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金涌院士:中国达到碳中和,需要依靠大幅度、颠覆性科技创

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【摘要】:

撰文/金涌(中国工程院院士、清华大学化工系教授)

整理/韩继波 新媒体编辑/吕冰心

2020年9月22日,我国在联合国大会上提出,二氧化碳排放力争于2030年前“达峰”,力争于在2060年前实现碳中和。我国从碳达峰到碳中和的过渡期仅有30年,能源和经济转型、二氧化碳和温室气体减排的速度和力度,比发达国家实现转型过程的速度和力度要大得多。2020年12月召开的中央经济工作会议将碳达峰、碳中和列为2021年八项重点任务之一。

(图片来源:网络)

中国未来40年的碳达峰与碳中和之路,对于我国而言,是工业化向信息化转变的时代;是可再生能源的时代;是核聚变能源的时代;是化石能源向化石资源转变的时代;是资源循环利用的时代。

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碳中和要与经济发展同步

工业、建筑、交通是减排重点

碳达峰和碳中和要与我国经济发展同步进行,所以我国的碳达峰、碳中和必须早规划,稳步推进,建立相关行业的退出机制,避免造成大的冲击。还要用可再生能源替代化石能源,依靠大幅度、颠覆性科技创新,从初级产品生产转变为髙附加值精细智能化产品的生产,而不是向金融业等虚体经济方向发展。

据估算,我国2060年人口总量与现阶段基本持平,约为14.6亿,届时人均GDP将突破5万美元大关,达到现阶段发达国家水平,而万元GDP能耗将低于目前发达国家水平,有望减少至0.05至0.1吨标煤。全年能源消费总量为23.73亿至47.46亿吨标煤。中国社会2019年能源消费总量为48.6亿吨标煤,可见我国社会2060年总能耗相较于现阶段将有所下降,在最乐观的情景下,能耗总量将下降一半以上。

工业、建筑、交通是化石能源消费最主要来源,也是降低能耗的重点对象。工业是最主要的能耗来源,其中,又以钢铁、建材、石化、化工、有色、电力等六大初级产品产业耗能最大、排放最多,且对煤、石油等化石能源的依赖度高,是我国节能减排的重中之重。

(图片来源:新华社)

工业节能需从产业结构与技术两方面下手。一方面推动传统资源密集型低端产业、重工业向高端制造业、高技术产业发展,减缓对钢铁、水泥等高能耗产品的需求,刺激对高端工业品、服务和绿色环境的需求增长。另一方面以科技创新推动能源效率提高,如发电效率提升有望减少10%的火电碳排放,能源效率提升可使吨钢能耗、单位水泥综合能耗等进一步下降,使工业能耗大幅减少。

建筑业运行能耗包含采暖、空调、照明、炊事、洗衣等能耗,其中,采暖与空调能耗占50%至70%,是建筑节能的重要指标。2017年,我国建筑总面积643亿平方米,平均建筑运行能耗为119.9(kWhm2a),单位面积能耗大。参照目前最先进的德国微能耗建筑,我国建筑单位面积能耗具有约90%的下降潜能,技术关键在于对建筑本身作优化设计,利用保温层做好墙体、屋顶和窗户保温,采用相变蓄热砂浆打造建筑内墙,利用地热能、风能、太阳能等可再生能源使建筑实现能量自给。预计我国2060年单位面积建筑能耗达到现阶段国际先进水平,约为10(kWhm2a),实现建筑运行总能耗相较于2017年下降约90%。

我国交通主要分为铁路、公路、水路、民航等形式,目前交通对于节能减排的响应主要集中体现在公路运输中。部分发达国家已发布禁售燃油车的相关规定,我国减少燃油车、推进新能源车发展的有关政策也正逐步完善。2019年,我国汽车保有量为2.6亿辆,其中新能源车为381万辆。随着智能、共享、公共交通的完善和政策的鼓励,私家车需求必将减少,预计2060年,我国将全部为新能源车,保有量约为1.5亿辆。对新能源车的庞大需求将为新能源、电池储能等产业带来巨大发展与挑战。此外,随着储电技术的快速发展,航空、铁路、航海电气化也将逐步实现,2060年有望实现全部电气化的零碳交通。

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去煤化是我国能源结构改良的关键

零碳电力成未来能量供应主体

实现碳中和不仅要依靠能耗总量的下降,更要依靠能源结构的改良,去煤化是我国能源结构改良的关键。电力是人类社会最佳的二次能源,随着清洁能源和储能技术不断发展、智能电网不断完善,零碳电力必将逐步替代燃煤发电,成为未来能量供应主体。

2019年,我国人均用电0.51万千瓦时,而根据前文预测,2060年,我国能源消费总量约为23.73亿~47.46亿吨标煤,若全由电力供能,则折合用电量19.3万亿~38.6万亿千瓦时,人均用电1.3万~2.6万千瓦时,是现在的2.5~5倍。而2019年美国人均用电1.35万千瓦时,2060年我国人均用电量为现阶段美国水平的1~2倍,实现以电力为主导可以期待。

过去10年可再生能源发电成本急剧下降,2019年,并网大规模太阳能光伏发电成本降至0.068美元千瓦时,陆上和海上风电成本分别降至0.053美元千瓦时和0.115美元千瓦时。同年火电平均发电成本约为0.05美元千瓦时。

为解决零碳电力系统波动性大、稳定性差等问题,最需克服大规模储能问题。我国2019年清洁能源消费占比为23.4%,其中可再生能源占15.3%,而根据国际可再生能源署的估计,2050年,世界平均可再生能源消费占比将达66%,预示着2060年,我国基本实现零碳电力供能。未来分布式能源与分布式储能的结合将成为解决人类能源问题的最终方案,以煤炭、天然气等化石燃料为燃料的火电厂仍将保有少量规模,以满足调峰与应急需求。

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资源化利用是理想途径

告别化石能源迈入新时代

化石资源化利用是指诸如煤炭、石油、天然气等不再作为能源,而是作为原料或材料投入使用,并经由化学反应转化为非能源产品。化石资源化利用可使碳元素以化合物的形式转向下游产品而非排入大气环境,化石资源得以从能源结构中脱离,与碳排放解绑。

已大幅减少的二氧化碳则可通过植树造林、CCUS(碳捕获、利用与封存)技术加以回收。虽然植树造林是很有效的碳中和途径,但是树叶、树枝、秸秆、粪便在腐败变质过程中会释放大量温室气体甲烷,所以必须要对树叶、粪便等物质进行处理,比如通过绝氧加热技术进行碳化处理,把这些物质中的氢元素分离、提取出来,分离后的这些物质成为多孔、固态生物碳,埋入土壤中既可以固碳,又可以保墒。

在未来充沛能源的支撑下,资源化利用是回收二氧化碳、实现碳中和最为理想的可行途径。二氧化碳资源化利用方式主要包括光合作用、矿化处理、化学品合成等方面。

通过对我国未来40年绿色低碳循环发展路径的系统性展望,我们绘制出一幅中国2060年碳中和蓝图。该蓝图的构建和实现遵循以人为本、科技支撑、经济可行、节奏合理四项原则。

2060年碳中和目标对我国既是挑战也是机遇。在推进碳中和的进程中,我国将从后工业时代迈向信息化时代,告别化石能源时代,迈入可再生能源时代、核聚变能源时代、化石资源时代、资源循环利用时代。

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