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四院士谈 新能源汽车通往碳中和之路

  • 2020-12-28 11:51
  • 来源:电车资源 EV江湖 沈承鹏

摘要:实现碳减排、碳中和不能靠一两个国家解决,要靠全世界的共同努力。

12月12日,国家领导人在气候雄心峰会上发表视频讲话宣布:到2030年,中国单位国内生产总值二氧化碳排放将比2005年下降65%以上,非化石能源占一次能源消费比重将达到25%左右,风电、太阳能发电总装机容量将达到12亿千瓦以上。这是继9月22日,国家领导人在第七十五届联合国大会上做出“中国二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值、争取2060年前实现碳中和”承诺后,对节能减排做出的第二次重大表态。内容更加具体,指标更加明确,任务也更加艰巨。

实现碳减排、碳中和不能靠一两个国家解决,要靠全世界的共同努力。然而,作为以煤炭为主的化石能源仍占很大比重的发展中大国,我国要在10年内实现碳排放达峰、40年内实现碳中和是十分艰巨的。如何兑现这两个庄严承诺?汽车行业要承担多大责任,如何配合?成为业界关注和讨论的热点。近期在一个能源论坛上,笔者聆听了四位来自中国工程院、中国科学院院士的演讲,深受启发。 

四院士谈 新能源汽车通往碳中和之路

减少化石能源 增加非化石能源 迎接能源革命

中国工程院原副院长、工程院院士、国家能源咨询专家委员会副主任、第三届国家气候变化专家委员会名誉主任杜祥琬,曾主持了我国能源中长期发展战略研究和多项能源重大工程的战略咨询,首倡“无废城市”试点,最早提出了可再生能源在国民经济建设中将起到“举足轻重”的作用这一观点。他认为:人类文明形态进步与能源革命紧紧联系在一起,能源转型既是中国的事情,也是全球的事情。

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中国工程院院士 杜祥琬

200年前,以煤油气为主的化石能源的应用,使人类由农耕文明阶段进入到工业文明阶段。但工业革命在给人类带来巨大社会进步的同时,又给人类带来了严重的环境污染和能源不可持续利用的问题。  

靠什么解决这些问题?杜祥琬指出:当今,非化石能源的进步,正在推动人类文明由工业文明走向生态文明,能源的技术进步与破解资源匮乏是能源结构转型的两个驱动力。当前,我国正处于能源结构发展的第二个阶段,这个阶段的特点是化石能源和非化石能源多元发展、协调互补。

杜祥琬提供一组数据表明,我国的碳排放主要集中在三大传统行业:电力行业(主要是火电)占比41%,交通行业(主要是油品)占比28%,建筑和工业行业占比31%。这种能源结构与国际水平存在较大差距。国际能源署近期发布的《2020年世界能源展望》报告显示,受疫情等因素影响,今年全球能源需求预计将下降5%,其中石油需求下降8%,煤炭使用量下降7%,但可再生能源行业持续增长,有望在2025年取代煤炭成为主要发电方式。预计2020—2030年,可再生能源电力需求将增长2/3,约占全球电力需求增量的80%。到2030年,可再生能源将提供全球近40%的电力供应。

杜祥琬指出,中国从目前以化石能源为主的能源结构,走到碳中和并不容易。为实现碳减排、碳中和的目标,我国要努力提高非化石能源在能源结构中的占比,减少化石能源的使用,依靠电气化、智能化、网络化、低碳化,走向能源结构以非化石能源为主的第三个发展阶段。他建议从三个方面着手:第一是提能效降能耗,重点是在建筑、交通、工业等领域;第二是用非化石能源替代化石能源,在一次能源结构中提高非化石能源,特别是可再生能源的比例;第三是增加碳汇(利用植物光合作用吸收CO2),主要是森林碳汇,并努力研发碳捕捉技术。

改革开放以来,中国能源的快速增长支撑了经济的快速增长,但是粗放的增长、偏重的产业、偏低的能效和高碳的能源结构,使环境问题日趋尖锐,使中国成为世界上碳排放量最大的国家,因此,转变发展方式,进行能源革命成为中国的必由之路,是一场革命性的创新。 

新能源革命的核心是发展可再生能源

作为从“十一五”起连续三个五年规划担任国家新能源汽车科技专项首席专家,深度参与我国新能源汽车研发示范与产业化全过程的科学家,为参与冬奥运新能源汽车示范运行项目而创办了张家口氢能与可再生能源研究院的中国科学院院士、中国电动汽车百人会副理事长、张家口氢能与可再生能源研究院名誉院长、清华大学教授欧阳明高,则将关注点放在了与新能源息息相关的新能源汽车产业链上。

欧阳明高提出了能源革命是实现碳达峰、碳中和的一条途径,能源革命最核心的内容是新能源革命,新能源革命的核心是发展可再生能源的观点。

四院士谈 新能源汽车通往碳中和之路

中国科学院院士 欧阳明高

近日,国务院新闻办公室发布的《新时代的中国能源发展》白皮书中有一组数据:截至2019年底,中国可再生能源发电总装机容量7.9亿千瓦,约占全球可再生能源发电总装机的30%。其中,水电、风电、光伏发电、生物质发电装机容量分别达3.56亿千瓦、2.1亿千瓦、2.04亿千瓦、2369万千瓦,均位居世界首位。另据中国光伏行业协会数据,今年前三季度,全国光伏新增装机18.7吉瓦、同比增长17%,光伏发电量2005亿千瓦时、同比增长16.9%。预计四季度装机量还会比较大。

以上数据表明,在我国可再生能源结构中,水能、风能和光能发电占据着主力地位。但由于我国水电、风电、光电企业多集中在西北等欠发达地区,而用电大户多集中在中东部发达地区,使得电力长途输送困难,弃水弃风弃光现象严重。造成一方面是可再生能源白白浪费,一方面是煤电占比居高难下的局面。

如何解决这一问题?欧阳明高的观点是,大力发展电动汽车和氢燃料电池汽车。他认为,可再生能源是一个完整的技术体系,不仅需要太阳能、风能等,更需要氢能作为能源载体和储能方式,配合可再生能源形成真正的新能源体系。作为未来储能的重要方式——电动汽车与燃料电池汽车,将在应用、储存可再生能源方面发挥重要作用。

不久前,欧阳明高在一次新闻发布会上分析了风电和光电大规模发展受阻的重要原因,是这两种发电方式固有的波动性、不稳定性造成的,有风有光时发电量大,风小光弱时发电量小(水电也有丰水期、枯水期问题),而电网最怕的就是送上来的电忽多忽少,忽有忽无,由此造成了风光电难上网、上了网也难上量的问题。欧阳明高指出,要采用储能之法才能实现风光电的平衡上网。而当前还没有合适的大规模储能方式,能解决此问题的是电动汽车与燃料电池汽车。

在本次论坛上,欧阳明高的助手、张家口氢能与可再生能源研究院执行院长、清华大学副教授王贺武,介绍了我国新版《节能与新能源汽车技术路线图2.0》。新路线图对推广氢燃料电池汽车的数量目标提出了更高要求:2020年达到8000-10000辆,2025年达到5-10万辆,2030-2035年之间实现百万辆。另据欧阳明高提供的国网电动汽车的测算,如果2040、2050年,我国电动轿车保有量达到3亿辆,车载电池储存的总电量可达200亿度。

据此,欧阳明高阐述了他的观点:储能第一靠纯电动车电池,第二靠燃料电池汽车使用的能源—氢能。它认为,可再生能源用氢能实现大规模、长周期储能,是氢能燃料电池立足的基本点。2060年实现碳中和目标,首先要靠能源体系的去碳化,能源体系的去碳化要靠新能源汽车储能,这就是下一步新能源汽车的目标:用新能源汽车带动新能源革命,实现高质量发展。如果实现了新能源汽车的规模化,就会把新能源革命带动起来,传统汽车、能源、化工行业都将发生天翻地覆的变化,真正实现汽车代替马车以来百年未有之大变局。

多元化、低碳化、清洁化是能源的发展趋势

中国科学院副院长、中科院院士、张家口可再生能源示范区专家咨询委员会主任张涛,近期主要从事单原子催化、生物质催化转化等方面的研究,他领导的团队在世界上率先提出了“单原子催化”的新概念,首次发现纤维素一步法催化转化制乙二醇的新反应。他从应对能源挑战的角度出发,提出了积极进行能源技术创新的主张,并推介了他和大化所同仁正在进行的光电-绿氢+二氧化碳-甲醇的创新科研项目:“液态阳光甲醇”。

四院士谈 新能源汽车通往碳中和之路

中国科学院院士 张涛

张涛的观点是,中国的能源挑战来自于能源结构的不平衡与碳排放,增加可再生资源,将更多的可再生资源纳入能源结构有利于解决这个问题。从长远看,通过可再生能源发电制氢实现油气替代,是解决我国能源安全的有效途径。

不过,当前我们面对的现状是,在碳达峰之前,化石能源仍占主导地位。张涛认为,作为能源应用大国,中国必须多能互补,煤、石油、天然气、水、风、光电热、生物质、核能并举,多元化、低碳化、清洁化是能源的发展趋势。

他特别强调,能源技术创新在能源革命中将起到决定性作用,必须摆在能源发展全局的核心位置。碳中和的目的是消减二氧化碳,因此要大力发展光电(他将风电也归类于光电)等可再生能源,但如果仅仅把光能、风能作为电使用,则对减少二氧化碳排放的作用有限。他做的是,将绿氢与二氧化碳结合起来。

曾担任过中科院大连化学物理研究所所长的张涛与中科院院长白春礼、前新加坡国立大学校长施春风以及大化所李灿院士等组成的专家组,共同研究提出了“液态阳光甲醇”技术,并认定为该技术是化石能源清洁利用的一个可行方向。

通过风能、光能等可再生能源发电,再通过电解水得到的氢气被称为绿氢。绿氢被认为是未来氢能的主要获取方式,但是氢能本身在存储、运输环节的瓶颈尚未解决,因而中科院大化所研究团队提出将绿氢与二氧化碳结合制成液态甲醇的技术路线。这种方式得到的液态甲醇被称为“液态阳光甲醇”。甲醇使用后分解得到的二氧化碳和水成为下一轮循环的载体,张涛称其为“天然的太阳能运输者”,这种甲醇既可以解决氢的储运问题,还可中和二氧化碳。

可喜的是,经过多年努力,“液态阳光甲醇”水平有了大幅度提高,为今后绿色甲醇的使用奠定了很好的基础。如果这一技术获得成功,可再生等能源就多了一条通向市场的路,汽车也多了一种来源丰富的燃料,更可贵的是中国又探索出一种碳中和的科学方法。

液态阳光甲醇:绿氢与二氧化碳的清洁循环

中国科学院院士、中国科学院大连化学物理研究所研究员、中国化学会催化委员会主任、国际催化学会理事会主席的李灿,一直致力于太阳能转化和利用的科学研究,曾获国家科学二等奖、国家自然科学二等奖。作为“液态阳光甲醇”科研项目的主要研究者之一,他提供了一组数据来证明我国是一个太阳能资源十分丰富的国家:使用甘肃到新疆戈壁滩上不足70%的面积建光伏电站,效率达到10%就可以支撑全国的能源消耗。他认为,我国现在面临的问题不是太阳能的总量够不够用,而是如何高效地将太阳能转化为人类可用、可储存的能源问题。

目前,我国解决西电东输的主要办法,是建设超长的输电线路,但面临成本高等问题。近些年兴起的电解水制氢技术,也面临着氢能储存、运输和加注等许多瓶颈。李灿课题组探索的就是用化学能技术将太阳能变成液体燃料,实现易储、易运、易用的新路。

四院士谈 新能源汽车通往碳中和之路

中国科学院院士 李灿

之所以选择甲醇,是因为它可以把可再生资源的氢能大部分保存起来。李灿给出了另一组数据:从储能的量来讲,水分解成氢气和氧气,每吨氢气储量是三万三千度电,然后从二氧化碳到甲醇,每吨甲醇储八千度电,储能效果很好。而甲醇本身就是优良燃料,可以作为汽油使用,这又直接推动了甲醇汽车的应用。

最近,大连化物所在兰州新区建成一套液态阳光合成技术路线实验项目,有一座10兆瓦光伏发电站用于电解水制氢,之后进行二氧化碳加氢制甲醇。整个过程是从水中得到氢,二氧化碳从工业上复制,水和二氧化碳在阳光作用下生成甲醇。李灿认为,这个过程是自然光合作用的翻版。这个过程采用的两个关键技术,解决了大规模高效光伏电解水制氢和高效高选择性二氧化碳加氢制甲醇两大难题,实现了二氧化碳99%转化到甲醇中去。

氢能和液态阳光的甲醇是一种新的储能形式,既可以解决可再生资源发电间歇性的问题,解决弃风、弃光、弃水问题,还是特高压输电之外的另一种规模化输送能源的途径。李灿给出的第三组数据是:每吨甲醇可以转化1.375吨二氧化碳,我国甲醇产能是八千万吨左右,当前主要从天然气和煤中制取,如果全部采用液态阳光技术生产甲醇,就可以吸收上亿吨二氧化碳。如果把可再生资源的发电大量转化成液态阳光甲醇,代替汽油、柴油,可以达到减排十亿吨二氧化碳的规模,一方面可以大大缓解我国石油进口的安全问题,另一方面对我国实现2030碳达峰、2060碳中和的承诺做出直接的贡献。

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