“我國要實現(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%，其他相對來說較少。”中國科學院院士、中國科學院過程工程研究所所長、河南大學校長張鎖江在5月20日~23日舉辦的2023大灣區(qū)科學論壇上指出，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)變革實現(xiàn)碳中和。
張鎖江院士分享了三個領域低碳技術(shù)的最新進展。首先是工業(yè)低碳技術(shù)，他表示，工業(yè)領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)動改成電氫驅(qū)動，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。在鋰電池領域，中國科學院過程工程研究所的研究團隊正在研發(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。在氫能的發(fā)展上，當前合成氨排放約2億噸的二氧化碳，占我國總碳排約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氣通過電熱催化合成氨，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品及材料，比如合成乙醇等，真正實現(xiàn)“變廢為寶”。
展望未來，張鎖江院士認為，實現(xiàn)碳中和目標，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，通過市場調(diào)節(jié)減少化石能源使用，推動工業(yè)結(jié)構(gòu)減碳；第三步為低碳，2050年前新能源系統(tǒng)進一步推廣，大幅推進低碳工業(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)以低碳方式運行，逐步實現(xiàn)碳中和。
張鎖江院士同時表示，還有三個問題需要深入研究：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)和風光電到底能做成多大的規(guī)模，其經(jīng)濟性怎么樣，我國到底該怎么發(fā)展，這需要頂層設計和戰(zhàn)略研究；第三，儲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)濟觀察網(wǎng)
——部分發(fā)言實錄
尊敬的梁主席、白院長、王省長、丁院士，各位院士專家和朋友們：
今天向大家匯報一下關于《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，所以碳中和也成為了全球關注的重大問題。
我國要實現(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%，其他相對來說較少，比如農(nóng)業(yè)1%左右，所以碳排放的重點是能源生產(chǎn)和工業(yè)過程，總共約占到85%。
我國目前碳排放大約100億噸，達峰之前還會增加一些。如果我們?nèi)匀徊捎脗鹘y(tǒng)的方式且不加以控制，碳中和是不可能實現(xiàn)的。如果采用新的政策嚴格控制，碳達峰、碳中和就有可能提前實現(xiàn)，所以必須要有相應的政策，通過技術(shù)變革來推動實現(xiàn)碳中和。
碳中和是一個大系統(tǒng)。丁仲禮副委員長提出了“三端發(fā)力”，包括產(chǎn)能端、用能端和碳匯端。從這個系統(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)成多能互補的能源系統(tǒng)。在新能源系統(tǒng)中，最重要的是新能源的儲存，包括儲氫和儲電等技術(shù)。在工業(yè)用能端，鋼鐵、有色、化工、建材這幾個行業(yè)是相互銜接的，各個過程耦合起來，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)，才有可能實現(xiàn)碳中和，所以要“三端”發(fā)力。那么，我今天主要匯報三個方面的技術(shù)進展。
第一是工業(yè)低碳技術(shù)。工業(yè)領域里面最主要的是鋼鐵、有色、化工和建材。而我國是一個發(fā)展中大國，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，因為它支撐了國家約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品，工藝過程也會排放二氧化碳，高溫高壓的生產(chǎn)條件也會增加碳排放。另外一個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。整個體系的變革就是要從原來的熱碳驅(qū)動改成電氫驅(qū)動，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，這些都要進行技術(shù)變革，以實現(xiàn)減少碳排放，具體我就不一一展開了。
下面我講幾個例子。一個是氫冶金替代碳冶金。這個系統(tǒng)中的一個重要變化，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，我們國家已經(jīng)在做萬噸級的示范，過程所也取得了一些非常重要的進展。
第二個是電解鋁。我們國家有色的碳排放中，電解鋁占了約60%，電解鋁耗的電占全國總用電的7%左右，相當于兩到三個三峽發(fā)電量。電解鋁中最重要的幾個環(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)展兩個技術(shù)，一個是惰性陽極技術(shù)，一個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，通過流化床反應器來做成化學品。這里最主要的一個科學問題，就是小分子裂解溫度比較高，大分子裂解溫度比較低，都要在流化床反應器中的非常小的空間里面實現(xiàn)反應，所以提出了反應微區(qū)和整個反應器如何來調(diào)控的問題。
現(xiàn)在我們國家在這方面的進展非?？?，已經(jīng)完成了中試規(guī)模的研究，三烯收率可達到50%以上，化學品收率可達到60%以上。如果石油全部來做烯烴、芳烴以后，進一步還可以制備一系列化學品。烯烴做到α-烯烴可以做潤滑油，上海高研院在這方面有一些突破；也可以做MMA，即有機玻璃原料；C4可以再做尼龍，或進一步發(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，所以應該以石化行業(yè)的工藝創(chuàng)新為源頭，來引領整個石化行業(yè)的變革。
我們在大亞灣做了幾個工業(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，簡單匯報一下能源的低碳變革。能源的低碳變革就是要依靠風光電，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，也可以靠化學的方法。另外就是發(fā)的電如何儲存的問題，一個是儲電，一個是儲氫。氫的另外一個儲存方式就是合成氨，或者合成甲醇（液態(tài)陽光）。我這里介紹幾個最新的進展，一個是生物質(zhì)做乙醇。這是美國的一個工廠圖，我們國內(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3000~5000元，只有把酶的價格降下來，才可能解決生產(chǎn)的問題?，F(xiàn)在正在發(fā)展的技術(shù)，是在實驗室從二氧化碳直接碳碳重構(gòu)合成乙醇，這個在實驗室中已經(jīng)走通了。其中我們提出了一個概念叫離子酶，因為我們主要做離子液體，這個過程如果能夠?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。
在能源存儲使用方面，我們通常做的電池都是正負極固定的，比如現(xiàn)有的鋰電池。我們承擔了科技部的一個變革性項目，國外也在做，就是使正負極能流動起來。正負極流動起來以后，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。
再進一步是氫的發(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氣，氮氣和氫氣通過電熱催化合成氨。同時，反應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。這一項技術(shù)的未來就是氮氣加水合成氨，如果這個課題突破了，整個合成氨工業(yè)將發(fā)生一個大的變革。工業(yè)過程創(chuàng)新現(xiàn)在面臨著前所未有的大機遇。
第三方面，我將匯報碳捕集利用。關于碳捕集利用，我們在討論的時候，認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品，比如合成乙醇、甲醇等。我們還可以適當考慮碳的封存，但是碳封存實際上只能作為一項儲備技術(shù)，因為封存是不具有經(jīng)濟性的。
在這里我想跟大家匯報的是，我們在大亞灣跟新宙邦合作，用二氧化碳和環(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，能夠真正地實現(xiàn)較大規(guī)模的“變廢為寶”。
目前，二氧化碳的進一步轉(zhuǎn)化有兩個大突破：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。當然從化工的角度來講，要實現(xiàn)經(jīng)濟性還有很長的路要走，這個工藝的第一步甲醇合成是通過化學的方法，未來可能是生物與化學轉(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)濟性的技術(shù)。
最后一部分是未來展望。實現(xiàn)零碳目標，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，要大幅度通過市場調(diào)節(jié)來減少化石能源的使用，推動工業(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)模地推進工業(yè)的試驗，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行，CCUS必須發(fā)力。丁仲禮副委員長曾領導開展“中國碳中和框架路線圖研究”咨詢項目，據(jù)估算，自然界吸收的碳+CCUS最多能達到25億噸，碳排放必須要減少70%到80%才能實現(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，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)是在實驗室做完實驗再到企業(yè)，企業(yè)在使用我們技術(shù)時還需要重新理解生產(chǎn)原理、核驗數(shù)據(jù)等，這個周期特別長，一般需要10年到15年才能搞出一個大規(guī)模的應用。
但現(xiàn)在碳中和的發(fā)展趨勢，要求工藝的變革必須從一開始就要產(chǎn)學研相結(jié)合，一開始就要和企業(yè)一起確定研發(fā)目標、研發(fā)產(chǎn)品和研發(fā)方向，產(chǎn)學研結(jié)合共同推進產(chǎn)業(yè)化。我認為這個研發(fā)范式必須從線性的改為立體的、協(xié)同攻關的模式。從工藝放大來講，這個過程是多尺度的問題，它包括原子層次、微區(qū)層次、反應器、系統(tǒng)層次等等，我們所多尺度團隊一直在做這方面的工作?，F(xiàn)在來看，傳統(tǒng)的熱力學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告以及幾位專家的報告，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。
還有幾個非常值得思考的問題，前段時間我們跟發(fā)改委能源所在交流的時候提到以下三個問題需要深入研究：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)和風光電到底能做成多大的規(guī)模，其經(jīng)濟性怎么樣，我國到底該怎么發(fā)展？這需要頂層設計和戰(zhàn)略研究。第三，儲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，不是一個兩個科學家可以解決的。
黨的二十大提出，實現(xiàn)碳達峰碳中和是一場廣泛而深刻的經(jīng)濟社會系統(tǒng)性變革，我認為這對我們的影響是非常大的。在此，希望利用這個機會，向社會發(fā)出倡議：大家都要積極投入到碳中和當中來，碳中和與每個人息息相關，不僅是一個學校、一個單位，所有人都和碳中和有關。作為一個科研工作者，希望在科學院、科技部的指導下做出一些工作，貢獻一些我的微薄力量。
謝謝大家！
來源：煤炭深加工現(xiàn)代煤化工
