【導讀】全球知名的能源專家劉科院士是文彙講堂第150期嘉賓。他有20多年海外工作經曆，曾任職于GE、UTC、埃克森-美孚。2009年回國，參與籌建北京低碳清潔能源研究所（現國家能源集團北京低碳清潔能源研究院），擔任副所長和首席技術官。後受邀于南方科技大學前校長陳十一院士，任南科大創新創業學院院長和清潔能源研究院院長，一直從事低碳和能源研究。他也是澳大利亞國家工程院外籍院士，擁有美國及中國發明專利100餘項。

2020年12月，講堂在深圳舉辦《創新 文化 開放——深滬雙城互鑒共進學術研讨會暨第150期文彙講堂》時，就有關新能源問題采訪過劉科院士。此為其近日做客科技創新報告第四期所做演講，将分上下刊發。

今天我先給大家談一下一些數據和事實。

2020年，中國人均排放碳7噸，這是個天量數字據統計，2020年，我們中國二氧化碳排放大約103億噸（報道數據是102億噸到108億噸，我選其它文獻中也用的103億噸這個中間的數字），其中，煤炭、石油、天然氣排放達到95億噸，另外一部分是各種小的，比如沼氣、生物質，還有一些其他的排放。所以，約92%的CO2排放是以上煤炭、石油、天然氣這三種化石能源燃燒産生的。衡量任何一家公司、任何一家單位、任何一個系統，把這三個算準就可以了。國家對這三個都有統計數據，不需要額外再計量CO2排放量。

2020年，中國的總煤耗量大約36億噸，折算成标準煤大約28億噸，每噸标準煤再乘以一個系數就可以得出，煤炭一年大約排放73.5億噸二氧化碳。2020年，中國的石油消耗7億多噸，折成标準煤約9億噸，排放二氧化碳15.4億噸；天然氣消耗量折成标煤是4億噸的樣子，排放二氧化碳6億噸；三個加起來是95億噸。103億噸除以14億人口，人均大概7.4噸，一個三口之家每年平均排放22噸二氧化碳，這是一個天量的數字。

大家都說每天用空調、開車等等都與碳有關系，每一個人、每一小步節能，都可以為碳中和做出一點貢獻，但完成碳中和這個任務還是非常艱巨的，而且是一個漫長的過程，這也是為什麼書記提出到2030才達峰，2060才中和，而不是現在。未來40年我們肯定實現碳中和的宏偉目标；但短期内我們還缺不了化石能源。盡管風能、太陽能、CO2轉化為化學品、CCS、CCUS，提高能效都會對減碳有些貢獻，都值得去鼓勵探索和實施，但對目前天量排放的CO2，近期内減低的比例是相當有限的。

碳中和是一個非常複雜的系統工程，需要通過多種技術渠道及各種努力去減碳；每個行業對自己的減碳路線都有所強調，但對其他行業的減碳路徑及各種路徑對減碳貢獻的量不是很清晰，大衆對碳中和的挑戰及認知有一定局限，存在以下六個誤區，需要用數據來說明：

太陽能、風能便宜，但供電不穩定，儲電成本高，目前僅占火電12.5%

儲能的一條途徑：通過太陽能、風能、核能電解水制備綠氫和氧氣，合成氣不經水汽變換，制備甲醇無CO2排放

第一，認為風能和太陽能比火電都便宜了，因此太陽能和風能完全可以取代火電實現碳中和。這句話隻對了1/5到1/6。因為一年有8760小時，而中國的太陽能每年發電小時數因地而異，在1100小時到2000多小時之間不等，超過2000多小時的區域不多，全國平均大約在1450-1750小時左右。也就是說太陽能大約在1/6–1/5的時間段比火電便宜；而在其他5/6-4/5的時間段，如果要儲電，其成本會遠遠高于火電。風能每年發電的時間比太陽能略微長一點，大約是2000小時左右，但電是需要24小時供的，不能說一個電廠一年隻供一兩千小時，因為我們用電不能說有太陽有風的時候用電，沒太陽、沒風的時候就停電。太陽能和風能是便宜了，但最大的問題是非穩定供電。

因此，經過40年巨大努力，風能、太陽能增量巨大，可與煤電相比仍然相當有限。以2019年為例，全國的風能和太陽能加起來發電總量相當于約1.92億噸标準煤的發電量，大約隻能取代煤炭發電的12.5%左右。

而且，電網靠電池儲電非常危險。據估算，目前全世界電池生産商5年多的電池産能僅能滿足東京全市停電3天的電能。如果說我們有4/5的時間或者5/6的時間要靠電池儲電，這是不可想象的。在這種情況下，棄光棄風的問題非常嚴重，因為電網隻能容納15%的非穩定電源。風能、太陽能發出來的電，電網沒法全部承受。如果繼續增加風能、太陽能的同時，大規模儲能問題解決不了，隻能廢棄更多。

棄光棄風在中國有兩方面的原因，一是技術因素，就是因為太陽能、風能是沒辦法預測的，電網小于15%可以容納，多于15%容納不了，随着智能電網的發展，這個比例會有所上升，但仍然需要時間；二是機制因素，地方保護主義的存在可能會讓地方出于對當地GDP的考慮，甯可用當地的火電。機制問題在中央大力推動“碳中和”的背景下可解決。因此，太陽能和風能需要大力發展，但在儲電成本仍然很高的當前，在可見的未來仍然無法完全取代化石能源發電。

目前戰略要在意實現基礎上，不能依賴可能的技術突破

各類能源的能量密度

第二，人們以為如果儲能技術進步，風能和太陽能就能徹底取代火電。這個假設太大了，因為自鉛酸電池發明至今一百多年來，人類花了數千億美元的研發經費研究儲能，可從鉛酸電池的90千瓦時/立方米增加到今天特斯拉的260千瓦時/立方米，電池的能量密度并沒有得到革命性的根本的改變。要知道，汽油是8600千瓦時/立方米。同時，迄今大規模GW（十億瓦特發電裝機容量）級的儲電最便宜的還是100多年前就被發明的抽水蓄能技術。

科學技術的突破不是沒有可能，但今天無法預測明天的發現。比如，火藥發明之後近一千年才有槍的發明。不過能夠很好地提醒我們在制定任何戰略時，千萬不要用尚未發生的突破和假設去決定可以做什麼事。過去我們的科技水平整體落後于西方，一張白紙可以借鑒已驗證的技術路線去結合我國發展需求描繪科技發展戰略。但如今很多領域我們已經實現并跑甚至是領跑，這種情況下，我們制定戰略一定是以已有的、證明的、現實的技術路線為基礎。沒證明技術突破不能先假設這個技術肯定會有突破。

不同行業的進步不一樣，計算機行業有摩爾定律，這麼多年确實發展得很快，但是能源行業目前還沒找到類似摩爾定律一樣的規律，“碳中和”必須選擇現實可行的路線來推進。

二氧化碳轉化成化學品不具備減碳價值，不能以此拿國家補貼

第三，有些人認為我們可以把二氧化碳轉化成各種各樣的化學品，比如保鮮膜、化妝品等等。這些要能轉化、能賺錢，可以去幹，但是這些沒法從根本上解決二氧化碳的問題。粗略估算，一個三口之家一年平均排放碳22噸，但什麼産品一個家庭一年也消耗不了20多噸。

另一方面，據估算全世界隻有大約13%的石油就生産了我們所有的石化産品，剩下的大約87%的石油都是被燒掉的。如果把全世界的化學品都用二氧化碳來造，也隻是解決13%的石油排碳的碳中和問題。所以說，從規模上二氧化碳制成化學品并不具備減碳價值。二氧化碳轉化為其他化學品對減碳的貢獻是相當有限的。

所以說，把二氧化碳轉化成任何化學品，如果能賺錢那可以去幹，但掙不了錢就别打着“碳中和”的概念來拿國家的補貼。講這個話我可能會得罪很多人，但我們科學家要講事實，拿數字說話。我也參加過很多關于碳中和的論壇，很多時候甚至有些經濟學家在講的時候，沒有數字的概念，隻有一個粗概，說這樣可以減碳、那樣可以減碳，但是對減多少沒有概念。這個也不能怪他們，隔行如隔山。

CO2分離後打到地下驅油和埋藏，作用有限，經濟價值取決于未來碳稅價格

1912年，愛迪生跟他的電動車合影

第四，可以大量地捕集和利用二氧化碳。利用CCUS（碳捕集、利用與封存技術）技術，把生産過程排放的二氧化碳進行捕獲提純，再投入到新的生産過程中進行循環再利用或封存。理論上能夠實現二氧化碳的大規模捕集。現在大家說在電廠把二氧化碳分離，分離完以後打到地下可以做驅油和埋藏等等其他的作用。近年，中國整個二氧化碳驅油消耗量大概是每年幾百萬噸CO2耗量，與我們一年的排放是103億噸CO2總量是非常有限的。而且驅油這個階段是一部分二氧化碳進到地裡，還有一部分會跟着油出來，它不是一個完全的埋藏。

把碳打到地下埋藏，我回國前在GE曾經研究過這個事情。把煤和水、氧轉成氫氣和二氧化碳，氫氣燃燒發電産生水蒸氣，二氧化碳就打到地底下。當時我們做了示範工程，前後花了28億美元，有上百名博士參與，用了7年的時間建成了630MW的IGCC火電廠，一度時間曾經計劃把這個每天耗6000多噸煤的IGCC電廠産生的CO2分離後全部打到地下埋藏，這個技術能夠實現淨零排放，但是不具備經濟性，最後決定隻發電，不埋藏CO2。這個示範具有環境方面的意義，并且工廠在美國運行至今，我們做完這個項目以後，才發現即使不分離埋藏CO2，這已經是GE創立以來最複雜的一套工業系統。别看GE生産了全世界80%的飛機發動機、及大量的大型醫療器械如核磁共振、CT等，包括三峽水利工程的設備和青藏線的火車頭等等，但是，這一630MW的近零排放的IGCC火電廠是GE自愛迪生創立通用電氣以來100多年以來建設的最複雜的一套工業系統，在先進性、環保性方面具有優勢，不過這個成本太高了。

核能是減碳很重要的base load發電技術，但人們能否接受因其高成本而導緻的高電價需要讨論。因此，碳中和的事不光是一個技術的問題，更是經濟和社會平衡發展的綜合性問題。現在在電廠把二氧化碳分離，分離完以後打到地下可以做驅油和埋藏這條路，在可以驅油的地方可以改，還有一些經濟效益，我國新疆等地已經有類似的二氧化碳驅油工程。這塊的成本主要是把二氧化碳在鍋爐尾氣中分離出來的成本，我們算過，假設打到地下的CO2的成本為30美元一噸，其中20美元是把二氧化碳從整個尾氣裡面分離出來成為純二氧化碳，5美元是輸送到埋藏點，另外5美元是把它壓縮到地底下。分離是核心，成本也最大。在目前的技術手段下，靠CCUS利用來處理的成本很高，作用也是有限的，當然這方面的成本通過研發也可以降一些，經濟上能否有競争力，取決于未來碳稅的價格。

光靠提高能效，無法解決發展需要的總量，無法有效降低碳中和

第五，認為通過提高能效可以顯著降低工業流程、産品使用中的碳排放，就可以實現碳中和。能效永遠要提高，提高能效是世界上成本最低的減碳路線。由于我國經濟和生産水平的飛速發展，加入WTO後二十年中，前10年我們碳排放增加得更多。我記得2000年中國的石油消耗大概是2點幾億噸，2010年大概是4億噸，到去年是近7.5億噸。2000年中國的煤炭消耗是13.8億噸，2020年近40億噸。并且在新增的諸多工業門類中，已經很大程度地提高了能效、減少了排放。

我是做能源的，從能源的數據變化可以看到整個社會的變化。我們加入WTO之前有一個很重要的數字，中國的煤産量大概是13億噸，基本上自産自銷，出口有一點，但很少。結果到2013年短短13年的時間從約13億噸飙升到約39億噸，這是一個天量，當然也伴随着碳排放。這該怎麼解讀？唯一的解讀是加入WTO，世界的市場向中國開放了。當然，這一期間我們大量的房地産建設也是一個因素。煤的耗量表示電的耗量，電的耗量表示工業化的程度。這期間能效肯定提高了很多，但是單憑能效也難以解決碳中和的問題。因此，提高能效是減碳的重要手段，但隻要仍然在使用化石能源，提高能效對碳中和的貢獻也是非常有限的，有一個現實的考量就是不能光靠能效提高就能夠達到碳中和。

從生命周期碳排放看，電動車對減碳和氣候變化影響有限

現實的碳中和路徑之一：基于綠色甲醇氫能的分布式能源熱電聯供

第六，認為電動車可以降低碳排放。前段時間，我在網易公開課上講《電動車和氫能的曆史與未來》，全國大概有十幾萬人觀看，很多領導看完以後跟我讨論這個問題：為什麼我們要發展電動車？很簡單，主要是因為中國的石油不夠，我們石油73%靠進口；還有就是霧霾等環境問題。

我們石油不夠，寄望于我們已建成的超強的發電能力，這樣發展電動車是有好處的。一年8760小時，但我們已建成的火電廠太多，為了讓大家都有飯吃，很多火電廠實際發電每年不到4千小時，這是資産的巨大浪費。而且畢竟電動車可以讓局部的污染降下來，比如東部地區的用電很多是在西部内蒙、新疆等地發的，污染在西部排放，不在東部地區排放。但是，在全生命周期的碳排放分析看來，電動車考慮到電池生産過程中的排放，如果電網裡的電大部分仍然是火電，電動車對減碳及全球氣候變化影響非常有限。

為什麼靠電動車不能完全解決碳中和的問題？隻有中國的能源結構徹底改變以後，電動車才能算得上清潔能源，也才有可能做到碳中和。如果能源結構不改變，如果電網主要還是煤電，那電動車的擴張對減少碳排放的貢獻非常有限，這個你們去算一下就知道了。隻有能源結構和電網裡大部分是可再生能源構成的時候，電動車才能算得上清潔能源。

如何有效實現碳中和？未完待續

作者：劉科

編輯：錢亦琛

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