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刘中民院士:呼唤颠覆性科技创新,助力实现“双碳”目标

2021-08-18 17:14:31 mana 135
在近日举办的首届“青年科学家50²论坛”上,多位特邀院士嘉宾和“科学探索奖”获人代表在主论坛中带来了内容充实的学术报告和跨学科的交流与对话。两个多小时的精彩学术分享和讨论,吸引了超百万观众在线上同步观看。


为了方便更多热爱科学的朋友领略、重温这些中国顶尖科学家们的独到见解和深刻思考,一起拥抱科学,我们将于近期持续推出主论坛中“嘉宾对话”和“学术报告”环节的实录。


之前,为大家回顾了第一场嘉宾对话《科学的问题与价值》、第二场嘉宾对话《交叉研究的意义与难点》,以及陈学伟教授的学术报告《铸好水稻抗病“芯片”,保障人民生活健康》、刘江来教授的学术报告《从地下2400米看宇宙》和朱军教授的学术报告《探索安全可靠的人工智能》。今天,我们将为大家带来刘中民院士的学术报告《“双碳”目标与科技创新方向思考》


报告嘉宾介绍:

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为什么“双碳”目标如此重要?


什么是“双碳”目标?2020年9月22日,习近平总书记在联合国一般性辩论大会上提出:中国将提高国家自主贡献力度,加大政策措施力度,力争在2030年实现“碳达峰”,在2060年前实现“碳中和”。此后,我国最高领导人在国际、国内各种场合,多次强调此目标。今年7月30日,中共中央政治局会议上进一步部署了“双碳”实施工作,强调全国一盘棋,要纠偏,要先立后破。


今年3月15日,中央财经委员会第九次会议上,总书记特别强调,“碳达峰”、“碳中和”目标是党中央经过深思熟虑而做出的重大战略决策,事关中华民族永续发展和构建人类命运共同体;它是一场广泛而深刻的经济社会系统性变革,要纳入生态文明建设整体布局;实现“碳达峰”、“碳中和”是一场硬仗,也是对我们党治国理政能力的一场大考。“碳中和”、“碳达峰”被提升到了前所未有的高度,并在全国上下引发了讨论热潮。


“双碳”议题受到如此高的关注,可以从全球气候变化找到原因。近期气候异常情况频发,前几天郑州突降大雨,就是一个例子。除此之外山洪暴发、山火爆发等等都是气候异常的例子。大家普遍认为,气候变化与大气环境、太阳辐射密切相关。正常情况下,辐射的量与吸收及反射的量是均衡的。但是如果大气吸收的热量过多,地球会变暖,出现温室效应。


一般认为温室效应是由温室气体引起的,虽然部分科学家们对此依旧有争论,但目前为止,二氧化碳被认为是引发温室效应的主因,它占到所有温室气体排放里大约75%。二氧化碳与能源及工业结构密切相关,它是能源生产和使用最主要的排放气体。


从上世纪90年代开始,全世界开始逐渐形成气候共识。从“联合国气候变化谈判”到《京都议定书》再到《巴黎协定》,在全世界范围内,逐步从强调共同有差别的责任,正在过渡到强调共同责任。中国从被动参与者走向主导引领者,这是我们作为一个大国必须承担的责任。


我国的总体发展目标是:全国的发展分两步走,2035年要达到中等发展国家水平,2050年GDP再翻两番,到4万美金左右。因此,我国需要强大的工业结构和低碳化能源体系以支撑发展。“双碳”目标与国家发展目标实际上是互相配套的。没有“双碳”目标,就没有强大的、可以支撑长远发展的工业体系,国家目标也难以实现。所以总书记讲:“应对气候变化是中国可持续发展的内在要求,这不是别人要我们做,而是我们自己要做。”


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简单科普一下“碳达峰”和“碳中和”的概念。“碳达峰”曲线就像山峰,有升有降,达到曲线顶端的极大值就是“碳达峰”;大自然会吸收二氧化碳,人类的活动会排放二氧化碳,如果吸收和排放达到动态平衡,就是“碳中和”。特别需要注意,“碳中和”并非不允许排放二氧化碳,因为人类的呼吸都会排放二氧化碳,不能追求绝对的零排放,这会危及到每一个人的生命安全。


我们国家每年排放100多亿吨二氧化碳,80%左右与能源及工业相关。能源与能源结构和资源密切相关,工业也是能源消耗的主要产业。


2014年中央做出了安排,开启了全线能源革命,不仅强调供给侧改革,还强调能源消费革命、技术革命、体制革命和国际合作。能源革命在文明历史发展中有举足轻重的地位,能源革命与工业革命交互发展,互相促进。煤炭促进蒸汽机发展,蒸汽机又促进了煤炭开采;第二次、第三次能源革命,出现石油和电力,影响现在的第二次、第三次工业革命。


能源革命呼唤构建新体系


第四次能源、工业革命正在发生,它呼唤着技术革命。事实上,科学技术发展到今天已到达革命前夜 。昨天我参观了腾讯公司,看到它在人工智能方面做得特别好,现在人工智能已经影响到生产、生活的各个方面,所以不论有没有能源革命、工业革命和科技革命,人工智能都会到来。能源革命、工业革命、科技革命和人工智能四个将会互相叠加,形成广泛而深刻的经济社会系统性变革。我们正处在变革的大潮之中,挑战极大,从基础科学研究的突破,到技术的发展、技术的集成,再到整个体系的建设,特别呼唤科学技术创新,有难度有挑战,但也有大发展的新机会。


严格意义上来讲,我国没有系统化的设计过能源结构。我们的能源结构是从历史传承而来的,煤炭、石油、天然气曾经在国家发展历史中做出了举足轻重的贡献。现在又有了新能源、核能等。各种能源的目标是一致的,但我们的各能源分系统相对独立,难以合并“同类项”,所以整体效率不高,结构不合理。


因为目前的体系有一定的问题,所以要“能源革命呼唤构建新体系”。这不纯粹是政策的问题,我国目前缺乏连接各能源分系统的关键技术,没有技术做支撑,政策的作用就无法发挥。


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多能融合

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关于能源新体系,中科院讨论了很多,我借此与大家分享我们的基本思考。在化石能源方面,煤炭、石油、天然气的目的是一致的。煤炭主要是提供电力。我们国家缺乏石油,出于安全问题考虑,所以用煤做一些石油所做的事。我国天然气资源不足,当前最主要的能源任务是保障民用。


化石能源排放的气体通过净化,可以从中拿掉氧化氮和氧化硫等,但排除不了二氧化碳的产生,这是科学原理所决定的。所以必须有清洁新能源、可再生能源包括风能、光伏、地热、核能等。但是这些能源存在的方式和化石能源不一样,它们强烈依赖于时间和空间,所以它存在的方式与利用方式密切相关。


总体上来讲,新能源的发展与化石能源的降低不是线性的、此消彼长的关系。新能源的发展并不意味着化石能源自动等比例消退,这里包含很多科学和技术问题。从能量的角度、全国构建能源大网络的角度看,需要储能。储能是广泛的概念,手机的电池、笔记本的电池等都是储能,我们需要各种类型的储能,特别是可以与能源骨干网发生联系的储能。


光有储能还不够。能量利用如何更合理?效率如何提高?如何减少二氧化碳排放?都是亟待思考的问题。要减少二氧化碳排放,需要没有碳的物质去对冲,比如氢能。氢是洁净的二次能源,但是它远远超越了能源的作用。其使用方式不一样,减少的量和能源效率是不一样的,这其中有很多连接各种能源技术关键节点的问题,从产氢,氢的储运,到氢的利用,需要战略研究,需要把不同的技术汇总起来,形成优化的搭配关系。这里还要兼顾人工智能、智慧化在能源体系中的应用问题。


石油化工与煤化工要融合的原因是油不够。如果石油充足,原则上我国不用做煤化工。但是要做煤化工,就必须兼顾到煤化工与石油的协调发展。总体来看,我国的炼油能力过剩,但是大宗化学品远远不够,随着电动车的普及,炼油的能力还会降低,这会更进一步加剧大宗化学品不够的问题。大宗化学品的主要用途是生产各种材料等,它也具备低碳的功能,所以煤化工和石油化工的融合,最基本的任务是保障安全,同时把结构调节得更加合理。


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从技术发展角度来说,有巨大的创新空间。石油加工的过程是大分子变成小分子的化学键断裂过程,需要外部给予能量,所以基本上所有的化学反应都是吸热反应。煤化工在造气之后,合成气及甲醇再往下进行反应,原则上是能量降低的过程,都会发生放热反应。一方面是强吸热的反应,一方面是强放热的反应,都是催化过程,为什么不能用一个催化剂、一个过程去加工呢?


举一个例子,石脑油制乙烯丙烯是我国最主要的制烯烃技术来源,不用催化剂,通过高温热裂解制作,能耗极高,还会产生大量的甲烷。这一部分甲烷又用作供热,它原则上是燃烧石脑油,这一部分甲烷的存在意味着石脑油利用率无法提高。我们的团队做了很多甲醇制烯烃的事,这是强放热催化反应。石脑油和甲醇可以共同作为原料,用一个催化剂、一个过程达到制烯烃的目标。600度时,甲烷的产率可以降到2.36左右,比单独的石脑油过程降低10个百分点以上,温度降1/3,能耗至少降1/3。不仅有需求,也有巨大的技术创新空间。


煤化工的出现是因为石油不够。现在出现了一种奇怪的趋势,把煤等同于污染的来源,但是把煤看低的同时,还在用着煤发的电。煤化工也有巨大的改进空间,煤炭颜色是黑的,但是它并不脏,我们要为煤炭正名,因为至少很长一段时间内,国家的发展还必须以煤炭为支撑。对此,还是要冷静地思考,理性地对待。


举一个煤制烯烃的例子,从原理上看煤化工过程,不可能规避二氧化碳排放,但是如果与清洁能源、电解水制氢气、氧气结合起来,就可以大幅度减排二氧化碳。如果电解水的氢足够,煤化工造气部分水就可以少加,合成气变换部分可以去掉,能耗自然就降低,二氧化碳排放就会降,整体可以减排大概70%,这就是两种资源耦合的威力。再进一步,若充足的绿氢和电解水产生的氧足够,还可以将空分部分省掉,甚至可以将附近的二氧化碳引入造气装置,可以促进煤化工二氧化碳零排放,甚至负排放。所以煤化工是有减排前途的。


另一个例子是关于储能的。可再生电特别是风能和光能的产生呈现出波动的特性。但用户在使用期间要求供电稳定且不出现波动,因此储能很关键。当储能成为不同能源的汇集端时,如果想发挥它的最大效率,它一定是智能化、网络式的,所以储能是构建智能化电网的必要条件。


下面讲一些典型的难减排工业,重点讲钢铁和水泥。今天,我们用新的眼光去看已经成熟的工业,它未必对,但是我们能找到出路,这其实就是工业流程再造。


钢铁行业的典型生产流程分多个步骤:焦炉、高炉、转炉、连铸和轧钢,其原理是用一氧化碳还原氧化铁,最后产生二氧化碳。这个过程中产生的各种尾气里都有氢和一氧化碳,这是煤化工经过复杂的流程才产生的。但是大多被用作了燃烧、发电之中,这显然不合适,我们应当把它制作成新的化学品。


这就提到了耦合问题,石油能做的事,钢厂尾气都能做,包括油品和化学品,但要因地制宜地做。乙醇是一个例子,乙醇是联系现在和未来的能源载体,社会接受度非常高,所以我们重点发展乙醇。全国钢厂25%剩余尾气约可制1000万吨乙醇,不仅可解决“与民争粮”问题,还能减少钢厂二氧化碳排放量近2000万吨。钢铁行业如果再进一步减排,做到二氧化碳零排放,就需要使用氢。从原理上,氢冶金的二氧化碳排放量只占高炉冶金二氧化碳排放量的20%。


水泥行业,是公认的“减不了”行业,其原理是碳酸钙分解成氧化钙,氧化钙最后变成硅酸钙。碳酸钙分解成氧化钙的过程释放二氧化碳。对此,有些人认为除非改变水泥,不然不能做到“水泥减碳”。但是我们认为不用改,只需要换个思路。碳酸钙分解不一定要在空气里进行,在天然气、甲烷环境下分解,它就成了对其他行业有高价值的一氧化碳和氢。因此,我们的建议是,在还原情况下把碳酸钙分解成氧化钙是完全可以的。


青年科学家的责任

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我想请年轻的科学家关注这件事,“碳达峰”、“碳中和”是人类从高碳到低碳到无碳的关键期,不仅仅是“双碳”这么简单,与国家的发展密切相关,与人类命运共同体的构建也密切相关,里面有很多的挑战,最大的挑战是科技。呼唤年轻人,呼唤颠覆性技术,大家一起携手努力,一起发展,发展是最重要的。


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