碳中和，是指人類活動排放的二氧化碳被人為作用和自然過程所吸收。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，煤炭占我國一次能源消費(fèi)的比重持續(xù)下降，但未來一段時(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、中國科技大學(xué)校長包信和介紹，現(xiàn)階段，我國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，通過煤化工等手段，制備化學(xué)品。我國對化學(xué)品需求量很大，又不可能像國外一樣，完全依賴石油化工來生產(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)過程，決定其燃燒一定會產(chǎn)生二氧化碳。據(jù)測算，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)，均離不開水。
有沒有一種方法，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。這一過程就不需要很多水，也不會過多排放二氧化碳，即可將油分子“吃干榨凈”。從分子式結(jié)構(gòu)來看，煤和油的差別不大，區(qū)別主要在反應(yīng)過程。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”，也可以在少用水、少排放碳的同時(shí)，拿到所需的產(chǎn)品。
化石能源對一個(gè)國家來說，是珍貴的資源，但直接燃燒，二氧化碳的排放量比較大。科學(xué)家正在努力，把化石能源更多當(dāng)原材料來利用，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，還要儲存、轉(zhuǎn)換和應(yīng)用。所謂“綠氫”，是指通過風(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5000萬噸左右氫氣中，僅有4%來自電解水，而且所用電能也非全部來自可再生能源。大多數(shù)氫氣來自化石能源，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)，通過材料和過程的創(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”，未來就能形成一條比較完善的氫能產(chǎn)業(yè)鏈，推動氫能在各個(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、無污染，還能與多種能源耦合，可以說是實(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)過程會產(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，儲存和輸運(yùn)也是必須克服的難題。針對這一痛點(diǎn)，我國科研人員探索“液態(tài)陽光甲醇”技術(shù)路線，即將“綠氫”與二氧化碳結(jié)合制成液態(tài)甲醇。將太陽能等可再生能源儲存在甲醇中，提供了一條可再生能源儲存和輸運(yùn)的新模式。這樣不僅可以解決氫氣儲運(yùn)問題，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、中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所太陽能研究部部長李燦介紹，經(jīng)過多年攻關(guān)，我國完成了全球首套直接利用太陽能“液態(tài)陽光甲醇”合成技術(shù)的規(guī)模化示范工程，正在推廣10萬噸級“液態(tài)陽光甲醇”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)定的儲能技術(shù)
我國太陽能資源十分豐富。據(jù)專家測算，在我國有條件的農(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3萬億千瓦時(shí)，占到未來全國總電力需求的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)電波動性和間歇性等短板，如果規(guī)模化并網(wǎng)，會影響電網(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能結(jié)合起來。作為能源存儲轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵，儲能系統(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；在電網(wǎng)側(cè)，儲能技術(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)，儲能技術(shù)可實(shí)現(xiàn)用戶冷熱電氣等方面綜合供應(yīng)。
目前，大規(guī)模儲能技術(shù)也存在一些缺陷。除了成本比較高之外，安全也是儲能產(chǎn)業(yè)的瓶頸。針對這些痛點(diǎn)，科技界和產(chǎn)業(yè)界正在探索大容量、安全、穩(wěn)定的儲能技術(shù)。比如，在儲能材料上，朝著低成本、高儲能密度、高循環(huán)穩(wěn)定性、長周期存儲的方向發(fā)展；在儲能裝置上，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、儲用協(xié)調(diào)方向。
業(yè)內(nèi)專家表示，近年來，各種新型儲能技術(shù)不斷有突破，且嘗試了一些場景實(shí)現(xiàn)示范應(yīng)用，包括氫儲能技術(shù)、電磁儲能和飛輪儲能等等。儲能技術(shù)路線不同，適合的場景也不一樣，未來還需進(jìn)一步研究，綜合考慮技術(shù)成熟度與場景匹配度。
中國工程院院士杜祥琬表示，從碳達(dá)峰走向碳中和，發(fā)達(dá)國家一般要用45年至70年，我國僅預(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)社會的大轉(zhuǎn)型，是一場涉及廣泛領(lǐng)域的大變革，誰在技術(shù)上走在前面，誰將在未來國際競爭中取得優(yōu)勢。”中科院院士丁仲禮表示，我國需要積極研究與謀劃，謀定而動，系統(tǒng)布局，力爭以技術(shù)上的先進(jìn)性獲得產(chǎn)業(yè)上的主導(dǎo)權(quán)。