【导读】世界知名能源专家刘珂院士为文汇第150届演讲厅嘉宾。他拥有超过20年的海外经验，包括在GE，UTC和埃克森美孚。2009年回国，参与北京低碳清洁能源研究院（现为国家能源集团北京低碳清洁能源研究所）的筹建工作，担任副所长兼首席技术官。随后受邀担任南科大原校长陈石屹院士、南科大创新创业学院院长、清洁能源研究院院长，一直从事低碳和能源研究。彼亦为澳洲国家工程院外籍院士，在美国及中国拥有100多项发明专利。
2020年12月，演讲厅在深圳举办"创新文化与开放——深沪双城互学进步学术研讨会暨第150届文汇讲座厅"时，他就新能源问题采访了刘克院士。这是他最近作为第四期《科技创新报告》嘉宾发表的讲话，该报告将分期出版。
今天我想和大家谈谈一些数据和事实。
2020年，中国人的平均碳排放量为7吨，这是一个日线数字 据统计，2020年，我国的二氧化碳排放量将在103亿吨左右（报告的数据为102亿吨至108亿吨，我将选择其他文献中也用的103亿吨的中间数字）， 其中煤炭、石油、天然气的排放量达到95亿吨，另一部分是各种小的，如沼气、生物质等一些排放物。因此，大约92%的二氧化碳排放量是由上述三种化石能源燃烧产生的：煤炭，石油和天然气。测量任何公司，任何单位，任何系统，并准确地计算这三者。该国有这三者的统计数据，没有必要额外测量二氧化碳排放量。
2020年，我国煤炭消费总量约为36亿吨，相当于标准煤约28亿吨，每吨标准煤乘以系数，表明煤炭每年排放约73.5亿吨二氧化碳。2020年，我国石油消费量超过7亿吨，折算成标准煤约9亿吨，排放二氧化碳15.4亿吨;天然气消费量转化为4亿吨标准煤，排放6亿吨二氧化碳;这三者加起来达95亿吨。103亿吨除以14亿人，人均约为7.4吨，一家三口平均每年排放22吨二氧化碳，这是一个日的数字。
大家都说，每天用空调、开车等都与碳有关，每一个人，每一小步节能，都可以为碳中和做出一点贡献，但完成碳中和的任务还是很艰巨的，而且是一个漫长的过程，这就是为什么习总书记提出要达到2030年的高峰，在2060年实现中和， 不是现在。我们一定会在未来40年内实现我们雄心勃勃的碳中和目标;但在短期内，我们不会缺少化石燃料。虽然风能、太阳能、CO2转化为化学物质、CCS、CCUS、提高能效都有助于碳减排，值得鼓励探索和实施，但在不久的将来，CO2在当前日常排放量中减少的比例相当有限。
碳中和是一个非常复杂的系统工程，需要通过各种技术渠道和各种努力来减少碳;每个行业都强调自己的碳减排路线，但其他行业的碳减排路径和各种减排路径并不是很清楚，公众对碳中和的挑战和认知有一定的局限性，有以下六个误区，需要用数据来解释：
太阳能和风能价格便宜，但电力供应不稳定，储能成本高，目前仅占火电的12.5%。
储存能源的一种方式：通过电解太阳能、风能和核能的水来制备绿色氢气和氧气，制备无CO2排放且无水蒸气转化的甲醇
首先，人们认为风能和太阳能比火电便宜，因此太阳能和风能可以完全取代火力发电，实现碳中和。这句话只有1/5到1/6。由于每年有8760小时，而我国太阳能发电小时数因地而异，从1100小时到2000小时以上不等，超过2000小时的地区并不多，全国平均水平约为1450-1750小时。也就是说，太阳能在大约1/6-1/5的时间段内比火电便宜;而在其他5/6-4/5时间段，如果要储存电力，其成本会远远高于火电。风能发电时间每年略长于太阳能，约为2000小时，但电力需要24小时供应，不能说一个发电厂每年只提供一两千小时，因为我们不能说有阳光和风的时候就有电， 停电时没有太阳，没有风。太阳能和风能更便宜，但最大的问题是电力供应不稳定。
因此，经过40多年的巨大努力，风能和太阳能有了显著的增长，与煤电相比，它们仍然相当有限。例如，2019年，全国风能和太阳能发电总量合计约1.92亿吨标准煤发电量，只能替代煤炭发电量的12.5%左右。
而且，电网依靠电池来储存电力是非常危险的。据估计，全球电池制造商5年以上的电池生产能力只能满足东京3天停电的电力。如果我们有4/5或6的时间依赖电池存储，这是不可想象的。在这种情况下，光和风的弃风问题非常严重，因为电网只能容纳15%的不稳定电源。风能和太阳能产生的电力不能被电网完全吸收。如果继续增加风能和太阳能，大规模储能的问题解决不了，只能放弃更多。
我国放弃光和风有两个原因，一是技术因素，即太阳能、风能是无法预测的，电网不足15%就能容纳，超过15%无法容纳，随着智能电网的发展，这一比例会上升，但还需要时间;二是机制因素，地方保护主义的存在可能使地方脱离对当地GDP的考虑，更喜欢使用地方火电。机制问题，可以在中央大力推进"碳中和"的背景下解决。因此，太阳能和风能需要大力发展，但目前，电力储存的成本仍然很高，在可预见的未来仍然不可能完全取代化石能源发电。
目前，战略应立足于实现意图，不能依靠可能的技术突破。
各种类型能量的能量密度
其次，人们认为，如果储能技术的进步，风能和太阳能可以完全取代火力发电。这个假设太大了，因为自从铅酸电池发明一百多年来，人类已经花费了数千亿美元的研发资金来研究储能，这可以从铅酸电池的90kWh/m3增加到今天的特斯拉的260 kWh/m3，电池的能量密度并没有从根本上进行革命性的转变。要知道，汽油是8600千瓦时/立方米。与此同时，迄今为止最便宜的大型GW（十亿瓦装机容量）水平的电力存储是100多年前发明的抽水蓄能技术。
科学技术的突破并非不可能，但今天不可能预测明天的发现。例如，火药是在火药发明近千年后发明的。但这是一个很好的提醒，在制定任何策略时，不要使用尚未发生的突破和假设来决定你能做什么。过去，我国科技综合水平落后于西方，一张白纸就可以借鉴经过验证的技术路线，结合我国的发展需要，描绘出科技的发展战略。但是，既然我们已经取得了甚至领导了许多领域，我们的战略必须基于现有的，经过验证的和现实的技术路线。如果没有技术突破的证据，就不能假设这项技术一定会有突破。
不同行业的进步是不一样的，计算机行业有摩尔定律，这么多年确实发展迅速，但能源行业还没有发现像摩尔定律那样的类似定律，"碳中和"必须选择一条现实可行的前进路线。
将二氧化碳转化为化学品不具有碳减排价值，不能由国家补贴
第三，有人认为我们可以将二氧化碳转化为各种化学物质，如保鲜膜，化妆品等。这些必须能够改造，赚钱，才能做到，但这些都不能从根本上解决二氧化碳问题。粗略估计，一个三口之家平均每年排放22吨碳，但一个家庭每年的碳消耗量不能超过20吨。
另一方面，据估计，世界上只有约13%的石油生产我们所有的石化产品，其余约87%的石油被燃烧。如果世界上的化学物质是由二氧化碳制成的，那只能解决13%的石油排放量的碳中和问题。因此，大规模由二氧化碳制成的化学品不具有碳减排价值。二氧化碳对其他化学品对碳减排的贡献是相当有限的。
因此，将二氧化碳转化为任何化学物质，如果你能赚钱，你可以做到，但如果你不能赚钱，就不要用"碳中和"的概念来接受国家补贴。我这么说可能会冒犯很多人，但我们科学家必须说实话，谈论数字。我也去过很多关于碳中和的论坛，很多时候甚至一些经济学家都在谈论它，没有数字的概念，只有粗略的概括，说这种方式可以减少碳，可以减少碳，但没有减少多少的概念。你不能责怪他们，像山一样交错。
CO2分离后，被驱入地下埋藏，效果有限，经济价值取决于未来的碳税价格。
1912年，爱迪生用他的电动汽车拍了一张照片。
第四，二氧化碳可以被大量捕获和利用。利用CCUS（碳捕集利用和封存技术）技术，对生产过程中排放的二氧化碳进行捕获和净化，然后投入到新的生产工艺中进行回收或储存。从理论上讲，可以实现二氧化碳的大规模捕获。现在大家都说，二氧化碳在电厂里是分离出来的，分离完成后，可以用来把油水淹没，等等。近年来，我国整个CO2驱气量约为每年几百万吨CO2的消耗量，而我国每年排放的103亿吨CO2非常有限。而石油泛滥的阶段是，一部分二氧化碳进入地下，一部分会跟着石油流出，这不是一个完整的埋葬。
把碳埋在地下，我在回家之前在通用电气研究过这个问题。煤、水和氧被转化为氢气和二氧化碳，氢气燃烧产生水蒸气，二氧化碳被打到地下。当时，我们做了一个示范项目，前后花费28亿美元，在数百名医生的参与下，花了7年时间建造了一座630MW的IGCC火力发电厂，曾经计划分离IGCC发电厂产生的每天消耗6000多吨煤的CO2，并将其全部埋在地下， 这项技术可以实现净零排放，但并不经济，最终决定只发电，不埋二氧化碳。这次演示具有环保意义，工厂至今一直在美国运营，我们完成这个项目后，我们发现，即使我们没有分离和掩埋二氧化碳，这也是GE成立以来最复杂的工业体系。别看GE生产了全球80%的飞机发动机，以及大量的大型医疗设备，如核磁共振、CT等，包括三峡水利工程设备和青藏线机车等，然而，这座630MW近零排放的IGCC火力发电厂是爱迪生创立盖迪生100多年来由GE建造的最复杂的工业系统， 在先进和环保方面具有优势，但成本太高。
核能是碳减排的重要基础负荷发电技术，但人们能否接受其高成本带来的高电价需要探讨。因此，碳中和问题不仅是一个技术问题，更是经济社会平衡发展的综合性问题。现在在电厂分离二氧化碳，分离到地面后可以做油淹和埋设这条路，在可以换油的地方，有一些经济效益，我国新疆等地也有类似的二氧化碳驱车工程。这件的成本主要是从锅炉废气中分离二氧化碳的成本，我们计算过，假设CO2撞击地面的成本为每吨30美元，其中20美元是将整个废气中的二氧化碳分离成纯二氧化碳， 5美元是把它运到埋葬点，另外5美元是把它压缩到地下。分离是核心，成本是最大的。在目前的技术手段下，依靠CCUS来应对的成本非常高，作用有限，当然，这方面的成本也可以通过研发来降低，能否在经济上具有竞争力，取决于未来碳税的价格。
单靠提高能效不能满足发展总量，有效降低碳中和
第五，通过大幅减少工业过程和产品使用中的碳排放，提高能源效率，可以实现碳中和。能源效率将不断提高，而提高能源效率是世界上成本最低的碳减排途径。由于中国经济和生产水平的快速发展，在加入WTO后的头10年里，我们的碳排放量进一步增加。我记得2000年中国石油消费量约为20亿吨，2010年约为4亿吨，到去年则接近7.5亿吨。2000年中国煤炭消费量为13.8亿吨，2020年为近40亿吨。在许多新的工业类别中，能源效率得到了极大的提高，排放量也减少了。
我是做能源的，你可以从能源的数据变化中看到整个社会的变化。在我们加入WTO之前，有一个非常重要的数字，我国煤炭产量约为13亿吨，基本上是自产自销，出口一点点，但很少。因此，在截至2013年的短短13年内，它从约13亿吨飙升至约39亿吨，这是每日体积，当然伴随着碳排放。应该如何解释？唯一的解释是，中国加入了WTO，世界市场向中国开放。当然，我们这一时期的大量房地产建设也是一个因素。煤炭的消耗量表示电力的消耗，电力的消耗量表示工业化的程度。在此期间，能源效率肯定有了很大的提高，但仅靠能源效率并不能解决碳中和问题。因此，提高能源效率是碳减排的重要手段，但只要化石能源仍在使用，能源效率对碳中和的贡献也非常有限，并且有一个现实的考虑，即仅靠提高能源效率无法实现碳中和。
从碳排放全生命周期来看，电动汽车对碳减排和气候变化的影响有限
现实的碳中和路径之一：基于绿色甲醇氢能的分布式能源热电联产
第六，人们相信电动汽车可以减少碳排放。前段时间，我在网易公开课上谈到了《电动汽车与氢能的历史与未来》，全国约有10万人在观看，很多领导看完后跟我讨论了这个问题：我们为什么要发展电动汽车？很简单，主要是因为中国没有足够的石油，我们进口了73%的石油;有环境问题，如烟雾。
我们没有足够的石油，我们希望我们建设的超级发电能力是好的，所以发展电动汽车是有益的。每年有8，760小时，但是我们建造了太多的火力发电厂，为了让每个人都有食物，许多火力发电厂实际上每年产生的电力不到4，000小时，这是巨大的资产浪费。而且毕竟电动汽车可以减少当地的污染，比如东部地区的用电往往是派往西部、新疆等地，污染在西部地区，而不是在东部地区。然而，从整个生命周期的碳排放分析来看，电动汽车考虑到电池生产过程中的排放，如果电网中的大部分电力仍然是火电，电动汽车对碳减排和全球气候变化的影响非常有限。
为什么电动汽车不能完全解决碳中和问题？只有我国能源结构彻底改变，电动汽车才能被视为清洁能源和碳中和。如果能源结构没有改变，如果电网主要是煤电，那么电动汽车的扩张对减少碳排放的贡献是非常有限的，可以做到这一点来了解。只有当能源结构和大部分电网由可再生能源组成时，电动汽车才能被认为是清洁能源。
如何有效实现碳中和？未完待续
作者：刘珂
编辑：钱轶辰