刘中民院士：呼唤颠覆性科技创新，助力实现“双碳”目标

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：

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。”

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。

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。

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。

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。

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。