未來碳捕集需要的是新技術，
而不是穿新鞋走老路，
一定需要變革性的技術。
大家好！我是金紅光，很高興來到格緻論道講壇，和大家分享我對雙碳目标中關于能源低碳轉化的一些思考。
大陸在國際上做出了雙碳目标的承諾。在這個背景下，能源領域也提出了要能源革命。二十大報告中我們宣布要建構新型能源體系。
我個人認為，我們國家對雙碳目标很明确，但是在雙碳未來如何發展這個問題上還未達成共識。對于雙碳的重要性、必要性談得比較多，但是對于雙碳目标的艱巨性和複雜性，大家的認識還不夠充分。
首先，雙碳不是某一個行業、某一個裝備的事情，它牽扯到社會的各行各業以及我們在座的每一個人，它是非常複雜的。
第二，在國家發展層面上，大陸的産業結構、能源結構和西方國家，甚至國際上任何一個國家都是不一樣的。大陸GDP（國内生産總值）的構成中工業占比較高，大陸的能源當中高碳能源較多，我們的經濟發展目前還處于從大國走向強國的階段。是以，不能簡單地說某一個西方國家怎麼做，我們就怎麼做，我們要結合自身國情去考慮未來的發展。
在可持續發展的前景下，特别是在雙碳和綠色能源發展的前景下，我們需要考慮大陸的經濟和能源安全是什麼樣的。有人說，低碳、綠色能源和經濟與安全構成了一個“不可能三角”。到底是不可能還是可能，希望我後面的一些對科技的思考可以回答這個問題。
第三，在低碳發展的路徑當中，我們需要明确未來的新型戰略産業是什麼，主體能源是什麼，主戰場在哪裡。抓住了這些，我們才能夠大幅度地做好碳減排工作。我們必須清楚要如何轉變過去的發展模式，如何改變能源利用的方式以及如何發展變革性的技術。雙碳是一個新的領域、新的方向，企業也好，科技界也好，都應該對與它相關的關鍵技術突破給予足夠的重視。
為什麼這麼說呢？有一些新的突破可以實作某些功能，但是我們在工程上隻考慮了工程的應用，在科技層面隻考慮科技的革新，這樣的話我們就難以突破關鍵技術。
我談一下大陸目前能源和碳減排領域的一些現狀和問題。
第一步，我們用了幾十年提高能效，把發電效率從百分之三十幾提高到了百分之四十幾。第二步，我們遇到了新的問題，脫硫、脫硝和粉塵的問題，這些問題屬于環境污染。這兩個問題還沒有解決好，第三個問題又來了，就是碳的問題。我把這幾個問題稱作“能效”“清潔”還有“低碳”。
現在的能源發展模式，實際上是遇到一個問題就解決一個問題，我們走的是一個鍊式發展模式。這種鍊式發展模式給我們未來的可持續發展帶來了挑戰。它向我們提出了一個問題：能源、經濟、安全能不能協調發展？
我的答案是，隻有把能效的問題、清潔的問題和低碳的問題“三位一體”去解決，才能夠滿足圖中右邊的三角關系。這是一個重要的命題。
我們再來看能源的利用方式是什麼樣的呢？
一般能源的轉化部分都是單一輸入、單一輸出，高品位能源用于低品位。比如說，我們現在正在享受的冷氣。冷的品位并不高，但是我們用了電這種高品位能源。這種簡單粗放的利用方式造成我們的能源利用的“三高問題”：高能耗、高污染、高碳排放。
那麼，我們能源領域要如何解決這些問題呢？
01. 中國科學院的雙碳計劃
為了實作雙碳目标，各行各業都有自己的規劃，我們中國科學院也有一個支援碳達峰碳中和的行動計劃。
這個行動計劃包括了3個部分、8大行動和18項重點任務。這個計劃的主要抓手還是科技支撐，我們要突破高能耗行業的關鍵技術。這是我們的任務清單，我就不一一說明了。
先導A-煤炭清潔燃燒與低碳利用（2022-2026）
為了完成這個行動計劃，中國科學院規劃了多個先導項目。目前，我們已經啟動了“煤炭清潔燃燒與低碳利用”的先導項目。每一個先導項目都是10億級，還有很多我們正在醞釀的先導項目。
能源領域論證或準備啟動的先導項目
這些先導項目有幾個方面。第一，儲能方面；第二，氫能方面；第三，可再生能源方面；還有一個工業的低碳方面。這些在不久的将來都會啟動。
簡單地總結一下，我們國家在雙碳方面需要做的事有很多，有一些亟需解決的關鍵問題和亟需突破的關鍵領域，包括化石燃料的低碳轉化、可再生能源、氫能、儲能，還有碳捕集利用與封存（CCUS）方面。
02. 追求能源的梯級利用
那麼，我們目前能源利用問題的根源是什麼？最大潛力在哪裡？這些都是突破口，也是我們未來的發展方向。
技術科學思想起源：馮·卡門（左）、錢學森（右）
能源轉化實際上是一門技術科學。技術科學這個概念在很早的時候錢學森先生就提過。他認為工程技術和科學技術中間有一個橋梁，要搭建的這個橋梁就是技術科學。
如果科學界隻是從理論到理論，如果工程界隻解決工程問題，那就會存在這個鴻溝，不解決這個鴻溝就難以突破我們的關鍵技術。
在能源利用方面，建立我們工程熱實體學會和中國科學院工程熱實體研究所的吳仲華先生，他在20世紀80年代在中央黨校向中央書記處講解，為了讓大家能夠了解能源的利用，提出了“溫度對口、梯級利用”的用能理念。
那麼，什麼是“溫度對口、梯級利用”呢？就是說能源利用不僅要考慮能源的量，還要考慮能源的質。什麼是能質？比如說同樣的熱量在不同溫度下，高溫的、中溫的、低溫的，作功能力是不一樣的，我們把這個叫作品位不一樣。作功能力不一樣這件事，非常重要。從科學的層面，我們就可以從這個角度去看各種能源轉化到底轉化得好不好。
從80年代到現在，在國家檔案裡面都能夠看到“能源的梯級利用”，後面我也會從梯級利用的繼承和發展上去闡述我們的方向和關鍵技術。
能源轉化：能量、能質、能勢變化
我們做能源的一般是得到了熱能以後，把熱能再轉換成發電和作功，我們把這個轉化叫作熱轉功。這個過程能實作的最高效率是卡諾循環效率，就是圖中的曲線。
我們過去的工作基本上都停留在曲線下方這個藍顔色的卡諾循環效率的範圍内。而我們大部分化石燃料利用，是通過一把火把它轉換成熱能，再去做各種事情。
我想強調的是，我們這一把火，就是這個綠顔色的部分，碳氫燃料在燃燒過程當中的不可逆損失是最大的。損失最大的地方就是潛力最大的地方，就是突破口。
這種能源轉化不僅影響了效率，而且這個燃燒過程正是污染物和二氧化碳産生的根源。如果我們關注這個綠顔色的部分，我們就能夠做到同時解決能效的問題、污染的問題和碳排放的問題。是以，我把它叫作能源的有序轉化。
換句話說，過去我們注重的是圖中的下半部分，現在我們要注重的是上半部分，才能做到高效、清潔和降碳“三位一體”的能耗最小化。無論面對什麼能源，我們科技界的主攻方向都是探索如何做到這一點。
火力發電的現狀與問題
這張圖裡我簡單地羅列了一下，左半部分是燃煤發電，右半部分是天然氣發電。我們知道全世界一半的煤都在中國，中國一半的煤都用于燃煤發電。
工業發展離不開電，這麼多的煤發了這麼多的電，那現在的發電狀況怎麼樣呢？較高的燃煤發電的效率能達到45%左右。
為什麼是效率是45%？我用最簡單的語言來解釋。我們的燃燒溫度是1800℃，但是蒸汽輪機入口溫度才600℃。這就相當于水力發電中1800米高的水位到600米的水位都沒有被利用，從600米開始我們才開始利用它發電。換句話說，火力發電中從1800℃到600℃的作功能力都損失掉了。這就是剛才說的，能源不僅有能量，還有能質。
從能量角度來看，我們鍋爐的效率并不低，有百分之九十幾，但是它作功能力的使用率才50%左右。是以，這種利用方式不符合吳先生提出的“溫度對口、梯級利用”，隻是一個簡單循環。
現在經常提到說，我們的電廠是超臨界、超超臨界。但那隻是壓力，不是溫度，溫度依然很低。目前這麼做不但效率低，而且二氧化碳被稀釋，不容易回收。
是以，要注意的是未來的方向。這個圖右邊我們能看到，天然氣發電得先經過瓦斯輪機。瓦斯輪機的入口溫度是1600℃，排溫也比較高。在它後面再接一個蒸汽輪機，就能做到梯級利用。目前，位于東莞的一台機組，它的發電效率可以達到63.6%，遠遠高于現在其他所有的發電方式，包括氫的燃料電池。氫能發電的發電效率也僅有55%。
天然氣發電效率經過梯級利用後，效率這麼高，那它的碳排放是多少呢？1度電才0.33公斤。而大陸煤炭發電碳排放最低也要超過1度電0.6公斤。
是以，我們如果能夠做到這種化石能源的利用方式，就比現在更進一步了。當然還有比這更好的，我們需要再向前發展。
現在再考慮一個重大的問題，我們未來的高效低碳應該是什麼樣的？到目前為止，大陸的城市能源利用方式是利用煤炭發電、用電制冷、用燃料制熱，這種方式叫單一輸入，把高品位的能量用在低品位。這種發展模式急需我們突破。
那怎麼突破呢？我們可以依靠分布式能源梯級利用系統。它是利用高溫段發電、中溫段制冷、低溫段制熱的一種能源系統。根據不同品位的特點，這種分布式能源梯級利用系統不僅能給使用者提供電，還能進行制冷和制熱。
臨近使用者的這種能源系統是我們未來的一個很好的發展方向，這種系統是大幅度節能的基礎。中國科學院工程熱實體所承擔了一個科技部的863項目，我們在東莞的一家企業裡面做了示範工程。它在供冷、供熱、供電量不變的前提下，可以一次性節省29.3%的燃料，這是第三方測試的結果。
國外也有這種系統，類似系統（奧斯丁CCHP項目）獲得了美國能源部的環境能源獎。我們現在的這個系統比美國的還要好得多。
到目前為止，國内分布式能源系統大幅度節能做得最好的，還是我們的這個項目。分布式能源系統适用于不同能源系統、不同行業的能源種類，我們也牽頭制定了相關的國家能源标準。
03. 用變革性技術實作碳捕集
在能源利用的同時，我們還需要碳捕集，碳捕集的目的就是讓高碳能源能夠低碳利用。
很多人認為，高碳能源不能低碳利用，實際上是可以做到的，一是通過高效節能降碳，二是通過直接碳捕集。
碳捕集的現狀與問題
國際上現在考慮到碳捕集主要有三個環節，叫燃燒前、燃燒中、燃燒後。大陸考慮比較多的，是在現有電廠鍋爐後面的燃燒後環節捕集二氧化碳。
煤經過燃燒以後再排放，煙氣裡面的二氧化碳濃度比較低，隻有百分之十幾。這時再去捕集二氧化碳，它的分離能耗就比較高。高到什麼程度呢？剛才我已經講了，我們用了三十幾年把發電效率從百分之三十幾提高到百分之四十幾，但二氧化碳捕集會額外消耗20%～30%的能源，讓發電效率下降十個百分點以上。
為了捕集二氧化碳，一夜之間又回到30年前，發電效率又降低到百分之三十幾，我認為這種捕集方式的額外能耗過高。
碳捕集的經濟性需要考慮。捕集一噸二氧化碳需要二三百塊錢，按照這種思路進行碳捕集的話，也不夠經濟。是以，未來碳捕集需要的是新技術，而不是用傳統的技術“穿新鞋走老路”，一定需要變革性的技術。
大陸的碳排放中，百分之八十幾的碳都來源于化石燃料的燃燒。這個燃燒過程必須要變革，不變革難以解決碳減排的問題。
傳統燃燒需要燃料和空氣，實際上燃燒可以分富氧燃燒、氫氧燃燒、純氧燃燒、無火焰燃燒，還有化學鍊燃燒，等等。
原創性提出了“化學鍊燃燒”動力系統
化學鍊燃燒是我們提出的一個無火焰的燃燒方式，這種方式實作了二氧化碳定向遷移，無需額外分離二氧化碳。美國能源部在碳捕集技術路線裡面把它列為前沿性的技術。國際上幾個大國都在研究這個燃燒方式，最具權威的聯合國IPCC報告也認可了我們的工作。
上：天然氣水基化學鍊制氫
下：化石燃料制氫脫碳協同轉化
最近，我們把化學鍊燃料應用在天然氣制氫上。因為傳統的制氫方式溫度比較高，這就要求必須燃燒，是以能耗高。用化學鍊燃燒不需要燃燒，就可以把溫度降下來，使制氫能耗降低20%～30%。這個也是跟我們科學院系統内的中科集團在聯合研發的項目。
還有一個傳統能源利用轉化當中的重大問題，是什麼呢？大陸煤的氣化非常重要。我們的瓦斯化主要不是用于發電，而是用于生産，比如說甲醇、天然氣甚至合成氨的生産。
現有煤制清潔燃料尚未達到變革性低碳轉化水準
在這個工業過程中，我們可以看到合成氣的制備過程效率很低，合成過程的效率還相對高一些。從煤到甲醇的最終合成效率隻有45%，非常低。為什麼這麼低呢？
這個圖是使用氫氣和氮氣生産合成氨産品，這是為了做化肥。它一次通過的轉化率非常低，隻有8%。有上萬名化學家緻力于研究催化劑，試圖提高它的轉化率，但是都沒有成功。隻有哈伯（F. Haber）教授把未反應氣的氣體再打到氣體的入口，利用未反應氣再循環的方式，使轉化率從8%提高到百分之九十幾，最終獲得了諾貝爾獎。工業界把這個方式産業化後，又獲得了一次諾貝爾獎。這奠定了化工行業近百年的基本工藝，就像卡諾循環效率一樣。
随着轉化率吃幹榨盡，看這張圖裡有一個圓圈，我叫它能耗拐點。化工産品采用的這種制作工藝，過了這個拐點以後，能耗就會急劇上升。也就是高轉化率是以高能耗為代價的。
這個問題是系統性問題，對此我們正在研發一個新的氣化方式。
現有的瓦斯化方法
傳統瓦斯化方式的化學轉化效率也叫冷瓦斯效率，這個轉化效率較高，但是需要空分制氧。把空分制氧所需要的電加進去以後，它這個氣化單元的效率并不高，隻有百分之六十多。這也就是說我們必須要突破這種高能耗的轉化方式。
碳氫組分定向轉化的分級氣化方法
是以，我提出來一種“三步法氣化”。先熱解産生碳，碳再跟一氧化碳反應，然後一氧化碳再跟水反應。經過這三步以後，不用空分，就能夠把氣化效率大幅提高。
變革性低碳轉化系統
這種氣化方式能把百分之六十幾的效率提高到百分之八十幾，對現有電廠甚至新的聯合循環電廠，乃至于化工轉化都能起到一個變革性的突破效果。
清潔燃料與電力的多聯産技術
在這個能耗拐點之前可以做化工，拐點之後就到了我們動力裡面。動力系統裡，氫和一氧化碳都是燃料，可以被很好地利用。在化工裡面，氣體比例掌握不好就難以轉化，能耗就會很高。我們目前在電廠嘗試做氫和化工産品的聯産。以後的電廠就不是單純的發電，還有一些多功能的特點。
圖中左邊是我們現有的碳捕集方式，以能效下降為代價。如果采用了變革性的技術，既能提高效率，又能夠把碳捕集下來。這種技術路線才适合我們國家未來的可持續發展道路。
04. 太陽能動力的挑戰
除了碳捕集，還有一個重要話題——太陽能。在光伏外，聚光太陽能的發電效率到現在發展仍不理想，原因之一就是我們仍然保持傳統的思路，還在讓高品位的聚光太陽能通過蒸汽輪機這種低品位的方式發電。
我們知道，燃煤用蒸汽輪機、天然氣用瓦斯輪機、燃油用柴油機。既然是聚光太陽能是一種新的方式，為什麼我們還要用蒸汽輪機？這都是我們需要面對的挑戰。
美國針對聚光太陽能提出來了一種超臨界二氧化碳的動力循環，我認為還有更好的循環。
太陽能燃料源頭化學儲能方法
我提出來一個方法。聚光太陽能二三百度的時候直接發電的效率很低，我們可以驅動燃料的轉化，把二三百度太陽能提升到合成氣燃料的品位。太陽輻射充足的時候太陽能可以直接驅動發電機，還能儲存一部分合成氣。等下午太陽輻射不足的時候，儲存的合成氣能夠提供給這個發電機。這樣對轉化裝置連續運作非常有益。太陽能技術一定要注意它的連續性，可再生能源利用的重要問題就在于不能連續運作。
那麼，它的作用是什麼呢？我們把多發的電和投入的太陽能的比值叫做太陽能淨發電效率，這個效率現在已經達到了25%。最近我們還在實驗，有望達到30%，遠遠高于光伏。這個裝置内部的鏡面材料隻是鋼鐵和玻璃，不是半導體。
最後我想說，我們能源的發展需要從吳先生提出的“溫度對口、梯級利用”，到能源的互補轉化，最後實作低碳轉化。我們未來的發展一定是一個多元化、低碳化、智能化的過程。
謝謝大家。