碳中和是一場深刻的經濟社會系統的變革

金涌

我國石油的對外依賴超過71%，甲烷也就是天然氣的依賴也接近50%，我國的社會發(fā)展會受到資源、能源、環(huán)境各方面的嚴重的制約，而實現碳中和，一切問題都可以解決。所以，碳中和對中國來說不止是氣候問題或者能源問題，而是納入中國生態(tài)文明總體布局的一場深刻的經濟社會系統的變革。

中國的二氧化碳排放占世界的1/3，是最大的排放國，總排放量是美國的1倍。從碳達峰到碳中和只有30年的計劃時間，而其他國家都是45年或者以上，所以我國是最多排放且最快時間達到碳中和的國家，對國家來說是一個大挑戰(zhàn)。我國承諾到2050年中華人民共和國成立100年的時候要進入到發(fā)達國家水平，人均GDP要從現在的1萬美元升到4萬美元。假如碳中和與經濟發(fā)展同時同步進行，困難則非常大。首先，我國是全世界制造大國，不搞虛擬經濟，主要差別反映在萬元GDP能耗，我國生產1萬元產值所需要的能耗是半噸標煤，但日本只有0.1噸多標煤，如果我國經濟翻五番，而萬元基礎能耗不下降，碳中和困難更大，所以一定要把我們的萬元GP能耗降到0.1，同時經濟提高5倍。

在實現碳中和上，中國和發(fā)達國家主要差距是什么？我們處在工業(yè)化社會，而發(fā)達國家已進入了智能化信息化學會、數字化學會。所以實現碳中和的第一件大事是必須要做高端的制造業(yè)，要做經濟轉型。產業(yè)結構的改變，是從工業(yè)社會進入到信息化社會的一個大變革。目前，我國鋼材產量占全球的50%，每年大約生產12億噸鋼，水泥生產占全世界60%，到2060年還我們還需要這么多鋼鐵和水泥嗎？肯定不需要。那時候這些高耗能低產值的產業(yè)會慢慢退出市場，我們要轉型發(fā)展高端制造業(yè)。

我國的基本產業(yè)和最先進的技術相比，大概有10%～30%的節(jié)能空間，低能耗高附加值產品改造，通過全社會的努力，國家會轉變整個發(fā)展模式。我國目前的光電風電成本已經大幅度下降，接近于火電的成本，不需要再建火電廠，轉而依靠可再生能源，若石油和天然氣不燒了，化石能源自然會退出歷史舞臺，也就沒有二氧化碳排放了。

第二個轉型是把寶貴的化石燃料轉變成化學材料，化石能源可以提供碳元素組成的各種各樣產品。化石燃料里最重要的就是石油，石油煉油技術使原油通過催化電化，得到大約80%的汽柴、煤、潤滑油。進到作為石腦油，將來的出路為三烯三苯，用來做塑料橡膠纖維，這些材料含的碳是保存在產品里不會對環(huán)境造成損害的，同時也是我們需要的。

現在反過來看，煤化工業(yè)其實走了彎路。如果拿半焦來燒鍋爐產生蒸汽，蒸汽推動燃氣輪蒸汽輪機發(fā)電，蒸汽輪機發(fā)電的尾氣溫度很高，此時再往里頭噴液體氣體的燃料，讓它在燃氣輪機里二次發(fā)電，也就是燃氣蒸汽聯合循環(huán)發(fā)電，可以使我國煤發(fā)電轉換效率提高到60。目前超臨界煤的轉化效率都在45以內，提到60的話更重要的是調峰，因為火電蒸汽輪機是蒸汽，不能隨時停，而燃氣輪機可以隨時停。可能到了2050年，化石燃料還有百分之十幾的保留，到時火電廠就用來調峰，所以將來火電的唯一出路就要做成調峰，能夠和可再生能源風電光電協同補足缺陷，根據調峰組成智能電網。

最近日本人提出一個新的思想，說現在的煉焦產品焦爐氣出來后，經過冷卻會出現一些苯，然后有輕焦油、重焦油、瀝青等，于是就計劃拿焦油、輕焦油、重焦油加氫做柴油，但這是沒出路的，因為柴油本身過剩，將來柴油都會賣不出，經過這樣繁瑣的程序最后得到的質量還遠遠達不到五五標準。所以后來改變了想法，煤原材料一個用來煉焦，一個作為焦化廠，就可以生產兩個產品。焦炭一部分可以裂解成氫氣，焦炭不完全燃燒，可以燒一部分變成氧化碳，它需要放熱環(huán)境，放熱反應耦合在一起，反應出口就是把二氧化碳變成一氧化碳。一氧化碳當然有用，所以現在一般的思想就是用氫氣把二氧化碳還原成一氧化碳，用了碳我們可以把它還原回來，這樣就解決了煤的問題。

再說到天然氣，中國的天然氣是有一個誤區(qū)，我們把天然氣拿來都賣給老百姓燒了，因為它比較貴，而天然氣用在廚房里燒開水，有多少天然氣進到開水里去了，30%～70%都進入空氣中，利用率非常低。假如使電暖水壺加熱，100%的電基本都進到水里去了，以后碳中和的最后的結果就是所有民用都是電氣化的，因為我們可以光電風電發(fā)電，電的供應應該很充足，而且會很便宜。天然氣被替代下來，又是非常好的一個減碳的元素，因為它化學組成是4個氫1個碳，完全可以用天然氣發(fā)展天然氣化工，當天然氣加熱到800度，再把氧氣加熱到800度，兩個800度氣體碰到一起，點著后瞬間再澆滅，它就會是乙烯或者乙炔，乙烯乙炔就是可用材料。

煤的解析同時可以生成乙醇。美國因為糧食多，每年乙醇的產量（用糧食發(fā)酵做酒精）4000萬噸，他們把乙醇添到汽油里，一方面改善了排放，同時也代替了汽油。但中國沒有那么多糧食，中國的乙醇產量不到300萬噸，但我們可以做個嘗試，不用糧食做酒精，我們用的碳源是工業(yè)廢氣，也就是50%左右的一氧化碳，里面含量氫氣只有1%，可以用來發(fā)酵做酒精。用一氧化碳制造乙醇的菌叫厭氧受菌，目前這個項目已經建成了4個廠，2個廠已經投產，年產酒精44，000.5噸，同時還生產5000噸的飼料蛋白，連菌絲都值錢。但4萬噸對中國來說還是產量太小，中國需要的是1000～2000萬噸的乙醇建到汽油里，設想我們建一個百萬噸產能級別的生產廠，它的碳源就是一氧化碳，利用煤分支利用變成焦炭，焦炭還原化碳變成了一氧化碳，煤最后就變成酒精。

最后再講講零電力系統，電要靠風電光電，風電光電與火電成本接近，甚至于超過火電，那么太陽作為可再生能源，是未來重點的能量圈。太陽給地球的能量是人類需求能量的3000倍，所以太陽能風電相對于火電來說就是無限的。同時，中國有大量的光電儲備。例如西藏一帶光很豐富，風電也有大規(guī)模的風電場，所以風電光電在未來不僅是中國而且是世界能源的主要依賴的對象。但可再生能源不穩(wěn)定，另一個迫切需要解決的問題就是儲能，當可再生能源加儲能做成智能電網，最終就可以供全人類使用。

儲能有很多方法，化學儲能主要深耕電池，排在前面的就是汽車電池，由于鋰電池單次充電里程不夠，便開發(fā)鋰硫電池來代替。鋰硫電池一次充電可以跑800～1000公里以上，同時鋰硫電池也不會著火，因為它沒有直徑，不會穿透薄膜。電池是人類儲能儲電能的永恒主題，以后甚至可以用電池開飛機。

碳元素和氫元素是人類最親和的元素，化工研究者研究它們的自然代謝規(guī)律，怎么在社會生態(tài)中優(yōu)化利用、重新規(guī)劃，使這兩個對生物最重要的元素能夠得到合理的應用，就是我們要實現循環(huán)經濟，發(fā)展材料的循環(huán)利用，從而減少大量的能耗。所以我們認為氫不是燃料，氫是材料，用它可以合成氨、合成甲醇，合成可以跟二氧化碳反應，回收二氧化碳，絕對不會把它燒掉。那么重點就會是鋰電池，氫燃料電池對氫的利用率太低應該被淘汰。但目前鋰硫電池成本很高，那么我們就會給新的高性能的電池提供材料。首先是碳材料，鋰電池里需要納米碳管作為導電充放電，中國在2001年就可以批量生產納米碳管，由于配套設施的缺失，反而是美國率先用上了我國研發(fā)的技術。

智能電網是人類未來能源集中解決的方案之一，那另外一方面就是核聚變了。有人說最后可能是這樣的結果，風電占21%，光電占17%，水能占14%，核能占28%，生物智能占8%，然后還有12%保留化石能源，化石能源當然是盡量調峰的。

碳中和實際上是人類作為刺激地球的整個自然代謝，讓其更加健康美好。碳綜合的問題也是社會時代的大變化，從工業(yè)化時代轉型為信息化時代，跨越能源時代到可再生能源時代，再到核驟變時代，通過化學燃料到材料的轉變，為最終形成的循環(huán)經濟時代服務。我們就會有一個美麗的地球，更美麗的生活空間，大家也會生活得更幸福。