碳中和,是指人類活動(dòng)排放的二氧化碳被人為作用和自然過(guò)程所吸收。研究顯示,當(dāng)前全球每年排放約400億噸二氧化碳,其中14%來(lái)自土地利用,86%源于化石燃料利用。這意味著,實(shí)現(xiàn)
碳中和,必須變革以化石能源為主導(dǎo)的能源體系,構(gòu)建以風(fēng)、光、水、核等為主體的非碳能源新結(jié)構(gòu)。
碳中和硬約束下,并非摒棄化石能源。為降低化石能源使用過(guò)程中的
碳排放,科研人員正在探索清潔化利用技術(shù)。同時(shí),在交通、工業(yè)等領(lǐng)域,研究用氫能、電能等替代化石能源,多管齊下,支撐減排降碳。
化石能源清潔利用
既獲得化學(xué)品,又盡量少排放二氧化碳
據(jù)統(tǒng)計(jì),我國(guó)一次能源消費(fèi)中,非碳能源只占15%,另外85%主要是煤、油、氣。其中,煤炭在一次能源消費(fèi)中占比接近60%。
近年來(lái),煤炭占我國(guó)一次能源消費(fèi)的比重持續(xù)下降,但未來(lái)一段時(shí)間內(nèi),煤炭在能源結(jié)構(gòu)中依舊重要。在此情況下,有必要研究煤炭清潔利用,減少二氧化碳排放,煤化工被認(rèn)為是一條路徑。
中科院院士、中國(guó)科技大學(xué)校長(zhǎng)包信和介紹,現(xiàn)階段,我國(guó)煤炭有兩種主流利用方式,一是大量作為能源,直接燃燒發(fā)電;二是作為原料,通過(guò)煤化工等手段,制備化學(xué)品。我國(guó)對(duì)化學(xué)品需求量很大,又不可能像國(guó)外一樣,完全依賴石油化工來(lái)生產(chǎn),因此,利用煤炭轉(zhuǎn)化制備化學(xué)品比較現(xiàn)實(shí)、可靠。
以煤為原料制備化學(xué)品,離不開(kāi)碳、氫、氧三個(gè)元素的反應(yīng)變換。因此,煤的結(jié)構(gòu)及反應(yīng)過(guò)程,決定其燃燒一定會(huì)產(chǎn)生二氧化碳。據(jù)測(cè)算,燃燒1噸煤大約排放3噸二氧化碳,且煤化工項(xiàng)目往往又是用水大戶,煤氣化、合成及后續(xù)產(chǎn)品純化、分離等環(huán)節(jié),均離不開(kāi)水。
有沒(méi)有一種方法,既能實(shí)現(xiàn)煤轉(zhuǎn)化的目的,又不用排放大量二氧化碳?朝著這個(gè)方向,科學(xué)家正在探索新的化學(xué)反應(yīng)方式。
包信和解釋,石油化工通過(guò)催化、蒸餾、裂解等方式,把大分子變成小分子,從而得到烯烴、芳烴等產(chǎn)品。這一過(guò)程就不需要很多水,也不會(huì)過(guò)多排放二氧化碳,即可將油分子“吃干榨凈”。從分子式結(jié)構(gòu)來(lái)看,煤和油的差別不大,區(qū)別主要在反應(yīng)過(guò)程。如果能換一種方式實(shí)現(xiàn)煤轉(zhuǎn)化,即將煤中的大分子像石油煉制一樣直接“剪開(kāi)”,也可以在少用水、少排放碳的同時(shí),拿到所需的產(chǎn)品。
化石能源對(duì)一個(gè)國(guó)家來(lái)說(shuō),是珍貴的資源,但直接燃燒,二氧化碳的排放量比較大??茖W(xué)家正在努力,把化石能源更多當(dāng)原材料來(lái)利用,從而加工成產(chǎn)品。
比如,“吃干榨凈”石油,科研人員創(chuàng)新了比較精準(zhǔn)的煉油方法,一些“分子煉油”技術(shù)大大提高了石油資源的利用效率。有
專家設(shè)想,未來(lái)80%的原油可以變成烯烴、芳烴,進(jìn)而生產(chǎn)合成塑料、橡膠、纖維等材料,作為工業(yè)生產(chǎn)化學(xué)原料,減少石油的直接燃燒。
推動(dòng)氫能規(guī)模應(yīng)用
研究高效、便利、低成本獲取“綠氫”的途徑
“精準(zhǔn)剪接”煤分子,完成煤炭清潔利用,實(shí)現(xiàn)這一構(gòu)想離不開(kāi)先進(jìn)、高效的催化劑,同時(shí)還要摒棄傳統(tǒng)的氧助氣化過(guò)程,有“綠氫”的幫助才能做到。
氫氣在自然界不存在,需要人工獲取,還要儲(chǔ)存、轉(zhuǎn)換和應(yīng)用。所謂“綠氫”,是指通過(guò)風(fēng)能、光能等可再生能源發(fā)電,再用清潔的電力分解水制備出的氫氣。這被認(rèn)為是未來(lái)獲取氫能的主要方式。但電解水制氫的成本比較高,全球每年消耗的5000萬(wàn)噸左右氫氣中,僅有4%來(lái)自電解水,而且所用電能也非全部來(lái)自可再生能源。大多數(shù)氫氣來(lái)自化石能源,其中又以煤制氫
價(jià)格最便宜。但以煤制氫,又免不了排放二氧化碳。
科研人員正在開(kāi)發(fā)高效、便利、低成本獲取“綠氫”的途徑。比如,發(fā)展大規(guī)模、低能耗、高穩(wěn)定性的電解水制氫新技術(shù),通過(guò)材料和過(guò)程的創(chuàng)新降低能耗和成本等。專家認(rèn)為,如果人們能夠比較經(jīng)濟(jì)地獲得“綠氫”,未來(lái)就能形成一條比較完善的氫能產(chǎn)業(yè)鏈,推動(dòng)氫能在各個(gè)行業(yè)的應(yīng)用,最終甚至?xí)纬梢惶转?dú)立于石油天然氣和電力的新體系。
氫氣的價(jià)值遠(yuǎn)不止助力煤炭清潔利用。包信和認(rèn)為,氫能利用效率高、無(wú)污染,還能與多種能源耦合,可以說(shuō)是實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)的關(guān)鍵。當(dāng)今能源體系是由化石能源產(chǎn)生電力、液體燃料,再到達(dá)最終用戶。在未來(lái)能源構(gòu)架中,氫能將與電力一起居于核心位置,為終端用戶供能。
在能量釋放效率上,氫燃料電池技術(shù)比內(nèi)燃機(jī)更高,氫氣有潛力取代汽油,在交通領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。又如,傳統(tǒng)的煉鋼方式,主要通過(guò)焦炭燃燒提供還原反應(yīng)所需要的熱量,并產(chǎn)生還原劑一氧化碳,將鐵礦石還原得到鐵,再把鐵煉成鋼,整個(gè)過(guò)程會(huì)產(chǎn)生大量的二氧化碳;氫能煉鋼則利用氫氣替代一氧化碳做還原劑,其還原產(chǎn)物為水,從而極大降低煉鋼的二氧化碳排放。“以氫代煤”有望引領(lǐng)鋼鐵行業(yè)
綠色轉(zhuǎn)型。
氫能要想大規(guī)模使用,除了需降低制備成本外,儲(chǔ)存和輸運(yùn)也是必須克服的難題。針對(duì)這一痛點(diǎn),我國(guó)科研人員探索“液態(tài)陽(yáng)光甲醇”技術(shù)路線,即將“綠氫”與二氧化碳結(jié)合制成液態(tài)甲醇。將太陽(yáng)能等可再生能源儲(chǔ)存在甲醇中,提供了一條可再生能源儲(chǔ)存和輸運(yùn)的新模式。這樣不僅可以解決氫氣儲(chǔ)運(yùn)問(wèn)題,還能中和二氧化碳。此外,甲醇使用后分解得到的二氧化碳和水,又是下一輪循環(huán)的載體。
中科院院士、中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所太陽(yáng)能研究部部長(zhǎng)李燦介紹,經(jīng)過(guò)多年攻關(guān),我國(guó)完成了全球首套直接利用太陽(yáng)能“液態(tài)陽(yáng)光甲醇”合成技術(shù)的規(guī)模化示范工程,正在推廣10萬(wàn)噸級(jí)“液態(tài)陽(yáng)光甲醇”合成技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用。
支撐可再生能源并網(wǎng)
探索大容量、安全、穩(wěn)定的儲(chǔ)能技術(shù)
我國(guó)太陽(yáng)能資源十分豐富。據(jù)專家測(cè)算,在我國(guó)有條件的農(nóng)村屋頂都裝上光伏,初步估計(jì)將有20億千瓦的安裝容量。這意味著一年能發(fā)電3萬(wàn)億千瓦時(shí),占到未來(lái)全國(guó)總電力需求的20%左右。
實(shí)現(xiàn)碳中和,必須構(gòu)建以風(fēng)、光、水等為主體的非碳能源新結(jié)構(gòu)。然而,風(fēng)、光等為代表的可再生能源,有發(fā)電波動(dòng)性和間歇性等短板,如果規(guī)?;⒕W(wǎng),會(huì)影響電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行。為支撐大規(guī)模并網(wǎng),可再生能源必須與有效的儲(chǔ)能結(jié)合起來(lái)。作為能源存儲(chǔ)轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵,儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠提高多元能源系統(tǒng)的安全性、靈活性和可調(diào)性。
專家介紹,在電源側(cè),儲(chǔ)能技術(shù)可聯(lián)合火電機(jī)組調(diào)峰調(diào)頻、平抑
新能源出力波動(dòng);在電網(wǎng)側(cè),儲(chǔ)能技術(shù)可支撐電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻,在系統(tǒng)發(fā)生故障或異常時(shí),保障電網(wǎng)運(yùn)行安全;在用戶側(cè),儲(chǔ)能技術(shù)可實(shí)現(xiàn)用戶冷熱電氣等方面綜合供應(yīng)。
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目前,大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)也存在一些缺陷。除了成本比較高之外,安全也是儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)的瓶頸。針對(duì)這些痛點(diǎn),科技界和產(chǎn)業(yè)界正在探索大容量、安全、穩(wěn)定的儲(chǔ)能技術(shù)。比如,在儲(chǔ)能材料上,朝著低成本、高儲(chǔ)能密度、高循環(huán)穩(wěn)定性、長(zhǎng)周期存儲(chǔ)的方向發(fā)展;在儲(chǔ)能裝置上,正從關(guān)注單體設(shè)備效率、成本,轉(zhuǎn)向滿足差異性需求的高品質(zhì)供能、儲(chǔ)用協(xié)調(diào)方向。
業(yè)內(nèi)專家表示,近年來(lái),各種新型儲(chǔ)能技術(shù)不斷有突破,且嘗試了一些場(chǎng)景實(shí)現(xiàn)示范應(yīng)用,包括氫儲(chǔ)能技術(shù)、電磁儲(chǔ)能和飛輪儲(chǔ)能等等。儲(chǔ)能技術(shù)路線不同,適合的場(chǎng)景也不一樣,未來(lái)還需進(jìn)一步研究,綜合考慮技術(shù)成熟度與場(chǎng)景匹配度。
中國(guó)工程院院士杜祥琬表示,從碳達(dá)峰走向碳中和,發(fā)達(dá)國(guó)家一般要用45年至70年,我國(guó)僅預(yù)留了30年時(shí)間,困難更大,富有挑戰(zhàn)性,但也是一個(gè)發(fā)展的機(jī)遇。
“‘碳中和’將是一次經(jīng)濟(jì)社會(huì)的大轉(zhuǎn)型,是一場(chǎng)涉及廣泛領(lǐng)域的大變革,誰(shuí)在技術(shù)上走在前面,誰(shuí)將在未來(lái)國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)中取得優(yōu)勢(shì)。”中科院院士丁仲禮表示,我國(guó)需要積極研究與謀劃,謀定而動(dòng),系統(tǒng)布局,力爭(zhēng)以技術(shù)上的先進(jìn)性獲得產(chǎn)業(yè)上的主導(dǎo)權(quán)。
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