碳中和的战略逻辑和技术需求

发布时间:

2022-10-31 00:00

碳中和的概念

碳中和应从碳排放(碳源)和碳固定(碳汇)这两个侧面来理解。

碳排放既可以由人为过程产生,又可以由自然过程产生。人为过程主要来自两大块,一是化石燃料的燃烧形成二氧化碳(CO2)向大气圈释放,二是土地利用变化(最典型者是森林砍伐后土壤中的碳被氧化成二氧化碳释放到大气中);自然界也有多种过程可向大气中释放二氧化碳,比如火山喷发、煤炭的地下自燃等。但应该指出:近一个多世纪以来,自然界的碳排放比之于人为碳排放,对大气二氧化碳浓度变化的影响几乎可以忽略不计。

碳固定也有自然固定和人为固定两大类,并且以自然固定为主。最主要的自然固碳过程来自陆地生态系统。陆地生态系统的诸多类型中,又以森林生态系统占大头。所谓的人为固定二氧化碳,一种方式是把二氧化碳收集起来后,通过生物或化学过程,把它转化成其他化学品,另一种方式则是把二氧化碳封存到地下深处和海洋深处。

过去几十年中,人为排放的二氧化碳,大致有54%被自然过程所吸收固定,剩下的46%则留存于大气中。在自然吸收的54%中,23%由海洋完成,31%由陆地生态系统完成。比如最近几年,全球每年的碳排放量大约为400亿吨二氧化碳,其中的86%来自化石燃料燃烧,14%由土地利用变化造成。这400亿吨二氧化碳中的184亿吨(46%)加入到大气中,导致大约2ppmv的大气二氧化碳浓度增加。

所谓碳中和,就是要使大气二氧化碳浓度不再增加。我们可以这样设想:我们的经济社会运作体系,即使到有能力实现碳中和的阶段,一定会存在一部分“不得不排放的二氧化碳”,对它们一方面还会有54%左右的自然固碳过程,余下的那部分,就得通过生态系统固碳、人为地将二氧化碳转化成化工产品或封存到地下等方式来消除。只有当排放的量相等于固定的量之后,才算实现了碳中和。由此可见,碳中和同碳的零排放是两个不同的概念,它是以大气二氧化碳浓度不再增加为标志。

二氧化碳排放来源及实现碳中和的基本逻辑

我国当前二氧化碳年排放量大数在100亿吨左右,约为全球总排放量的四分之一。这样较大数量的排放主要由我国的能源消费总量和能源消费结构所决定。我国目前的能源消费总量约为50亿吨标准煤,其中煤炭、石油和天然气三者合起来占比接近85%,其他非碳能源的占比只有15%多一点。在煤、油、气三类化石能源中,碳排放因子最高的煤炭占比接近70%。我国能源消费结构中,煤炭占比如此之高,在世界主要国家中是绝无仅有的。

约100亿吨二氧化碳的年总排放中,发电和供热约占45亿吨,建筑物建成后的运行(主要是用煤和用气)约占5亿吨,交通排放约占10亿吨,工业排放约占39亿吨。工业排放的四大领域是建材、钢铁、化工和有色,而建材排放的大头是水泥生产(水泥以石灰石(CaCO3)为原料,煅烧成氧化钙(CaO)后,势必形成二氧化碳排放)。

电力/热力生产过程产生的二氧化碳排放,其“账”应该记到电力消费领域头上。根据进一步研究,发现这45亿吨二氧化碳中,约29亿吨最终也应记入工业领域排放,约12.6亿吨应记入建筑物建成后的运行排放。所以我们说,我国工业排放约占总排放量的68%,如此之高的占比在所有主要国家中,也是绝无仅有的,这是我国作为“世界工厂”、处在城镇化快速发展阶段、经济社会出现压缩式发展等因素所决定的。

根据我国二氧化碳的排放现状,我们就非常容易作出这样的推断:中国的碳中和需要构建一个“三端共同发力体系”:

第一端是电力端,即电力/热力供应端的以煤为主应该改造发展为以风、光、水、核、地热等可再生能源和非碳能源为主。

第二端是能源消费端,即建材、钢铁、化工、有色等原材料生产过程中的用能以绿电、绿氢等替代煤、油、气,水泥生产过程把石灰石作为原料的使用量降到最低,交通用能、建筑用能以绿电、绿氢、地热等替代煤、油、气。能源消费端要实现这样的替代,一个重要的前提是全国绿电供应能力几乎处在“有求必应”的状态。

第三端是固碳端,可以想见,不管前面两端如何发展,在技术上要达到零碳排放是不太可能的,比如煤、油、气化工生产过程中的“减碳”所产生的二氧化碳,又比如水泥生产过程中总会产生的那部分二氧化碳,还有电力生产本身,真正要做到“零碳电力”也只能寄希望于遥远的将来。因此,我们还得把“不得不排放的二氧化碳”用各种人为措施将其固定下来,其中最为重要的措施是生态建设,此外还有碳捕集之后的工业化利用,以及封存到地层和深海中。

电力供应端的技术需求

传统上,电力供应系统包括了发电、储能和输电三大部分,从现在业界经常谈到的“新型电力供应系统”的角度,还应把用户也统筹考虑在内。

从实现碳中和的角度,我国未来的电力供应系统应该具备以下六方面特点:

一是电力装机容量要成倍扩大。我国目前的发电装机容量在24亿千瓦左右,如果考虑以下因素:(1)未来要实现能源消费端对化石能源的绿电替代和绿氢替代;(2)从世界大部分先发国家走过的历程看,人均GDP从一万美元到三四万美元之间,人均能源消费量还会有比较明显的增长;(3)风、光等波动性能源的“出工能力”只有传统火电的三分之一左右,那么我国2060年前的装机容量至少需要60亿到80亿千瓦。

▪ 二是风、光资源将逐步成为主力发电和供能资源。其中西部风、光资源和沿海大陆架风力资源是主体,各地分散式(尤其是农村)光热资源是补充。

▪ 三是“稳定电源”将从目前的火电为主逐步转化为以核电、水电以及综合互补的非碳能源为主。

▪ 四是必须利用能量的存储、转化、调节等技术,弥补风、光资源波动性大的天然缺陷。

▪ 五是火电还得有,但主要作为应急电源和一部分调节电源之用。与此同时,火电应完成清洁、低碳化改造,有条件的情况下,用天然气代替煤炭,以降低二氧化碳排放强度。

▪ 六是在现有基础上,成倍扩大输电基础设施,把西部充沛的电力输送到中东部消纳区。与此同时,加强配电基础设施建设,增强对分布式能源的消纳能力。

在这样的电力供应系统中,碳中和本身的目标要求未来电力的70%左右来自风、光发电,其他30%的稳定电源、调节电源和应急电源也要尽可能地减少火电的装机总量。正因为如此,未来需要促进发电技术、储能技术和输电技术这三方面的“革命性”进步。发电技术要为绿色低碳电力生产提供支撑。这里面需重点促进可再生能源发电技术的进步,特别是要注重发展以下技术:

(1)光伏发电技术虽已发展到可平价上网的程度,但这类技术在降成本、增效率上还有潜力可挖;

(2)太阳能热发电技术对电网友好,既可保证稳定输出,也可用于调峰,但目前发电成本过高,未来应在材料、装置上寻求突破;

(3)风力发电技术也基本具备平价上网的条件,未来要在大功率风机制造、更高空间风力的利用、更远的海上风电站建设上下功夫;

(4)地热分布广、总量大,但能量密度太低,如要将地热用于发电,还得重点突破从干热岩中提取热能的技术;

(5)生物质能也是可再生能源,目前生物质能发电技术是成熟的,但其在总的电力供应上的占比较为有限;

(6)海洋能和潮汐能的总量不小,但其利用技术有待进步;

(7)传统的水电我国开发程度已经较高,未来在雅鲁藏布江、金沙江上游开发上还有较大潜力。

除以上可再生能源发电以外,社会公众还得接受这样的现实:要达到碳中和,核电还得较大程度地发展,因为核电应作为“稳定电源”的重要组成部分。此外,火电还得在“稳定电源”“应急电源”“调节电源”方面发挥作用,正因为如此,“无碳电力”在很长时期内是难以实现的,除非我们把火电站排放出的二氧化碳收集起来再予以封存或利用。

储能技术在未来的电力供应系统中将占有突出的位置,这是因为风、光发电具有天然波动性,用户端也有波动性,这就需要用储能技术作出调节。可以这样说,如果没有环保、可靠并相对廉价的储能技术,碳中和目标就会落空。储能是最重要的电力灵活性调节方式,包括物理储能、化学储能和电磁储能三大类,而灵活性调节还有火电机组的灵活性改造、车网互动、电转燃料、电转热等方式和技术。

物理储能主要有四类:

▪ 一是抽水蓄能电站,它是最成熟的技术,我国以东部山地为依托,已建、在建和规划中的抽水蓄能电站总量很大,但可再生能源丰富的西部如何建抽水蓄能电站还得探索。

▪ 二是压缩空气储能,主要是利用地下盐穴、矿井等空间,该类技术在我国还处在起步阶段。

▪ 三是重力储能,简单地说是利用悬崖、斜坡等地形,电力有余时把重物提起来,需要电力时把重物放下用势能做功,这类技术我国尚处在试验阶段。

▪ 四是飞轮储能,这是成熟的技术,但其能量密度不高。

化学储能就是利用各类电池,大家熟知的有锂电池、钠电池、铅酸(碳)电池、液流电池、液态金属电池、金属空气电池、燃料电池(氢、甲烷)等。不同的电池有不同的应用场景,它们在未来的电力供应系统中具有不可或缺的地位,但今后会遇到电池回收、环保处理、资源供应等问题。

电磁储能主要是超级电容器和超导材料储能,目前看,它的作用还有待观察。

现有火电机组的灵活性改造是指使其“出工能力”具备灵活性,用电高峰时机组可以发挥100%发电能力,用电低谷时只“出工”20%或30%。这个技术一旦成熟,应该非常管用,尤其在实现“双碳”目标的早中期阶段,应将其作为主打技术。车网互动是指电动汽车与电网的互动。

简单地说,今后大量的电动汽车整合起来就是一个非常庞大的储能系统,如果在电网电力有余时,它们中的一部分集中充电,而电力不足时,它们中的一部分向电网输电,这样就起到了平滑峰谷的作用。这个想法很美好,也有点“浪漫”,但如何将理论上的可能性转化为实践中的可行性,估计还得创新商业模式。

电转燃料就是把多余电力转化为氢气、甲烷等燃料,电力不足时再把燃料用于发电。电转热储能则是用水、油、陶瓷、熔盐等储热材料把多余的电转化为热储存,需要时再为用户放热。

新型电力供应系统的第三个主要组成部分是输电网络。从实现碳中和的逻辑分析,我国未来的电网将有以下几个突出特点:(1)远距离的输电规模将在现有的基础上增加数倍,意味着要把西部的清洁电力输送到东部消纳区,输电基础设施建设的需求巨大;(2)为了统筹、引导大空间尺度上的发电资源和用户需求,大电网应是基本形态;(3)贴近终端用户(如工业园区、小城镇等)的分布式微电网建设将受到重视,并将成为大电网的有效补充;(4)为解决波动性强的可再生能源占比高、电力电子装置比例高的特点,需要在电网的智能化控制技术上实现质的飞跃。

从上面的介绍可知,建立一个新型电力系统,其实是逐步“挤出”火电的过程,或者严格地说,是一个把火电装机量占比减到最小的过程,留下的火电也得作“清洁化”改造。我国具有充足的风能、太阳能,从理论上讲,资源绝对足够。但能不能把这些分布广、能量密度低的风、光资源利用起来,并保证电价相对便宜,研发出先进的技术,尤其是储能技术是关键中的关键!

能源消费端的技术需求

能源消费端的减碳有两个关键词,一是替代,二是重建。所谓替代就是用绿电、绿氢、地热等非碳能源替代传统的煤、油、气,而重建则强调在替代过程中,一系列工艺过程需要重新建立。

对此,我们可分九个领域,对能源消费端的低碳化所需研发的技术或替代方式分别作出简单介绍:

1、建筑部门应在三个方面发力。首先是对建筑本身作出节能化改造;其次是针对城市的建筑用能,包括取暖/制冷和家庭炊事等,均应以绿电和地热为主;农村的家庭用能,则可采用屋顶光伏+浅层地热+生活沼气+太阳能集热器+外来绿电的综合互补方式。

2、交通部门可着眼于五个方面。未来私家车以纯电动车为主;重卡、长途客运可以氢燃料电池为主;铁路运输以电气化改造为主,特殊地形和路段可采用氢燃料电池,同时发展磁悬浮高速列车;船舶运输行业中的内河航运可用蓄电池,远航宜用氢燃料电池或以二氧化碳排放相对较少的液化天然气作为动力;航空则可用生物航空煤油达到低碳目标。

3、钢铁行业碳排放主要来自炼焦和焦炭炼铁,它可分两阶段实现低碳化。第一阶段是对炼焦炉、高炉等的余热、余能作充分利用,同时用钢化联产的方式把炼钢高炉中的副产品充分利用起来。第二阶段是逐步用新的低碳化工艺取代传统工艺,研发和完善富氧高炉炼钢工艺,炼钢过程中以绿氢作还原剂取代焦炭,对废钢重炼用短流程清洁炼钢技术等。

4、我国建材行业的排放主要来自水泥、陶瓷、玻璃的生产,其中80%来自水泥。建材行业低碳化应从三方面研发技术,一是用电石渣、粉煤灰、钢渣、硅钙渣、各类矿渣代替石灰石作为煅烧水泥的原料,从原料利用上减少碳排放的可能性;二是煅烧水泥时,尽可能用绿电、绿氢、生物质替代煤炭;三是用绿电作能源生产陶瓷和玻璃。

5、化工排放来自两大方面,一是生产过程用煤、天然气作能源,二是用煤、油、气作原材料生产化工产品时的“减碳”,比如用煤生产乙烯,需要加氢减碳,其中加的氢如果不是绿氢,就会有碳排放,减的碳一般会作为二氧化碳排放到大气中。因此,化工行业的低碳化应从四个方面入手,一是蒸馏、焙烧等工艺过程用绿电、绿氢;二是对余热、余能作充分的利用;三是适当控制煤化工规模,条件许可时尽量用天然气作原料;四是对二氧化碳作捕集—利用处理。

6、有色工业中的碳排放主要来自选矿、冶炼两个过程,在整个冶金行业排放中,铝工业排放占比在80%以上,因为电解铝工艺用碳素作阳极,碳素在电解过程中会被氧化成二氧化碳排放。因此,冶金工业的低碳化一是在选矿、冶炼过程中尽可能用绿电;二是研发绿色材料取代电解槽中的碳素阳极;三是对电解槽本身作出节能化改造;四是对铝废金属作回收再生利用。

7、在其他工业领域中,食品加工业、造纸业、纤维制造业、纺织行业、医药行业等也有一定量的碳排放,其排放来源主要有两个方面:一是生产加工过程中用的煤、油、气,二是其废弃物产生的排放。这些行业的低碳化改造主要在于用绿电替代化石能源,同时做好废弃物的回收再利用。

8、服务业是一个庞大的领域,但服务业以“间接排放”为主,即服务业用电一般被统计到电力系统碳排放中,运输过程中的用油一般被统计到交通排放中,建筑物中的用能(包括餐饮业的用气)则被统计到建筑排放中,似乎“直接排放”的量并不大。但这样说,并不是说服务业可以置身于低碳化之事外,恰恰相反,服务业亦有可以“主动作为”的地方,这一方面是大力做好节能工作,另一方面是尽可能用电能替代化石能源的使用。

9、农业的碳排放主要来自农业机械的使用,与此同时,农业中的畜牧养殖业以及种植业是甲烷(CH4)、氧化亚氮(N2O)的主要排放源,而这二者的温室效应能力是同当量二氧化碳的数十倍至数百倍。从这样的前提出发,农业的低碳化一是农业机械用绿电、绿氢替代柴油作动力;二是从田间管理的角度,挖掘能减少甲烷和氧化亚氮排放但不影响作物产量的技术;三是研发出减少畜牧业碳排放的技术;四是尽可能增加农业土壤的碳含量。

根据这九方面的介绍,我们可以看出:在能源消费端用绿电、绿氢等替代煤、油、气,从理论上讲是不难做到的,但工艺和设备的再造重建绝不是一件简单的事。同时我们也可以想象,这样的替代和重建一定会增加最终消费品的成本。所以说,替代和重建需要时间。

固碳端的技术需求

提起固碳,我们首先想到的是自然过程,即通过海洋和陆地表面把大气中的二氧化碳吸收固定。但这里必须指出,人类活动每年都向大气中排放二氧化碳,这其中的一部分可以被自然过程所吸收,余下部分如不通过人为手段予以固定,则大气中的二氧化碳浓度还会逐年增高。

我们讲固碳,主要是指通过人为努力固定下的那部分,而地球自然固碳过程则属于“天帮忙”,很难归功于具体的国家或实体。

“人努力”进行固碳一般可分两大途径,一是生态系统的保育与修复,二是把二氧化碳捕集起来后,或加工成工业产品,或封埋于地下或海底,这第二方面就是经常谈到的“碳捕获、利用与封存”——CCUS(Carbon Capture and Utilization-Storage)。

根据我国五年规划的惯例,可考虑以两个五年规划为一个阶段,分四个阶段,四十年时间实现碳中和目标:

第一步为“控碳阶段”,争取到2030年把碳排放总量控制在100亿吨之内,即“十四五”期间可比目前增一点,“十五五”期间再减回来。在这第一个十年中,交通部门争取大幅度增加电动汽车和氢能运输占比,建筑部门的低碳化改造争取完成半数左右,工业部门利用煤+氢+电取代煤炭的工艺过程大部分完成研发和示范。这十年间电力需求的增长应尽量少用火电满足,而应以风、光为主,内陆核电完成应用示范,制氢和用氢的体系完成示范并有所推广。

第二步为“减碳阶段”,争取到2040年把二氧化碳排放总量控制在85亿吨之内。在这个阶段,争取基本完成交通部门和建筑部门的低碳化改造,工业部门全面推广用煤/石油/天然气+氢+电取代煤炭的工艺过程,并在技术成熟领域推广无碳新工艺。这十年火电装机总量争取淘汰15%落后产能,用风、光资源制氢和用氢的体系完备及大幅度扩大产能。

第三步为“低碳阶段”,争取到2050年把二氧化碳排放总量控制在60亿吨之内。在此阶段,建筑部门和交通部门达到近无碳化,工业部门的低碳化改造基本完成。这十年火电装机总量再削减25%,风、光发电及制氢作为能源主力,经济适用的储能技术基本成熟。据估计,我国对核废料的再生资源化利用技术在这个阶段将基本成熟,核电上网电价将有所下降,故用核电代替火电作为“稳定电源”的条件将基本具备。

四是我们实现碳中和目标的过程,也是环境污染物排放大大减少的过程,这意味着我们将彻底解决大气污染问题,其他污染物排放也将实质性降低。此外,碳中和也意味着我们将实现能源独立,国内自产的原油、天然气将能满足化工原料之需要,进口油气将大为减少,所谓的“马六甲困境”将不再是一个实质性威胁。能源独立从某种程度上还会为粮食安全提供助力。

五是我国的举国体制优势将在碳中和历程中发挥重大作用,因为碳中和涉及大量的国家规划、产业政策、金融税收政策等内容,需要真正下好全国一盘棋。这点我们从我国推动光伏产业的历程中就可以看出,并且诸如此类的经验未来还会不断被总结、深化。我们甚至可以预计,即使是坚持自由市场经济的那些国家,它们如想真正实现碳中和,也将在国家产业政策设计上获得助力。