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导读
2021年7月15日上午，国际知名的能源专家、澳大利亚国家工程院外籍院士、南方科技大学创新创业学院院长刘科做客科技创新院士报告厅，围绕“碳中和误区及其现实路径”做了精彩演讲，在业内引起广泛关注。
碳中和的事不光是一个技术的问题，更是经济和社会平衡发展的综合性问题。
一个三口之家每年平均排放22吨二氧化碳，这是一个天量的数字。
风能和太阳能比火电都便宜了，因此太阳能和风能完全可以取代火电实现碳中和。这句话只对了1/5到1/6。
中国正大力发展电动车，如果技术不突破，不把钴和锂的用量降下来，造得越多材料越贵。
氢能汽车，为什么没有产业化？哪些环节没有解决？
为什么甲醇可能是作为最好的储氢载体？
碳中和的几个现实路径是什么？
碳中和近期很热，大家都在谈，但真正对这一方面有全面理解的人不多。
据统计，2020年，我们中国二氧化碳排放大约103亿吨，其中，煤炭、石油、天然气排放达到95亿吨。所以，约92%的CO2排放是以上煤炭、石油、天然气这三种化石能源燃烧产生的。
103亿吨除以14亿人口，人均大概7.4吨，一个三口之家每年平均排放22吨二氧化碳，这是一个天量的数字。
在这种情况下我们怎么才能在对经济影响最小的前提下，实现碳中和？碳中和的现实路径有哪些，这是我希望跟大家进一步探讨的。
01
关于碳中和的误区
碳中和是一个非常复杂的系统工程，需要通过多种技术渠道及各种努力去减碳；每个行业对自己的减碳路线都有所强调，但对其他行业的减碳路径及各种路径对减碳贡献的量不是很清晰，大众对碳中和的挑战及认知有一定局限，存在以下几个误区，需要用数据来说明：

第一个误区是认为风能和太阳能比火电都便宜了，因此太阳能和风能完全可以取代火电实现碳中和。这句话只对了1/5到1/6。因为一年有8760小时，而中国的太阳能每年发电小时数因地而异，在1100小时到2000多小时之间不等，超过2000多小时的区域不多，全国平均大约在1450-1750小时左右。也就是说太阳能大约在1/6–1/5的时间段比火电便宜；而在其他5/6-4/5的时间段，如果要储电，其成本会远远高于火电。
风能每年发电的时间比太阳能略微长一点，大约是2000小时左右，但我们用电不能说有太阳有风的时候用电，没太阳、没风的时候就停电。太阳能和风能是便宜了，但最大的问题是非稳定供电。
而且，电网靠电池储电的概念是非常危险的。据估算，目前全世界电池生产商5年多的电池产能仅能满足东京全市停电3天的电能。如果说我们有4/5的时间或者5/6的时间要靠电池储电，这是不可想象的。况且，这个世界也没有那么多的钴和锂，没法让我们造那么多的电池。
在这种情况下，弃光弃风的问题非常严重，因为电网只能容纳~15%的非稳定电源。风能、太阳能发出来的电，电网没法全部承受。如果继续增加风能、太阳能的同时，大规模储能问题解决不了，只能废弃更多。
因此，太阳能和风能需要大力发展，但在储电成本仍然很高的当前，在可见的未来仍然无法完全取代化石能源发电。
第二个误区是人们以为有个魔术般的大规模储电技术，认为如果储能技术进步，风能和太阳能就能彻底取代火电。这个假设太大了，因为自铅酸电池发明至今一百多年来，人类花了数千亿美元的研发经费研究储能，可从铅酸电池的90千瓦时/立方米增加到今天特斯拉的260千瓦时/立方米，电池的能量密度并没有得到革命性的根本的改变。要知道，汽油是8600千瓦时/立方米。同时，迄今大规模GW（十亿瓦特发电装机容量）级的储电最便宜的还是100多年前就被发明的抽水蓄能技术。
不同行业的进步不一样，计算机行业有摩尔定律，这么多年确实发展得很快，但是能源行业目前还没找到类似摩尔定律一样的规律，“碳中和”必须选择现实可行的路线来推进。
有一个笑话是，比尔·盖茨跟波音公司总裁讲，假如飞机行业的技术进步跟计算机一样快，那现在人人都可以不用开车，改为开私人飞机了。波音公司的总裁说，假如我的技术跟你一样的话，这个世界就没人敢坐飞机了，因为那个年代计算机动不动就死机。
所以说，大家不要认为某一个行业发展很快，其他所有行业就都一样能够快速发展。能源行业本身就是一个不断地砸钱但技术进步缓慢的行业。未来储能技术肯定会有新发明与突破，我们鼓励储能技术的创新与发展，但制定战略时，要以今天已经被大规模证明的技术为基础，没证明技术突破不能先假设这个技术肯定会有突破。
第三个误区，有些人认为我们可以把二氧化碳转化成各种各样的化学品，比如保鲜膜、化妆品等等。这些要能转化、能赚钱，可以去干，但是这些没法从根本上解决二氧化碳的问题。粗略估算，一个三口之家一年平均排放碳22吨，但什么产品一个家庭一年也消耗不了20多吨。
另一方面，据估算全世界只有大约13%的石油就生产了我们所有的石化产品，剩下的大约87%的石油都是被烧掉的。如果把全世界的化学品都用二氧化碳来造，也只是解决13%的石油排碳的碳中和问题。二氧化碳转化为其他化学品对减碳的贡献是相当有限的。
所以说，把二氧化碳转化成任何化学品，如果能赚钱那可以去干，但挣不了钱就别打着“碳中和”的概念来拿国家的补贴。讲这个话我可能会得罪很多人，但我们科学家要讲事实，拿数字说话。我也参加过很多关于碳中和的论坛，很多时候甚至有些经济学家在讲的时候，没有数字的概念，只有一个粗概，说这样可以减碳、那样可以减碳，但是对减多少没有概念。这个也不能怪他们，隔行如隔山。
第四个误区，是说可以大量地捕集和利用二氧化碳。利用CCUS（碳捕集、利用与封存技术）技术，把生产过程排放的二氧化碳进行捕获提纯，再投入到新的生产过程中进行循环再利用或封存。理论上能够实现二氧化碳的大规模捕集。现在大家说在电厂把二氧化碳分离，分离完以后打到地下可以做驱油和埋藏等等其他的作用。我看到一个数字，近年，中国整个二氧化碳驱油消耗量大概是每年几百万吨CO2耗量，与我们一年的排放是103亿吨CO2总量相比是非常有限的。
而且驱油这个阶段是一部分二氧化碳进到地里，还有一部分会跟着油出来，它不是一个完全的埋藏。
我回国前在GE曾经研究过这个事情。把煤和水、氧转成氢气和二氧化碳，氢气燃烧发电产生水蒸气，二氧化碳就打到地底下。当时我们做了示范工程，前后花了28亿美元，有上百名博士参与，用了7年的时间建成了630MW的IGCC火电厂，一度时间曾经计划把这个每天耗6000多吨煤的IGCC电厂产生的CO2分离后全部打到地下埋藏，这个技术能够实现净零排放，但是不具备经济性。
我们做完这个项目以后，才发现即使不分离埋藏CO2，这一630MW的近零排放的IGCC火电厂是GE自爱迪生创立通用电气以来100多年以来建设的最复杂的一套工业系统，在先进性、环保性方面具有优势，不过这个成本太高了。
我回国之前和曾和原GE核能的总经理交流，他在一次公开演讲中也提到GE今后会通过煤炭零污染的火电厂解决二氧化碳的问题，但是讲完就下来跟我说，别看我在会上那么讲，真正要去做还不如干核能，核能比零污染火电厂便宜多了。当然，那会儿福岛核电站事故还没有发生，核能可以做。
因此，碳中和的事不光是一个技术的问题，更是经济和社会平衡发展的综合性问题。现在在电厂把二氧化碳分离，分离完以后打到地下可以做驱油和埋藏这条路，在可以驱油的地方可以改，还有一些经济效益，我国新疆等地已经有类似的二氧化碳驱油工程。在目前的技术手段下，靠CCUS利用来处理的成本很高，作用也是有限的，当然这方面的成本通过研发也可以降一些，经济上能否有竞争力，取决于未来碳税的价格。
目前的技术水平在量上对碳中和的贡献是有限的。当然，这不是说让大家不去做，我们每一个人能应该竭尽全力去推动以上减碳的技术进步，都努力去做，毕竟积少成多。
第五个误区是认为通过提高能效可以显著降低工业流程、产品使用中的碳排放，就可以实现碳中和。由于我国经济和生产水平的飞速发展，前10年我们碳排放增加得更多，在新增的诸多工业门类中，已经很大程度地提高了能效、减少了排放。
煤的耗量表示电的耗量，电的耗量表示工业化的程度。这期间能效肯定提高了很多，但是单凭能效也难以解决碳中和的问题。因此，提高能效是减碳的重要手段，但只要仍然在使用化石能源，提高能效对碳中和的贡献也是非常有限的，不能光靠能效提高就能够达到碳中和。
第六个误区是认为电动车可以降低碳排放。
为什么靠电动车不能完全解决碳中和的问题？只有中国的能源结构彻底改变以后，电动车才能算得上清洁能源，也才有可能做到碳中和。如果能源结构不改变，如果电网主要还是煤电，那电动车的扩张对减少碳排放的贡献非常有限，这个你们去算一下就知道了。只有能源结构和电网里大部分是可再生能源构成的时候，电动车才能算得上清洁能源。
02
为什么前一百年电动车未能战胜燃油车？
电动车这个概念并不新，100多年前如1912年，纽约、伦敦、巴黎，还有洛杉矶的大街上，跑的电动车远远多于燃油车。（图1）
图1 1912年，爱迪生跟他的电动车合影。
电动车和燃油车之争不是今天刚刚开始。1912年，以爱迪生为首的一批科学家，就觉得将来电动车可以统领世界。铅酸电池早于内燃机发明二十多年。有了铅酸电池，再接一个发动机，就是今天高尔夫球场开的车，上面再加一个车体就是汽车了。所以电动车不是全新的技术，它这么多年来创新的核心在电池和电控系统。
那么，为什么前一百年电动车没有竞争过燃油车？世界前100年选择了燃油车的根本原因是什么？我在这里不预测未来，只用数据来讲历史，跟大家解释几个原因。
第一个原因，我们做能源的人都有一个概念叫做体积能量密度。
100多年前就发明的铅酸电池的能量密度是90千瓦时/立方米，人类花了上千亿美元和100多年的探索，电池能量密度到现在特斯拉的电池、比亚迪的刀片电池，也就是260千瓦时/立方米。而汽油的能量密度是8600千瓦时/立方米，柴油是9600千瓦时/立方米。
第二个原因，液体是最好的储能的载体。液体能源有个非常好的特点，陆上可以管路输送，海上可以非常便宜地跨海输送，而且可以在常温常压下长期储存。
2016年我到深圳工作不久，在一个能源研讨会上，我向很多能源界、学术界的朋友提了一个问题，当时很长一段时间在深圳开车加油是7块钱左右一升，假设这个汽油是从休斯敦的炼油厂用船拉到深圳盐田港再到加油站，这一升的运费是多少钱？我让好多搞能源的朋友猜，有人猜是一半（3块5），甚至有人猜5块，也有人猜1块的，我说真正的答案是7分钱不到。
我说7分钱的时候大家没人相信，但一算就明白了。现在的大油轮一条大船可以拉30万吨，折算汽油是约4亿升（折算原油约3.6亿升）。液体的好处在于，使用泵和管道就能装船，不需要人工。到了深圳的码头，管道连接好后，使用泵就能打到罐里，也不要人工。路上耗费的就是船的油钱和折旧费，4亿升，如果一升一毛钱就是4000万元，但跑一趟船根本用不了这么多油钱。这就是为什么世界上产石油的只有那么几个地方，但任何一个角落都可以很方便地加油开车。
我冬天到加拿大那些靠近北极的镇子去看，那里没有电网、天然气网，很多村镇只有一个加油站，一罐汽油、一罐柴油拉过来就可以满足日常生活了。在世界上再偏僻的角落，只要有公路的地方，拉过去就可以长期储存，拉一罐，一两个月就够了，但电和天然气管网没那么容易可以铺设到。
第三点，为什么人类的第一条流水线是福特的流水线？内燃发动机是机械的东西，造一台很贵，但当设计一旦定型，在一条流水线每年造100万台的时候，每台的成本会极大降低。1913年，福特的流水线一上去量产，就让美国的汽车从4700美元降到380美元，让每个蓝领工人都可以买得起汽车。
然而电动车的不同之处在于，每个电池都需要一定量的镍、钴、锂，车上还有铜等各种金属。产能扩张后每台成本会有所下降，但是下降不多。电动车的材料成本占大头，加工成本并不是主流，所以采用流水线可以降低一些，但不能有根本的降低。
中国的电动车从2016年底的51.7万辆增加到2018年第一个季度的79.4万辆，增量为28万辆，相对于当时整个汽车市场一年2900万辆的产量的1/1000，但同期追踪全世界的钴的价格和锂的价格，分别涨到了原来的四倍和两倍。这种情况告诉我们，如果技术不突破，不把钴和锂的用量降下来，造得越多材料越贵。当钴的价格翻了四倍，锂价格翻了一倍的时候，全世界没有一家公司声称通过回收电池里的钴和锂能实现盈利，这反过来告诉我们，电池的回收技术还有待突破。
最近很多原材料涨价，一方面是因为量化宽松，另一方面就是这些金属原来的供需关系发生了变化。原来的供需关系是非常稳定的，因为工业上用到的钴、镍这些的量非常有限。现在突然来了这么多造车新势力，供需关系就变了。当供需关系变了以后价格绝对不会说是按比例增长，比如世界上100个人，但是只有99瓶矿泉水，最后1瓶的矿泉水一定不是涨到1.1倍，而是最后一个人买不起的价格。
就按今天的价格，电动车的成本其实每个人心里都有数。我列出来，每辆车需要铜53.2公斤，锂8.9公斤，镍39.9公斤，锰24.5公斤，钴13.3公斤，石墨66.3公斤，稀土0.5公斤，其他0.3公斤。
一个工业要发展必须是可以大规模量产的时候，越大规模越便宜。这就是为什么人类的第一条流水线是福特的流水线。这都不是偶然的。这些问题我们大众不清楚，但是行业里面是清楚的。现在资本市场很热，但是一旦补贴政策停止了，能不能挣钱冷暖自知。
电动车遇到这些问题，并不意味着不去发展电动车和电池技术，电池技术的研发永远是重要的。
03
为什么氢能汽车还没有产业化？
氢能一点也不新，早在上个世纪六十年代，阿波罗登月的时候就是带着液氢液氧上天，氢能发的电供仪器用，产生的水宇航员喝。

上世纪90年代一直到2005、2006左右，这个期间美国花了上百亿美元在燃料电池上的研发。尽管在这期间培养了的大量的科学家和研发人员，但是对于产业的推动和环境的改变是微乎其微的。
燃料电池汽车，也就是我们说的氢能汽车，为什么没有产业化？最根本的原因是氢气不适合于作为你我大众共有的能源载体。这个世界有煤田、油田、天然气田，但没有氢田。氢和电以及甲醇一样，是通过别的能源制造的，但是作为载体，氢不具备上面提到的液体能源在能量密度、管道及跨海输送、长期储存方面的优势。
第一，氢气是体积能量密度最小的物质，我们要求是体积能量密度越大越好。好多人犯了一个概念性的误解，说氢是能量密度最大的，这句话又是对了一半。如果论公斤（质量能量密度），氢的能量密度是最大的。但是对于汽车压重和轮船有压舱水来说，油箱体积不能太大，应该论每立方米，论公斤意义不大。如果转成同样的能源概念，它的体积能量密度是最小的。为了增加体积能量密度，只好增加压力。目前看到所有的氢燃料电池车里的储氢罐，都是350和700公斤大气压。储氢罐如果拿不锈钢设计必须做得非常厚，因为压力太高。学过理工的人都知道，700公斤压力的高压设备，不是那么容易生产制造的。
第二，氢气高压会有一个问题，氢气是元素周期表中最小的分子，最小的分子就意味着最容易泄露，长期储存是问题。
第三，在封闭的空间里，氢气就会有巨大的问题。氢气是爆炸范围最宽的气体，可以从4%到74%。小于4%是安全的，大于74%只着火不爆炸。但是在4%到74%这个很宽的范围内，遇火星就爆。
现在北上广深这些城市，尤其在深圳，90%以上的车是停到地下车库这一封闭空间里的。当大量氢能汽车进到地下车库，若有一辆车泄露，就会产生巨大的危险。一旦泄露遇到火星，一个大楼都有可能毁掉。所以在封闭的空间里，使用氢气要非常注意。
第四，成本问题。制氢容易，但储氢、运氢有难度。世界上其实氢气的使用很广泛，中国的氢气产能已经达到3000多万吨/年了，但是目前没有一个化肥厂、炼油厂是靠太阳能、风能制氢、制化肥。什么原因？太贵，要是便宜的话，这些化肥厂，炼油厂早就改了用太阳能、风能制氢了。
现在全世界每年已有数千万吨的氢市场，而且供给到炼油厂氢是最贵的，每个炼油厂边上都有个大的气体公司。用风能、太阳能制氢不是不可以做，只是目前没有足够的经济吸引力。
04
为什么甲醇可能是作为最好的储氢载体？
如果今后真正想实现碳中和，并且太阳能、风能可以卖碳税的时候，
可以把风能、太阳能和煤结合制出比较便宜的甲醇，通过车载甲醇制氢并与燃料电池系统集成，这就比直接燃烧的发动机效率高。
这条路线未来是有可能的。我只能说有可能，不能保证，主要取决于各种政策的调整和碳税。如果碳税上去了，这条线路就有经济性。

1L甲醇和水反应可以放出143克的氢。储氢要么压缩，要么冷凝。即使冷凝，1L的液氢也就72克，而1L甲醇和水反应的产氢量是1L液氢的2倍。
甲醇制氢比汽油转化容易很多，因为一方面甲醇干净得多，没有硫；另一方面汽油转化需要850度以上，甲醇和水反应200多度就可以了。
为什么我提甲醇这条线路？甲醇可以从煤、天然气来制，未来可以用太阳能制氢与CO2反应制，或太阳能催化二氧化碳和水来制甲醇，就变成绿色的甲醇。
中国科学院大连化物所的李灿院士以及我们南方科技大学都在做绿色甲醇的研发，中科院在兰州已经建设了1000吨的论证示范工厂。
这样风能、太阳能虽然贵一点，但煤很便宜，这两个一中和，成本就可控了。
另一方面，甲醇常温常压下是液体，甲醇站可以用已有的液体加油站改装。对于一般的加油站，近年可能是6个罐，前期替换成1个甲醇罐、5个汽柴油罐，再过十年，替换成2个甲醇罐，4个汽油罐。这样整个能源转型就不需要再花多少万亿去建加氢站和充电桩了。
简单估算一下布局成本，按照加油站450辆车/天的加注能力，充电站24辆车/天充电能力，小型氢气加注30辆车/天的能力来测算，假设都建一万座，甲醇大约需要20亿美元，充电站大约需要830亿美元，加氢站大约1.4万亿美元，而且这个1.4万亿还没有考虑地价的因素。
我不认为我们会把花了几万亿建起来的液体燃料基础设施毁掉再重新建加氢站和充电桩，没有必要。石油如果排碳太高，可以用绿色的液体取代，而且我们可以把太阳能和风能转成液体储存下来，这就改变了储能的概念，原来大家多少年花了多少万亿就是研究储电，但是储电干了一百年都干不过一个抽水储电，这条线上再给十亿的研发经费，成功的概率也就是万分之十、千分之一。
06
现实的碳中和路径
这样，我们就可以谈碳中和的几个现实路径。
第一是通过现有煤化工与可再生能源结合实现低碳能源系统。一方面可以让现有的煤制甲醇实现近零碳排放，另一方面是通过太阳能、风能、核能电解水制备绿氢和氧气，合成气不经水汽变换，这样让煤制甲醇厂不在排放CO2；再用甲醇取代汽柴油开车，或甲醇和水在线制氢发电推动燃料电池汽车或作为电动车的充电宝；这样把中国强大的太阳能风能发电能力释放出来，把风能和太阳能以甲醇液体的形式储存下来；是值得去探索的另外一条储能战略，让太阳能，风能能够大力发展减碳。（图5）
图5 储能的另外一条途径：通过太阳能、风能、核能电解水制备绿氢和氧气，合成气不经水汽变换，制备甲醇无CO2排放。
第二是利用煤炭领域的碳中和技术——微矿分离技术。在煤燃烧前，把可燃物及含污染物的矿物质分离开，制备低成本类液体燃料+土壤改良剂，源头解决煤污染、滥用化肥及土壤生态问题，同时低成本生产甲醇、氢气等高附加值化学品。
通过分离之后，该做燃料就做燃料，该做土壤做土壤，分流以后，这边释放二氧化碳，更多的森林长起来把二氧化碳吸回来，这样做了完全可以达到碳中和。（图6）
图6 微矿分离技术效果示意
第三，实现光伏与农业的综合发展，将光伏与农业、畜牧业、水资源利用及沙漠治理并举，实现光伏和沙漠治理结合，及光伏和农业联合减碳。
西部缺水，水一浇就漏下去了，因此，我们可以采用非常保水的材料。但是西部再保水，大太阳晒还是长不出来，怎么办？有了太阳能板，底下的挥发减少了，就可以种东西。太阳能有一个最大的好处，就是要定期冲这个板，有了发电，大家可以花一点钱拿PVC管子接点黄河水过去，每几周给光伏板冲水，同时，水资源宝贵，冲过的水我们还可以用来给农作物做滴灌。这样，发电的同时还可以把底下全部变成绿色，变好了再把太阳能板搬个几百米，一片片土地可以治理出来。（图7） 
图7 利用微矿分离副产的土壤改良剂让光伏与农业及沙漠治理综合发展
第四，峰谷电与热储能综合利用。电不好储存，可以用热的形式储存下来，利用分布式储热模块，在谷电时段把电以热的形式储下来，再在需要时用于供热或空调，这样可以让1/4甚至是1/3的时间的电不至被浪费，可大大降低CO2排放，实现真正的煤改电，再配合屋顶光伏战略及县域经济，进一步减少电能消耗。能量不仅仅是电能，国内储能领域对于储电关注较多，但实际上大多数的能量从消费端来看都是用在了热能领域，储热技术也是需要我们去关注和发展的。
第五，利用可再生能源制甲醇，然后做分布式的发电。可以使用甲醇氢能分布式能源替代一切使用柴油机的场景，和光伏、风能等不稳定可再生能源多能互补。用甲醇液体作为太阳能及风能的载体，甲醇和水制氢再发电取代柴油发电机做分布式热电联供，结合屋顶光伏及储热及热泵技术在广大农村取代燃煤,不仅低碳，环保而且可以减碳。（图9） 
图9 现实的碳中和路径5：基于绿色甲醇氢能的分布式能源热电联供
在“碳达峰、碳中和”的时代背景下，需要对一些误区进行澄清，同时认清技术的发展逻辑，找寻现实发展路径，我在这里总结了以上的碳中和可能的几个现实路径供大家参考。
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