“我國(guó)要實(shí)現(xiàn)碳中和，首先要明晰碳排放主要來自于哪里？能源45%，工業(yè)39%，工業(yè)包括鋼鐵、有色、化工、建材等等，另外交通10%，建材5%，其他相對(duì)來說較少。”中國(guó)科學(xué)院院士、中國(guó)科學(xué)院過程工程研究所所長(zhǎng)、河南大學(xué)校長(zhǎng)張鎖江在5月20日~23日舉辦的2023大灣區(qū)科學(xué)論壇上指出，目前能源生產(chǎn)和工業(yè)生產(chǎn)過程中的碳排放量約占我國(guó)碳排放總量的85%，工業(yè)碳減排是重中之重，需從產(chǎn)能端、用能端和碳匯端“三端”發(fā)力，通過技術(shù)變革實(shí)現(xiàn)碳中和。
張鎖江院士分享了三個(gè)領(lǐng)域低碳技術(shù)的最新進(jìn)展。首先是工業(yè)低碳技術(shù)，他表示，工業(yè)領(lǐng)域里面最主要的行業(yè)是鋼鐵、有色、化工和建材，這一體系的“低碳化”是要將原來生產(chǎn)所用的熱碳驅(qū)動(dòng)改成電氫驅(qū)動(dòng)，將原來用碳還原的過程全部改成用氫還原。
第二是能源低碳變革。在鋰電池領(lǐng)域，中國(guó)科學(xué)院過程工程研究所的研究團(tuán)隊(duì)正在研發(fā)漿料電池，該電池技術(shù)兼具鋰電池和液流電池兩者的優(yōu)點(diǎn)。在氫能的發(fā)展上，當(dāng)前合成氨排放約2億噸的二氧化碳，占我國(guó)總碳排約2%。將來，可以利用可再生能源通過電解水制出“綠氫”，氫氣再與空氣膜分離獲得的氮?dú)馔ㄟ^電熱催化合成氨，以降低碳排放。
第三是碳捕集利用技術(shù)，即用物理化學(xué)方法把二氧化碳捕集起來，作為原料再與氫結(jié)合，通過熱、光、電及生物轉(zhuǎn)化的方法來合成化學(xué)品及材料，比如合成乙醇等，真正實(shí)現(xiàn)“變廢為寶”。
展望未來，張鎖江院士認(rèn)為，實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)，可以分“四步走”：首先是控碳，即2030年前已有電力及工業(yè)裝置繼續(xù)運(yùn)行，新建裝置碳排放量要低于現(xiàn)有水平的5%~10%；第二步是減碳，2040年前大幅降低新能源發(fā)電成本，通過市場(chǎng)調(diào)節(jié)減少化石能源使用，推動(dòng)工業(yè)結(jié)構(gòu)減碳；第三步為低碳，2050年前新能源系統(tǒng)進(jìn)一步推廣，大幅推進(jìn)低碳工業(yè)再造，將碳排放降低50%~60%；第四步為碳中和，到2060年新能源電力系統(tǒng)全面建成，工業(yè)系統(tǒng)以低碳方式運(yùn)行，逐步實(shí)現(xiàn)碳中和。
張鎖江院士同時(shí)表示，還有三個(gè)問題需要深入研究：第一，AI如何深刻影響未來能源及工業(yè)系統(tǒng)；第二，將來生物質(zhì)和風(fēng)光電到底能做成多大的規(guī)模，其經(jīng)濟(jì)性怎么樣，我國(guó)到底該怎么發(fā)展，這需要頂層設(shè)計(jì)和戰(zhàn)略研究；第三，儲(chǔ)能及氫能到底怎么發(fā)展，氫能的輸送和天然氣的輸送完全是不同的材料，也需要戰(zhàn)略層面的研究。
以上部分內(nèi)容來源于：經(jīng)濟(jì)觀察網(wǎng)
——部分發(fā)言實(shí)錄
尊敬的梁主席、白院長(zhǎng)、王省長(zhǎng)、丁院士，各位院士專家和朋友們：
今天向大家匯報(bào)一下關(guān)于《碳中和：工業(yè)技術(shù)變革及系統(tǒng)重構(gòu)》的思考。氣候變暖威脅人類生存。工業(yè)革命以來，特別是近年來碳排放量激增，大氣中的二氧化碳濃度接近400 ppm，比工業(yè)革命前提高約50%，將溫度變化控制在2攝氏度以內(nèi)成為全世界的共識(shí)，所以碳中和也成為了全球關(guān)注的重大問題。
我國(guó)要實(shí)現(xiàn)碳中和，首先要明晰碳排放主要來自于哪里？能源45%，工業(yè)39%，工業(yè)包括鋼鐵、有色、化工、建材等等，另外交通10%，建材5%，其他相對(duì)來說較少，比如農(nóng)業(yè)1%左右，所以碳排放的重點(diǎn)是能源生產(chǎn)和工業(yè)過程，總共約占到85%。
我國(guó)目前碳排放大約100億噸，達(dá)峰之前還會(huì)增加一些。如果我們?nèi)匀徊捎脗鹘y(tǒng)的方式且不加以控制，碳中和是不可能實(shí)現(xiàn)的。如果采用新的政策嚴(yán)格控制，碳達(dá)峰、碳中和就有可能提前實(shí)現(xiàn)，所以必須要有相應(yīng)的政策，通過技術(shù)變革來推動(dòng)實(shí)現(xiàn)碳中和。
碳中和是一個(gè)大系統(tǒng)。丁仲禮副委員長(zhǎng)提出了“三端發(fā)力”，包括產(chǎn)能端、用能端和碳匯端。從這個(gè)系統(tǒng)可以看到，未來能源系統(tǒng)中化石能源的使用要逐步減少，特別是汽柴油的使用，未來石油主要用來做化學(xué)品。新能源發(fā)電要和煤炭燃燒發(fā)電配合起來，構(gòu)成多能互補(bǔ)的能源系統(tǒng)。在新能源系統(tǒng)中，最重要的是新能源的儲(chǔ)存，包括儲(chǔ)氫和儲(chǔ)電等技術(shù)。在工業(yè)用能端，鋼鐵、有色、化工、建材這幾個(gè)行業(yè)是相互銜接的，各個(gè)過程耦合起來，鋼鐵、有色等金屬使用后可回收處理后作為原料再次使用，廢棄塑料等也可再循環(huán)利用起來，還需結(jié)合CCUS技術(shù)，才有可能實(shí)現(xiàn)碳中和，所以要“三端”發(fā)力。那么，我今天主要匯報(bào)三個(gè)方面的技術(shù)進(jìn)展。
第一是工業(yè)低碳技術(shù)。工業(yè)領(lǐng)域里面最主要的是鋼鐵、有色、化工和建材。而我國(guó)是一個(gè)發(fā)展中大國(guó)，又不得不發(fā)展重工業(yè)，所以工業(yè)過程是碳減排的重中之重，因?yàn)樗瘟藝?guó)家約20%的GDP。工業(yè)過程排放二氧化碳的原理是什么呢？所有的礦物質(zhì)，如鐵和鋁，在自然界都是以氧化物形式存在的，用碳還原生產(chǎn)鐵、鋁就要排放大量二氧化碳。第二個(gè)是建材行業(yè)，碳酸鈣加熱分解生成氧化鈣，就必然排放二氧化碳。化工生產(chǎn)過程中主要做油品和化學(xué)品，工藝過程也會(huì)排放二氧化碳，高溫高壓的生產(chǎn)條件也會(huì)增加碳排放。另外一個(gè)是化工過程的合成氨技術(shù)，它排放了2億噸左右的二氧化碳。整個(gè)體系的變革就是要從原來的熱碳驅(qū)動(dòng)改成電氫驅(qū)動(dòng)，原來用碳還原的過程要改成用氫或電來還原。比如氧化鐵由碳來還原會(huì)產(chǎn)生二氧化碳，改成用氫還原或者用電還原，就可以避免二氧化碳的產(chǎn)生。另外，鋁的還原也要低碳化，這些都要進(jìn)行技術(shù)變革，以實(shí)現(xiàn)減少碳排放，具體我就不一一展開了。
下面我講幾個(gè)例子。一個(gè)是氫冶金替代碳冶金。這個(gè)系統(tǒng)中的一個(gè)重要變化，就是原來用碳作為還原劑，現(xiàn)在可以用富氫氣、合成氣來作為還原劑，將來要完全用氫作還原劑，我們國(guó)家已經(jīng)在做萬噸級(jí)的示范，過程所也取得了一些非常重要的進(jìn)展。
第二個(gè)是電解鋁。我們國(guó)家有色的碳排放中，電解鋁占了約60%，電解鋁耗的電占全國(guó)總用電的7%左右，相當(dāng)于兩到三個(gè)三峽發(fā)電量。電解鋁中最重要的幾個(gè)環(huán)節(jié)是鋁土礦到三氧化二鋁，再就是用三氧化二鋁往后去做鋁的還原過程。現(xiàn)在主要發(fā)展兩個(gè)技術(shù)，一個(gè)是惰性陽(yáng)極技術(shù)，一個(gè)是離子液體電解鋁技術(shù)。
在石化行業(yè)中最重要的是油品。石油如果不做汽柴油，以后就要與綠氫相結(jié)合，通過流化床反應(yīng)器來做成化學(xué)品。這里最主要的一個(gè)科學(xué)問題，就是小分子裂解溫度比較高，大分子裂解溫度比較低，都要在流化床反應(yīng)器中的非常小的空間里面實(shí)現(xiàn)反應(yīng)，所以提出了反應(yīng)微區(qū)和整個(gè)反應(yīng)器如何來調(diào)控的問題。
現(xiàn)在我們國(guó)家在這方面的進(jìn)展非?？?，已經(jīng)完成了中試規(guī)模的研究，三烯收率可達(dá)到50%以上，化學(xué)品收率可達(dá)到60%以上。如果石油全部來做烯烴、芳烴以后，進(jìn)一步還可以制備一系列化學(xué)品。烯烴做到α-烯烴可以做潤(rùn)滑油，上海高研院在這方面有一些突破；也可以做MMA，即有機(jī)玻璃原料；C4可以再做尼龍，或進(jìn)一步發(fā)展光刻膠等等；還有芳烴可以做均酐，是電子信息材料的原料，所以應(yīng)該以石化行業(yè)的工藝創(chuàng)新為源頭，來引領(lǐng)整個(gè)石化行業(yè)的變革。
我們?cè)诖髞啚匙隽藥讉€(gè)工業(yè)示范裝置，其中包括離子液體催化二氧化碳合成鋰電池電解液溶劑等。大亞灣里面的石化園區(qū)是非常完整的產(chǎn)業(yè)鏈，它的產(chǎn)值超過了3000億。
第二方面，簡(jiǎn)單匯報(bào)一下能源的低碳變革。能源的低碳變革就是要依靠風(fēng)光電，還有非常重要的一塊，就是生物質(zhì)。生物質(zhì)如果能做乙醇，進(jìn)一步生產(chǎn)烯烴。生物質(zhì)做乙醇可以靠生物的方法，也可以靠化學(xué)的方法。另外就是發(fā)的電如何儲(chǔ)存的問題，一個(gè)是儲(chǔ)電，一個(gè)是儲(chǔ)氫。氫的另外一個(gè)儲(chǔ)存方式就是合成氨，或者合成甲醇（液態(tài)陽(yáng)光）。我這里介紹幾個(gè)最新的進(jìn)展，一個(gè)是生物質(zhì)做乙醇。這是美國(guó)的一個(gè)工廠圖，我們國(guó)內(nèi)也在做，現(xiàn)在最重要的問題就是發(fā)酵過程的酶太貴，生產(chǎn)1噸產(chǎn)品要耗費(fèi)3000~5000元，只有把酶的價(jià)格降下來，才可能解決生產(chǎn)的問題?，F(xiàn)在正在發(fā)展的技術(shù)，是在實(shí)驗(yàn)室從二氧化碳直接碳碳重構(gòu)合成乙醇，這個(gè)在實(shí)驗(yàn)室中已經(jīng)走通了。其中我們提出了一個(gè)概念叫離子酶，因?yàn)槲覀冎饕鲭x子液體，這個(gè)過程如果能夠?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)業(yè)化或者能夠在科技上有所突破以后，它的意義是非常重大的，生物質(zhì)的鏈就打通了。
在能源存儲(chǔ)使用方面，我們通常做的電池都是正負(fù)極固定的，比如現(xiàn)有的鋰電池。我們承擔(dān)了科技部的一個(gè)變革性項(xiàng)目，國(guó)外也在做，就是使正負(fù)極能流動(dòng)起來。正負(fù)極流動(dòng)起來以后，就形成了鋰漿料電池或者鈉漿料電池。如果能解決化工上漿料順暢流動(dòng)的問題，將來的汽車就可以灌注液體了，電量用完以后把液體抽出來，然后再把新液體灌進(jìn)去，就可以繼續(xù)使用，這作為新一代的技術(shù)，兼具了鋰電池和液流電池兩者的優(yōu)點(diǎn)。
再進(jìn)一步是氫的發(fā)展，氫在化工上最重要的用途就是合成氨，合成氨排放了約2億噸的二氧化碳，占總碳排的約2%。我國(guó)7成以上的合成氨工藝采用煤炭制氫，將來如果綠氫出來以后，再通過空氣膜分離出來氮?dú)?，氮?dú)夂蜌錃馔ㄟ^電熱催化合成氨。同時(shí)，反應(yīng)后氣體中氨的濃度只有10%~20%，原料氣需要循環(huán)，我們已經(jīng)在努力解決這方面的問題了。這一項(xiàng)技術(shù)的未來就是氮?dú)饧铀铣砂?，如果這個(gè)課題突破了，整個(gè)合成氨工業(yè)將發(fā)生一個(gè)大的變革。工業(yè)過程創(chuàng)新現(xiàn)在面臨著前所未有的大機(jī)遇。
第三方面，我將匯報(bào)碳捕集利用。關(guān)于碳捕集利用，我們?cè)谟懻摰臅r(shí)候，認(rèn)為自然界最重要的是碳匯，靠生態(tài)來固碳，但是我們可以用物理或化學(xué)的方法把它捕集起來，然后再和氫結(jié)合，就可以通過熱、光、電、生物轉(zhuǎn)化的方法來合成化學(xué)品，比如合成乙醇、甲醇等。我們還可以適當(dāng)考慮碳的封存，但是碳封存實(shí)際上只能作為一項(xiàng)儲(chǔ)備技術(shù)，因?yàn)榉獯媸遣痪哂薪?jīng)濟(jì)性的。
在這里我想跟大家匯報(bào)的是，我們?cè)诖髞啚掣轮姘詈献鳎枚趸己铜h(huán)氧乙烷生產(chǎn)碳酸酯，在2021年建成了10萬噸裝置，現(xiàn)在又新建了15萬噸裝置，總共是25萬噸。碳酸酯的量我們估算需要300~400萬噸，隨著鋰電池和鈉電池的飛速發(fā)展，能夠真正地實(shí)現(xiàn)較大規(guī)模的“變廢為寶”。
目前，二氧化碳的進(jìn)一步轉(zhuǎn)化有兩個(gè)大突破：一是通過酶來做液體燃料，如合成甲醇。另外是天津工生所做的合成淀粉，它為我們提供了新的路線、新的希望。當(dāng)然從化工的角度來講，要實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性還有很長(zhǎng)的路要走，這個(gè)工藝的第一步甲醇合成是通過化學(xué)的方法，未來可能是生物與化學(xué)轉(zhuǎn)化相結(jié)合的方法，這樣才可能開發(fā)出來具有大規(guī)模經(jīng)濟(jì)性的技術(shù)。
最后一部分是未來展望。實(shí)現(xiàn)零碳目標(biāo)，可能需要分以下四步：
第一階段是現(xiàn)在的系統(tǒng)要繼續(xù)運(yùn)行，但新建的裝置必須要控制為低碳的，排放量要比現(xiàn)有水平低5%~10%。碳的排放不能再增加很多，要控制在5%以內(nèi)；
第二階段是減碳，新能源發(fā)電成本降低以后，要大幅度通過市場(chǎng)調(diào)節(jié)來減少化石能源的使用，推動(dòng)工業(yè)結(jié)構(gòu)的減碳；
第三階段是低碳，大規(guī)模的可再生發(fā)電成本越來越低以后，我們就可以大規(guī)模地推進(jìn)工業(yè)的試驗(yàn)，把碳排放減少到50%甚至到60%；
最后才是碳中和階段，碳中和階段即新能源的電力系統(tǒng)成本必須非常低且非常穩(wěn)定，工業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整必須按照低碳的方式運(yùn)行，CCUS必須發(fā)力。丁仲禮副委員長(zhǎng)曾領(lǐng)導(dǎo)開展“中國(guó)碳中和框架路線圖研究”咨詢項(xiàng)目，據(jù)估算，自然界吸收的碳+CCUS最多能達(dá)到25億噸，碳排放必須要減少70%到80%才能實(shí)現(xiàn)真正的碳中和。所以碳中和將催生新一輪的科技革命，最早是蒸汽機(jī)，第二次是電力，第三次是信息，那么再往后的第四次工業(yè)革命可能是能源+人工智能+生命健康的革命，這個(gè)革命將徹底重塑能源和工業(yè)體系。所以我們的研發(fā)范式必須要改變，原來我們的研發(fā)是在實(shí)驗(yàn)室做完實(shí)驗(yàn)再到企業(yè)，企業(yè)在使用我們技術(shù)時(shí)還需要重新理解生產(chǎn)原理、核驗(yàn)數(shù)據(jù)等，這個(gè)周期特別長(zhǎng)，一般需要10年到15年才能搞出一個(gè)大規(guī)模的應(yīng)用。
但現(xiàn)在碳中和的發(fā)展趨勢(shì)，要求工藝的變革必須從一開始就要產(chǎn)學(xué)研相結(jié)合，一開始就要和企業(yè)一起確定研發(fā)目標(biāo)、研發(fā)產(chǎn)品和研發(fā)方向，產(chǎn)學(xué)研結(jié)合共同推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化。我認(rèn)為這個(gè)研發(fā)范式必須從線性的改為立體的、協(xié)同攻關(guān)的模式。從工藝放大來講，這個(gè)過程是多尺度的問題，它包括原子層次、微區(qū)層次、反應(yīng)器、系統(tǒng)層次等等，我們所多尺度團(tuán)隊(duì)一直在做這方面的工作?，F(xiàn)在來看，傳統(tǒng)的熱力學(xué)理論在納微尺度層次是不適用的，因此我們需要發(fā)展新的理論。
我們前面聽了丁肇中先生的報(bào)告以及幾位專家的報(bào)告，非常受啟發(fā)，一方面要發(fā)展理論；另一方面要發(fā)展人工智能技術(shù)，這兩方面結(jié)合起來，才能顛覆傳統(tǒng)的工業(yè)發(fā)展模式。
還有幾個(gè)非常值得思考的問題，前段時(shí)間我們跟發(fā)改委能源所在交流的時(shí)候提到以下三個(gè)問題需要深入研究：第一，AI如何深刻影響未來能源及工業(yè)系統(tǒng)。第二，將來生物質(zhì)和風(fēng)光電到底能做成多大的規(guī)模，其經(jīng)濟(jì)性怎么樣，我國(guó)到底該怎么發(fā)展？這需要頂層設(shè)計(jì)和戰(zhàn)略研究。第三，儲(chǔ)能及氫能到底怎么發(fā)展，氫能的輸送和天然氣的輸送完全是不同的材料，這樣一種新體系是非常需要戰(zhàn)略層面的研究，不是一個(gè)兩個(gè)科學(xué)家可以解決的。
黨的二十大提出，實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和是一場(chǎng)廣泛而深刻的經(jīng)濟(jì)社會(huì)系統(tǒng)性變革，我認(rèn)為這對(duì)我們的影響是非常大的。在此，希望利用這個(gè)機(jī)會(huì)，向社會(huì)發(fā)出倡議：大家都要積極投入到碳中和當(dāng)中來，碳中和與每個(gè)人息息相關(guān)，不僅是一個(gè)學(xué)校、一個(gè)單位，所有人都和碳中和有關(guān)。作為一個(gè)科研工作者，希望在科學(xué)院、科技部的指導(dǎo)下做出一些工作，貢獻(xiàn)一些我的微薄力量。
謝謝大家！
來源：煤炭深加工現(xiàn)代煤化工
