2021年7月15日上午，国际知名的能源专家、澳大利亚国家工程院外籍院士、南方科技大学创新创业学院院长刘科做客科技创新院士报告厅，围绕“碳中和误区及其现实路径”做了精彩演讲，在业内引起广泛关注。
在演讲时，刘科院士表示：“碳中和近期很热，大家都在谈，但真正对这一方面有全面理解的人不多。”
关于碳中和的误区
碳中和是一个非常复杂的系统工程，需要通过多种技术渠道及各种努力去减碳；每个行业对自己的减碳路线都有所强调，但对其他行业的减碳路径及各种路径对减碳贡献的量不是很清晰，大众对碳中和的挑战及认知有一定局限，存在以下几个误区：
第一个误区是认为风能和太阳能比火电都便宜了，因此太阳能和风能完全可以取代火电实现碳中和。一年有8760小时，而中国的太阳能每年发电小时数因地而异，在1100小时到2000多小时之间不等，超过2000多小时的区域不多，全国平均大约在1450-1750小时左右。也就是说太阳能大约在1/6–1/5的时间段比火电便宜；而在其他5/6-4/5的时间段，如果要储电，其成本会远远高于火电。风能每年发电的时间比太阳能略微长一点，大约是2000小时左右，但电是需要24小时供的，不能说一个电厂一年只供一两千小时，因为我们用电不能说有太阳有风的时候用电，没太阳、没风的时候就停电。太阳能和风能是便宜了，但最大的问题是非稳定供电。
弃光弃风在中国有两方面的原因，一是技术因素，就是因为太阳能、风能是没办法预测的，电网小于15%可以容纳，多于15%容纳不了，随着智能电网的发展，这个比例会有所上升，但仍然需要时间；二是机制因素，地方保护主义的存在可能会让地方出于对当地GDP的考虑，宁可用当地的火电，也因各种原因不用风电、光电、水电。机制问题在中央大力推动“碳中和”的背景下是可以解决的，但技术问题解决依赖于科学和技术的发展，这个发展过程是难以预测的，仍然需要时间。
因此，太阳能和风能需要大力发展，但在储电成本仍然很高的当前，在可见的未来仍然无法完全取代化石能源发电。
第二个误区是人们以为有个魔术般的大规模储电技术，认为如果储能技术进步，风能和太阳能就能彻底取代火电。这个假设太大了，因为自铅酸电池发明至今一百多年来，人类花了数千亿美元的研发经费研究储能，可从铅酸电池的90千瓦时/立方米增加到今天特斯拉的260千瓦时/立方米，电池的能量密度并没有得到革命性的根本的改变。同时，迄今大规模GW（十亿瓦特发电装机容量）级的储电最便宜的还是100多年前就被发明的抽水蓄能技术。
科学技术的突破不是没有可能，但我们制定战略一定是以已有的、证明的、现实的技术路线为基础。不同行业的进步不一样，计算机行业有摩尔定律，这么多年确实发展得很快，但是能源行业目前还没找到类似摩尔定律一样的规律，“碳中和”必须选择现实可行的路线来推进。
第三个误区，有些人认为我们可以把二氧化碳转化成各种各样的化学品，比如保鲜膜、化妆品等等。这些要能转化、能赚钱，可以去干，但是这些没法从根本上解决二氧化碳的问题。
另一方面，据估算全世界只有大约13%的石油就生产了我们所有的石化产品，剩下的大约87%的石油都是被烧掉的。如果把全世界的化学品都用二氧化碳来造，也只是解决13%的石油排碳的碳中和问题。所以说，从规模上二氧化碳制成化学品并不具备减碳价值。二氧化碳转化为其他化学品对减碳的贡献是相当有限的。
第四个误区，是说可以大量地捕集和利用二氧化碳。利用CCUS（碳捕集、利用与封存技术）技术，把生产过程排放的二氧化碳进行捕获提纯，再投入到新的生产过程中进行循环再利用或封存。在目前的技术手段下，靠CCUS利用来处理的成本很高，作用也是有限的，当然这方面的成本通过研发也可以降一些，经济上能否有竞争力，取决于未来碳税的价格。
第五个误区是认为通过提高能效可以显著降低工业流程、产品使用中的碳排放，就可以实现碳中和。能效永远要提高，提高能效是世界上成本最低的减碳路线。加入WTO这二十年来，我们能效提高了很多。但是由于我国经济和生产水平的飞速发展，前10年我们碳排放增加得更多。2000年中国的石油消耗大概是2点几亿吨，2010年大概是4亿吨，到去年是近7.5亿吨。2000年中国的煤炭消耗是13.8亿吨，2020年近40亿吨。煤的耗量表示电的耗量，电的耗量表示工业化的程度。这期间能效肯定提高了很多，但是单凭能效也难以解决碳中和的问题。因此，提高能效是减碳的重要手段，但只要仍然在使用化石能源，提高能效对碳中和的贡献也是非常有限的，提高能效确实是成本最低的减低碳排放的方式，也是最应该优先做的，但是有一个现实的考量就是不能光靠能效提高就能够达到碳中和。
第六个误区是认为电动车可以降低碳排放。为什么我们要发展电动车？主要是因为中国的石油不够，我们石油73%靠进口；还有就是雾霾等环境问题。我们石油不够，寄望于我们已建成的超强的发电能力，这样发展电动车是有好处的。但是，在全生命周期的碳排放分析看来，电动车考虑到电池生产过程中的排放，如果电网里的电大部分仍然是火电，电动车对减碳及全球气候变化影响非常有限。
只有中国的能源结构彻底改变以后，电动车才能算得上清洁能源，也才有可能做到碳中和。如果能源结构不改变，如果电网主要还是煤电，那电动车的扩张对减少碳排放的贡献非常有限。只有能源结构和电网里大部分是可再生能源构成的时候，电动车才能算得上清洁能源。
为什么前一百年电动车未能战胜燃油车？
图1 1912年，爱迪生跟他的电动车合影。
电动车和燃油车之争不是今天刚刚开始。1912年，以爱迪生为首的一批科学家，就觉得将来电动车可以统领世界。以福特为代表的汽车公司走的是燃油车路线。到了20世纪30年代以后电动车就几乎销声匿迹了，今天燃油车仍然占有绝对统治地位。
那么，世界前100年选择了燃油车的根本原因是什么？
第一个原因，我们做能源的人都有一个概念叫做体积能量密度。汽车有压舱钢板，轮船有压舱水，这个能源略微重一点对汽车、轮船的影响不大，但油箱不能无穷大。
第二个原因，液体是最好的储能的载体。液体能源有个非常好的特点，陆上可以管路输送，海上可以非常便宜地跨海输送，而且可以在常温常压下长期储存。
第三点，为什么人类的第一条流水线是福特的流水线？内燃发动机是机械的东西，造一台很贵，但当设计一旦定型，在一条流水线每年造100万台的时候，每台的成本会极大降低。1913年，福特的流水线一上去量产，就让美国的汽车从4700美元降到380美元，让每个蓝领工人都可以买得起汽车。
然而电动车的不同之处在于，每个电池都需要一定量的镍、钴、锂，车上还有铜等各种金属。电动车的材料成本占大头，加工成本并不是主流，所以采用流水线可以降低一些，但不能有根本的降低。一个工业要发展必须是可以大规模量产的时候，越大规模越便宜。这就是为什么人类的第一条流水线是福特的流水线。这都不是偶然的。
图2 2018年5月13日，李克强总理参观日本丰田氢燃料汽车。
借着2018年5月13日国家总理李克强访问丰田汽车公司，网上疯炒氢能，说电动车真正的未来是氢燃料电池汽车，不是电动车。氢能有它的好处，发电效率高，能降低对石油的依赖，排放的是水蒸气，而且大规模量产后成本能下来。尽管燃料电池也要用贵金属，但是它的贵金属回收技术相对来讲比较成熟。并且这些年的研发使得贵金属用料量在降低，这都是它的优点。
现在我们的电池是梯级利用，今天的电动汽车用了5到7年，把退役动力电池用作储能电源。但是储能电池是有寿命的，里边有很多对自然有害的化学物质，不可能无限期使用，一二十年后仍然需要回收。如果不回收，任其泄露，那是环境的灾难。当然，电动车遇到这些问题，并不意味着不去发展电动车和电池技术，电池技术的研发永远是重要的。
为什么氢能汽车还没有产业化？
燃料电池汽车，也就是我们说的氢能汽车，为什么没有产业化？最根本的原因是氢气不适合于作为你我大众共有的能源载体。很多人在这块有一个误区，甚至有媒体渲染说“氢是人类的终极能源”，这句话是不严谨的。氢不是一次能源，而是一种二次能源，或者更确切地说是能源的载体。这个世界有煤田、油田、天然气田，但没有氢田。氢和电以及甲醇一样，是通过别的能源制造的，但是作为载体，氢不具备上面提到的液体能源在能量密度、管道及跨海输送、长期储存方面的优势。
氢气不适合于做大众能源载体，主要的原因在于有几个方面人们无法通过研发改变。
第一，氢气是体积能量密度最小的物质，我们要求是体积能量密度越大越好。好多人犯了一个概念性的误解，说氢是能量密度最大的。如果论公斤（质量能量密度），氢的能量密度是最大的。但是对于汽车压重和轮船有压舱水来说，重一点问题不大，但油箱体积不能太大，应该论每立方米，论公斤意义不大。如果转成同样的能源概念，它的体积能量密度是最小的（如图3）。为了增加体积能量密度，只好增加压力。目前看到所有的氢燃料电池车里的储氢罐，都是350和700公斤大气压。储氢罐如果拿不锈钢设计必须做得非常厚，因为压力太高。学过理工的人都知道，700公斤压力的高压设备，不是那么容易生产制造的。
图3：各类能源的能量密度
第二，氢气高压会有一个问题，氢气是元素周期表中最小的分子，最小的分子就意味着最容易泄露，长期储存是问题。
第三，氢气在露天没有问题，但在封闭的空间里，氢气就会有巨大的问题。氢气是爆炸范围最宽的气体，可以从4%到74%。小于4%是安全的，大于74%只着火不爆炸。但是在4%到74%这个很宽的范围内，遇火星就爆。
因为氢气的爆炸性，现在都不让运输氢超过一定的范围的车辆过隧道，如果把隧道炸掉了怎么办？同样因为氢气的爆炸性，建设加氢站要特别小心，周围需一定的安全距离。因为这些问题，尽管氢能现在很热，但是要谨慎。氢气的这些性质决定了它不适合做能源载体。
制氢容易，但储氢、运氢有难度。世界上其实氢气的使用很广泛，中国的氢气产能已经达到3000多万吨/年了，今天我们用的每一克的化肥都是氢造的。世界上有这么多的化肥厂、炼油厂都要大量的氢气，但是目前没有一个化肥厂、炼油厂是靠太阳能、风能制氢、制化肥。什么原因？太贵。
现在全世界每年已有数千万吨的氢市场，而且供给到炼油厂氢是最贵的，每个炼油厂边上都有个大的气体公司。用风能、太阳能制氢不是不可以做，只是目前没有足够的经济吸引力。
为什么甲醇可能是作为最好的储氢载体？
如果今后真正想实现碳中和，并且太阳能、风能可以卖碳税的时候，可以把风能、太阳能和煤结合制出比较便宜的甲醇，通过车载甲醇制氢并与燃料电池系统集成，这就比直接燃烧的发动机效率高。这条路线未来是有可能的，主要取决于各种政策的调整和碳税。如果碳税上去了，这条线路就有经济性。
为什么提甲醇这条线路？甲醇可以从煤、天然气来制，未来可以用太阳能制氢与CO2反应制，或太阳能催化二氧化碳和水来制甲醇，就变成绿色的甲醇。现在中国甲醇产能全世界最高，大概8000多万吨。另外，页岩气革命让世界发现了100多年用不完的天然气。有100多年用不完的天然气，就有100多年用不完的甲醇。未来如果碳税真正上去了，我们也可以用风能和太阳能制氢，这样生产的甲醇就完全是绿色甲醇了。
但是这个世界不需要追求绝对的零碳，国际上常提的零碳排放通常是“近零（Near Zero）”和“净零(Net Zero)”。讲碳中和的时候一定要强调，就是这个世界碳太多不好，但是任何人追求绝对的零碳是不科学的，因为我们吃的食品、植物生长和光合作用都需要二氧化碳。如果把中国的经济从煤经济转到天然气经济或者是甲醇经济就可以减碳67%，那么基本上就可以做到碳平衡了。因此中国讲的是“碳中和”，国外讲的是“净零排放”，也就是要排放碳的同时，有别的技术或者措施实现排放平衡到一定水平。
从中国的天然能源禀赋和工业基础来看，中国有很成熟的煤制甲醇技术，只是要产生很多的二氧化碳，因为要补氢以达到甲醇合成所需要的碳氢比，然而通过水煤气变换将一氧化碳转化成氢气的同时会排放二氧化碳。如果那部分的氢可以在西部用太阳能和风能制，同时副产氧气供煤气化用，能够解决很多排放问题；煤制甲醇的工厂里，空气深冷分离制氧气的空分装置是投资最大的，这块投资未来省下来可以做太阳能电解水装置生产氧气和氢气供煤制甲醇用，这样煤转成甲醇就不用排放二氧化碳，再用甲醇作为能源的载体就可以做到减碳60%以上，这可能是未来比较现实的一条碳中和路线。说穿了是利用现有的基础设施把太阳能以甲醇液体的形式储存下来；这是未来风能，太阳能储能的另外一条途径。
这样风能、太阳能虽然贵一点，但煤很便宜，这两个一中和，成本就可控了。氢气和二氧化碳做绿色甲醇目前还有一定的成本障碍，如今直接用现有的煤甚至劣质煤制甲醇就可以了。甲醇是一个载体，液体的载体比气和电载体科学多了。因为，电虽然好输送但是不好存储，氢既不好输送，也不好存储，只有液体比较方便。
雾霾的元凶在哪里？
还有一个碳中和的路线，是跟雾霾相关的。
雾霾包括一次颗粒和二次颗粒。化石燃料如柴油燃烧时尾气中直接排放的颗粒是“一次颗粒（Primary Particulates）”，占雾霾总量的24%左右。对雾霾贡献最大的是“二次颗粒(Secondary Particulates)”占到其总量的约50%左右。“二次颗粒”是化石燃料燃烧尾气中的气态污染物（如NOx、SOx）和挥发性有机物（VOC）进入大气后，在一定的水雾状态下与空气中的氨及VOC等物质发生气溶胶反应形成的颗粒。氮氧化物在天空遇水就变成硝酸，硫氧化物氧化遇水就是硫酸。如果我们不使用化肥就只能形成酸雨形不成雾霾。然而大量使用化肥向大气中释放了一定规模的氨，氨在大气中呈碱性，酸碱中和生成硝酸铵盐、硫酸铵等固体细颗粒，这些细颗粒才是PM2.5的主要来源。
这两年国家在脱硫脱硝上花了上万亿，取得非常大的进展，但是到冬天还有雾霾，一个重要因素是使用化肥以及氨排放没有得到足够的重视。化肥的排放就是氨的排放。
化肥有它的问题和弊性。早些年硝酸铵、磷酸铵强酸弱碱，氨被吸收，酸留到土壤里面，引起土地酸化，把土壤中的细菌杀死，引起大面积的土地板结。另外，土壤中有很多矿物质不溶于水，但是一遇到酸，会发生酸浸，浸三五十年以后，半米深的土壤中这些微量的矿物质就都没有了。人类大量使用化肥和农药，导致土壤中的微量元素不断下降，并伴随着哮喘、心脏病、癌症等疾病的增加。
其实随经数百万至数千万年，物质不灭，土壤中宝贵的微量元素及矿物质是以煤炭的形式保留至今的。煤炭中可燃的部分，基本都是通过光合作用二氧化碳形成的；不可燃的部分从哪里来的？就是远古时期树根吸收的宝贵的矿物质、微量元素。但这些东西不能用火烧掉，一千多度以后它们就形成了玻璃状的琉璃瓦。
图4 微矿分离技术
现在我们有一个核心技术（图4）就是在水中把煤里面可燃的不可燃的分开进行磨细，底下浅色的就是土壤中最宝贵的东西，但是不能直接加，要经过一系列微生物的过程，最后形成最好的土壤改良剂。上层的劣质煤就可以制甲醇，这样甲醇的成本也可以降下来。这是环环相扣的。
为什么要从雾霾开始讲？因为这种小颗粒像雾霾，过滤下来以后比重比空气重得多，它以2.5微米悬浮在空中不会落下来，除非下雨，因为当粒度到这么小的时候，重力就起不了作用，而是表面力在起作用。
那么既然它悬浮到空气中下不来，我们就让它悬浮到水里面造成类似“黑色牛奶”的燃料。牛奶表面上看是液体，在显微镜底下其实是几十微米的氮颗粒悬浮在水里的。我们将微米级的煤炭颗粒、纯碳颗粒悬浮在水里，然后设计一个锅炉，让它燃烧起来比天然气都干净。我们甚至可以直接用汽化炉制甲醇，得到的燃料比现在的船油还干净、还便宜，同时还可以解决中国的煤炭运输问题。
现实的碳中和路径
第一是通过现有煤化工与可再生能源结合实现低碳能源系统。一方面可以让现有的煤制甲醇实现近零碳排放，另一方面是通过太阳能、风能、核能电解水制备绿氢和氧气，合成气不经水汽变换，这样让煤制甲醇厂不在排放CO2；再用甲醇取代汽柴油开车，或甲醇和水在线制氢发电推动燃料电池汽车或作为电动车的充电宝；这样可大大降低交通运输业的CO2排放，也可以部分解决中国石油不够的问题。因为太阳能风能电解水既可以生产制备甲醇需要的氢气，又可以生产煤气化制甲醇需要的氧气；而且我们的微矿分离技术可以用廉价的劣质煤结合太阳能一起制甲醇，成本上在碳中和的背景下也会有竞争力。这样把中国强大的太阳能风能发电能力释放出来，把风能和太阳能以甲醇液体的形式储存下来；是值得去探索的另外一条储能战略，让太阳能，风能能够大力发展减碳。（图5）
图5 储能的另外一条途径：通过太阳能、风能、核能电解水制备绿氢和氧气，合成气不经水汽变换，制备甲醇无CO2排放。
第二是利用煤炭领域的碳中和技术——微矿分离技术。在煤燃烧前，把可燃物及含污染物的矿物质分离开，制备低成本类液体燃料+土壤改良剂，源头解决煤污染、滥用化肥及土壤生态问题，同时低成本生产甲醇、氢气等高附加值化学品。
因为传统的煤炭使用方式燃烧二氧化碳排放产生的灰渣有10%的碳，不光是浪费能源而且现在变成了固废，整个内蒙古的电厂粉煤灰成灾。通过分离之后，该做燃料就做燃料，该做土壤做土壤，分流以后，这边释放二氧化碳，更多的森林长起来把二氧化碳吸回来，这样做了完全可以达到碳中和。（图6）
图6 微矿分离技术效果示意
当CSF产量达到25万吨时，我们每年碳排放大约69.5万吨，根据治理的面积大约可以吸回来20.8万吨，在施用SRA条件下，可以吸回来48.7万吨、61.9万吨，甚至74.9万吨。
这是比较现实的碳中和的路径，而且不需要那么高的成本，适当花一点钱就可以做到的。
第三，实现光伏与农业的综合发展，将光伏与农业、畜牧业、水资源利用及沙漠治理并举，实现光伏和沙漠治理结合，及光伏和农业联合减碳。
西部缺水，水一浇就漏下去了，因此，我们可以采用非常保水的材料。但是西部再保水，大太阳晒还是长不出来，怎么办？有了太阳能板，底下的挥发减少了，就可以种东西。太阳能有一个最大的好处，就是要定期冲这个板，有了发电，大家可以花一点钱拿PVC管子接点黄河水过去，每几周给光伏板冲水，同时，水资源宝贵，冲过的水我们还可以用来给农作物做滴灌。这样，发电的同时还可以把底下全部变成绿色，变好了再把太阳能板搬个几百米，一片片土地可以治理出来。（图7）
图7 利用微矿分离副产的土壤改良剂让光伏与农业及沙漠治理综合发展
第四，峰谷电与热储能综合利用。火电厂是半夜也不能停的。现在中国的火电厂在半夜12点到早上的6点电这个区间，尽管还在排放大量CO2，但发的电没人用，是浪费掉的。怎么办？电不好储存，可以用热的形式储存下来，利用分布式储热模块，在谷电时段把电以热的形式储下来，再在需要时用于供热或空调，这样可以让1/4甚至是1/3的时间的电不至被浪费，可大大降低CO2排放，实现真正的煤改电，再配合屋顶光伏战略及县域经济，进一步减少电能消耗。能量不仅仅是电能，国内储能领域对于储电关注较多，但实际上大多数的能量从消费端来看都是用在了热能领域，储热技术也是需要我们去关注和发展的。（图8）
图8 现实的碳中和路径4：峰谷电与热储能综合利用
第五，利用可再生能源制甲醇，然后做分布式的发电。可以使用甲醇氢能分布式能源替代一切使用柴油机的场景，和光伏、风能等不稳定可再生能源多能互补。用甲醇液体作为太阳能及风能的载体，甲醇和水制氢再发电取代柴油发电机做分布式热电联供，结合屋顶光伏及储热及热泵技术在广大农村取代燃煤,不仅低碳，环保而且可以减碳。（图9）
图9 现实的碳中和路径5：基于绿色甲醇氢能的分布式能源热电联供
最后，刘科院士表示在“碳达峰、碳中和”的时代背景下，需要对一些误区进行澄清，同时认清技术的发展逻辑，找寻现实发展路径。
