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南方科大創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)學(xué)院院長劉科院士：碳中和誤區(qū)及其現(xiàn)實路徑
以下內(nèi)容根據(jù)劉科院士的演講速記整理，經(jīng)本人修訂發(fā)布。原標(biāo)題為《碳中和誤區(qū)及其現(xiàn)實路徑》。
尊敬的各位領(lǐng)導(dǎo)、各位嘉賓，很高興今天有機會來跟在座的各位分享碳中和相關(guān)的內(nèi)容。
我自己曾在海外工作過二十多年，之前在GE（GE.US）、UTC、埃克森-美孚（XOM.US）等單位工作，2009年回國。回來以后第一份工作就是參與籌建北京低碳清潔能源研究所（現(xiàn)國家能源集團(tuán)北京低碳清潔能源研究院），并且擔(dān)任副所長和首席技術(shù)官。再后來，我決定出來做一些自己的事情。當(dāng)時，南方科技大學(xué)前校長陳十一院士邀請我去南方科技大學(xué)，就這樣幾年前我就來到了深圳。
來到南科大后我擔(dān)任了創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)學(xué)院院長和清潔能源研究院院長，因為我一直在研究低碳和能源的事情，所以借著這個時間，今天跟大家講一下碳中和的一些內(nèi)容。
碳中和近期很熱，大家都在談，但真正對這一方面有全面理解的人不多。有一次我碰到一個朋友，他說我們現(xiàn)在專門在研究將來怎么去計量各個單位、各家公司的二氧化碳排放，這是一個大產(chǎn)業(yè)。我說他是勞民傷財。其實一方面，碳中和是一個宏觀的問題；另一方面，看一個城市，比如深圳的的碳排，只要看一年耗多少萬噸煤炭，耗多少萬噸天然氣，耗多少萬噸油，每一個乘一個系數(shù)，再加上耗電量導(dǎo)致的發(fā)電端的碳排放，這個城市二氧化碳的排放的總量就可估算出來了，這樣算出來的碳排放量基本上占實際排放量的92%左右，其它如秸稈，沼氣及垃圾燃燒等只占8%左右。
所以，今天我先給大家談一下一些數(shù)據(jù)和事實。
據(jù)統(tǒng)計，2020年，我們中國二氧化碳排放大約103億噸（報道數(shù)據(jù)是102億噸到108億噸，我選其它文獻(xiàn)中也用的103億噸這個中間的數(shù)字），其中，煤炭、石油、天然氣排放達(dá)到95億噸，另外一部分是各種小的，比如沼氣、生物質(zhì)，還有一些其他的排放。所以，約92%的CO2排放是以上煤炭、石油、天然氣這三種化石能源燃燒產(chǎn)生的。衡量任何一家公司、任何一家單位、任何一個系統(tǒng)，把這三個算準(zhǔn)就可以了。國家對這三個都有統(tǒng)計數(shù)據(jù)，不需要額外再計量CO2排放量。2020年，中國的總煤耗量大約36億噸，折算成標(biāo)準(zhǔn)煤大約28億噸，每噸標(biāo)準(zhǔn)煤再乘以一個系數(shù)就可以得出，煤炭一年大約排放73.5億噸二氧化碳。2020年，中國的石油消耗7億多噸，折成標(biāo)準(zhǔn)煤約9億噸，排放二氧化碳15.4億噸；天然氣消耗量折成標(biāo)煤是4億噸的樣子，排放二氧化碳6億噸；三個加起來是95億噸。103億噸除以14億人口，人均大概7.4噸，一個三口之家每年平均排放22噸二氧化碳，這是一個天量的數(shù)字。怎么說呢？如果把二氧化碳轉(zhuǎn)化成一種產(chǎn)品，22噸原料就要生產(chǎn)22噸產(chǎn)品，不管什么產(chǎn)品，哪一個家庭一年能消耗得了22噸這么多呢？
關(guān)于碳中和，最怕光講概念不講數(shù)字。作為一個科學(xué)家，我今天主要跟大家分享一些數(shù)字。大家都說每天用空調(diào)、開車等等都與碳有關(guān)系，每一個人、每一小步節(jié)能，都可以為碳中和做出一點貢獻(xiàn)，但完成碳中和這個任務(wù)還是非常艱巨的，而且是一個漫長的過程，這也是為什么習(xí)總書記提出到2030才達(dá)峰，2060才中和，而不是現(xiàn)在。改革開放40年，中國發(fā)生了翻天覆地的變化，相信在習(xí)總書記的領(lǐng)導(dǎo)下，未來40年我們肯定實現(xiàn)碳中和的宏偉目標(biāo)；但短期內(nèi)我們還缺不了化石能源。盡管風(fēng)能、太陽能(8.430, -0.25,-2.88%)、CO2轉(zhuǎn)化為化學(xué)品、CCS、CCUS，提高能效都會對減碳有些貢獻(xiàn)，都值得去鼓勵探索和實施，但對目前天量排放的CO2，近期內(nèi)減低的比例是相當(dāng)有限的。在這種情況下我們怎么才能在對經(jīng)濟影響最小的前提下，實現(xiàn)碳中和？碳中和的現(xiàn)實路徑有哪些，這是我希望跟大家進(jìn)一步探討的。
01 關(guān)于碳中和的誤區(qū)
碳中和是一個非常復(fù)雜的系統(tǒng)工程，需要通過多種技術(shù)渠道及各種努力去減碳；每個行業(yè)對自己的減碳路線都有所強調(diào)，但對其他行業(yè)的減碳路徑及各種路徑對減碳貢獻(xiàn)的量不是很清晰，大眾對碳中和的挑戰(zhàn)及認(rèn)知有一定局限，存在以下幾個誤區(qū)，需要用數(shù)據(jù)來說明：
第一個誤區(qū)是認(rèn)為風(fēng)能和太陽能比火電都便宜了，因此太陽能和風(fēng)能完全可以取代火電實現(xiàn)碳中和。這句話只對了1/5到1/6。因為一年有8760小時，而中國的太陽能每年發(fā)電小時數(shù)因地而異，在1100小時到2000多小時之間不等，超過2000多小時的區(qū)域不多，全國平均大約在1450-1750小時左右。也就是說太陽能大約在1/6–1/5的時間段比火電便宜；而在其他5/6-4/5的時間段，如果要儲電，其成本會遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于火電。風(fēng)能每年發(fā)電的時間比太陽能略微長一點，大約是2000小時左右，但電是需要24小時供的，不能說一個電廠一年只供一兩千小時，因為我們用電不能說有太陽有風(fēng)的時候用電，沒太陽、沒風(fēng)的時候就停電。太陽能和風(fēng)能是便宜了，但最大的問題是非穩(wěn)定供電。
不可否認(rèn)，中國的風(fēng)能和太陽能發(fā)展了將近四十年確實發(fā)展很大，取得非常大的成績，我們給這個領(lǐng)域做出貢獻(xiàn)的科學(xué)家、工程師必須致以崇高的敬意。但是發(fā)展了四十年到今天，盡管風(fēng)能、太陽能增量巨大，可與煤電相比仍然相當(dāng)有限。以2019年為例，全國的風(fēng)能和太陽能加起來發(fā)電總量相當(dāng)于約1.92億噸標(biāo)準(zhǔn)煤的發(fā)電量，也就是說，上網(wǎng)的風(fēng)能和太陽能發(fā)電總量大約只能取代煤炭發(fā)電的12.5%左右。
而且，電網(wǎng)靠電池儲電的概念是非常危險的。據(jù)估算，目前全世界電池生產(chǎn)商5年多的電池產(chǎn)能僅能滿足東京全市停電3天的電能。如果說我們有4/5的時間或者5/6的時間要靠電池儲電，這是不可想象的。況且，這個世界也沒有那么多的鈷和鋰，沒法讓我們造那么多的電池。在這種情況下，棄光棄風(fēng)的問題非常嚴(yán)重，因為電網(wǎng)只能容納~15%的非穩(wěn)定電源。風(fēng)能、太陽能發(fā)出來的電，電網(wǎng)沒法全部承受。如果繼續(xù)增加風(fēng)能、太陽能的同時，大規(guī)模儲能問題解決不了，只能廢棄更多。
棄光棄風(fēng)在中國有兩方面的原因，一是技術(shù)因素，就是因為太陽能、風(fēng)能是沒辦法預(yù)測的，電網(wǎng)小于15%可以容納，多于15%容納不了，隨著智能電網(wǎng)的發(fā)展，這個比例會有所上升，但仍然需要時間；二是機制因素，地方保護(hù)主義的存在可能會讓地方出于對當(dāng)?shù)谿DP的考慮，寧可用當(dāng)?shù)氐幕痣?，也因各種原因不用風(fēng)電、光電、水電。機制問題在中央大力推動“碳中和”的背景下是可以解決的，但技術(shù)問題解決依賴于科學(xué)和技術(shù)的發(fā)展，這個發(fā)展過程是難以預(yù)測的，仍然需要時間。
因此，太陽能和風(fēng)能需要大力發(fā)展，但在儲電成本仍然很高的當(dāng)前，在可見的未來仍然無法完全取代化石能源發(fā)電。
第二個誤區(qū)是人們以為有個魔術(shù)般的大規(guī)模儲電技術(shù)，認(rèn)為如果儲能技術(shù)進(jìn)步，風(fēng)能和太陽能就能徹底取代火電。這個假設(shè)太大了，因為自鉛酸電池發(fā)明至今一百多年來，人類花了數(shù)千億美元的研發(fā)經(jīng)費研究儲能，可從鉛酸電池的90千瓦時/立方米增加到今天特斯拉（TSLA.US）的260千瓦時/立方米，電池的能量密度并沒有得到革命性的根本的改變。要知道，汽油是8600千瓦時/立方米。同時，迄今大規(guī)模GW（十億瓦特發(fā)電裝機容量）級的儲電最便宜的還是100多年前就被發(fā)明的抽水蓄能技術(shù)。
科學(xué)技術(shù)的突破不是沒有可能，但是只有發(fā)現(xiàn)了才能知道發(fā)現(xiàn)了。今天無法預(yù)測明天的發(fā)現(xiàn)。我經(jīng)常舉一個例子，火藥發(fā)明之后近一千年才有槍的發(fā)明。槍的原理一旦明白后，其實很簡單，但是你要說火藥發(fā)明后就可以預(yù)測很快會發(fā)明槍，那就錯得離譜了。有了火藥后，不能當(dāng)時就假設(shè)我們很快會發(fā)明槍，很快就可以統(tǒng)治世界這個假設(shè)太大了。這只是個比喻，不過能夠很好地提醒我們在制定任何戰(zhàn)略時，千萬不要用尚未發(fā)生的突破和假設(shè)去決定可以做什么事。過去我們的科技水平整體落后于西方，一張白紙可以借鑒已驗證的技術(shù)路線去結(jié)合我國發(fā)展需求描繪科技發(fā)展戰(zhàn)略。但如今很多領(lǐng)域我們已經(jīng)實現(xiàn)并跑甚至是領(lǐng)跑，這種情況下制定戰(zhàn)略一定要充分論證。我們制定戰(zhàn)略一定是以已有的、證明的、現(xiàn)實的技術(shù)路線為基礎(chǔ)。
不同行業(yè)的進(jìn)步不一樣，計算機行業(yè)有摩爾定律，這么多年確實發(fā)展得很快，但是能源行業(yè)目前還沒找到類似摩爾定律一樣的規(guī)律，“碳中和”必須選擇現(xiàn)實可行的路線來推進(jìn)。
有一個笑話是，比爾·蓋茨跟波音公司（BA.US）總裁講，假如飛機行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步跟計算機一樣快，那現(xiàn)在人人都可以不用開車，改為開私人飛機了。波音公司的總裁說，假如我的技術(shù)跟你一樣的話，這個世界就沒人敢坐飛機了，因為那個年代計算機動不動就死機。所以說，大家不要認(rèn)為某一個行業(yè)發(fā)展很快，其他所有行業(yè)就都一樣能夠快速發(fā)展。能源行業(yè)本身就是一個不斷地砸錢但技術(shù)進(jìn)步緩慢的行業(yè)。未來儲能技術(shù)肯定會有新發(fā)明與突破，我們鼓勵儲能技術(shù)的創(chuàng)新與發(fā)展，但制定戰(zhàn)略時，要以今天已經(jīng)被大規(guī)模證明的技術(shù)為基礎(chǔ)，沒證明技術(shù)突破不能先假設(shè)這個技術(shù)肯定會有突破。
第三個誤區(qū)，有些人認(rèn)為我們可以把二氧化碳轉(zhuǎn)化成各種各樣的化學(xué)品，比如保鮮膜、化妝品等等。這些要能轉(zhuǎn)化、能賺錢，可以去干，但是這些沒法從根本上解決二氧化碳的問題。粗略估算，一個三口之家一年平均排放碳22噸，但什么產(chǎn)品一個家庭一年也消耗不了20多噸。
另一方面，據(jù)估算全世界只有大約13%的石油就生產(chǎn)了我們所有的石化產(chǎn)品，剩下的大約87%的石油都是被燒掉的。如果把全世界的化學(xué)品都用二氧化碳來造，也只是解決13%的石油排碳的碳中和問題。所以說，從規(guī)模上二氧化碳制成化學(xué)品并不具備減碳價值。二氧化碳轉(zhuǎn)化為其他化學(xué)品對減碳的貢獻(xiàn)是相當(dāng)有限的。
所以說，把二氧化碳轉(zhuǎn)化成任何化學(xué)品，如果能賺錢那可以去干，但掙不了錢就別打著“碳中和”的概念來拿國家的補貼。講這個話我可能會得罪很多人，但我們科學(xué)家要講事實，拿數(shù)字說話。我也參加過很多關(guān)于碳中和的論壇，很多時候甚至有些經(jīng)濟學(xué)家在講的時候，沒有數(shù)字的概念，只有一個粗概，說這樣可以減碳、那樣可以減碳，但是對減多少沒有概念。這個也不能怪他們，隔行如隔山。
第四個誤區(qū)，是說可以大量地捕集和利用二氧化碳。利用CCUS（碳捕集、利用與封存技術(shù)）技術(shù)，把生產(chǎn)過程排放的二氧化碳進(jìn)行捕獲提純，再投入到新的生產(chǎn)過程中進(jìn)行循環(huán)再利用或封存。理論上能夠?qū)崿F(xiàn)二氧化碳的大規(guī)模捕集。現(xiàn)在大家說在電廠把二氧化碳分離，分離完以后打到地下可以做驅(qū)油和埋藏等等其他的作用。我看到一個數(shù)字，近年，中國整個二氧化碳驅(qū)油消耗量大概是每年幾百萬噸CO2耗量，與我們一年的排放是103億噸CO2總量是非常有限的。而且驅(qū)油這個階段是一部分二氧化碳進(jìn)到地里，還有一部分會跟著油出來，它不是一個完全的埋藏。把碳打到地下埋藏，我回國前在GE曾經(jīng)研究過這個事情。把煤和水、氧轉(zhuǎn)成氫氣和二氧化碳，氫氣燃燒發(fā)電產(chǎn)生水蒸氣，二氧化碳就打到地底下。當(dāng)時我們做了示范工程，前后花了28億美元，有上百名博士參與，用了7年的時間建成了630MW的IGCC火電廠，一度時間曾經(jīng)計劃把這個每天耗6000多噸煤的IGCC電廠產(chǎn)生的CO2分離后全部打到地下埋藏，這個技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)凈零排放，但是不具備經(jīng)濟性，最后決定只發(fā)電，不埋藏CO2。這個示范具有環(huán)境方面的意義，并且工廠在美國運行至今，我們做完這個項目以后，才發(fā)現(xiàn)即使不分離埋藏CO2，這已經(jīng)是GE創(chuàng)立以來最復(fù)雜的一套工業(yè)系統(tǒng)。別看GE生產(chǎn)了全世界~80%的飛機發(fā)動機、及大量的大型醫(yī)療器械如核磁共振、CT等，包括三峽水利(10.480, -0.55, -4.99%)工程的設(shè)備和青藏線的火車頭等等，但是，這一630MW的近零排放的IGCC火電廠是GE自愛迪生創(chuàng)立通用電氣以來100多年以來建設(shè)的最復(fù)雜的一套工業(yè)系統(tǒng)，在先進(jìn)性、環(huán)保性方面具有優(yōu)勢，不過這個成本太高了。
我回國之前和曾和原GE核能的總經(jīng)理交流，他在一次公開演講中也提到GE今后會通過煤炭零污染的火電廠解決二氧化碳的問題，但是講完就下來跟我說，別看我在會上那么講，真正要去做還不如干核能，核能比零污染火電廠便宜多了。當(dāng)然，那會兒福島核電站事故還沒有發(fā)生，核能可以做。法國現(xiàn)在60%多將近70%就是核能，做了幾十年了。但是福島核電站泄露事故之后，全世界都在提高核能的安全系數(shù)，這個安全系數(shù)到后期每提高一點，成本就增加很多。核能是減碳很重要的base load發(fā)電技術(shù)，但人們能否接受因其高成本而導(dǎo)致的高電價需要討論。因此，碳中和的事不光是一個技術(shù)的問題，更是經(jīng)濟和社會平衡發(fā)展的綜合性問題?，F(xiàn)在在電廠把二氧化碳分離，分離完以后打到地下可以做驅(qū)油和埋藏這條路，在可以驅(qū)油的地方可以改，還有一些經(jīng)濟效益，我國新疆等地已經(jīng)有類似的二氧化碳驅(qū)油工程。這塊的成本主要是把二氧化碳在鍋爐尾氣中分離出來的成本，我們算過，假設(shè)打到地下的CO2的成本為30美元一噸，其中20美元是把二氧化碳從整個尾氣里面分離出來成為純二氧化碳，5美元是輸送到埋藏點，另外5美元是把它壓縮到地底下。分離是核心，成本也最大。在目前的技術(shù)手段下，靠CCUS利用來處理的成本很高，作用也是有限的，當(dāng)然這方面的成本通過研發(fā)也可以降一些，經(jīng)濟上能否有競爭力，取決于未來碳稅的價格。
實際上，我剛剛講的每一件事，比如風(fēng)能、太陽能、CO2轉(zhuǎn)化、CCS、CCUS都對碳中和有貢獻(xiàn)，我們每一個都應(yīng)該去投入研發(fā)、去實施，但是目前的技術(shù)水平在量上對碳中和的貢獻(xiàn)是有限的。當(dāng)然，這不是說讓大家不去做，我們每一個人能應(yīng)該竭盡全力去推動以上減碳的技術(shù)進(jìn)步，都努力去做，畢竟積少成多。
第五個誤區(qū)是認(rèn)為通過提高能效可以顯著降低工業(yè)流程、產(chǎn)品使用中的碳排放，就可以實現(xiàn)碳中和。能效永遠(yuǎn)要提高，提高能效是世界上成本最低的減碳路線。但是我經(jīng)常問一句話，加入WTO這二十年來，我們國家的能效提高了還是降低了？我們能效提高了很多。但是碳排放的總量是增加了還是減少了？由于我國經(jīng)濟和生產(chǎn)水平的飛速發(fā)展，前10年我們碳排放增加得更多。我記得2000年中國的石油消耗大概是2點幾億噸，2010年大概是4億噸，到去年是近7.5億噸。2000年中國的煤炭消耗是13.8億噸，2020年近40億噸。并且在新增的諸多工業(yè)門類中，已經(jīng)很大程度地提高了能效、減少了排放。
我是做能源的，從能源的數(shù)據(jù)變化可以看到整個社會的變化。我們加入WTO之前有一個很重要的數(shù)字，中國的煤產(chǎn)量大概是13億噸，基本上自產(chǎn)自銷，出口有一點，但很少。結(jié)果到2013年短短13年的時間從約13億噸飆升到約39億噸，這是一個天量，當(dāng)然也伴隨著碳排放。這該怎么解讀？唯一的解讀是加入WTO，世界的市場向中國開放了。當(dāng)然，這一期間我們大量的房地產(chǎn)建設(shè)也是一個因素。煤的耗量表示電的耗量，電的耗量表示工業(yè)化的程度。這期間能效肯定提高了很多，但是單憑能效也難以解決碳中和的問題。因此，提高能效是減碳的重要手段，但只要仍然在使用化石能源，提高能效對碳中和的貢獻(xiàn)也是非常有限的，提高能效確實是成本最低的減低碳排放的方式，也是最應(yīng)該優(yōu)先做的，但是有一個現(xiàn)實的考量就是不能光靠能效提高就能夠達(dá)到碳中和。
第六個誤區(qū)是認(rèn)為電動車可以降低碳排放。前段時間，我在網(wǎng)易公開課上講《電動車和氫能的歷史與未來》，全國大概有十幾萬人觀看，很多領(lǐng)導(dǎo)看完以后跟我討論這個問題：為什么我們要發(fā)展電動車？很簡單，主要是因為中國的石油不夠，我們石油73%靠進(jìn)口；還有就是霧霾等環(huán)境問題。
我們石油不夠，寄望于我們已建成的超強的發(fā)電能力，這樣發(fā)展電動車是有好處的。一年8760小時，但我們已建成的火電廠太多，為了讓大家都有飯吃，很多火電廠實際發(fā)電每年不到4千小時，這是資產(chǎn)的巨大浪費。而且畢竟電動車可以讓局部的污染降下來，比如東部地區(qū)的用電很多是在西部內(nèi)蒙、新疆等地發(fā)的，污染在西部排放，不在東部地區(qū)排放。但是，在全生命周期的碳排放分析看來，電動車考慮到電池生產(chǎn)過程中的排放，如果電網(wǎng)里的電大部分仍然是火電，電動車對減碳及全球氣候變化影響非常有限。
為什么靠電動車不能完全解決碳中和的問題？只有中國的能源結(jié)構(gòu)徹底改變以后，電動車才能算得上清潔能源，也才有可能做到碳中和。如果能源結(jié)構(gòu)不改變，如果電網(wǎng)主要還是煤電，那電動車的擴張對減少碳排放的貢獻(xiàn)非常有限，這個你們?nèi)ニ阋幌戮椭懒?。只有能源結(jié)構(gòu)和電網(wǎng)里大部分是可再生能源構(gòu)成的時候，電動車才能算得上清潔能源。
大家老在談一個問題，說假設(shè)馬六甲海峽封了以后我們能源安全的問題怎么解決？但是這個東西你要仔細(xì)考慮，靠電網(wǎng)是解決不了的。因為電網(wǎng)在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中是最脆弱的東西。石油可以到處分布儲藏在數(shù)萬個點，一個油庫損毀，其他的還可以用。但一個城市的電網(wǎng)只要配電中心一旦毀壞，很容易引起大面積停電。
有的時候，能源政策和碳排放的政策不能因為假設(shè)戰(zhàn)爭發(fā)生，別人打我，就不顧成本干一些高成本東西。第一，傳統(tǒng)模式的戰(zhàn)爭發(fā)生是小概率事件；第二，真正到戰(zhàn)時，很多問題是靠一個國家的制海權(quán)、制空權(quán)等綜合能力去決定的，而不是說靠電動車就能夠解決問題的。
02 為什么前一百年電動車未能戰(zhàn)勝燃油車？
電動車這個概念并不新，100多年前如1912年，紐約、倫敦、巴黎，還有洛杉磯的大街上，跑的電動車遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于燃油車。
圖1 1912年，愛迪生跟他的電動車合影。
電動車和燃油車之爭不是今天剛剛開始。1912年，以愛迪生為首的一批科學(xué)家，就覺得將來電動車可以統(tǒng)領(lǐng)世界。以福特（F.US）為代表的汽車公司走的是燃油車路線。到了20世紀(jì)30年代以后電動車就幾乎銷聲匿跡了，今天燃油車仍然占有絕對統(tǒng)治地位。
為什么一百年前電動車多于燃油車？因為鉛酸電池早于內(nèi)燃機發(fā)明二十多年。有了鉛酸電池，再接一個發(fā)動機，就是今天高爾夫球場開的車，上面再加一個車體就是汽車了。今天高爾夫球場開的車就是一百年前愛迪生開的車，所以電動車不是全新的技術(shù)，它這么多年來創(chuàng)新的核心在電池和電控系統(tǒng)。
那么，為什么前一百年電動車沒有競爭過燃油車？世界前100年選擇了燃油車的根本原因是什么？我在這里不預(yù)測未來，只用數(shù)據(jù)來講歷史，跟大家解釋幾個原因。
第一個原因，我們做能源的人都有一個概念叫做體積能量密度。汽車有壓艙鋼板，輪船有壓艙水，這個能源略微重一點對汽車、輪船的影響不大，但油箱不能無窮大。假設(shè)我們的油箱都是1立方米，每種能源蘊含的能量密度大小，也就決定了汽車能跑的距離遠(yuǎn)近。
100多年前就發(fā)明的鉛酸電池的能量密度是90千瓦時/立方米，人類花了上千億美元和100多年的探索，電池能量密度到現(xiàn)在特斯拉的電池、比亞迪的刀片電池，也就是260千瓦時/立方米。而汽油的能量密度是8600千瓦時/立方米，柴油是9600千瓦時/立方米。稍后即將提到的甲醇液體是4300千瓦時/立方米，遠(yuǎn)大于電池。
第二個原因，液體是最好的儲能的載體。液體能源有個非常好的特點，陸上可以管路輸送，海上可以非常便宜地跨海輸送，而且可以在常溫常壓下長期儲存。
2016年我到深圳工作不久，在一個能源研討會上，我向很多能源界、學(xué)術(shù)界的朋友提了一個問題，當(dāng)時很長一段時間在深圳開車加油是7塊錢左右一升，假設(shè)這個汽油是從休斯敦的煉油廠用船拉到深圳鹽田港再到加油站，這一升的運費是多少錢？我讓好多搞能源的朋友猜，有人猜是一半（3塊5），甚至有人猜5塊，也有人猜1塊的，我說真正的答案是7分錢不到。我說7分錢的時候大家沒人相信，但一算就明白了。現(xiàn)在的大油輪一條大船可以拉30萬噸，折算汽油是約4億升（折算原油約3.6億升）。液體的好處在于，使用泵和管道就能裝船，不需要人工。到了深圳的碼頭，管道連接好后，使用泵就能打到罐里，也不要人工。路上耗費的就是船的油錢和折舊費，4億升，如果一升一毛錢就是4000萬元，但跑一趟船根本用不了這么多油錢。這就是為什么世界上產(chǎn)石油的只有那么幾個地方，但任何一個角落都可以很方便地加油開車。所以，液體在運輸上有很多好處，而且可以長期儲存。高度酒（如蘇格蘭烈性伏特加、中國的二鍋頭、茅臺等）存50年沒問題，但電和氣都不能長期儲存。常見的高度酒也是一種醇類液體，舉這個例子告訴大家，液體燃料的運輸以及長期存儲不存在任何問題。
這些最基本的概念大家需要清楚，這也是為什么我冬天到加拿大那些靠近北極的鎮(zhèn)子去看，那里沒有電網(wǎng)、天然氣網(wǎng)，很多村鎮(zhèn)只有一個加油站，一罐汽油、一罐柴油拉過來就可以滿足日常生活了。在世界上再偏僻的角落，只要有公路的地方，拉過去就可以長期儲存，拉一罐，一兩個月就夠了，但電和天然氣管網(wǎng)沒那么容易可以鋪設(shè)到。這就是液體能源的優(yōu)勢。人類永遠(yuǎn)選擇經(jīng)濟最優(yōu)化的東西，不是誰喜歡什么，而是什么東西最便宜，最方便。
第三點，為什么人類的第一條流水線是福特的流水線？內(nèi)燃發(fā)動機是機械的東西，造一臺很貴，但當(dāng)設(shè)計一旦定型，在一條流水線每年造100萬臺的時候，每臺的成本會極大降低。1913年，福特的流水線一上去量產(chǎn)，就讓美國的汽車從4700美元降到380美元，讓每個藍(lán)領(lǐng)工人都可以買得起汽車。
然而電動車的不同之處在于，每個電池都需要一定量的鎳、鈷、鋰，車上還有銅等各種金屬。產(chǎn)能擴張后每臺成本會有所下降，但是下降不多，不像機械不銹鋼，要多少，產(chǎn)多少，造得越多，成本越低，材料成本很少。電動車的材料成本占大頭，加工成本并不是主流，所以采用流水線可以降低一些，但不能有根本的降低。
中國的電動車從2016年底的51.7萬輛增加到2018年第一個季度的79.4萬輛，增量為28萬輛，相對于當(dāng)時整個汽車市場一年2900萬輛的產(chǎn)量的1/1000，但同期追蹤全世界的鈷的價格和鋰的價格，分別漲到了原來的四倍和兩倍。這種情況告訴我們，如果技術(shù)不突破，不把鈷和鋰的用量降下來，造得越多材料越貴。當(dāng)鈷的價格翻了四倍，鋰價格翻了一倍的時候，全世界沒有一家公司聲稱通過回收電池里的鈷和鋰能實現(xiàn)盈利，這反過來告訴我們，電池的回收技術(shù)還有待突破。
最近很多原材料漲價，一方面是因為量化寬松，另一方面就是這些金屬原來的供需關(guān)系發(fā)生了變化。原來的供需關(guān)系是非常穩(wěn)定的，因為工業(yè)上用到的鈷、鎳這些的量非常有限?，F(xiàn)在突然來了這么多造車新勢力，供需關(guān)系就變了。當(dāng)供需關(guān)系變了以后價格絕對不會說是按比例增長，比如世界上100個人，但是只有99瓶礦泉水，最后1瓶的礦泉水一定不是漲到1.1倍，而是最后一個人買不起的價格。
就按今天的價格，電動車的成本其實每個人心里都有數(shù)。我列出來，每輛車需要銅53.2公斤，鋰8.9公斤，鎳39.9公斤，錳24.5公斤，鈷13.3公斤，石墨66.3公斤，稀土0.5公斤，其他0.3公斤。最近，磷酸鐵鋰電池出來，鈷的用量可以降來，但是最大的問題是冬天溫度一低它的性能不好了。所以，今天的這個價格，一輛最好的寶馬、奔馳的內(nèi)燃機成本在2300美元左右，特斯拉的電池成本則是在2萬美元左右。一個工業(yè)要發(fā)展必須是可以大規(guī)模量產(chǎn)的時候，越大規(guī)模越便宜。這就是為什么人類的第一條流水線是福特的流水線。這都不是偶然的。這些問題我們大眾不清楚，但是行業(yè)里面是清楚的。現(xiàn)在資本市場很熱，但是一旦補貼政策停止了，能不能掙錢冷暖自知。
圖2 2018年5月13日，李克強總理參觀日本豐田氫燃料汽車。
大家關(guān)心汽車的人可能都看過這張照片（圖2）。借著2018年5月13日國家總理李克強訪問豐田汽車公司（TM.US），網(wǎng)上瘋炒氫能，說電動車真正的未來是氫燃料電池汽車，不是電動車。氫能有它的好處，發(fā)電效率高，能降低對石油的依賴，排放的是水蒸氣，而且大規(guī)模量產(chǎn)后成本能下來。盡管燃料電池也要用貴金屬，但是它的貴金屬回收技術(shù)相對來講比較成熟。并且這些年的研發(fā)使得貴金屬用料量在降低，這都是它的優(yōu)點。
現(xiàn)在我們的電池是梯級利用，今天的電動汽車用了5到7年，把退役動力電池用作儲能電源，比如放到5G基站底下做儲能，可能還可以再延遲一二十年。但是儲能電池是有壽命的，里邊有很多對自然有害的化學(xué)物質(zhì)，不可能無限期使用，一二十年后仍然需要回收。如果不回收，當(dāng)幾百萬個甚至將來上千萬個電池分布在中國大地，如果任其泄露，那是環(huán)境的災(zāi)難。
能源全生命周期分析概念很重要，我們曾經(jīng)做過一百多條線的“油井到車輪子”或者是“礦井到車輪子”的分析，要知道中國的能源40%在新疆，怎么把能源輸過來，這是一個復(fù)雜的系統(tǒng)。
我在GE曾花了幾百萬美元和很多博士一起做能源的全生命周期分析研究的模型，每一步的排碳是多少，效率是多少，最后用數(shù)字說話?；貒?，我花了很大的代價把這套方法論引進(jìn)來，專門在低碳所和美國的最大的EPC公司及國家實驗室合作啟動了“能源的全生命周期的分析”的項目，從零開始培養(yǎng)這方面的人才。這種軟課題在國內(nèi)很難拿到大的經(jīng)費支持，但是很重要，因為要用“數(shù)據(jù)決策”。原中國工程院副院長謝克昌院士領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊包括低碳所的田亞俊博士等正在致力于推動這方面的工作，補這一塊的短板，是非常有意義、有價值的工作。因為真正的決策最后是要依靠數(shù)據(jù)的，要科研人員花大量的時間把數(shù)學(xué)模型一點點建起來，并不斷地調(diào)整，最后能夠跟現(xiàn)實的數(shù)據(jù)對照，不斷修正模型參數(shù)，最后用這些模型的預(yù)測數(shù)字做未來的決策，這叫“數(shù)據(jù)決策data-driven decision making”，這是我們要提倡的一種文化。就像碳中和，將來也要做好各種渠道的碳中和數(shù)據(jù)搜集，從油井、礦井、天然氣井到車輪子、到電燈泡等等，每一步的全生命周期分析，建立模型，用模型分析完以后大家用數(shù)字說話。
電動車遇到這些問題，并不意味著不去發(fā)展電動車和電池技術(shù)，電池技術(shù)的研發(fā)永遠(yuǎn)是重要的，不僅是工業(yè)界在推動研發(fā)各種先進(jìn)電池技術(shù)，我們南方科技大學(xué)的趙予生教授、鄧永紅教授等團(tuán)隊在這方面一直努力創(chuàng)新研發(fā)，并且取得了領(lǐng)先的進(jìn)展。但是有一點我要講，電動化和網(wǎng)聯(lián)化沒有必然的聯(lián)系。內(nèi)燃機驅(qū)動只要電池足夠大，夠一臺較好的計算機用就行了?，F(xiàn)在有人說要搞網(wǎng)聯(lián)化、搞智能化，所以必須搞電能化，這句話只對了一半。今天一個智能手機的運算能力有多少？網(wǎng)聯(lián)化可能需要幾十個手機的運算能力，那也就是幾塊電池的問題。但是如果因為需要這種運算能力，就一定要把驅(qū)動改成電動嗎？實際上，現(xiàn)在一輛比較好的奔馳車，只要有一塊足夠的電池，里面有電動機發(fā)電也可以做網(wǎng)聯(lián)化、智能化。所以智能化、網(wǎng)聯(lián)化和電動化沒有必然的聯(lián)系。
03 為什么氫能汽車還沒有產(chǎn)業(yè)化？
氫能一點也不新，早在上個世紀(jì)六十年代，阿波羅登月的時候就是帶著液氫液氧上天，氫能發(fā)的電供儀器用，產(chǎn)生的水宇航員喝。
我曾經(jīng)在美國聯(lián)合技術(shù)（UTC）-殼牌合資公司工作，很多年美國所有宇宙飛船的燃料電池就是聯(lián)合技術(shù)公司（UTC）生產(chǎn)的。上世紀(jì)90年代一直到2005、2006左右，這個期間美國花了上百億美元在燃料電池上的研發(fā)。我記得2003年小布什總統(tǒng)在他的國情咨文演講時說，他會宣布一個計劃，美國能源部花12億美元開發(fā)氫燃料電池汽車，15年后每一個美國人開的車后邊排放的都是水蒸氣。然而到現(xiàn)在，全世界的燃料電池（車）可能加起來也就是3萬多輛，美國不到1萬輛。去年全世界氫能源車只賣了1900多輛，豐田也沒賣多少輛。小布什總統(tǒng)用還沒有真正意義上突破的技術(shù)去制定國家戰(zhàn)略，耗費大量投資，盡管在這期間培養(yǎng)了的大量的科學(xué)家和研發(fā)人員，但是對于產(chǎn)業(yè)的推動和環(huán)境的改變是微乎其微的。
燃料電池汽車，也就是我們說的氫能汽車，為什么沒有產(chǎn)業(yè)化？最根本的原因是氫氣不適合于作為你我大眾共有的能源載體。很多人在這塊有一個誤區(qū)，甚至有媒體渲染說“氫是人類的終極能源”，這句話是不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?。氫不是一次能源，而是一種二次能源，或者更確切地說是能源的載體。這個世界有煤田、油田、天然氣田，但沒有氫田。氫和電以及甲醇一樣，是通過別的能源制造的，但是作為載體，氫不具備上面提到的液體能源在能量密度、管道及跨海輸送、長期儲存方面的優(yōu)勢。
氫氣不適合于做大眾能源載體，主要的原因在于有幾個方面人們無法通過研發(fā)改變。第一，氫氣是體積能量密度最小的物質(zhì)，我們要求是體積能量密度越大越好。好多人犯了一個概念性的誤解，說氫是能量密度最大的，這句話又是對了一半。如果論公斤（質(zhì)量能量密度），氫的能量密度是最大的。但是對于汽車壓重和輪船有壓艙水來說，重一點問題不大，但油箱體積不能太大，應(yīng)該論每立方米，論公斤意義不大。如果轉(zhuǎn)成同樣的能源概念，它的體積能量密度是最小的（如圖3）。為了增加體積能量密度，只好增加壓力。目前看到所有的氫燃料電池車?yán)锏膬涔?，都?50和700公斤大氣壓。儲氫罐如果拿不銹鋼設(shè)計必須做得非常厚，因為壓力太高。學(xué)過理工的人都知道，700公斤壓力的高壓設(shè)備，不是那么容易生產(chǎn)制造的。
圖3：各類能源的能量密度
第二，氫氣高壓會有一個問題，氫氣是元素周期表中最小的分子，最小的分子就意味著最容易泄露，長期儲存是問題。
第三，氫氣在露天沒有問題，我們在20多年前在美國做過這個實驗，一個氫燃料電池車，它的儲氫罐為了安全一般都放在最后，普通步槍一槍是打不透的，用超強的步槍打穿，因為氫氣很輕，就像氫氣球一樣，一條火龍沖上天，駕駛室的溫度一下子升不了那么高，人有足夠時間逃逸。
但是，在封閉的空間里，氫氣就會有巨大的問題。氫氣是爆炸范圍最寬的氣體，可以從4%到74%。小于4%是安全的，大于74%只著火不爆炸。但是在4%到74%這個很寬的范圍內(nèi)，遇火星就爆。
現(xiàn)在北上廣深這些城市，尤其在深圳，90%以上的車是停到地下車庫這一封閉空間里的。當(dāng)大量氫能汽車進(jìn)到地下車庫，若有一輛車泄露，就會產(chǎn)生巨大的危險。盡管這個是小概率事件，但是使用量眾多的時候，總有部件老化等問題發(fā)生，哪怕儲氫罐是安全的，閥門、管路等也有一定小概率老化，或者開車不注意發(fā)生了撞擊。一旦泄露遇到火星、電火花就會爆炸，引起其他車爆炸，一個大樓都有可能毀掉。所以在封閉的空間里，使用氫氣要非常注意。
因為氫氣的爆炸性，現(xiàn)在都不讓運輸氫超過一定的范圍的車輛過隧道，如果把隧道炸掉了怎么辦？當(dāng)然，將來是不是能夠建氫管道是另外一個問題。
同樣因為氫氣的爆炸性，建設(shè)加氫站要特別小心，周圍需一定的安全距離。現(xiàn)在的北上廣深到處都是加油站，但地價這么貴，到哪找能那么多地重新建加氫站呢？
因為這些問題，盡管氫能現(xiàn)在很熱，但是要謹(jǐn)慎。氫氣的這些性質(zhì)決定了它不適合做能源載體。所以，當(dāng)人們說“氫是人類能源的終極”時，很多的東西是似是而非的。
疫情前，科技部幾位同志可能聽說我做過幾屆全美氫能與燃料電池峰會主席并且二十多年來一直是國際氫能協(xié)會的理事，帶了幾個專家到深圳來調(diào)研，我們談了一下午，之后我把氫能的一些現(xiàn)狀、問題以及解決途徑寫了一個簡單的報告，后來他們就把它放進(jìn)《科技日報》的頭版頭條里。
制氫容易，但儲氫、運氫有難度。世界上其實氫氣的使用很廣泛，中國的氫氣產(chǎn)能已經(jīng)達(dá)到3000多萬噸/年了，今天我們用的每一克的化肥都是氫造的。世界上有這么多的化肥廠、煉油廠都要大量的氫氣，但是目前沒有一個化肥廠、煉油廠是靠太陽能、風(fēng)能制氫、制化肥。什么原因？太貴，要是便宜的話，這些化肥廠，煉油廠早就改了用太陽能、風(fēng)能制氫了。
現(xiàn)在全世界每年已有數(shù)千萬噸的氫市場，而且供給到煉油廠氫是最貴的，每個煉油廠邊上都有個大的氣體公司。用風(fēng)能、太陽能制氫不是不可以做，只是目前沒有足夠的經(jīng)濟吸引力。如果說這是賺錢的，相信很多企業(yè)家早就開始拿風(fēng)能和太陽能制氫去了。
氫也不是沒有優(yōu)勢，也可以做，怎么做？跟我們的碳中和有關(guān)系。
04 為什么甲醇可能是作為最好的儲氫載體？
如果今后真正想實現(xiàn)碳中和，并且太陽能、風(fēng)能可以賣碳稅的時候，可以把風(fēng)能、太陽能和煤結(jié)合制出比較便宜的甲醇，通過車載甲醇制氫并與燃料電池系統(tǒng)集成，這就比直接燃燒的發(fā)動機效率高。這條路線未來是有可能的。我只能說有可能，不能保證，主要取決于各種政策的調(diào)整和碳稅。如果碳稅上去了，這條線路就有經(jīng)濟性。
1L甲醇和水反應(yīng)可以放出143克的氫。儲氫要么壓縮，要么冷凝。即使冷凝，1L的液氫也就72克，而1L甲醇和水反應(yīng)的產(chǎn)氫量是1L液氫的2倍。
為什么這個技術(shù)有可能這樣做？二十年前，全世界第一輛汽油在線轉(zhuǎn)化制氫的燃料電池汽車，是我領(lǐng)著尼桑和殼牌的一些工程師造出來的。
這有一個小故事，那時豐田、本田、GM的高壓氫燃料電池已經(jīng)造出來了，尼桑發(fā)現(xiàn)落后了，于是找到殼牌，又找到我們，說能不能造一輛車，加的是汽油，汽油在車上和水、和空氣反應(yīng)造氫，然后推動燃料電池，這樣燃料電池的效率高，同時也可以不用加氫站。
當(dāng)時為什么沒有做甲醇？因為頁巖氣革命還沒發(fā)生，天然氣當(dāng)時很貴，國外的天然氣制甲醇成本太高。2005年，如果我們預(yù)測到會發(fā)生頁巖氣革命，就不會花28億美元建零污染火電廠。但技術(shù)是不可預(yù)測的。頁巖氣革命讓世界上突然發(fā)現(xiàn)了上百年用不完的天然氣，也使得天然氣從17美元/百萬英熱單位狂降到1.5美元，而后平盤到3美元左右。
在天然氣價格那么高的時候，甲醇沒有經(jīng)濟性。所以，當(dāng)時我們公司考慮用油，說能不能在車上汽油制氫。老板找我的時候，我說這個項目肯定不掙錢。但是他跟我說，我做阿波羅登月的時候根本沒有想到掙錢，但事實上我們阿波羅登月開發(fā)的技術(shù)后來在各個領(lǐng)域用上了，現(xiàn)在有尼桑給我們錢，只要把技術(shù)做到極限，最后也能在其他領(lǐng)域有用。我說，只要別拿掙錢衡量我，我們把技術(shù)做到極限那是好事。后來，幾年之內(nèi)我們就把第一輛汽油轉(zhuǎn)化制氫的燃料電池汽車造出來了。
有了這個技術(shù)做積累，甲醇制氫比汽油轉(zhuǎn)化容易很多，因為一方面甲醇干凈得多，沒有硫；另一方面汽油轉(zhuǎn)化需要850度以上，甲醇和水反應(yīng)200多度就可以了。
為什么我提甲醇這條線路？甲醇可以從煤、天然氣來制，未來可以用太陽能制氫與CO2反應(yīng)制，或太陽能催化二氧化碳和水來制甲醇，就變成綠色的甲醇。中國科學(xué)院大連化物所的李燦院士以及我們南方科技大學(xué)都在做綠色甲醇的研發(fā)，中科院在蘭州已經(jīng)建設(shè)了1000噸的論證示范工廠?，F(xiàn)在中國甲醇產(chǎn)能全世界最高，大概8000多萬噸。另外，頁巖氣革命讓世界發(fā)現(xiàn)了100多年用不完的天然氣。有100多年用不完的天然氣，就有100多年用不完的甲醇。未來如果碳稅真正上去了，我們也可以用風(fēng)能和太陽能制氫，這樣生產(chǎn)的甲醇就完全是綠色甲醇了。
但是這個世界不需要追求絕對的零碳，國際上常提的零碳排放通常是“近零（Near Zero）”和“凈零（Net Zero）”。講碳中和的時候一定要強調(diào)，就是這個世界碳太多不好，但是任何人追求絕對的零碳是不科學(xué)的，因為我們吃的食品、植物生長和光合作用都需要二氧化碳。如果把中國的經(jīng)濟從煤經(jīng)濟轉(zhuǎn)到天然氣經(jīng)濟或者是甲醇經(jīng)濟就可以減碳67%，那么基本上就可以做到碳平衡了。因此中國講的是“碳中和”，國外講的是“凈零排放”，也就是要排放碳的同時，有別的技術(shù)或者措施實現(xiàn)排放平衡到一定水平。
我個人覺得，從中國的天然能源稟賦和工業(yè)基礎(chǔ)來看，中國有很成熟的煤制甲醇技術(shù)，只是要產(chǎn)生很多的二氧化碳，因為要補氫以達(dá)到甲醇合成所需要的碳?xì)浔?，然而通過水煤氣變換將一氧化碳轉(zhuǎn)化成氫氣的同時會排放二氧化碳。如果那部分的氫可以在西部用太陽能和風(fēng)能制，同時副產(chǎn)氧氣供煤氣化用，能夠解決很多排放問題；煤制甲醇的工廠里，空氣深冷分離制氧氣的空分裝置是投資最大的，這塊投資未來省下來可以做太陽能電解水裝置生產(chǎn)氧氣和氫氣供煤制甲醇用，這樣煤轉(zhuǎn)成甲醇就不用排放二氧化碳，再用甲醇作為能源的載體就可以做到減碳60%以上，這可能是未來比較現(xiàn)實的一條碳中和路線。說穿了是利用現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施把太陽能以甲醇液體的形式儲存下來；這是未來風(fēng)能，太陽能儲能的另外一條途徑。
這樣風(fēng)能、太陽能雖然貴一點，但煤很便宜，這兩個一中和，成本就可控了。氫氣和二氧化碳做綠色甲醇目前還有一定的成本障礙，如今直接用現(xiàn)有的煤甚至劣質(zhì)煤制甲醇就可以了。甲醇是一個載體，液體的載體比氣和電載體科學(xué)多了。因為，電雖然好輸送但是不好存儲，氫既不好輸送，也不好存儲，只有液體比較方便。
今天氫氣制造很便宜，可一旦壓縮到幾百公斤大氣壓的時候成本就上去了。張家口冬奧會做氫能示范，國家補貼了大量資金，并且目標(biāo)在未來幾年達(dá)到30元/kg的氫氣價格。但是如果在車上用甲醇，就按今天的市場價格買甲醇，每公斤氫氣的成本只有15元。
所以一方面是甲醇制氫的成本低了；另一方面，甲醇常溫常壓下是液體，甲醇站可以用已有的液體加油站改裝。對于一般的加油站，近年可能是6個罐，前期替換成1個甲醇罐、5個汽柴油罐，再過十年，替換成2個甲醇罐，4個汽油罐。這樣整個能源轉(zhuǎn)型就不需要再花多少萬億去建加氫站和充電樁了。
簡單估算一下布局成本，按照加油站450輛車/天的加注能力，充電站24輛車/天充電能力，小型氫氣加注30輛車/天的能力來測算，假設(shè)都建一萬座，甲醇大約需要20億美元，充電站大約需要830億美元，加氫站大約1.4萬億美元，而且這個1.4萬億還沒有考慮地價的因素。
我不認(rèn)為我們會把花了幾萬億建起來的液體燃料基礎(chǔ)設(shè)施毀掉再重新建加氫站和充電樁，沒有必要。石油如果排碳太高，可以用綠色的液體取代，而且我們可以把太陽能和風(fēng)能轉(zhuǎn)成液體儲存下來，這就改變了儲能的概念，原來大家多少年花了多少萬億就是研究儲電，但是儲電干了一百年都干不過一個抽水儲電，這條線上再給十億的研發(fā)經(jīng)費，成功的概率也就是萬分之十、千分之一。
電池對小型設(shè)備比如說手機非常重要，但是靠電池做大型的儲能要非常謹(jǐn)慎。最近國家也非常注意，把梯級利用的大電站停下來了，因為安全性是一個問題。
電動車和燃料電池最大的問題在于基礎(chǔ)設(shè)施的土地成本問題和冬天續(xù)航問題?，F(xiàn)在我們城市里土地很貴，好多人為了拿國家補貼就在郊外搞一個充電站，但是買一輛車如果開車來回一個小時才能到充電站或加氫站，你會買嗎？現(xiàn)在，我國已建成的公共充電樁利用率平均只有4%左右，其中充電樁鋪設(shè)最多的北京、上海，使用率僅為1.8%、1.5%。電動車存在里程焦慮且冬天無法滿足供暖，到冬天一遇冷可能會趴窩，要知道全世界80%主要發(fā)達(dá)城市位于北緯25度以上，紐約、倫敦、巴黎、莫斯科、東京、北京、多倫多，這些城市都是有冬天的地方，如果一輛汽車只能夏天開冬天開不了，你會買嗎？原來我在北京，為了研究這個，專門找電動出租車坐，上車后我發(fā)現(xiàn)司機大冬天穿著軍大衣、棉靴子，不敢開暖氣。我說把暖氣打開，司機說他不敢。因為不開暖氣，只能跑100多公里，如果開了暖氣，馬上就沒電了，他根本賺不了錢。
如果風(fēng)能、太陽能和煤炭結(jié)合轉(zhuǎn)成甲醇，我車上永遠(yuǎn)裝50升的甲醇就好辦了。今天，在深圳買一個電動車，連廣州都不敢跑一趟。跑到那里沒電了不知道到哪充，即使能找到充電樁，可能也要等一個小時，而快充對電池的破壞很大。怎么辦？我們現(xiàn)在想辦法給電動車賦能。反正晚上回家停車，你在停車位邊安一個比較小的慢充裝置，幾百塊錢就行了。你把它充滿，但是車上永遠(yuǎn)裝50L的甲醇，就相當(dāng)于你晚上睡覺把手機充滿，同時還帶了一個充電寶。沒電的時候，就可以用車上的甲醇和水制氫，用氫發(fā)電。這樣根本不需要再建那么多充電站和加氫站，而且甲醇和水反應(yīng)只需要200多度，它的余熱就可以把電池維持在最佳的溫度，也解決電動車冬天的續(xù)航里程問題。
05 霧霾的元兇在哪里？
還有一個碳中和的路線，是跟霧霾相關(guān)的。
這些年，我一直在研究霧霾。我對霧霾有親身體會。如果一直在北京生活我們可能感覺不到，但我家在南加州，早些年回國后，每次從洛杉磯到北京以后，那種強烈的對比讓我覺得一定要把中國的霧霾給治理好。
霧霾包括一次顆粒和二次顆粒。化石燃料如柴油燃燒時尾氣中直接排放的顆粒是“一次顆粒（Primary Particulates）”，占霧霾總量的24%左右。對霧霾貢獻(xiàn)最大的是“二次顆粒（Secondary Particulates）”占到其總量的約50%左右?！岸晤w粒”是化石燃料燃燒尾氣中的氣態(tài)污染物（如NOx、SOx）和揮發(fā)性有機物（VOC）進(jìn)入大氣后，在一定的水霧狀態(tài)下與空氣中的氨及VOC等物質(zhì)發(fā)生氣溶膠反應(yīng)形成的顆粒。氮氧化物在天空遇水就變成硝酸，硫氧化物氧化遇水就是硫酸。如果我們不使用化肥就只能形成酸雨形不成霧霾。然而大量使用化肥向大氣中釋放了一定規(guī)模的氨，氨在大氣中呈堿性，酸堿中和生成硝酸銨鹽、硫酸銨等固體細(xì)顆粒，這些細(xì)顆粒才是PM2.5的主要來源。頭發(fā)絲大概是70微米左右，肉眼的分辨率在60微米左右，一個PM2.5的顆粒是看不見摸不著的，但是當(dāng)無數(shù)個PM2.5懸浮在天空中就可以遮天蔽日。
這兩年國家在脫硫脫硝上花了上萬億，取得非常大的進(jìn)展，但是到冬天還有霧霾，一個重要因素是使用化肥以及氨排放沒有得到足夠的重視。化肥的排放就是氨的排放。
化肥有它的問題和弊性，它使用一年、兩年、三年、五年沒問題，但是用了三十年、五十年以后，問題來了。早些年硝酸銨、磷酸銨強酸弱堿，氨被吸收，酸留到土壤里面，引起土地酸化，把土壤中的細(xì)菌殺死，引起大面積的土地板結(jié)。
另外，用了化肥三十年、五十年后的土壤長出來的蔬菜看著個大皮厚，但吃著沒有味道了。什么原因？因為決定食品營養(yǎng)和味道的是生長作物的半米左右深的土壤中微量元素和礦物質(zhì)的含量。土壤中有很多礦物質(zhì)不溶于水，但是一遇到酸，會發(fā)生酸浸，浸三五十年以后，當(dāng)半米深的土壤中這些微量的礦物質(zhì)都沒有了的時候，食品不可能不變。
對比1960年的玉米和2013年的玉米情況。1960年是純粹自然生長的，2013年的是化肥催大的，看著個大飽滿，但是每100克里面鈣含量下降了78%。人類大量使用化肥和農(nóng)藥，導(dǎo)致土壤中的微量元素不斷下降，并伴隨著哮喘、心臟病、癌癥等疾病的增加。
中國自1978年改革開放之后，開始大量開始使用化肥，到大概2011年化肥產(chǎn)能接近峰值。這期間全中國糧食增產(chǎn)了87%，但化肥使用量增加到682%。每噸糧食產(chǎn)量需要0.1噸的化肥。2017年全國農(nóng)作物總播種面積1.6億公頃，平均化肥施用強度為352公斤/公頃，福建、海南、北京、廣東等省市分別為751、724、707、611公斤/公頃；而國際警戒線值為225公斤/公頃（世界平均水平為120公斤/公頃）。
其實隨經(jīng)數(shù)百萬至數(shù)千萬年，物質(zhì)不滅，土壤中寶貴的微量元素及礦物質(zhì)是以煤炭的形式保留至今的。煤炭中可燃的部分，基本都是通過光合作用二氧化碳形成的；不可燃的部分從哪里來的？就是遠(yuǎn)古時期樹根吸收的寶貴的礦物質(zhì)、微量元素。但這些東西不能用火燒掉，一千多度以后它們就形成了玻璃狀的琉璃瓦。
圖4 微礦分離技術(shù)
現(xiàn)在我們有一個核心技術(shù)（圖4）就是在水中把煤里面可燃的不可燃的分開進(jìn)行磨細(xì)，底下淺色的就是土壤中最寶貴的東西，但是不能直接加，要經(jīng)過一系列微生物的過程，最后形成最好的土壤改良劑。上層的劣質(zhì)煤就可以制甲醇，這樣甲醇的成本也可以降下來。這是環(huán)環(huán)相扣的。
為什么要從霧霾開始講？因為這種小顆粒像霧霾，過濾下來以后比重比空氣重得多，它以2.5微米懸浮在空中不會落下來，除非下雨，因為當(dāng)粒度到這么小的時候，重力就起不了作用，而是表面力在起作用。
那么既然它懸浮到空氣中下不來，我們就讓它懸浮到水里面造成類似“黑色牛奶”的燃料。牛奶表面上看是液體，在顯微鏡底下其實是幾十微米的氮顆粒懸浮在水里的。我們將微米級的煤炭顆粒、純碳顆粒懸浮在水里，然后設(shè)計一個鍋爐，讓它燃燒起來比天然氣都干凈。我們甚至可以直接用汽化爐制甲醇，得到的燃料比現(xiàn)在的船油還干凈、還便宜，同時還可以解決中國的煤炭運輸問題。
鄂爾多斯、呂梁、榆林等地高速公路上，很多大卡車?yán)?，污染很重。目前，我們儲煤的地方海拔大約1500-2000米，運煤的地方比如深圳只有幾十米的海拔，這樣建一個管路自己就流過來了。
十年前，我說中國的霧霾汽車有貢獻(xiàn)但是絕對不是主要的，要治理霧霾首先要把煤搞干凈以后再燒；當(dāng)時推動電動車的一批人，說要治理霧霾就要把汽車變成電動車。但是去年疫情期間很多地方封城，讓我有機會做一個大實驗，當(dāng)時，全中國的汽車，包括電動車都停了兩個多月，可北京、太原、西安、哈爾濱、鄭州霧霾的天還是很多。原因在哪里？主要還是抗疫的時候大冬天家里供暖的問題，中國的天然氣不夠，大冬天，北方農(nóng)村取暖還得燒煤。
當(dāng)時，我以治理霧霾的心態(tài)做這個技術(shù)，現(xiàn)在已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化了，工廠已經(jīng)開始運轉(zhuǎn)了，而且做了很多大量的農(nóng)田實驗，效果比我們想象的要好。
06 現(xiàn)實的碳中和路徑
這樣，我們就可以談碳中和的幾個現(xiàn)實路徑。
第一是通過現(xiàn)有煤化工與可再生能源結(jié)合實現(xiàn)低碳能源系統(tǒng)。一方面可以讓現(xiàn)有的煤制甲醇實現(xiàn)近零碳排放，另一方面是通過太陽能、風(fēng)能、核能電解水制備綠氫和氧氣，合成氣不經(jīng)水汽變換，這樣讓煤制甲醇廠不在排放CO2；再用甲醇取代汽柴油開車，或甲醇和水在線制氫發(fā)電推動燃料電池汽車或作為電動車的充電寶；這樣可大大降低交通運輸業(yè)的CO2排放，也可以部分解決中國石油(5.190, -0.08, -1.52%)不夠的問題。因為太陽能風(fēng)能電解水既可以生產(chǎn)制備甲醇需要的氫氣，又可以生產(chǎn)煤氣化制甲醇需要的氧氣；而且我們的微礦分離技術(shù)可以用廉價的劣質(zhì)煤結(jié)合太陽能一起制甲醇，成本上在碳中和的背景下也會有競爭力。這樣把中國強大的太陽能風(fēng)能發(fā)電能力釋放出來，把風(fēng)能和太陽能以甲醇液體的形式儲存下來；是值得去探索的另外一條儲能戰(zhàn)略，讓太陽能，風(fēng)能能夠大力發(fā)展減碳。（圖5）
圖5 儲能的另外一條途徑：通過太陽能、風(fēng)能、核能電解水制備綠氫和氧氣，合成氣不經(jīng)水汽變換，制備甲醇無CO2排放。
第二是利用煤炭領(lǐng)域的碳中和技術(shù)——微礦分離技術(shù)。在煤燃燒前，把可燃物及含污染物的礦物質(zhì)分離開，制備低成本類液體燃料+土壤改良劑，源頭解決煤污染、濫用化肥及土壤生態(tài)問題，同時低成本生產(chǎn)甲醇、氫氣等高附加值化學(xué)品。
因為傳統(tǒng)的煤炭使用方式燃燒二氧化碳排放產(chǎn)生的灰渣有10%的碳，不光是浪費能源而且現(xiàn)在變成了固廢，整個內(nèi)蒙古的電廠粉煤灰成災(zāi)。通過分離之后，該做燃料就做燃料，該做土壤做土壤，分流以后，這邊釋放二氧化碳，更多的森林長起來把二氧化碳吸回來，這樣做了完全可以達(dá)到碳中和。（圖6）
圖6 微礦分離技術(shù)效果示意
當(dāng)CSF產(chǎn)量達(dá)到25萬噸時，我們每年碳排放大約69.5萬噸，根據(jù)治理的面積大約可以吸回來20.8萬噸，在施用SRA條件下，可以吸回來48.7萬噸、61.9萬噸，甚至74.9萬噸。（見下表）
這是比較現(xiàn)實的碳中和的路徑，而且不需要那么高的成本，適當(dāng)花一點錢就可以做到的。
第三，實現(xiàn)光伏與農(nóng)業(yè)的綜合發(fā)展，將光伏與農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)、水資源利用及沙漠治理并舉，實現(xiàn)光伏和沙漠治理結(jié)合，及光伏和農(nóng)業(yè)聯(lián)合減碳。
西部缺水，水一澆就漏下去了，因此，我們可以采用非常保水的材料。但是西部再保水，大太陽曬還是長不出來，怎么辦？有了太陽能板，底下的揮發(fā)減少了，就可以種東西。太陽能有一個最大的好處，就是要定期沖這個板，有了發(fā)電，大家可以花一點錢拿PVC管子接點黃河水過去，每幾周給光伏板沖水，同時，水資源寶貴，沖過的水我們還可以用來給農(nóng)作物做滴灌。這樣，發(fā)電的同時還可以把底下全部變成綠色，變好了再把太陽能板搬個幾百米，一片片土地可以治理出來。（圖7）
圖7 利用微礦分離副產(chǎn)的土壤改良劑讓光伏與農(nóng)業(yè)及沙漠治理綜合發(fā)展
第四，峰谷電與熱儲能綜合利用?；痣姀S是半夜也不能停的?，F(xiàn)在中國的火電廠在半夜12點到早上的6點電這個區(qū)間，盡管還在排放大量CO2，但發(fā)的電沒人用，是浪費掉的。怎么辦？電不好儲存，可以用熱的形式儲存下來，利用分布式儲熱模塊，在谷電時段把電以熱的形式儲下來，再在需要時用于供熱或空調(diào)，這樣可以讓1/4甚至是1/3的時間的電不至被浪費，可大大降低CO2排放，實現(xiàn)真正的煤改電，再配合屋頂光伏戰(zhàn)略及縣域經(jīng)濟，進(jìn)一步減少電能消耗。能量不僅僅是電能，國內(nèi)儲能領(lǐng)域?qū)τ趦﹄婈P(guān)注較多，但實際上大多數(shù)的能量從消費端來看都是用在了熱能領(lǐng)域，儲熱技術(shù)也是需要我們?nèi)リP(guān)注和發(fā)展的。（圖8）
圖8 現(xiàn)實的碳中和路徑4：峰谷電與熱儲能綜合利用
第五，利用可再生能源制甲醇，然后做分布式的發(fā)電?？梢允褂眉状?xì)淠芊植际侥茉刺娲磺惺褂貌裼蜋C的場景，和光伏、風(fēng)能等不穩(wěn)定可再生能源多能互補。用甲醇液體作為太陽能及風(fēng)能的載體，甲醇和水制氫再發(fā)電取代柴油發(fā)電機做分布式熱電聯(lián)供，結(jié)合屋頂光伏及儲熱及熱泵技術(shù)在廣大農(nóng)村取代燃煤，不僅低碳，環(huán)保而且可以減碳。（圖9）
圖9 現(xiàn)實的碳中和路徑5：基于綠色甲醇?xì)淠艿姆植际侥茉礋犭娐?lián)供
最后提一下結(jié)論與展望，在“碳達(dá)峰、碳中和”的時代背景下，需要對一些誤區(qū)進(jìn)行澄清，同時認(rèn)清技術(shù)的發(fā)展邏輯，找尋現(xiàn)實發(fā)展路徑，我在這里總結(jié)了以上的碳中和可能的幾個現(xiàn)實路徑供大家參考。
謝謝大家！
