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碳中和需要经济学常识和数据决策

发表时间:2022-05-07 08:39

据中国银行初步测算,中国达成碳中和目标需要的投资将达百万亿。北京大学光华管理学院课题组近日公布的估算数字更为惊人,到2050年碳中和领域预计需要约250万亿元的投资金额。


实现碳中和不仅需要科学概念,更要有经济成本概念,碳中和与低成本的经济转型如何并行不悖?关于减碳,最怕只讲概念不讲数字。大家要有量的概念,依据数据科学决策(data

driven deccision making),
以简单的逻辑看问题。
澳大利亚国家工程院外籍院士、南方科技大学清洁能源研究院院长刘科对极派Daily表示。



01碳中和核心是储能


极派Daily:目前,中国每年二氧化碳排放大约103亿吨,其中,煤炭、石油、天然气燃烧产生的排放达到95亿吨,约占总排放的92%。提高能效,降低工业排放是否为实现碳中和的主要路径?


刘科:碳中和的核心就是第一降低排放,第二增加碳汇,即让更多空气中的CO2通过光合作用减低。


中国经过了100多年的工业化,到2001年,中国煤产量仅为13亿吨。到2013年,仅13年的时间就增加至39亿吨。12年时间中国能源消耗翻了三倍,这个数字是惊人的。这期间中国的能效也大大提高,但碳排放增加3倍以上,能效永远要提高,这也是成本最低的碳减排路线,但提高能效对碳中和的贡献是非常有限的。


其主要原因是2001年中国加入WTO,中国成为世界工厂,能源消耗猛增。同时,这一时期大量的房地产及基础设施的建设也刺激了煤炭消费,钢筋水泥都需要消耗大量煤炭。


这期间,能效提高了很多,但单凭能效也难以解决碳中和问题。中国是原料和市场两头在外的经济,二氧化碳不能都算到生产国头上。


碳中和不等于不排碳,先立后破,经济开放对中国依然重要,经济不能一脚刹车。


极派Daily:碳中和的根本出路,是用非排碳能源代替排碳能源吗?


刘科:是的;从非排碳发电技术来看,只有风能、太阳能、核电和水电规模足够大。水电受地域的影响,能建的地方有限;核电有泄漏的隐忧,而风能和太阳能最大的问题是不稳定。社会需要一定规模的稳定能源,也就是base load(基底负荷)。

中国的风能、太阳能已经发展了40多年,输到东部的电仅相当于大约2亿吨标准煤的发电量,占火电的总发电量的12.5%左右,即使这样目前西部弃风、弃电已比较严重。为什么呢?


弃光弃风有两个原因,其一政策原因,可再生能源再好,但不能算我的GDP,地方保护主义宁肯用自己的火电也不用外省调来的可再生能源。这一问题随着中央对碳排放的重视,应该可以解决;其二是技术原因,因为电网只能容纳约15%左右的非稳定电源,波动性的能量输入是一种冲击。

如果继续增加风能、太阳能的同时,大规模储能问题解决不了,有时为了保障电网的安全,只能弃光弃风。



极派Daily:目前的储能技术能否解决这个问题?


刘科:西部太阳能电最便宜的每度1毛4分8,其中包括3分钱的资源税,实际成本只有1毛1分8。沙特日照时间长,太阳能每度甚至低至1美分。太阳能发电早已大规模产业化,成本已经足够低,降成本研究只能是锦上添花。


国家有峰谷电价的差价政策,以珠三角为例,谷电0.3元,峰电1.3元,中间有1元的差价利润,远大于太阳能发电的成本,如果有便宜成熟的大规模储能技术,谷电时储,峰电时卖,几个宁德时代不就出来了吗?没人去做,就是因为目前技术都是纸上谈兵,大规模储能的成本降不下来。


因此碳中和的核心是储能,如果技术有突破,市场很大,示范出来,资本会追着这些项目的。储能问题解决了,碳中和才能实现。


极派Daily:埃隆·马斯克梦想“用电池给全世界供电”,曾宣称,“我可以通过电动汽车的电池储存所有的能源”,您怎么看?


刘科:这是一种很好的愿景,但马斯克毕竟不是搞能源的,他的愿景就是以后电动车就变成储能器了。白天有太阳的时候拿汽车储,晚上没太阳的时候拿汽车放。


事实上,自铅酸电池发明至今的百年来,人类已花费了数千亿美元研发经费研究电池储能。从铅酸电池的90千瓦时/立方米增加到今天特斯拉的300-500 千瓦时/立方米,电池的能量密度并没有得到革命性的根本改变。汽油的能量密度则是8600千瓦时/立方米。至今,全世界一年电池产量储的电不够东京一天使用。


储能和储电是不同的概念,大规模电网级的储电目前成本还是太高。


02液体才是氢能最好的载体


极派Daily:如果在西部通过绿电制氢,实现能量的大规模时空转移,这是一条理想的路径吗?


刘科:这一愿景很美好,但世界上最长的输氢管道不过两百多公里,天然气掺氢可以远距离输送,但气体分离成本高。如果用汽车或火车运输,氢气的储运成本太高,每公斤85-115元,目前不具备成本优势。


从2002年到2004年,我曾连续三届担任美国氢能与燃料电池峰会主席。美国从上世纪90年代至今,花了几百亿美元用于燃料电池的研发。我记得小布什总统在2003年的国情咨文演讲时说,美国能源部花多少亿美金开发氢燃料电池汽车,15年后每一个美国人开的车后边排放的都是水蒸气。


现在,已经是2022年了,达到了没有?没有。为什么,氢气的储运及到处布加氢站的建设成本都太高;加氢站和氢燃料电池汽车用有先有鸡还是先有蛋的问题无法破解。


燃料电池是个好技术,利用电化学发电,发电效率是内燃机的2-3倍,但要解决的是氢能的储运问题。

不是说氢能没有前景,从根本上讲,氢气不适合于作为大众化的能源载体。



极派Daily:据了解,日本、澳大利亚等国均已在积极布局“氨经济”,氨是否可以成为解决氢能储运难题的关键技术?


刘科:氨作为氢能载体是一个选项。氨路线不是一个新想法,二三十年前在国外早就评估过。


氨的储氢密度为17.6%,液氨的体积储氢密度是液氢的1.5倍。氨分解只产生氢气和氮气,不含有一氧化碳,只有没反应完的氨需净化一下。


氨的缺点主要有三点:一是味道非常刺鼻,在密闭空间内,稍有泄漏,消费者就很难接受。


二是氨有毒,超过一定浓度致死,在人口密度大的地方,泄漏后需要封路排空。三是氨在常温常压下,不是液体,液体才是氢能最好的能源载体。


极派Daily:为什么说液体才是氢能最好的能源载体?


刘科:能源载体有四个判据一是能量密度尤其是体积能量密度大,二是在陆上可管道输送,三是海上可便宜的跨海输送,四是可以长期储存,现在增加一个,排碳少。


液体每立方米的能量密度最大,氢气在常压下只有3.2 千瓦时/立方米,而液体的甲醇是4300 千瓦时/立方米,汽油8600 千瓦时/立方米,柴油是9600千瓦时/立方米。例如,加拿大有些滑雪地非常偏僻,拉电网成本太高。冬天拉一大罐柴油供暖,一大罐汽油开车就够了,而拉电池或氢气去都不是选项。


至于输送成本,我曾在一次能源讨论会上,问大家一个问题,假设每升7元的汽油是从休斯敦炼油厂用船拉到深圳盐田港,每升的运费是多少钱?


我说7分钱不到,没人相信,但一算就明白了。船运液体时,使用泵和管道就能装卸,基本不需要人工,路上耗费的就是船的油钱和折旧费,现在一条大船可以拉30万吨,按汽油比重算,接近4亿升,如果一升一毛钱就是4000万元;跑一趟油钱根本没有这么多。

这就是为什么全球石油产地有限,但世界任何一个角落都可以很方便地加油开车的最根本的原因之一。液体在储运上有很多好处,而且可以长期储存,而且拉一车可以用很久。


03绿色甲醇:风光以绿色液体储存


极派Daily:您看来,氢能最好的液体载体是什么?


刘科:在常温常压下是液体的物质。目前的技术下甲醇可能是最好的储氢的载体之一。甲醇在常温常压下是液体,矿泉水瓶子就可以装。它的能量密度4300千瓦时/立方米,而锂电池能量密度为300-500千瓦时/立方米。


甲醇是含氢量高达12.5%的液体,可以通过重整技术制成氢气。甲醇在常温常压下是液体,安全等级和汽油相近,并且在零下60多度也不会结冰。


甲醇可以通过罐车、管道高效率的输送。在中国西气东输管道已经建成,成本中比例较大的土地费用已经支付,相同的能量密度下,甲醇只需要一条直径比天然气输气管小的多的管道即可长距离输送。我国西部高,东部低,水往低处流,像水和酒精一样的甲醇液体输送成本远低于气体输送。


按照市场价格,到燃料电池前,甲醇制氢的成本是每公斤15元。



极派Daily:甲醇制氢过程中会产生一氧化碳,对燃料电池催化剂会造成毒害,因此甲醇制氢还需要搭配氢气纯化设备,这也导致了成本上升和应用范围受限,您是否认同这一观点,如何解决?


刘科:甲醇制氢产生一氧化碳的问题,已经解决了。广东有多个山顶的5G基站就是以甲醇-水重整制氢发电作为供能系统,给基站供电了好几年,非常稳定。


因为在山顶上,通过市电拉线到基站成本高昂。四台2.5千瓦的绿色甲醇分布式供能系统就足够满足一座5G基站的用电需求。每隔几个月拉一车甲醇就可满足其用电需求。


绿色甲醇指的是,在生产过程将太阳能和风能这类绿电以甲醇化学能的方式储存下来,而且甲醇生产工艺及公用工程基本不排放二氧化碳。


绿色甲醇制备路线,主要特征在于,使用太阳能和风能电解水产生绿氢和绿氧,精简掉了空分和水气变换工艺单元,传统甲醇生产设施只需进行改造翻新即可用于制取绿色甲醇。


04盲目追求零碳排放是错误的

极派Daily:“甲醇作为绿氢载体只能降低单位能源使用的碳排放量,不能实现零碳过程”,您如何看待这种说法?


刘科:追求零碳是错误的,做不到,也没必要。


减碳的目的是为了阻止全球气候变暖,是要把二氧化碳排放降低到一定水平而不是追求“零碳”。


这个世界上的二氧化碳不能太多,但没有二氧化碳也不行,我们呼吸的氧气和吃的食品都需要二氧化碳光合作用生成。因此,生态环境需要有一定量的二氧化碳。


二氧化碳分子一旦形成后,靠人为的转化都是得不偿失的。目前全球运行的CCS设施每年仅可捕集和永久封存约几百万吨二氧化碳。中国CCUS技术发展较快,每年二氧化碳捕集量约为170万吨。但在数以亿吨计的碳排放前,CCS与CCUS的作用都是有限的。


如果有一种技术能够减排70-80%,碳中和就能够实现了。减排增汇,沙漠绿化,盐碱地治理,排出的碳和光合作用吸回的碳就大体平衡了。


极派Daily:绿色甲醇有哪些应用场景?甲醇汽车与电动车在减排方面如何比较?


刘科:有了绿色甲醇,即使使用内燃机也是绿色的。


第一,吉利等生产的甲醇内燃机车技术已相当成熟,今天西安、贵阳等十几个城市的公共汽车、营运车都使用甲醇作为燃料,开了好几年,没有任何问题。第二,可以做绿色醇-电混合动力,汽车的碳排放就大幅度降低,吉利全球首款醇电混动轿车近日已发布。第三,通过车载甲醇在线制氢,氢气通过燃料电池发电,1升甲醇制氢气量是1升液氢的两倍。


电动车可以减碳,但前提条件是电网中的电大部分应该是非化石能源生产的。如果能源结构不改变,电网中的电仍然大部分是靠煤发的,表面上是电开车,从全生命周期看实际上是靠煤开车,电动车对减碳的贡献是非常有限的;所以减碳的核心是要在能源的源头绿色化。



极派Daily:绿色甲醇是否有望大规模推广?


刘科:绿色甲醇属于未来,欧洲的碳税是每吨90多欧元,这就是为什么欧洲的船公司希望进口绿色甲醇。烧柴油的话,每天大量的二氧化碳排放,船公司就没有利润可言了。如果真要实现碳中和,全球碳税早晚会拉平,绿色甲醇可作为未来的储备技术。


在碳税较低时,即使用天然气等制甲醇排放也比柴油干净很多,先在基础设施和应用端布局甲醇经济;一代甲醇的基础设施可供内燃机,醇-电混合动力及未来的车载甲醇制氢的燃料电池三代汽车的使用;先布局甲醇的基础设施和应用端的推广,等碳税上去后,逐渐用绿色甲醇取代化石能源制造的甲醇,这是实现碳中和成本最低的路径之一。


欧洲最大的船运公司马斯基已订制了26条绿色甲醇为动力的大船,随着全球对碳中和的重视在汽车及分布式热电联供等领域利用绿色甲醇也只是时间问题。



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