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丁仲禮:深入理解碳中和的基本邏輯和技術需求

來源:學習俱樂部 作者:丁仲禮 人氣: 發布時間:2022-09-11 12:06:38

2020年9月,國家主席習近平代表我國向世界作出莊嚴承諾:我國二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值,努力爭取2060年前實現碳中和。自此之后,我國各地掀起一股爭取實現“雙碳”目標的熱潮,并為此作了大量人力和物力的投入。這表明我國上上下下對這個“雙碳”目標的態度是十分嚴肅的,國際社會應該對我們這個“需要在不長時期內作出世上規模最大的碳減排”的國家有充分信心。但同時我們自己也應深刻認識到:根據我們國家的能源資源稟賦以及目前所處的發展階段,要真正在2060年前實現碳中和,困難非比尋常。這里面最大的困難是我們尚沒有全面支持從“高碳社會”向“碳中和社會”轉型的技術體系,因而綠色低碳的產業體系還需要在研發大量新技術的基礎上才能逐步得到發展和確立。

中國科學院在習近平主席宣布“雙碳”目標后,設立了一個大型咨詢項目,組織百余位來自多個學部的院士和專家,著重就我國實現碳中和需要形成一個什么樣的技術體系這一問題,做了“清單式”的研究,并形成了專門報告和著作。本文將以這個研究為依據,從碳中和的概念和邏輯入手,重點介紹完成碳中和的“技術需求清單”,并在此基礎上討論幾個公眾比較關心的問題。

一、碳中和的概念

碳中和應從碳排放(碳源)和碳固定(碳匯)這兩個側面來理解。

碳排放既可以由人為過程產生,又可以由自然過程產生。人為過程主要來自兩大塊,一是化石燃料的燃燒形成二氧化碳(CO2)向大氣圈釋放,二是土地利用變化(最典型者是森林砍伐后土壤中的碳被氧化成二氧化碳釋放到大氣中);自然界也有多種過程可向大氣中釋放二氧化碳,比如火山噴發、煤炭的地下自燃等。但應該指出:近一個多世紀以來,自然界的碳排放比之于人為碳排放,對大氣二氧化碳濃度變化的影響幾乎可以忽略不計。

碳固定也有自然固定和人為固定兩大類,并且以自然固定為主。最主要的自然固碳過程來自陸地生態系統。陸地生態系統的諸多類型中,又以森林生態系統占大頭。所謂的人為固定二氧化碳,一種方式是把二氧化碳收集起來后,通過生物或化學過程,把它轉化成其他化學品,另一種方式則是把二氧化碳封存到地下深處和海洋深處。

過去幾十年中,人為排放的二氧化碳,大致有54%被自然過程所吸收固定,剩下的46%則留存于大氣中。在自然吸收的54%中,23%由海洋完成,31%由陸地生態系統完成。比如最近幾年,全球每年的碳排放量大約為400億噸二氧化碳,其中的86%來自化石燃料燃燒,14%由土地利用變化造成。這400億噸二氧化碳中的184億噸(46%)加入到大氣中,導致大約2ppmv的大氣二氧化碳濃度增加。

所謂碳中和,就是要使大氣二氧化碳濃度不再增加。我們可以這樣設想:我們的經濟社會運作體系,即使到有能力實現碳中和的階段,一定會存在一部分“不得不排放的二氧化碳”,對它們一方面還會有54%左右的自然固碳過程,余下的那部分,就得通過生態系統固碳、人為地將二氧化碳轉化成化工產品或封存到地下等方式來消除。只有當排放的量相等于固定的量之后,才算實現了碳中和。由此可見,碳中和同碳的零排放是兩個不同的概念,它是以大氣二氧化碳濃度不再增加為標志。

二、我國二氧化碳排放來源及實現碳中和的基本邏輯

我國當前二氧化碳年排放量大數在100億噸左右,約為全球總排放量的四分之一。這樣較大數量的排放主要由我國的能源消費總量和能源消費結構所決定。我國目前的能源消費總量約為50億噸標準煤,其中煤炭、石油和天然氣三者合起來占比接近85%,其他非碳能源的占比只有15%多一點。在煤、油、氣三類化石能源中,碳排放因子最高的煤炭占比接近70%。我國能源消費結構中,煤炭占比如此之高,在世界主要國家中是絕無僅有的。

約100億噸二氧化碳的年總排放中,發電和供熱約占45億噸,建筑物建成后的運行(主要是用煤和用氣)約占5億噸,交通排放約占10億噸,工業排放約占39億噸。工業排放的四大領域是建材、鋼鐵、化工和有色,而建材排放的大頭是水泥生產(水泥以石灰石(CaCO3)為原料,煅燒成氧化鈣(CaO)后,勢必形成二氧化碳排放)。

電力/熱力生產過程產生的二氧化碳排放,其“賬”應該記到電力消費領域頭上。根據進一步研究,發現這45億噸二氧化碳中,約29億噸最終也應記入工業領域排放,約12.6億噸應記入建筑物建成后的運行排放。所以我們說,我國工業排放約占總排放量的68%,如此之高的占比在所有主要國家中,也是絕無僅有的,這是我國作為“世界工廠”、處在城鎮化快速發展階段、經濟社會出現壓縮式發展等因素所決定的。

根據我國二氧化碳的排放現狀,我們就非常容易作出這樣的推斷:中國的碳中和需要構建一個“三端共同發力體系”。

1.電力端

即電力/熱力供應端的以煤為主應該改造發展為以風、光、水、核、地熱等可再生能源和非碳能源為主。

2.能源消費端

即建材、鋼鐵、化工、有色等原材料生產過程中的用能以綠電、綠氫等替代煤、油、氣,水泥生產過程把石灰石作為原料的使用量降到最低,交通用能、建筑用能以綠電、綠氫、地熱等替代煤、油、氣。能源消費端要實現這樣的替代,一個重要的前提是全國綠電供應能力幾乎處在“有求必應”的狀態。

3.固碳端

可以想見,不管前面兩端如何發展,在技術上要達到零碳排放是不太可能的,比如煤、油、氣化工生產過程中的“減碳”所產生的二氧化碳,又比如水泥生產過程中總會產生的那部分二氧化碳,還有電力生產本身,真正要做到“零碳電力”也只能寄希望于遙遠的將來。因此,我們還得把“不得不排放的二氧化碳”用各種人為措施將其固定下來,其中最為重要的措施是生態建設,此外還有碳捕集之后的工業化利用,以及封存到地層和深海中。

三、電力供應端的技術需求

傳統上,電力供應系統包括了發電、儲能和輸電三大部分,從現在業界經常談到的“新型電力供應系統”的角度,還應把用戶也統籌考慮在內。從實現碳中和的角度,我國未來的電力供應系統應該具備以下六方面特點。

一是電力裝機容量要成倍擴大。我國目前的發電裝機容量在24億千瓦左右,如果考慮以下因素:(1)未來要實現能源消費端對化石能源的綠電替代和綠氫替代;(2)從世界大部分先發國家走過的歷程看,人均GDP從一萬美元到三四萬美元之間,人均能源消費量還會有比較明顯的增長;(3)風、光等波動性能源的“出工能力”只有傳統火電的三分之一左右,那么我國2060年前的裝機容量至少需要60億到80億千瓦。

二是風、光資源將逐步成為主力發電和供能資源。其中西部風、光資源和沿海大陸架風力資源是主體,各地分散式(尤其是農村)光熱資源是補充。

三是“穩定電源”將從目前的火電為主逐步轉化為以核電、水電以及綜合互補的非碳能源為主。

四是必須利用能量的存儲、轉化、調節等技術,彌補風、光資源波動性大的天然缺陷。

五是火電還得有,但主要作為應急電源和一部分調節電源之用。與此同時,火電應完成清潔、低碳化改造,有條件的情況下,用天然氣代替煤炭,以降低二氧化碳排放強度。

六是在現有基礎上,成倍擴大輸電基礎設施,把西部充沛的電力輸送到中東部消納區。與此同時,加強配電基礎設施建設,增強對分布式能源的消納能力。

在這樣的電力供應系統中,碳中和本身的目標要求未來電力的70%左右來自風、光發電,其他30%的穩定電源、調節電源和應急電源也要盡可能地減少火電的裝機總量。正因為如此,未來需要促進發電技術、儲能技術和輸電技術這三方面的“革命性”進步。

發電技術要為綠色低碳電力生產提供支撐。這里面需重點促進可再生能源發電技術的進步,特別是要注重發展以下技術:(1)光伏發電技術雖已發展到可平價上網的程度,但這類技術在降成本、增效率上還有潛力可挖;

(2)太陽能熱發電技術對電網友好,既可保證穩定輸出,也可用于調峰,但目前發電成本過高,未來應在材料、裝置上尋求突破;

(3)風力發電技術也基本具備平價上網的條件,未來要在大功率風機制造、更高空間風力的利用、更遠的海上風電站建設上下功夫;

(4)地熱分布廣、總量大,但能量密度太低,如要將地熱用于發電,還得重點突破從干熱巖中提取熱能的技術;

(5)生物質能也是可再生能源,目前生物質能發電技術是成熟的,但其在總的電力供應上的占比較為有限;

(6)海洋能和潮汐能的總量不小,但其利用技術有待進步;

(7)傳統的水電我國開發程度已經較高,未來在雅魯藏布江、金沙江上游開發上還有較大潛力。

除以上可再生能源發電以外,社會公眾還得接受這樣的現實:要達到碳中和,核電還得較大程度地發展,因為核電應作為“穩定電源”的重要組成部分。此外,火電還得在“穩定電源”“應急電源”“調節電源”方面發揮作用,正因為如此,“無碳電力”在很長時期內是難以實現的,除非我們把火電站排放出的二氧化碳收集起來再予以封存或利用。

儲能技術在未來的電力供應系統中將占有突出的位置,這是因為風、光發電具有天然波動性,用戶端也有波動性,這就需要用儲能技術作出調節?梢赃@樣說,如果沒有環保、可靠并相對廉價的儲能技術,碳中和目標就會落空。儲能是最重要的電力靈活性調節方式,包括物理儲能、化學儲能和電磁儲能三大類,而靈活性調節還有火電機組的靈活性改造、車網互動、電轉燃料、電轉熱等方式和技術。

物理儲能主要有四類。一是抽水蓄能電站,它是最成熟的技術,我國以東部山地為依托,已建、在建和規劃中的抽水蓄能電站總量很大,但可再生能源豐富的西部如何建抽水蓄能電站還得探索。二是壓縮空氣儲能,主要是利用地下鹽穴、礦井等空間,該類技術在我國還處在起步階段。三是重力儲能,簡單地說是利用懸崖、斜坡等地形,電力有余時把重物提起來,需要電力時把重物放下用勢能做功,這類技術我國尚處在試驗階段。四是飛輪儲能,這是成熟的技術,但其能量密度不高。

化學儲能就是利用各類電池,大家熟知的有鋰電池、鈉電池、鉛酸(碳)電池、液流電池、液態金屬電池、金屬空氣電池、燃料電池(氫、甲烷)等。不同的電池有不同的應用場景,它們在未來的電力供應系統中具有不可或缺的地位,但今后會遇到電池回收、環保處理、資源供應等問題。

電磁儲能主要是超級電容器和超導材料儲能,目前看,它的作用還有待觀察。

現有火電機組的靈活性改造是指使其“出工能力”具備靈活性,用電高峰時機組可以發揮100%發電能力,用電低谷時只“出工”20%或30%。這個技術一旦成熟,應該非常管用,尤其在實現“雙碳”目標的早中期階段,應將其作為主打技術。

車網互動是指電動汽車與電網的互動。簡單地說,今后大量的電動汽車整合起來就是一個非常龐大的儲能系統,如果在電網電力有余時,它們中的一部分集中充電,而電力不足時,它們中的一部分向電網輸電,這樣就起到了平滑峰谷的作用。這個想法很美好,也有點“浪漫”,但如何將理論上的可能性轉化為實踐中的可行性,估計還得創新商業模式。

電轉燃料就是把多余電力轉化為氫氣、甲烷等燃料,電力不足時再把燃料用于發電。電轉熱儲能則是用水、油、陶瓷、熔鹽等儲熱材料把多余的電轉化為熱儲存,需要時再為用戶放熱。

新型電力供應系統的第三個主要組成部分是輸電網絡。從實現碳中和的邏輯分析,我國未來的電網將有以下幾個突出特點:

(1)遠距離的輸電規模將在現有的基礎上增加數倍,意味著要把西部的清潔電力輸送到東部消納區,輸電基礎設施建設的需求巨大;

(2)為了統籌、引導大空間尺度上的發電資源和用戶需求,大電網應是基本形態;

(3)貼近終端用戶(如工業園區、小城鎮等)的分布式微電網建設將受到重視,并將成為大電網的有效補充;

(4)為解決波動性強的可再生能源占比高、電力電子裝置比例高的特點,需要在電網的智能化控制技術上實現質的飛躍。

從上面的介紹可知,建立一個新型電力系統,其實是逐步“擠出”火電的過程,或者嚴格地說,是一個把火電裝機量占比減到最小的過程,留下的火電也得作“清潔化”改造。我國具有充足的風能、太陽能,從理論上講,資源絕對足夠。但能不能把這些分布廣、能量密度低的風、光資源利用起來,并保證電價相對便宜,研發出先進的技術,尤其是儲能技術是關鍵中的關鍵!

四、能源消費端的技術需求

能源消費端的減碳有兩個關鍵詞,一是替代,二是重建。所謂替代就是用綠電、綠氫、地熱等非碳能源替代傳統的煤、油、氣,而重建則強調在替代過程中,一系列工藝過程需要重新建立。

對此,我們可分九個領域,對能源消費端的低碳化所需研發的技術或替代方式分別作出簡單介紹。

1.建筑部門應在三個方面發力。首先是對建筑本身作出節能化改造;其次是針對城市的建筑用能,包括取暖/制冷和家庭炊事等,均應以綠電和地熱為主;農村的家庭用能,則可采用屋頂光伏+淺層地熱+生活沼氣+太陽能集熱器+外來綠電的綜合互補方式。

2.交通部門可著眼于五個方面。未來私家車以純電動車為主;重卡、長途客運可以氫燃料電池為主;鐵路運輸以電氣化改造為主,特殊地形和路段可采用氫燃料電池,同時發展磁懸浮高速列車;船舶運輸行業中的內河航運可用蓄電池,遠航宜用氫燃料電池或以二氧化碳排放相對較少的液化天然氣作為動力;航空則可用生物航空煤油達到低碳目標。

3.鋼鐵行業碳排放主要來自煉焦和焦炭煉鐵,它可分兩階段實現低碳化。第一階段是對煉焦爐、高爐等的余熱、余能作充分利用,同時用鋼化聯產的方式把煉鋼高爐中的副產品充分利用起來。第二階段是逐步用新的低碳化工藝取代傳統工藝,研發和完善富氧高爐煉鋼工藝,煉鋼過程中以綠氫作還原劑取代焦炭,對廢鋼重煉用短流程清潔煉鋼技術等。

4.我國建材行業的排放主要來自水泥、陶瓷、玻璃的生產,其中80%來自水泥。建材行業低碳化應從三方面研發技術,一是用電石渣、粉煤灰、鋼渣、硅鈣渣、各類礦渣代替石灰石作為煅燒水泥的原料,從原料利用上減少碳排放的可能性;二是煅燒水泥時,盡可能用綠電、綠氫、生物質替代煤炭;三是用綠電作能源生產陶瓷和玻璃。

5.化工排放來自兩大方面,一是生產過程用煤、天然氣作能源,二是用煤、油、氣作原材料生產化工產品時的“減碳”,比如用煤生產乙烯,需要加氫減碳,其中加的氫如果不是綠氫,就會有碳排放,減的碳一般會作為二氧化碳排放到大氣中。因此,化工行業的低碳化應從四個方面入手,一是蒸餾、焙燒等工藝過程用綠電、綠氫;二是對余熱、余能作充分的利用;三是適當控制煤化工規模,條件許可時盡量用天然氣作原料;四是對二氧化碳作捕集—利用處理。

6.有色工業中的碳排放主要來自選礦、冶煉兩個過程,在整個冶金行業排放中,鋁工業排放占比在80%以上,因為電解鋁工藝用碳素作陽極,碳素在電解過程中會被氧化成二氧化碳排放。因此,冶金工業的低碳化一是在選礦、冶煉過程中盡可能用綠電;二是研發綠色材料取代電解槽中的碳素陽極;三是對電解槽本身作出節能化改造;四是對鋁廢金屬作回收再生利用。

7.在其他工業領域中,食品加工業、造紙業、纖維制造業、紡織行業、醫藥行業等也有一定量的碳排放,其排放來源主要有兩個方面,一是生產加工過程中用的煤、油、氣,二是其廢棄物產生的排放。這些行業的低碳化改造主要在于用綠電替代化石能源,同時做好廢棄物的回收再利用。

8.服務業是一個龐大的領域,但服務業以“間接排放”為主,即服務業用電一般被統計到電力系統碳排放中,運輸過程中的用油一般被統計到交通排放中,建筑物中的用能(包括餐飲業的用氣)則被統計到建筑排放中,似乎“直接排放”的量并不大。但這樣說,并不是說服務業可以置身于低碳化之事外,恰恰相反,服務業亦有可以“主動作為”的地方,這一方面是大力做好節能工作,另一方面是盡可能用電能替代化石能源的使用。

9.農業的碳排放主要來自農業機械的使用,與此同時,農業中的畜牧養殖業以及種植業是甲烷(CH4)、氧化亞氮(N2O)的主要排放源,而這二者的溫室效應能力是同當量二氧化碳的數十倍至數百倍。從這樣的前提出發,農業的低碳化一是農業機械用綠電、綠氫替代柴油作動力;二是從田間管理的角度,挖掘能減少甲烷和氧化亞氮排放但不影響作物產量的技術;三是研發出減少畜牧業碳排放的技術;四是盡可能增加農業土壤的碳含量。

根據這九方面的介紹,我們可以看出:在能源消費端用綠電、綠氫等替代煤、油、氣,從理論上講是不難做到的,但工藝和設備的再造重建絕不是一件簡單的事。同時我們也可以想象,這樣的替代和重建一定會增加最終消費品的成本。所以說,替代和重建需要時間。

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