中國完成碳中和的“技術(shù)需求清單”

 

全球光伏

2023年1月29日16:21上海

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根據(jù)我國二氧化碳的排放現(xiàn)狀，我們就非常容易作出這樣的推斷：中國的碳中和需要構(gòu)建一個“三端共同發(fā)力體系”。

第一端是電力端，即電力/熱力供應端的以煤為主應該改造發(fā)展為以風、光、水、核、地熱等可再生能源和非碳能源為主。

第二端是能源消費端，即建材、鋼鐵、化工、有色等原材料生產(chǎn)過程中的用能以綠電、綠氫等替代煤、油、氣，水泥生產(chǎn)過程把石灰石作為原料的使用量降到最低，交通用能、建筑用能以綠電、綠氫、地熱等替代煤、油、氣。能源消費端要實現(xiàn)這樣的替代，一個重要的前提是全國綠電供應能力幾乎處在“有求必應”的狀態(tài)。

第三端是固碳端，可以想見，不管前面兩端如何發(fā)展，在技術(shù)上要達到零碳排放是不太可能的，比如煤、油、氣化工生產(chǎn)過程中的“減碳”所產(chǎn)生的二氧化碳，又比如水泥生產(chǎn)過程中總會產(chǎn)生的那部分二氧化碳，還有電力生產(chǎn)本身，真正要做到“零碳電力”也只能寄希望于遙遠的將來。因此，我們還得把“不得不排放的二氧化碳”用各種人為措施將其固定下來，其中最為重要的措施是生態(tài)建設，此外還有碳捕集之后的工業(yè)化利用，以及封存到地層和深海中。

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#電力供應端的技術(shù)需求

能不能把這些分布廣、能量密度低的風、光資源利用起來，并保證電價相對便宜，研發(fā)出先進的技術(shù)，尤其是儲能技術(shù)是關(guān)鍵中的關(guān)鍵！

傳統(tǒng)上，電力供應系統(tǒng)包括了發(fā)電、儲能和輸電三大部分，從現(xiàn)在業(yè)界經(jīng)常談到的“新型電力供應系統(tǒng)”的角度，還應把用戶也統(tǒng)籌考慮在內(nèi)。從實現(xiàn)碳中和的角度，我國未來的電力供應系統(tǒng)應該具備以下六方面特點。

一是電力裝機容量要成倍擴大。我國目前的發(fā)電裝機容量在24億千瓦左右，如果考慮以下因素：

（1）未來要實現(xiàn)能源消費端對化石能源的綠電替代和綠氫替代；

（2）從世界大部分先發(fā)國家走過的歷程看，人均GDP從一萬美元到三四萬美元之間，人均能源消費量還會有比較明顯的增長；

（3）風、光等波動性能源的“出工能力”只有傳統(tǒng)火電的三分之一左右，那么我國2060年前的裝機容量至少需要60億到80億千瓦。

二是風、光資源將逐步成為主力發(fā)電和供能資源。其中西部風、光資源和沿海大陸架風力資源是主體，各地分散式（尤其是農(nóng)村）光熱資源是補充。

三是“穩(wěn)定電源”將從目前的火電為主逐步轉(zhuǎn)化為以核電、水電以及綜合互補的非碳能源為主。

四是必須利用能量的存儲、轉(zhuǎn)化、調(diào)節(jié)等技術(shù)，彌補風、光資源波動性大的天然缺陷。

五是火電還得有，但主要作為應急電源和一部分調(diào)節(jié)電源之用。與此同時，火電應完成清潔、低碳化改造，有條件的情況下，用天然氣代替煤炭，以降低二氧化碳排放強度。

六是在現(xiàn)有基礎(chǔ)上，成倍擴大輸電基礎(chǔ)設施，把西部充沛的電力輸送到中東部消納區(qū)。與此同時，加強配電基礎(chǔ)設施建設，增強對分布式能源的消納能力。

在這樣的電力供應系統(tǒng)中，碳中和本身的目標要求未來電力的70%左右來自風、光發(fā)電，其他30%的穩(wěn)定電源、調(diào)節(jié)電源和應急電源也要盡可能地減少火電的裝機總量。

未來需要促進發(fā)電技術(shù)、儲能技術(shù)和輸電技術(shù)這三方面的“革命性”進步。

發(fā)電技術(shù)要為綠色低碳電力生產(chǎn)提供支撐。這里面需重點促進可再生能源發(fā)電技術(shù)的進步，特別是要注重發(fā)展以下技術(shù)：

（1）光伏發(fā)電技術(shù)雖已發(fā)展到可平價上網(wǎng)的程度，但這類技術(shù)在降成本、增效率上還有潛力可挖；

（2）太陽能熱發(fā)電技術(shù)對電網(wǎng)友好，既可保證穩(wěn)定輸出，也可用于調(diào)峰，但目前發(fā)電成本過高，未來應在材料、裝置上尋求突破；

（3）風力發(fā)電技術(shù)也基本具備平價上網(wǎng)的條件，未來要在大功率風機制造、更高空間風力的利用、更遠的海上風電站建設上下功夫；

（4）地熱分布廣、總量大，但能量密度太低，如要將地熱用于發(fā)電，還得重點突破從干熱巖中提取熱能的技術(shù)；

（5）生物質(zhì)能也是可再生能源，目前生物質(zhì)能發(fā)電技術(shù)是成熟的，但其在總的電力供應上的占比較為有限；

（6）海洋能和潮汐能的總量不小，但其利用技術(shù)有待進步；

（7）傳統(tǒng)的水電我國開發(fā)程度已經(jīng)較高，未來在雅魯藏布江、金沙江上游開發(fā)上還有較大潛力。

除以上可再生能源發(fā)電以外，社會公眾還得接受這樣的現(xiàn)實：要達到碳中和，核電還得較大程度地發(fā)展，因為核電應作為“穩(wěn)定電源”的重要組成部分。此外，火電還得在“穩(wěn)定電源”“應急電源”“調(diào)節(jié)電源”方面發(fā)揮作用，正因為如此，“無碳電力”在很長時期內(nèi)是難以實現(xiàn)的，除非我們把火電站排放出的二氧化碳收集起來再予以封存或利用。

儲能技術(shù)在未來的電力供應系統(tǒng)中將占有突出的位置，這是因為風、光發(fā)電具有天然波動性，用戶端也有波動性，這就需要用儲能技術(shù)作出調(diào)節(jié)�？梢赃@樣說，如果沒有環(huán)保、可靠并相對廉價的儲能技術(shù)，碳中和目標就會落空。

儲能是最重要的電力靈活性調(diào)節(jié)方式，包括物理儲能、化學儲能和電磁儲能三大類，而靈活性調(diào)節(jié)還有火電機組的靈活性改造、車網(wǎng)互動、電轉(zhuǎn)燃料、電轉(zhuǎn)熱等方式和技術(shù)。

物理儲能主要有四類

一是抽水蓄能電站，它是最成熟的技術(shù)，我國以東部山地為依托，已建、在建和規(guī)劃中的抽水蓄能電站總量很大，但可再生能源豐富的西部如何建抽水蓄能電站還得探索。

二是壓縮空氣儲能，主要是利用地下鹽穴、礦井等空間，該類技術(shù)在我國還處在起步階段。

三是重力儲能，簡單地說是利用懸崖、斜坡等地形，電力有余時把重物提起來，需要電力時把重物放下用勢能做功，這類技術(shù)我國尚處在試驗階段。

四是飛輪儲能，這是成熟的技術(shù)，但其能量密度不高。

化學儲能就是利用各類電池，大家熟知的有鋰電池、鈉電池、鉛酸（碳）電池、液流電池、液態(tài)金屬電池、金屬空氣電池、燃料電池（氫、甲烷）等。不同的電池有不同的應用場景，它們在未來的電力供應系統(tǒng)中具有不可或缺的地位，但今后會遇到電池回收、環(huán)保處理、資源供應等問題。

電磁儲能主要是超級電容器和超導材料儲能，目前看，它的作用還有待觀察。

現(xiàn)有火電機組的靈活性改造是指使其“出工能力”具備靈活性，用電高峰時機組可以發(fā)揮100%發(fā)電能力，用電低谷時只“出工”20%或30%。這個技術(shù)一旦成熟，應該非常管用，尤其在實現(xiàn)“雙碳”目標的早中期階段，應將其作為主打技術(shù)。

車網(wǎng)互動是指電動汽車與電網(wǎng)的互動。簡單地說，今后大量的電動汽車整合起來就是一個非常龐大的儲能系統(tǒng)，如果在電網(wǎng)電力有余時，它們中的一部分集中充電，而電力不足時，它們中的一部分向電網(wǎng)輸電，這樣就起到了平滑峰谷的作用。這個想法很美好，也有點“浪漫”，但如何將理論上的可能性轉(zhuǎn)化為實踐中的可行性，估計還得創(chuàng)新商業(yè)模式。

電轉(zhuǎn)燃料就是把多余電力轉(zhuǎn)化為氫氣、甲烷等燃料，電力不足時再把燃料用于發(fā)電。

電轉(zhuǎn)熱儲能則是用水、油、陶瓷、熔鹽等儲熱材料把多余的電轉(zhuǎn)化為熱儲存，需要時再為用戶放熱。

新型電力供應系統(tǒng)的第三個主要組成部分是輸電網(wǎng)絡。從實現(xiàn)碳中和的邏輯分析，我國未來的電網(wǎng)將有以下幾個突出特點：

（1）遠距離的輸電規(guī)模將在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上增加數(shù)倍，意味著要把西部的清潔電力輸送到東部消納區(qū)，輸電基礎(chǔ)設施建設的需求巨大；

（2）為了統(tǒng)籌、引導大空間尺度上的發(fā)電資源和用戶需求，大電網(wǎng)應是基本形態(tài)；

（3）貼近終端用戶（如工業(yè)園區(qū)、小城鎮(zhèn)等）的分布式微電網(wǎng)建設將受到重視，并將成為大電網(wǎng)的有效補充；

（4）為解決波動性強的可再生能源占比高、電力電子裝置比例高的特點，需要在電網(wǎng)的智能化控制技術(shù)上實現(xiàn)質(zhì)的飛躍。

從上面的介紹可知，建立一個新型電力系統(tǒng)，其實是逐步“擠出”火電的過程，或者嚴格地說，是一個把火電裝機量占比減到最小的過程，留下的火電也得作“清潔化”改造。我國具有充足的風能、太陽能，從理論上講，資源絕對足夠。

但能不能把這些分布廣、能量密度低的風、光資源利用起來，并保證電價相對便宜，研發(fā)出先進的技術(shù)，尤其是儲能技術(shù)是關(guān)鍵中的關(guān)鍵！

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#能源消費端的技術(shù)需求

用綠電、綠氫等替代煤、油、氣，從理論上講是不難做到的，但工藝和設備的再造重建絕不是一件簡單的事。

能源消費端的減碳有兩個關(guān)鍵詞，一是替代，二是重建。所謂替代就是用綠電、綠氫、地熱等非碳能源替代傳統(tǒng)的煤、油、氣，而重建則強調(diào)在替代過程中，一系列工藝過程需要重新建立。

對此，我們可分九個領(lǐng)域，對能源消費端的低碳化所需研發(fā)的技術(shù)或替代方式分別作出簡單介紹。

1.建筑部門應在三個方面發(fā)力。首先是對建筑本身作出節(jié)能化改造；其次是針對城市的建筑用能，包括取暖/制冷和家庭炊事等，均應以綠電和地熱為主；農(nóng)村的家庭用能，則可采用屋頂光伏+淺層地熱+生活沼氣+太陽能集熱器+外來綠電的綜合互補方式。

2.交通部門可著眼于五個方面。未來私家車以純電動車為主；重卡、長途客運可以氫燃料電池為主；鐵路運輸以電氣化改造為主，特殊地形和路段可采用氫燃料電池，同時發(fā)展磁懸浮高速列車；船舶運輸行業(yè)中的內(nèi)河航運可用蓄電池，遠航宜用氫燃料電池或以二氧化碳排放相對較少的液化天然氣作為動力；航空則可用生物航空煤油達到低碳目標。

3.鋼鐵行業(yè)碳排放主要來自煉焦和焦炭煉鐵，它可分兩階段實現(xiàn)低碳化。第一階段是對煉焦爐、高爐等的余熱、余能作充分利用，同時用鋼化聯(lián)產(chǎn)的方式把煉鋼高爐中的副產(chǎn)品充分利用起來。第二階段是逐步用新的低碳化工藝取代傳統(tǒng)工藝，研發(fā)和完善富氧高爐煉鋼工藝，煉鋼過程中以綠氫作還原劑取代焦炭，對廢鋼重煉用短流程清潔煉鋼技術(shù)等。

4.我國建材行業(yè)的排放主要來自水泥、陶瓷、玻璃的生產(chǎn)，其中80%來自水泥。建材行業(yè)低碳化應從三方面研發(fā)技術(shù)，一是用電石渣、粉煤灰、鋼渣、硅鈣渣、各類礦渣代替石灰石作為煅燒水泥的原料，從原料利用上減少碳排放的可能性；二是煅燒水泥時，盡可能用綠電、綠氫、生物質(zhì)替代煤炭；三是用綠電作能源生產(chǎn)陶瓷和玻璃。

5.化工排放來自兩大方面，一是生產(chǎn)過程用煤、天然氣作能源，二是用煤、油、氣作原材料生產(chǎn)化工產(chǎn)品時的“減碳”，比如用煤生產(chǎn)乙烯，需要加氫減碳，其中加的氫如果不是綠氫，就會有碳排放，減的碳一般會作為二氧化碳排放到大氣中。因此，化工行業(yè)的低碳化應從四個方面入手，一是蒸餾、焙燒等工藝過程用綠電、綠氫；二是對余熱、余能作充分的利用；三是適當控制煤化工規(guī)模，條件許可時盡量用天然氣作原料；四是對二氧化碳作捕集—利用處理。

6.有色工業(yè)中的碳排放主要來自選礦、冶煉兩個過程，在整個冶金行業(yè)排放中，鋁工業(yè)排放占比在80%以上，因為電解鋁工藝用碳素作陽極，碳素在電解過程中會被氧化成二氧化碳排放。因此，冶金工業(yè)的低碳化有四步，一是在選礦、冶煉過程中盡可能用綠電；二是研發(fā)綠色材料取代電解槽中的碳素陽極；三是對電解槽本身作出節(jié)能化改造；四是對鋁廢金屬作回收再生利用。

7.在其他工業(yè)領(lǐng)域中，食品加工業(yè)、造紙業(yè)、纖維制造業(yè)、紡織行業(yè)、醫(yī)藥行業(yè)等也有一定量的碳排放，其排放來源主要有兩個方面，一是生產(chǎn)加工過程中用的煤、油、氣，二是其廢棄物產(chǎn)生的排放。其它工業(yè)領(lǐng)域的低碳化改造主要在于用綠電替代化石能源，同時做好廢棄物的回收再利用。

8.服務業(yè)是一個龐大的領(lǐng)域，但服務業(yè)以“間接排放”為主，即服務業(yè)用電一般被統(tǒng)計到電力系統(tǒng)碳排放中，運輸過程中的用油一般被統(tǒng)計到交通排放中，建筑物中的用能（包括餐飲業(yè)的用氣）則被統(tǒng)計到建筑排放中，似乎“直接排放”的量并不大。但這樣說，并不是說服務業(yè)可以置身于低碳化之事外，恰恰相反，服務業(yè)亦有可以“主動作為”的地方，這一方面是大力做好節(jié)能工作，另一方面是盡可能用電能替代化石能源的使用。

9.農(nóng)業(yè)的碳排放主要來自農(nóng)業(yè)機械的使用，與此同時，農(nóng)業(yè)中的畜牧養(yǎng)殖業(yè)以及種植業(yè)是甲烷（CH4）、氧化亞氮（N2O）的主要排放源，而這二者的溫室效應能力是同當量二氧化碳的數(shù)十倍至數(shù)百倍。從這樣的前提出發(fā)，農(nóng)業(yè)的低碳化一是農(nóng)業(yè)機械用綠電、綠氫替代柴油作動力；二是從田間管理的角度，挖掘能減少甲烷和氧化亞氮排放但不影響作物產(chǎn)量的技術(shù)；三是研發(fā)出減少畜牧業(yè)碳排放的技術(shù)；四是盡可能增加農(nóng)業(yè)土壤的碳含量。

根據(jù)這九方面的介紹，我們可以看出：在能源消費端用綠電、綠氫等替代煤、油、氣，從理論上講是不難做到的，但工藝和設備的再造重建絕不是一件簡單的事。同時我們也可以想象，這樣的替代和重建一定會增加最終消費品的成本。所以說，替代和重建需要時間。

#固碳端的技術(shù)需求

從現(xiàn)階段看，只有生態(tài)固態(tài)才可兼顧經(jīng)濟效益和社會效益。

提起固碳，我們首先想到的是自然過程，即通過海洋和陸地表面把大氣中的二氧化碳吸收固定。但這里必須指出，人類活動每年都向大氣中排放二氧化碳，這其中的一部分可以被自然過程所吸收，余下部分如不通過人為手段予以固定，則大氣中的二氧化碳濃度還會逐年增高。所以我們講固碳，主要是指通過人為努力固定下的那部分，而地球自然固碳過程則屬于“天幫忙”，很難歸功于具體的國家或?qū)嶓w。

“人努力”進行固碳一般可分兩大途徑，

一是生態(tài)系統(tǒng)的保育與修復，

二是把二氧化碳捕集起來后，或加工成工業(yè)產(chǎn)品，或封埋于地下或海底，這第二方面就是經(jīng)常談到的“碳捕獲、利用與封存”——CCUS（Carbon Capture and Utilization-Storage）。

公眾對生態(tài)系統(tǒng)固碳都比較熟悉，它是利用植物光合作用吸收大氣中的二氧化碳，所吸收的碳有一部分長久保存在植物本身之中（比如樹干），也會有一部分凋落后（比如樹葉）腐爛進入土壤中以有機碳的形式得到較為長期的保存，當然有機碳也會部分轉(zhuǎn)化成無機碳并同地表系統(tǒng)中的鈣離子結(jié)合形成石灰石沉積。

地表生態(tài)系統(tǒng)盡管類型多樣，但真正起主要作用的還是森林生態(tài)系統(tǒng)，這是因為森林中的各種樹木都有很長的生長期，在樹木適齡期內(nèi)，固碳作用可持續(xù)進行；當樹木進入成熟期，固碳能力就會減弱，但人們可以通過砍伐—再造林的方式繼續(xù)保持正向固碳作用，而砍伐的木材可以做成家具等產(chǎn)品，不至于把多年來固定的碳快速返還給大氣。

因此，生態(tài)系統(tǒng)固碳的重點在于森林生態(tài)系統(tǒng)，森林生態(tài)系統(tǒng)的管理一在于保育，二在于擴大面積。我國有大量適宜森林生長的山地，這些地區(qū)過去生態(tài)受到過較大程度的破壞，最近幾十年來，一直處在恢復之中，而這些人工次生林或喬/灌混雜林都很“年輕”，有進一步發(fā)育、固碳的潛力。同時，我國又有不少非農(nóng)用地可作造林之用，包括近海的灘涂種植紅樹林，城市鄉(xiāng)村的綠化用地種植樹木。

所以說，生態(tài)系統(tǒng)建設在我國實現(xiàn)碳中和過程中將起到至關(guān)重要的作用。

人為固碳的另一條途徑是CCUS，它包括碳捕集技術(shù)、捕集后的工業(yè)化利用技術(shù)（分為生物利用和化工利用兩大類）、地質(zhì)利用和封存技術(shù)。對這些技術(shù)，國內(nèi)外尚處在研發(fā)階段，真正大面積的應用尚未見到。

碳捕集技術(shù)分三大類。

一是化學吸收法，它用化學吸收劑同煙道氣中的二氧化碳生成鹽類，再加熱或減壓將二氧化碳釋放并收集。

二是吸附法，又細分為化學吸附法和物理吸附法。化學吸附法是用吸附材料同二氧化碳分子先作化學鍵合，再改變條件把二氧化碳分子解吸附并收集；物理吸附法是利用活性炭、天然沸石、分子篩、硅膠等對煙道氣中的二氧化碳作選擇性吸附后再解吸附回收。

三是膜分離法，即利用膜對氣體分子透過率的不同，達到分離、收集二氧化碳之目的。在具體操作上，碳捕集還可分為燃燒前捕集、燃燒后捕集、化學鏈燃燒捕集、生物質(zhì)能碳捕集、從空氣中直接捕集等技術(shù)。

碳捕集后的工業(yè)化生物利用技術(shù)目前主要有四大類，

一是利用二氧化碳在反應器中生產(chǎn)微藻，這些微藻再用作生產(chǎn)燃料、肥料、飼料、化學品的原料。

二是將捕集到的二氧化碳注入溫室中，用以增加溫室中作物的光合作用，這個過程又可稱為二氧化碳施肥。

三是把二氧化碳同微生物發(fā)酵過程相結(jié)合，生成有機酸。

四是把二氧化碳用于合成人工淀粉。

碳捕集后的工業(yè)化化工利用又分兩大類技術(shù)途徑，

一大類是把二氧化碳中的四價態(tài)碳還原后加甲烷、氫氣等氣體，再整合成甲醇、烯烴、成品油等產(chǎn)品。

另一大類為非還原技術(shù)，有二氧化碳加氨氣后制成尿素、加苯酚后合成水楊酸、加甲醇后合成有機酸酯等技術(shù)，也有合成可降解聚合物材料、各類聚酯材料等技術(shù)。

地質(zhì)利用技術(shù)也有很多類型，這些技術(shù)有的已在工業(yè)化示范中，有的尚停留在實驗室探索階段。

比如利用收集起來的二氧化碳驅(qū)油、驅(qū)煤層氣、驅(qū)天然氣、驅(qū)頁巖氣等，這屬于油氣開采領(lǐng)域的應用，這類技術(shù)的一個共性是通過生產(chǎn)性鉆孔把超臨界的二氧化碳壓到地層中，利用它驅(qū)動孔隙、裂隙中的油、氣流出開采性鉆孔，達到油氣增產(chǎn)或增加油氣采收率的目的，與此同時，二氧化碳則滯留在孔隙、裂隙中得以長期封存。該類技術(shù)國內(nèi)外已有工業(yè)應用示范。

而另一些技術(shù)則在探索過程中，比如用于開采干熱巖中的地熱。干熱巖埋深在數(shù)千米，其內(nèi)部基本沒有流體存在，溫度在180℃以上，開采干熱巖中的熱能需要打生產(chǎn)井并用壓裂手段使巖石增加裂隙，然后在生產(chǎn)井中注入工作介質(zhì)，讓其流動并采集熱量，最后從開采井中收集熱量。一些研究表明：用二氧化碳作為工作介質(zhì)，既起到開采干熱巖熱量的作用，又可把部分二氧化碳封存于地下。

地質(zhì)封存技術(shù)則是把二氧化碳收集后直接通過鉆孔注入地下深處或灌入深部海水中。這里要特別指出：深海對二氧化碳的溶解保存能力是巨大的。

總之，固碳的技術(shù)有多種，但這些技術(shù)不可避免地需要額外能量加入，因此有可能把最終產(chǎn)品的成本提高一大塊。至于地質(zhì)封存，盡管理論和實踐上可行，但它似有“空轉(zhuǎn)”之嫌。

從現(xiàn)階段看，只有生態(tài)固態(tài)才可兼顧經(jīng)濟效益和社會效益。

來源：環(huán)保信息傳遞