电供仪器用,产生的水宇航员喝。我曾经在美国联合技术(UTC)-壳牌合资公司工作,很多年美国所有宇宙 飞船的燃料电池就是联合技术公司(UTC)生产的。上世纪90年代一直到 2005、2006左右,这个期间美国花了上百亿美元在燃料电池上的研发。我记 得2003年小布什总统在他的国情咨文演讲时
12、说,他会宣布一个计划,美国能 源部花12亿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。然而到现在,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。小布什总统用还没有真正意义上突破的技术去制定国家战略,耗费大第12页共22页 量投资,尽管在这期间培养了的大量的科学家和研发人员,但是对于产业的推 动和环境的改变是微乎其微的。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你我群众共有的能源载体。很多人在这块有一个误 区,甚至有媒体渲染说“氢是人类的终极
13、能源”,这句话是不严谨的。氢不是 一次能源,而是一种二次能源,或者更确切地说是能源的载体。这个世界有煤 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,氢不具备上面提到的液体能源在能量密度、管道及跨海 输送、长期储存方面的优势。氢气不适合于做群众能源载体,主要的原因在于有几个方面人们无法通过 研发改变。第一,氢气是体积能量密度最小的物质,我们要求是体积能量密度 越大越好。好多人犯了一个概念性的误解,说氢是能量密度最大的,这句话又 是对了一半。如果论公斤(质量能量密度),氢的能量密度是最大的。但是对 于汽车压重和轮船有压舱水来说,重一点问题不大,但油箱体
14、积不能太大,应 该论每立方米,论公斤意义不大。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3)。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。图3.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 个氢燃料电池车,它的储氢罐为了平安一般都放在最后,普通步枪一枪是
15、打不 透的,用超强的步枪打穿,因为氢气很轻,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,人有足够时间逃逸。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%是平安的,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,90%以上的车是停到地下车库这一第13页共22页 封闭空间里的。当大量氢能汽车进到地下车库,假设有一辆车泄露,就会产生巨 大的危险。尽管这个是小概率事件,但是使用量众多的时候,总有部件老化等 问题发生,哪怕储氢罐是平安的,阀门、管路等也有一定小概率老化,
16、或者开 车不注意发生了撞击。一旦泄露遇到火星、电火花就会爆炸,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,周围需一定的平安距 离。现在的北上广深到处都是加油站,但地价这么贵,到哪找能那么多地重新 建加氢站呢?因为这些问题,尽管氢能现在很热,但是要谨慎。氢气的这些性质决定了 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 西是似是而非的。疫情前,科技部几位同志可能听
17、说我做过几届全美氢能与燃料电池峰会主 席并且二十多年来一直是国际氢能协会的理事,带了几个专家到深圳来调研, 我们谈了一下午,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,后来他们就把它放进科技日报的头版头条里。制氢容易,但储氢、运氢有难度。世界上其实氢气的使用很广泛,中国的 氢气产能已经到达3000多万吨/年了,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,但是目前没有一个化 肥厂、炼油厂是靠太阳能、风能制氢、制化肥。什么原因?太贵,要是廉价的 话,这些化肥厂,炼油厂早就改了用太阳能、风能制氢了。现在全世界每年已有数千万吨的氢市场,而且供给
18、到炼油厂氢是最贵的, 每个炼油厂边上都有个大的气体公司。用风能、太阳能制氢不是不可以做,只 是目前没有足够的经济吸引力。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。04、为什么甲醇可能是作为最好的储氢载体?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拟廉价的甲醇,通过车载甲醇制氢并与燃料电第14页共22页 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 只能说有可能,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
19、。1L甲醇和水反响可以放出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甲醇和水反响的产 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,全世界第一辆汽油在线转化制 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、和空气反响造氢,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?因为页岩气革命还没发生,天然气当时很贵,国 外的天然气制甲醇本钱太高。2
20、005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,而后平盘到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,我说这个工程肯定不挣 钱。但是他跟我说,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,我们 把技术做到极限那是好事。后来
21、,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,甲醇和水反响200多度 就可以了。为什么我提甲醇这条线路?甲醇可以从煤、天然气来制,未来可以用太阳 能制氢与CO?反响制,或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。现在中国甲醇产第15页共22页 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
22、。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,国际上常提的零碳排放通常是“近 零(NearZero) ”和“净零(NetZero)”。讲碳中和的时候一定要强调,就是 这个世界碳太多不好,但是任何人追求绝对的零碳是不科学的,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”,也就是要排放碳 的同时,有别的技
23、术或者措施实现排放平衡到一定水平。我个人觉得,从中国的天然能源禀赋和工业基础来看,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,因为要补氢以到达甲醇合成所需要 的碳氢比,然而通过水煤气变换将一氧化碳转化成氢气的同时会排放二氧化 碳。如果那局部的氢可以在西部用太阳能和风能制,同时副产氧气供煤气化 用,能够解决很多排放问题;煤制甲醇的工厂里,空气深冷别离制氧气的空分 装置是投资最大的,这块投资未来省下来可以做太阳能电解水装置生产氧气和 氢气供煤制甲醇用,这样煤转成甲醇就不用排放二氧化碳,再用甲醇作为能源 的载体就可以做到减碳60%以上,这可能是未来比拟现实的一条碳中和路线。 说穿了是利用
24、现有的基础设施把太阳能以甲醇液体的形式储存下来;这是未来 风能,太阳能储能的另外一条途径。这样风能、太阳能虽然贵一点,但煤很廉价,这两个一中和,本钱就可控 了。氢气和二氧化碳做绿色甲醇目前还有一定的本钱障碍,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 有液体比拟方便。今天氢气制造很廉价,可一旦压缩到几百公斤大气压的时候本钱就上去 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
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