以創新助力碳中和
——專訪中國工程院院士金涌

文／本刊記者 陸曉如

實現碳達峰、碳中和充滿了挑戰，而科技創新是唯一出路。

●“綠色低碳轉型將是今后全部經濟活動的內核。供圖/視覺中國

專 家 簡 介

金涌，中國工程院院士，清華大學化學工程系教授、化工科學與技術研究院院長。現任中國化工學會和中國顆粒學會常務理事、中國生態經濟學會副理事長、工業生態經濟與技術專業委員會主任、國務院學位委員會化工學科評議組召集人。

長期從事湍動流化床、高速氣固流化床反應器、氣液固三相流化床反應器、顆粒技術及反應—反應、反應—分離耦合等教學與研究工作。近年來，重點研究方向為生態工業工程和循環經濟，積極推動循環經濟與低碳經濟的工程科學的學科基礎建設。

“二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和。”2020年9月22日，在第七十五屆聯合國大會一般性辯論上，中國國家主席習近平向全世界鄭重宣布。

截至目前，全球已有超過120個國家和地區提出了碳中和目標。其中，大部分計劃在2050年實現碳中和，如歐盟、英國、加拿大、日本、新西蘭等。但對中國來說，用30年左右的時間完成全球最高碳排放強度降幅，用全球歷史上最短的時間實現從碳達峰到碳中和，無疑是一場大考。

如何答好這一時代答卷？中國工程院院士金涌認為，實現碳達峰、碳中和充滿了挑戰，而科技創新是唯一出路。

四大挑戰

中國石油石化：金院士，您好！在您看來，中國實現碳達峰、碳中和，面臨著怎樣的困難與挑戰？

金涌：中國實現碳達峰、碳中和，不僅僅是氣候問題、環境問題。就如習近平總書記所說，這是一場廣泛而深刻的經濟社會系統性變革，要把碳達峰、碳中和納入生態文明建設整體布局。為什么？因為中國實現碳達峰、碳中和面臨著四大挑戰。

首先，中國碳排放總量在全球范圍內最大。統計數據顯示，2021年全球二氧化碳排放總量為338.84億噸。其中，中國的碳排放量達到105.23億噸，以31%的占比排在了第一。同為人口大國的印度，碳排放量為25.53億噸，排在第三。美國作為發達國家的代表，碳排放量為47.01億噸，排在第二。預計中國2030年碳排放量可達110億噸。

其次，中國承諾二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和。從達峰到碳中和僅30年時間，將是全球用最短時間實現從碳達峰到碳中和的國家。英國早在1971年就已碳達峰。2019年6月，英國新修訂的《氣候變化法》生效，正式確立到2050年實現溫室氣體“凈零”排放，即實現碳中和的目標。從碳達峰到碳中和，英國將用79年。美國2005年已碳達峰，計劃2050年實現碳中和，從碳達峰到碳中和將用45年。

再次，中國既要實現碳達峰、碳中和目標，又要保持國民經濟健康穩定發展，挑戰巨大。從2020年的人均GDP來看，美國6.5萬美元、德國4.8萬美元、日本4.1萬美元，而中國僅1萬美元。根據我國社會主義現代化建設“三步走”的總體戰略部署，到2050年我國將實現第三步戰略目標，達到中等發達國家水平。按照《宏觀經濟藍皮書》的設定，我國2050年人均GDP達到4.1萬美元。在實現碳達峰、碳中和的關鍵期，我國的人均GDP要達到現行水平的4倍，而經濟的發展必然產生能耗。2019年，我國萬元GDP能耗約為0.519噸標準煤，同期主流發達國家的萬元GDP能耗一般維持在0.1～0.2噸標準煤。若要達到目前發達國家的能耗水平，2060年我國的總能耗要與當前總能耗持平或減少一半，難度很大，需要下大功夫。

最后，中國要發展必須保持強大的制造業。國外經濟學家推崇的克拉克定律認為，應該發展服務業。但是，服務業依賴被服務對象的強大，導致經濟發展金融化、虛擬化、空心化。今年斯里蘭卡作為一個主權國家宣布破產，就是太過于依賴服務業而忽視了農業、制造業帶來的惡果。未來經濟的發展，應該是通過科學研究、技術開發等智力勞動推動制造業創新，保證制造業是創造財富的主體。制造業、服務業、智造業三者相互依賴，才能使經濟整體健康發展。中國制造業2010年以來已連續11年位居世界第一，占全球比重的近30%。根據中國國民經濟的發展軌跡，未來中國經濟的發展要依靠高端制造業，而非金融等非實體經濟。而制造業無疑是能耗大戶，且隨著向高端制造業轉型升級，碳排放同步降低的難度會越來越大。

兩方面入手

中國石油石化：面對如此嚴峻的挑戰，您認為我國應該如何實現碳達峰、碳中和？

金涌：碳達峰、碳中和是未來中國經濟增長和轉型發展的最大驅動力，綠色低碳轉型將是今后全部經濟活動的內核。它將成為科學研究、科技創新以及投資、生產、消費等所有經濟活動決策的指導思想和重要依據。面對上述的挑戰，今后的40年我們一定要理性地、智慧地實現碳中和，平衡生態文明建設與經濟社會發展的關系。

中國石油石化：對此，您有哪些具體的建議？

金涌：我建議，我國可以從兩方面入手。

一是推進產業結構轉型。能耗高、產值低的初級產品要慢慢退出。比如，2019年，美國人均水泥產量0.27噸/人，而中國人均水泥產量1.69噸/人，是美國的6倍；美國人均鋼鐵產量約0.3噸/人，而中國鋼鐵產量占世界總產量的50%以上，人均鋼鐵產量約0.9噸/人，是美國的3倍。這類產業能耗高、產值低，且未來我們并不需要這么多，該淘汰就應該淘汰。

隨著信息產業、智能產業的發展，5G、互聯網等技術的進步，重工業的占比將會數倍下降。實現碳中和，我們要以制造業實現碳中和為主要努力方向，要通過產業結構的改變向高端制造業轉型，發展低能耗、高附加值的數字產業、智能產業。

二是推進技術進步。2019年，我國火電煤耗306.7G/kWh，而發達國家火電煤耗為270G/kWh；石油加工產生的碳排放，中國為230kg/噸油，而歐洲小于210kg/噸油。通過節能技術的進步，我國約有10%～20%的能耗和碳排放降低空間。

雙管齊下，科技創新的思路有很多。比如，開展跨學科研究，開發顛覆性技術，比如化學+生物（制藥、人造器官）、化學+物理（電池、芯片）、化學+信息（分子煉油等）。推進不同技術間的融合，比如視、聽、觸覺傳感技術與5G、6G量子信息傳輸技術的融合，提升算力、人工智能水平，發展機器人產業。

目前，我國的5G量子信息傳遞技術、純電動汽車技術、電池技術、高鐵技術已處于世界領先水平，大型工程機械、無人機處于并跑水平，民用航空、人工智能、機器人已有產業基礎，芯片、制藥等先進技術加快追趕。這些技術的進步、產業的興起，都將為碳中和的實現做出積極貢獻。

出路在科技創新

中國石油石化：作為科技工作者，您如何看待科技創新對實現碳達峰、碳中和的意義和價值？

金涌：我認為，科技創新是實現碳達峰、碳中和的唯一出路。要向生產低能耗、高附加值產品的高端制造業轉型，高端材料是基礎，需要科技創新來實現。與信息產業配套的高純試劑、高檔光刻膠、封裝材料等，與生化產業配套的醫藥、活體3D打印材料、靶向合成等，與精細化、個性化制造業相關的有機發光半導體、碳纖維、濾膜材料、光電膜、鹵化丁基膠、特種聚合物等，同樣需要依靠科技創新。此外，生態產業園的建設，需要通過科技創新提升技術，使資源、能源、資金、區域達到最優配置，實現全生命周期清潔、源頭污染防治。

●供圖/視覺中國

中國石油石化：就能源行業來說，您認為應該如何通過科技創新實現碳中和？

金涌：首先，要通過科技創新實現零碳電力供應。

2020年，我國燃煤機組發電量4.8萬億千瓦時，全年消耗標準煤約14.6億噸，碳排放約為42億噸，是碳排放大戶。一方面要通過技術創新降低燃煤發電的碳排放量，另一方面要發展可再生能源發電。

現在風電和光伏發電的成本已經很低。以沙特阿拉伯新建的光伏電站為例，發電成本核算成人民幣為每千瓦時8分錢。從質量、經濟、技術方面看，風電和太陽能發電都是可行的。通過科技創新，可以進一步降低可再生能源發電的碳排放。例如，風電渦輪葉片原來采用環氧樹脂+玻璃纖維材料，使用壽命短、不易回收利用。創新采用熱塑性樹脂+玻璃纖維，使用壽命延長，且可溶于新鮮單體而再生，抽出纖維再制造。再比如光伏發電，多晶硅材料光電能量轉換率在10%～15%，而單晶硅光電能量轉換率在20%～25%。目前，實驗室正在研究中的砷化鎵材料光電能量轉換率能達到30%以上。科技創新，無疑將大大降低生產新能源發電相關部件產生的碳排放。

風力和太陽能是實現零碳電力供應的重要力量，但缺點是發電不穩定，夜里或者風力不夠時就發不出電，因此必須配套儲能。2008年，鋰離子動力電池應用于電動汽車。10余年來，因為科技創新，實現了裝車產品能量密度從100Wh/kg提升到了250Wh/kg。現在儲能技術發展很快，方式各異，如化學儲能、機械儲能、抽水蓄能等等，而且投資火爆。寧德時代研發的方形軟包電池質量能量密度304Wh/kg、體積能量密度743Wh/L，已經投入市場。隨著可再生能源和儲能的發展，再通過智能電網做傳輸，即可形成完整的能源供給網絡。“可再生+儲能”，將是人類未來能源終極解決方案之一。

其次，通過科技創新推動化石能源從化石燃料時代轉為化石材料時代。

現在化石能源在我國能源消費中占據主要位置。而人為二氧化碳排放中，90%來自化石燃料燃燒。我國二氧化碳排放中，燃煤占80%、石油占14%、天然氣占4%。要實現碳中和目標，一定是少用甚至不用煤炭、石油等傳統能源。未來，應通過科技創新讓傳統化石能源更多在化工領域發揮作用。

石油方面，在傳統的煉化技術下，80%的原油變成了汽油、柴油，僅有20%用來制作塑料、橡膠和纖維。到2060年，如果電動汽車在全國普及，創新催化裂化法，走石油材料路線，將使這一比例反過來，即80%的原油用來制作材料、20%用來做燃料。

煤炭方面，煤炭的分質利用是一種思路。通過分質，煤炭最終變成半焦和氫氣。氫氣可以作為碳匯處理二氧化碳；經過加熱，半焦也可以成為一種碳匯，生成性質活潑的一氧化碳。一氧化碳可以用來制作酒精，從而用于汽車燃料，甚至塑料、橡膠纖維的使用，實現無機碳向有機碳的轉化。現有的煤變油、煤變烯烴甚至乙二醇可能不會受到廣泛支持，只有耗能少、碳排放少、收益高的技術才能實現發展。因此，我國需要發展新的技術，提高煤炭的利用率。

●接天蓮葉無窮碧，“風”“光”不與四時同。供圖/視覺中國

天然氣是很好的碳中和原料，應當分離碳和氫元素。氫是碳匯中的一部分，可以與碳氧化合物反應。碳可以作為還原劑，將二氧化碳還原為用途更廣泛的一氧化碳。類似的做法為目前正面臨淘汰風險的高耗能企業提供了退出路徑，可以幫助它們改造原有技術，減少碳排放，提高能源利用率，降低損失，契合碳中和目標。

總的來說，實現碳中和，我們要從學術角度研究，要認識到碳元素和氫元素是對生物、對人類最重要的兩個元素。不要懼怕它們，而要進行碳元素和氫元素的自然代謝分析，對社會生態中的碳元素和氫元素重新規劃和優化利用。我國要實現碳中和，就必須從現在開始進行合理規劃、有序替代，積極創新、循序漸進，與經濟發展同步。

相信到2060年實現碳中和時，我國將由工業化時代轉變為信息化時代，進入可再生能源主導時代、核聚變能源時代、化石材料時代、資源循環利用時代，擺脫能源資源的困擾。