“我國要實現(xiàn)碳中和,首先要明晰碳排放主要來自于哪里?能源45%,工業(yè)39%,工業(yè)包括鋼鐵、有色、化工、建材等等,另外交通10%,建材5%,其他相對來說較少。”中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)院過程工程研究所所長、河南大學(xué)校長張鎖江在5月20日~23日舉辦的2023大灣區(qū)科學(xué)論壇上指出,目前能源生產(chǎn)和工業(yè)生產(chǎn)過程中的碳排放量約占我國碳排放總量的85%,工業(yè)碳減排是重中之重,需從產(chǎn)能端、用能端和碳匯端“三端”發(fā)力,通過技術(shù)變革實現(xiàn)碳中和。
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部分發(fā)言實錄
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尊敬的梁主席、白院長、王省長、丁院士,各位院士專家和朋友們: 本@文$內(nèi).容.來.自:中`國`碳`排*放^交*易^網(wǎng) t a np ai fan g.c om
今天向大家匯報一下關(guān)于《碳中和:工業(yè)技術(shù)變革及系統(tǒng)重構(gòu)》的思考。氣候變暖威脅人類生存。工業(yè)革命以來,特別是近年來碳排放量激增,大氣中的二氧化碳濃度接近400 ppm,比工業(yè)革命前提高約50%,將溫度變化控制在2攝氏度以內(nèi)成為全世界的共識,所以碳中和也成為了全球關(guān)注的重大問題。 夲呅內(nèi)傛萊源亍:ф啯碳*排*放^鮫*易-網(wǎng) τā ńpāīfāńɡ.cōm
我國要實現(xiàn)碳中和,首先要明晰碳排放主要來自于哪里?能源45%,工業(yè)39%,工業(yè)包括鋼鐵、有色、化工、建材等等,另外交通10%,建材5%,其他相對來說較少,比如農(nóng)業(yè)1%左右,所以碳排放的重點是能源生產(chǎn)和工業(yè)過程,總共約占到85%。 本`文@內(nèi)-容-來-自;中^國_碳0排0放^交-易=網(wǎng) ta n pa i fa ng . co m
我國目前碳排放大約100億噸,達峰之前還會增加一些。如果我們?nèi)匀徊捎脗鹘y(tǒng)的方式且不加以控制,碳中和是不可能實現(xiàn)的。如果采用新的政策嚴格控制,碳達峰、碳中和就有可能提前實現(xiàn),所以必須要有相應(yīng)的政策,通過技術(shù)變革來推動實現(xiàn)碳中和。 本文+內(nèi)-容-來-自;中^國_碳+排.放_交^易=網(wǎng) t a n pa ifa ng .c om
碳中和是一個大系統(tǒng)。丁仲禮副委員長提出了“三端發(fā)力”,包括產(chǎn)能端、用能端和碳匯端。從這個系統(tǒng)可以看到,未來能源系統(tǒng)中化石能源的使用要逐步減少,特別是汽柴油的使用,未來石油主要用來做化學(xué)品。新能源發(fā)電要和煤炭燃燒發(fā)電配合起來,構(gòu)成多能互補的能源系統(tǒng)。在新能源系統(tǒng)中,最重要的是新能源的儲存,包括儲氫和儲電等技術(shù)。在工業(yè)用能端,鋼鐵、有色、化工、建材這幾個行業(yè)是相互銜接的,各個過程耦合起來,鋼鐵、有色等金屬使用后可回收處理后作為原料再次使用,廢棄塑料等也可再循環(huán)利用起來,還需結(jié)合CCUS技術(shù),才有可能實現(xiàn)碳中和,所以要“三端”發(fā)力。那么,我今天主要匯報三個方面的技術(shù)進展。 內(nèi)-容-來-自;中_國_碳_0排放¥交-易=網(wǎng) t an pa i fa ng . c om
第一是工業(yè)低碳技術(shù)。工業(yè)領(lǐng)域里面最主要的是鋼鐵、有色、化工和建材。而我國是一個發(fā)展中大國,又不得不發(fā)展重工業(yè),所以工業(yè)過程是碳減排的重中之重,因為它支撐了國家約20%的GDP。工業(yè)過程排放二氧化碳的原理是什么呢?所有的礦物質(zhì),如鐵和鋁,在自然界都是以氧化物形式存在的,用碳還原生產(chǎn)鐵、鋁就要排放大量二氧化碳。第二個是建材行業(yè),碳酸鈣加熱分解生成氧化鈣,就必然排放二氧化碳。化工生產(chǎn)過程中主要做油品和化學(xué)品,工藝過程也會排放二氧化碳,高溫高壓的生產(chǎn)條件也會增加碳排放。另外一個是化工過程的合成氨技術(shù),它排放了2億噸左右的二氧化碳。整個體系的變革就是要從原來的熱碳驅(qū)動改成電氫驅(qū)動,原來用碳還原的過程要改成用氫或電來還原。比如氧化鐵由碳來還原會產(chǎn)生二氧化碳,改成用氫還原或者用電還原,就可以避免二氧化碳的產(chǎn)生。另外,鋁的還原也要低碳化,這些都要進行技術(shù)變革,以實現(xiàn)減少碳排放,具體我就不一一展開了。
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下面我講幾個例子。一個是氫冶金替代碳冶金。這個系統(tǒng)中的一個重要變化,就是原來用碳作為還原劑,現(xiàn)在可以用富氫氣、合成氣來作為還原劑,將來要完全用氫作還原劑,我們國家已經(jīng)在做萬噸級的示范,過程所也取得了一些非常重要的進展。
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第二個是電解鋁。我們國家有色的碳排放中,電解鋁占了約60%,電解鋁耗的電占全國總用電的7%左右,相當(dāng)于兩到三個三峽發(fā)電量。電解鋁中最重要的幾個環(huán)節(jié)是鋁土礦到三氧化二鋁,再就是用三氧化二鋁往后去做鋁的還原過程。現(xiàn)在主要發(fā)展兩個技術(shù),一個是惰性陽極技術(shù),一個是離子液體電解鋁技術(shù)。 本+文`內(nèi).容.來.自:中`國`碳`排*放*交*易^網(wǎng) t a np ai fan g.com
在石化行業(yè)中最重要的是油品。石油如果不做汽柴油,以后就要與綠氫相結(jié)合,通過流化床反應(yīng)器來做成化學(xué)品。這里最主要的一個科學(xué)問題,就是小分子裂解溫度比較高,大分子裂解溫度比較低,都要在流化床反應(yīng)器中的非常小的空間里面實現(xiàn)反應(yīng),所以提出了反應(yīng)微區(qū)和整個反應(yīng)器如何來調(diào)控的問題。
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現(xiàn)在我們國家在這方面的進展非??欤呀?jīng)完成了中試規(guī)模的研究,三烯收率可達到50%以上,化學(xué)品收率可達到60%以上。如果石油全部來做烯烴、芳烴以后,進一步還可以制備一系列化學(xué)品。烯烴做到α-烯烴可以做潤滑油,上海高研院在這方面有一些突破;也可以做MMA,即有機玻璃原料;C4可以再做尼龍,或進一步發(fā)展光刻膠等等;還有芳烴可以做均酐,是電子信息材料的原料,所以應(yīng)該以石化行業(yè)的工藝創(chuàng)新為源頭,來引領(lǐng)整個石化行業(yè)的變革。
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我們在大亞灣做了幾個工業(yè)示范裝置,其中包括離子液體催化二氧化碳合成鋰電池電解液溶劑等。大亞灣里面的石化園區(qū)是非常完整的產(chǎn)業(yè)鏈,它的產(chǎn)值超過了3000億。
第二方面,簡單匯報一下能源的低碳變革。能源的低碳變革就是要依靠風(fēng)光電,還有非常重要的一塊,就是生物質(zhì)。生物質(zhì)如果能做乙醇,進一步生產(chǎn)烯烴。生物質(zhì)做乙醇可以靠生物的方法,也可以靠化學(xué)的方法。另外就是發(fā)的電如何儲存的問題,一個是儲電,一個是儲氫。氫的另外一個儲存方式就是合成氨,或者合成甲醇(液態(tài)陽光)。我這里介紹幾個最新的進展,一個是生物質(zhì)做乙醇。這是美國的一個工廠圖,我們國內(nèi)也在做,現(xiàn)在最重要的問題就是發(fā)酵過程的酶太貴,生產(chǎn)1噸產(chǎn)品要耗費3000~5000元,只有把酶的價格降下來,才可能解決生產(chǎn)的問題?,F(xiàn)在正在發(fā)展的技術(shù),是在實驗室從二氧化碳直接碳碳重構(gòu)合成乙醇,這個在實驗室中已經(jīng)走通了。其中我們提出了一個概念叫離子酶,因為我們主要做離子液體,這個過程如果能夠?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)業(yè)化或者能夠在科技上有所突破以后,它的意義是非常重大的,生物質(zhì)的鏈就打通了。 本`文內(nèi).容.來.自:中`國`碳`排*放*交*易^網(wǎng) t a npai fan g.com
在能源存儲使用方面,我們通常做的電池都是正負極固定的,比如現(xiàn)有的鋰電池。我們承擔(dān)了科技部的一個變革性項目,國外也在做,就是使正負極能流動起來。正負極流動起來以后,就形成了鋰漿料電池或者鈉漿料電池。如果能解決化工上漿料順暢流動的問題,將來的汽車就可以灌注液體了,電量用完以后把液體抽出來,然后再把新液體灌進去,就可以繼續(xù)使用,這作為新一代的技術(shù),兼具了鋰電池和液流電池兩者的優(yōu)點。
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再進一步是氫的發(fā)展,氫在化工上最重要的用途就是合成氨,合成氨排放了約2億噸的二氧化碳,占總碳排的約2%。我國7成以上的合成氨工藝采用煤炭制氫,將來如果綠氫出來以后,再通過空氣膜分離出來氮氣,氮氣和氫氣通過電熱催化合成氨。同時,反應(yīng)后氣體中氨的濃度只有10%~20%,原料氣需要循環(huán),我們已經(jīng)在努力解決這方面的問題了。這一項技術(shù)的未來就是氮氣加水合成氨,如果這個課題突破了,整個合成氨工業(yè)將發(fā)生一個大的變革。工業(yè)過程創(chuàng)新現(xiàn)在面臨著前所未有的大機遇。
第三方面,我將匯報碳捕集利用。關(guān)于碳捕集利用,我們在討論的時候,認為自然界最重要的是碳匯,靠生態(tài)來固碳,但是我們可以用物理或化學(xué)的方法把它捕集起來,然后再和氫結(jié)合,就可以通過熱、光、電、生物轉(zhuǎn)化的方法來合成化學(xué)品,比如合成乙醇、甲醇等。我們還可以適當(dāng)考慮碳的封存,但是碳封存實際上只能作為一項儲備技術(shù),因為封存是不具有經(jīng)濟性的。 本`文-內(nèi).容.來.自:中`國^碳`排*放*交^易^網(wǎng) ta np ai fan g.com
在這里我想跟大家匯報的是,我們在大亞灣跟新宙邦合作,用二氧化碳和環(huán)氧乙烷生產(chǎn)碳酸酯,在2021年建成了10萬噸裝置,現(xiàn)在又新建了15萬噸裝置,總共是25萬噸。碳酸酯的量我們估算需要300~400萬噸,隨著鋰電池和鈉電池的飛速發(fā)展,能夠真正地實現(xiàn)較大規(guī)模的“變廢為寶”。 本`文@內(nèi)-容-來-自;中_國_碳排0放_交-易=網(wǎng) t an pa ifa ng . c om
目前,二氧化碳的進一步轉(zhuǎn)化有兩個大突破:一是通過酶來做液體燃料,如合成甲醇。另外是天津工生所做的合成淀粉,它為我們提供了新的路線、新的希望。當(dāng)然從化工的角度來講,要實現(xiàn)經(jīng)濟性還有很長的路要走,這個工藝的第一步甲醇合成是通過化學(xué)的方法,未來可能是生物與化學(xué)轉(zhuǎn)化相結(jié)合的方法,這樣才可能開發(fā)出來具有大規(guī)模經(jīng)濟性的技術(shù)。
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最后一部分是未來展望。實現(xiàn)零碳目標(biāo),可能需要分以下四步: 本*文`內(nèi)/容/來/自:中-國-碳^排-放“交|易^網(wǎng)-tan pai fang . c o m
第一階段是現(xiàn)在的系統(tǒng)要繼續(xù)運行,但新建的裝置必須要控制為低碳的,排放量要比現(xiàn)有水平低5%~10%。碳的排放不能再增加很多,要控制在5%以內(nèi); 本文@內(nèi)/容/來/自:中-國-碳^排-放-交易&*網(wǎng)-tan pai fang . com
第二階段是減碳,新能源發(fā)電成本降低以后,要大幅度通過市場調(diào)節(jié)來減少化石能源的使用,推動工業(yè)結(jié)構(gòu)的減碳;
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第三階段是低碳,大規(guī)模的可再生發(fā)電成本越來越低以后,我們就可以大規(guī)模地推進工業(yè)的試驗,把碳排放減少到50%甚至到60%; 本/文-內(nèi)/容/來/自:中-國-碳-排-放-網(wǎng)-tan pai fang . com
最后才是碳中和階段,碳中和階段即新能源的電力系統(tǒng)成本必須非常低且非常穩(wěn)定,工業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整必須按照低碳的方式運行,CCUS必須發(fā)力。丁仲禮副委員長曾領(lǐng)導(dǎo)開展“中國碳中和框架路線圖研究”咨詢項目,據(jù)估算,自然界吸收的碳+CCUS最多能達到25億噸,碳排放必須要減少70%到80%才能實現(xiàn)真正的碳中和。所以碳中和將催生新一輪的科技革命,最早是蒸汽機,第二次是電力,第三次是信息,那么再往后的第四次工業(yè)革命可能是能源+人工智能+生命健康的革命,這個革命將徹底重塑能源和工業(yè)體系。所以我們的研發(fā)范式必須要改變,原來我們的研發(fā)是在實驗室做完實驗再到企業(yè),企業(yè)在使用我們技術(shù)時還需要重新理解生產(chǎn)原理、核驗數(shù)據(jù)等,這個周期特別長,一般需要10年到15年才能搞出一個大規(guī)模的應(yīng)用。
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但現(xiàn)在碳中和的發(fā)展趨勢,要求工藝的變革必須從一開始就要產(chǎn)學(xué)研相結(jié)合,一開始就要和企業(yè)一起確定研發(fā)目標(biāo)、研發(fā)產(chǎn)品和研發(fā)方向,產(chǎn)學(xué)研結(jié)合共同推進產(chǎn)業(yè)化。我認為這個研發(fā)范式必須從線性的改為立體的、協(xié)同攻關(guān)的模式。從工藝放大來講,這個過程是多尺度的問題,它包括原子層次、微區(qū)層次、反應(yīng)器、系統(tǒng)層次等等,我們所多尺度團隊一直在做這方面的工作。現(xiàn)在來看,傳統(tǒng)的熱力學(xué)理論在納微尺度層次是不適用的,因此我們需要發(fā)展新的理論。 本`文@內(nèi)/容/來/自:中-國^碳-排-放^*交*易^網(wǎng)-tan pai fang. com
我們前面聽了丁肇中先生的報告以及幾位專家的報告,非常受啟發(fā),一方面要發(fā)展理論;另一方面要發(fā)展人工智能技術(shù),這兩方面結(jié)合起來,才能顛覆傳統(tǒng)的工業(yè)發(fā)展模式。
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還有幾個非常值得思考的問題,前段時間我們跟發(fā)改委能源所在交流的時候提到以下三個問題需要深入研究:第一,AI如何深刻影響未來能源及工業(yè)系統(tǒng)。第二,將來生物質(zhì)和風(fēng)光電到底能做成多大的規(guī)模,其經(jīng)濟性怎么樣,我國到底該怎么發(fā)展?這需要頂層設(shè)計和戰(zhàn)略研究。第三,儲能及氫能到底怎么發(fā)展,氫能的輸送和天然氣的輸送完全是不同的材料,這樣一種新體系是非常需要戰(zhàn)略層面的研究,不是一個兩個科學(xué)家可以解決的。
黨的二十大提出,實現(xiàn)碳達峰碳中和是一場廣泛而深刻的經(jīng)濟社會系統(tǒng)性變革,我認為這對我們的影響是非常大的。在此,希望利用這個機會,向社會發(fā)出倡議:大家都要積極投入到碳中和當(dāng)中來,碳中和與每個人息息相關(guān),不僅是一個學(xué)校、一個單位,所有人都和碳中和有關(guān)。作為一個科研工作者,希望在科學(xué)院、科技部的指導(dǎo)下做出一些工作,貢獻一些我的微薄力量。 本@文$內(nèi).容.來.自:中`國`碳`排*放^交*易^網(wǎng) t a np ai fan g.c om
謝謝大家!
智庫大學(xué)堂第六期 主講人:張鎖江院士 主持人:何鳴元院士 本`文內(nèi).容.來.自:中`國`碳`排*放*交*易^網(wǎng) t a npai fan g.com