【业内热点】中国科学院原院长白春礼:碳中和背景下的能源科技发展态势

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2023-04-26

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以二氧化碳为主的温室气体大规模无序排放所导致的全球持续变暖,已成为全球性的非传统安全问题,严重威胁人类的生存和可持续发展。根据《巴黎协定》,要实现2℃温升控制目标,全球要在2065—2070年左右实现碳中和,各国积极响应,陆续制定碳中和目标。2020年9月,习近平主席在第75届联合国大会上郑重宣布,中国二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值,努力争取2060年前实现碳中和。这不仅彰显了我国作为世界大国的责任担当,也是推动我国能源结构、产业结构、经济结构转型升级的自身发展需要,对我国实现高质量发展,建设人与自然和谐共生的社会主义现代化强国具有重要战略意义。


根据国际能源署(IEA)发布的报告,2021年全球与能源相关的二氧化碳排放量增加6%至363亿吨,创历史新高。2021年,我国二氧化碳排放量为119亿吨,占全球总量的33%。需要说明的是,一方面,从主要发达国家的发展历史来看,一个国家的发展程度与人均累计碳排放密切相关,我国人均累计碳排放远不及世界平均水平。另一方面,2021年我国GDP总量约114万亿元,二氧化碳排放总量约119亿吨,即1万元GDP排放约1吨二氧化碳,而在20世纪90年代,1万元GDP排放约12吨二氧化碳,我国在节能减排方面取得巨大进步。


现阶段,中国二氧化碳排放80%来自能源生产和工业利用,可见实现碳中和目标,需要变革能源生产及利用方式。党的二十大报告明确指出,“深入推进能源革命,加强煤炭清洁高效利用,加大油气资源勘探开发和增储上产力度,加快规划建设新型能源体系,统筹水电开发和生态保护,积极安全有序发展核电,加强能源产供储销体系建设,确保能源安全。”


目前科技界认为能源革命和产业转型的重要方向,一是化石能源清洁高效利用,二是低碳和可再生能源的规模化应用,三是二氧化碳捕集和利用。



一、化石能源清洁高效利用


我国能源具有“富煤、贫油、少气”等特征。根据预测,我国能源消费在2030年达到峰值总量约56亿吨标准煤。石油消费量在2025年进入峰值平台区,天然气消费比重逐年增加,到2040年接近14%,但仍远低于同期全球天然气消费占比23%;煤炭消费比重持续下降,到2050年占比17%;非化石能源进入快速发展期,到2050年占比57%,2060年达80%,到本世纪中叶,石油和天然气消费比重总和为26%,仍是能源消费的主体之一。化石能源的清洁低碳利用,主要是指煤炭和石油的优化利用。


(一)煤炭的清洁高效利用

煤炭的清洁高效利用和转化一直是我国重要的能源发展战略,这方面已经开展了很多研究工作并取得了一系列重要进展,例如:2018年,以中科院的技术为核心,全球单套规模最大的煤炭液化装置、年产400万吨煤制油工程成功投产,实现煤炭资源清洁高效转化,拓宽我国油品供给渠道,有助于保障能源供应安全,习近平总书记专门致信祝贺;2021年,国家能源集团宁煤煤制油分公司全年产出油化品超过405万吨,全球单套规模最大煤制油项目建成投产以来首次达到设计产能。


乙烯、丙烯等低碳烯烃是现代化学工业的基石,日常生活中的塑料杯、保鲜膜、吸管等都是以烯烃为原料生产的。烯烃的传统生产工艺高度依赖于石油资源,中科院大连化物所长期开展煤制烯烃的技术研究。一方面,成功开发了煤经甲醇制取低碳烯烃DMTO成套工业化技术,处于国际领先水平。截至2022年底,DMTO系列技术已经签订了31套装置的技术实施许可合同(含出口1套),烯烃产能达2025万吨/年,约占全国现有产能的1/3,预计拉动投资超4000亿元。已投产的16套工业装置,烯烃(乙烯+丙烯)产能超过900万吨/年,新增产值超过900亿元/年。另一方面,利用纳米限域催化新概念,创立OXZEO催化剂和催化体系,开创煤经合成气制烯烃新捷径。合成气是一氧化碳和氢气的混合气,可由煤、天然气或生物质气化得到,传统的合成过程会消耗大量水,产生很多废水和二氧化碳。OXZEO可实现了煤经合成气直接转化制低碳烯烃等高值化学品,低碳烯烃选择性超过了80%。这一突破性成果于2016年发表在国际顶级学术期刊《科学》(Science)上,并得到同行的高度评价和认可,被誉为“里程碑式新进展”和“开创煤制烯烃新捷径”,入选2016年度“中国科学十大进展”,并作为重要内容之一获2020年国家自然科学奖一等奖。


(二)石油化工行业的发展趋势

石油化工是化工产业链上游基础,为国民经济的运行提供能源和基础原料,从排放总量的角度看,石油和化工行业对于全国碳排放总量的贡献较小,但单位能耗和单位碳排放强度较大。目前,原油加工市场逐渐趋于饱和,且新能源汽车迅速发展,石油化工行业的发展趋势是炼化一体化,炼油企业应大力发展炼化一体化生产工艺,提高原油制化学品收率。代表性技术有埃克森美孚技术,将布伦特原油直接进行蒸汽裂解,化学品收率大于60%;沙特阿美技术,采用一体化的加氢裂化、蒸汽裂解和深度催化裂化工艺直接加工阿拉伯轻质原油,化学品收率接近50%。国内中国石油、中国石化等大型企业,以及中科院过程工程研究所、中国石油大学(华东)等科研机构和高校也相继开展相关工作。


二、低碳和可再生能源的规模化应用


据统计,我国2022年能源消费总量为54.1亿吨标准煤,比上年增长2.9%。煤炭消费量占能源消费总量的56.2%,比上年上升0.3个百分点。石油消费量占能源消费总量的17.9%,比上年下降0.6个百分点。天然气、水电、核电、风电、太阳能发电等清洁能源消费量占能源消费总量的25.9%,上升0.4个百分点,比2012年提高了约11.4个百分点,我国能源消费结构加快向清洁低碳转变。根据预测,到2060年实现碳中和目标时,清洁能源消费量占比要达到80%,低碳清洁能源的规模化应用将是实现碳中和目标的关键。


(一)非化石能源发展迅速,“弃水”“弃风”“弃光”情况明显缓解

近年来,我国非化石能源发展迅速,截至2021年底,全国全口径非化石能源发电装机容量达11.2亿千瓦,同比增长13.4%,占总发电装机容量的47%,较上年提高2.3个百分点,历史上首次超过煤电装机比重。其中,水电装机容量3.9亿千瓦、风电装机容量3.3亿千瓦、太阳能发电装机容量3.1亿千瓦、核电装机容量0.53亿千瓦、生物质发电装机容量0.38亿千瓦。非化石能源利用水平继续提升,2021年中国风电、太阳能发电和水能利用率分别达到96.9%、98%和97.8%。广东、广西、云南、贵州、海南五省区风电、太阳能发电利用率均达99.8%,区域能源结构转型成效显著,“弃水”“弃风”“弃光”状况明显缓解。


(二)核能是实现碳中和战略目标不可或缺的低碳能源

核能具有能量密度高、供能稳定、碳排放低等优势,对于波动性的太阳能和风能发电来说是良好的稳定剂。在全球范围内,核能不仅是实现“双碳”战略目标的重要支柱能源,更被视为能源现代化产业的工业技术集大成者,其对能源清洁低碳转型和科技转型变革具有战略性带动作用。2021年9月,《中共中央 国务院关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》明确指出,“积极安全有序发展核电”。据测算2060年核电的总发电量达到2.7万亿度,2021年我国核电发电装机容量约5000万千瓦,还有很大的提升空间。


核能的利用包括核裂变和核聚变两种方式。关于核裂变主要有以下三个问题需要解决,一是安全性,二是核燃料的持续稳定供应,三是乏燃料安全处理处置。我国已经探明的铀资源约27万吨,按当前核电水平,已探明铀资源支持约40年,核燃料的持续稳定供应急需解决。当前我国乏燃料已累积近2万吨,每年新产生约1千吨,主要采用湿式暂存法处理,湿式暂存费约4万元/(吨·年),乏燃料安全处理处置急需解决。近年来,我国核电技术持续取得进步。关于核电的安全性问题,2021年12月,山东荣成石岛湾高温气冷堆核电站示范工程送电成功,是全球首个并网发电的第四代高温气冷堆核电项目,核安全性能较高,标志着我国成为世界少数几个掌握第四代核电技术的国家之一。关于铀资源短缺问题,中科院设立“钍基熔盐堆核能系统(TMSR)”先导专项,以钍为核燃料具有资源丰富、核废料少、毒性低和固有防核扩散等优点,还可减少稀土开采中的钍资源流失和放射性环境污染,是核能发展重要方向之一。但这目前还是研究项目,还没有达到应用程度。关于核乏燃料的安全处理,我们目前也正在进行重要的科研项目,瞄准解决这个问题。


核聚变反应是宇宙中的普遍现象,它是恒星(例如太阳)的能量来源。核聚变能也是能源发展的前沿方向,被视为未来社会的“终极能源”,如果人类可以掌控这种能量,就能摆脱目前地球的能源与环境危机困扰。到目前为止,人类对受控核聚变的研究主要分为两类:


一类是磁约束核聚变,如“国际热核聚变实验堆(ITER)计划”,它是全球规模最大、影响最深远的国际科研合作项目之一。ITER装置是一个能产生大规模核聚变反应的超导托克马克,俗称“人造太阳”。中国科学家积极参与国际热核聚变实验堆(ITER)相关工作,2021年5月,中科院建造的东方超环(EAST)在核聚变研究上取得进展,成功实现可重复的1.2亿摄氏度101秒和1.6亿摄氏度20秒等离子体运行,进一步证明核聚变能源的可行性,也为迈向商用奠定了物理和工程基础。2022年2月,欧洲核聚变研发创新联盟、国际热核聚变实验堆计划(ITER)等单位联合宣布,实现了受控核聚变能量的新纪录,它们在目前世界上最大的聚变反应堆,即在欧洲联合环(JET)中,将氢的同位素氘和氚加热到了1.5亿摄氏度并稳定保持了5秒钟,同时核聚变反应发生,原子核融合在了一起,释放出59兆焦耳的能量。有测算称,这相当于11兆瓦电力,大约能够为一个普通家庭提供一天的电力。JET是世界上唯一一个能够实现“氘氚聚变”反应的实验装置,保持着核聚变最大能量输出纪录。EAST更偏向于磁约束实验,并不实现核聚变反应,这是因为在EAST运行过程中,等离子体内只有D核素(氘),没有T核素(氚)。EAST实验的意义主要在于研究如何长时间稳定地约束等离子体,以便为我国参与的ITER项目及CFETR提供实验支持,维持聚变反应、解决材料辐照问题、能量转换、T滞留问题等都不是它的研究重点。我国自己筹建的中国聚变工程实验堆(CFETR),以实现聚变能源为目标,将研究走向实用化,可以弥补EAST不能发电等缺点。


另一类实现核聚变的方式是激光核聚变。2022年的12月,美国能源部官员宣布,加州劳伦斯利弗莫尔国家实验室,首次成功在核聚变反应中实现“净能量增益”,即聚变反应产生的能量大于促发该反应的激光能量。实验向目标输入了2.05兆焦耳的能量,产生了3.15兆焦耳的聚变能量输出,能量增益达到153%。3.15兆焦耳的能量相当于二两炸药的爆炸威力。这是世界上首次激光核聚变点火,是一个里程碑式的工作,引起了科学界和社会的广泛关注。当然,目前激光核聚变具有时间短,发电效率低等特点,科学上具有重要意义,可应用在一些特殊领域,离商业发电还有很长的路要走。2020年,中科院也立项部署了与美国不同技术路径的激光核聚变研究工作。


(三)储能是可再生能源大规模融合利用的关键

以风电、光伏为代表的可再生能源普遍具有间歇性、波动性、随机性的特点,要实现其大规模融合利用,储能是关键。根据预测,2060年我国储能规模将达到420GW(42000万千瓦)。根据统计,2022年我国已投运电力储能项目累计装机59.4GW,同比增长37%,其中,抽水蓄能占据最大比重,累计装机达46.1GW;新型储能发展继续保持高增长速度,累计装机规模达到12.7GW。储能行业仍有较大发展空间,比如,国家能源局2021年8月发布的《抽水蓄能中长期发展规划(2021—2035年)》,到2025年,中国抽水蓄能累计装机量要达到62GW以上,到2030年达到120GW,这意味着未来8年间有将近2.6倍的成长空间。


储能技术主要分为机械储能、电磁储能、电化学储能和其他储能。机械储能中的抽水蓄能技术成熟,是目前储能市场上应用广、占比高的技术,但其对地理条件依赖度高;压缩空气储能可以不依赖地理条件,中科院工程热物理研究所开发的100MW压缩空气储能技术,2022年9月在张家口并网运行,效率达到70%,接近抽水储能效率,已具备大规模商业化应用的条件。电化学储能是通过电池完成的能量储存、释放和管理的过程,具有配置灵活、建设期短、响应快速,可以有效提高可再生能源消纳水平,是未来储能技术发展的重要方向。主要分为锂离子电池、铅酸电池、液流电池、钠离子电池和金属—空气电池等。其中锂离子电池技术较为成熟,已进入规模化量产阶段,是目前发展快、占比较高的电化学储能技术,在电动汽车和新型储能中占主导作用。


液流电池方面,2022年10月,由中科院大连化学物理研究所提供技术支撑的迄今全球功率最大、容量最大的百兆瓦级液流电池储能调峰电站正式并网发电,全钒液流电池一定程度上具备大规模商业化的条件,但目前仍存在成本较高、系统效率低等问题。钙钛矿电池是电化学储能的新方向,具有吸光能力强、低成本和易制备、弱光效率高等优势和特点,但存在稳定性较差和大面积应用时的效率损失两个短板,是当前研究的热点之一。

当前我国储能技术发展仍然面临一些问题和挑战。一方面,我国在储能领域基础性、原创性、突破性创新不足,具有“领跑”意义的先进技术还不多,储能转化的相关机理、技术及系统的研究还不够成熟,尤其是在设计软件、设计标准与理念方面缺少话语权。另一方面,大规模储能技术推广,受电力系统市场机制不完善等方面限制,存在储能市场主体地位不明晰、市场机制不完善导致储能价值收益难以得到合理补偿等问题,现阶段还未建立成熟的竞争性电力市场运行机制,很难合理核定各类电力辅助服务的价格,从而造成储能的价值和收益难以对接。近年来这些方面都已经有所进步和改善,但问题依然突出。新型储能大规模应用的关键仍是技术和成本。技术方面,面临的难点是针对不同应用场景如何满足电网高安全性、大规模、长寿命、低成本、高效率等需求,关键材料、制造工艺和能量转化效率也是行业需要面对的挑战。成本过高是储能电站面临的普遍问题,降低成本主要依赖技术创新、规模化生产以及稳定的产业链体系。


(四)氢能与电化学储能具有高度互补性

氢能受到各方高度关注,2022年初国家发展改革委、国家能源局联合印发《氢能产业发展中长期规划(2021—2035年)》,首次明确了氢的能源属性。氢能是一种来源丰富、绿色低碳、应用广泛的二次能源,正逐步成为全球能源转型发展的重要载体之一。氢储能在能量密度、储能时长上具有较大优势,在能量转换效率、响应速度等方面相对较差,可以与电化学储能形成互补。近年来,我国氢气产量保持连续增长,已成为世界第一产氢大国,2021年产量达3300万吨。但是氢能的发展仍存在一些问题和挑战。一方面,目前氢气制取主要由化石能源制氢和工业副产氢构成,据中国标准化研究院不完全统计,目前我国煤制氢占比约62%,天然气重整制氢占比约19%,焦炉煤气、氯碱尾气等工业副产提纯制氢和石油制氢占比约18%,电解水制氢等约占1%,可再生能源制氢规模还很小。大家知道,通过化石能源燃烧制氢过程中会产生二氧化碳,是灰氢;在灰氢的基础上,将二氧化碳副产品捕获、利用和封存(CCUS)而制取后的氢气是蓝氢;通过使用再生能源(例如太阳能、风能、核能等)制造的氢气是绿氢,我们真正需要的是绿氢。另一方面,氢是元素周期表上最轻的元素,很容易泄漏,对储能容器要求高,常压下液化需在-235℃下,能耗较高。如果以管道运输,则需要克服纯氢以及掺氢气体给管道带来的安全隐患。现阶段,我国氢气储运主要以高压气态长管拖车运输为主,常用的高压气态长管拖车氢气储存压力为20兆帕,单车运载量约300千克氢气。液氢运输和管道运输的基础尚不成熟,液态储运、固态储运均处于小规模试验阶段,目前氢气管道里程约400千米,在用管道仅100千米左右。预计到2025年,液态储运和管道储运的方式将有初步发展,到2035年,高压气氢储运、液体储运和管道储运等多种氢气储运形式将实现并存。


氨既能当储氢介质,又能做零碳燃料。氨是天然的储氢介质,常压下,-33℃就能液化,便于安全运输,有完备的贸易和运输体系。可再生能源生产氢,再将氢转换为氨,运输到目的地,或许是一条解决途径。目前,氨的主要制备方式是氢气和氮气反应合成,全球年产量1.8亿吨,80%左右用于化肥行业,工艺成熟,成本低廉。在氨能使用方面,技术难题是不能稳定燃烧,如何获取“绿氨”,日韩等国在充分燃烧的研发方面遥遥领先,有氨动力船研究项目。


三、二氧化碳捕集和利用


根据测算,到2060年实现碳中和时,仍有一定数量的二氧化碳总排放量,其中一部分可以由海洋、陆地无机过程和陆地生态系统吸收,另一部分需要通过CCUS(碳捕集—利用—封存)技术进行去除。


碳捕获与封存(CCS)技术是指将二氧化碳从工业或相关排放源中分离出来,输送到封存地点,并长期与大气隔绝的过程。根据国际能源机构的估计,到2050年,CCS要想对缓解气候变化产生显著影响,至少需要有6,000个项目。每个项目每年在地下存储100万吨二氧化碳,而全世界只有三个如此规模的项目。可以说,如果CCS在未来20年不能进化为主流技术,情况将不容乐观。CCS技术无法迅速得到推广的主要原因是其高昂的成本,根据测算,以当前技术封存1吨二氧化碳需要200—300美元,就是说1吨煤燃烧排放2吨二氧化碳,至少需要400美元进行二氧化碳封存处理,将来如果技术没有突破性进展,这件事根本不可能做到。另外,其推广过程还存在诸多不确定因素,对环境也存在一定的影响。


碳捕获、利用与封存(CCUS)技术是应对全球气候变化的关键技术之一,受到世界各国的高度重视,纷纷加大研发力度,并取得一些研究成果。2021年9月,中科院天津工业生物技术研究所从二氧化碳人工合成淀粉的成果引起了广泛的关注,有网友将此比作空气变馒头。这是国际上第一次不需要依赖植物光合作用,而是采用人工手段,将自然的代谢过程重新拆解、组装,以二氧化碳、水和氢能为原料,生产出了人工的淀粉。目前,淀粉主要由玉米等农作物通过自然光合作用固定二氧化碳生产,合成与积累涉及约60步代谢反应以及复杂的生理调控,理论能量转化效率仅为2%左右。天津工业生物技术研究所从头设计出11步主反应的非自然二氧化碳固定与人工合成淀粉新途径,在实验室中首次实现从二氧化碳到淀粉分子的全合成,合成速率是玉米淀粉合成速率的8.5倍,向设计自然、超越自然目标的实现迈进一大步,为创建新功能的生物系统提供了新科学基础,是典型的从0到1的原创性成果。当然该成果目前尚处于实验室阶段,离实际应用还有一段距离。今年4月,电子科技大学、中科院深圳先进院在国际期刊《自然·催化》发表研究成果,电催化结合生物合成的方式,能将二氧化碳高效还原合成高浓度乙酸,进一步利用微生物,可以合成葡萄糖和油脂。有科学家认为,该工作耦合人工电催化与生物酶催化过程,发展了一条由水和二氧化碳到含能化学小分子乙酸,后经工程改造的酵母微生物催化,合成葡萄糖和游离的脂肪酸等高附加值产物的新途径,为人工和半人工合成“粮食”提供了新的技术。


据媒体报道,中国农科院与首钢朗泽新能源公司合作,全球首次实现从一氧化碳到饲料蛋白质的一步合成,并已形成万吨级工业产能。该项研究以含一氧化碳、二氧化碳的工业尾气和氨水为主要原料,制造新型饲料蛋白资源,将无机的氮和碳转化为有机的氮和碳,开辟了一条低成本非传统动植物资源生产优质饲料蛋白质的新途径。


2022年2月,美国西北大学和郎泽科技公司研究人员在《自然》发表论文称,他们在一项新的试点研究中,将一种梭菌进行遗传工程改造,用于合成此前它们无法产生的化合物,这种选择、设计和优化细菌菌株的过程,成功地证明了其将二氧化碳转化为丙酮和异丙醇的能力。这种新的气体发酵过程不仅可从大气中去除温室气体,还可避免使用化石燃料,而化石燃料通常是生成丙酮和异丙醇所必需的。


“碳达峰、碳中和”目标是党中央经过深思熟虑作出的重大战略决策,事关中华民族永续发展和构建人类命运共同体。科技创新,特别是能源的科技创新,是同时实现经济社会发展和碳达峰、碳中和的关键。社会各界应共同努力、携手并进,为实现“双碳”目标作出更大贡献。


(作者为中国科学院院士、中国科技大学名誉校长、中国科学院原院长)



来源|中能科讯