中國工程院院士金涌：實現(xiàn)碳中和需要顛覆性科技創(chuàng)新

在第二十三屆中國科協(xié)年會的碳中和與綠色發(fā)展國際論壇上，中國工程院院士、清華大學化學工程系教授金涌作了一場題為《2060碳中和思考》的報告，以下文字來自報告整理，有刪節(jié)。

▲中國工程院院士、清華大學化學工程系教授金涌（攝影/張星海）

整理/記者 廖邁倫 圖文編輯/陳永杰

新媒體編輯/房永珍

2020年9月22日，我國在聯(lián)合國大會上明確表示“中國二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，爭取在2060年前實現(xiàn)碳中和”。作為世界第一大二氧化碳排放國，我國從碳達峰到碳中和的過渡期僅有30年，而英國有將近80年，美國也有45年，相比發(fā)達國家，我國能源結構轉型、二氧化碳減排將面臨更高速度與更強力度的挑戰(zhàn)。

習近平總書記主持召開中央財經(jīng)委員會第九次會議并發(fā)表重要講話時強調，實現(xiàn)碳達峰、碳中和是一場廣泛而深刻的經(jīng)濟社會系統(tǒng)性變革，要把碳達峰、碳中和納入生態(tài)文明建設整體布局。

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為什么要實現(xiàn)碳中和？

能源短缺、資源不足與環(huán)境惡化是當今中國發(fā)展面臨的重大問題。如今，我國有超過70%的石油依賴從國外進口，接近50%的天然氣需要依靠進口，我們的發(fā)展已經(jīng)受到了資源、能源、環(huán)境等各方面的嚴重制約。

目前，我國大部分處于后工業(yè)化社會，而發(fā)達國家已進入信息化、智能化社會，這一差距主要體現(xiàn)在萬元GDP能耗。

▲部分國家的萬元GDP能耗統(tǒng)計（含均值）（供圖/金涌）

2019年，我國生產1萬元產值所需能耗約為0.5噸煤，而英國約為0.1噸煤，我國所需能耗約是英國的5倍。若想在萬元基礎能耗未下降的前提下實現(xiàn)經(jīng)濟翻5番，資源、能源、環(huán)境將面臨極大的挑戰(zhàn)。如果能將萬元GDP能耗降到0.1噸煤，實現(xiàn)經(jīng)濟翻5番則基本不會導致能源消耗的大幅增加，甚至于保持目前的能源需求不變即可實現(xiàn)。

由此可見，漸進式推進碳中和，并使之與經(jīng)濟發(fā)展同步至關重要。

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實現(xiàn)碳中和的重點路徑

為實現(xiàn)碳中和，中國必須開始進行規(guī)劃，建立高耗能、低產值行業(yè)的退出機制，依靠大幅度、顛覆性科技創(chuàng)新，從初級產品生產轉變?yōu)轶{附加值精細智能化產品的生產，調整產業(yè)結構，向高端制造業(yè)邁進。

當前，工業(yè)、建筑、交通是化石能源消費最主要的來源，也是降低能耗的重點對象。其中，工業(yè)更是最主要的能耗來源，推進工業(yè)節(jié)能勢在必行。要實現(xiàn)工業(yè)節(jié)能，需以產業(yè)結構改變?yōu)橹鳎夹g進步為輔。推動傳統(tǒng)資源密集型低端產業(yè)、重工業(yè)向高端制造業(yè)、高技術產業(yè)發(fā)展，如信息產業(yè)、智能產業(yè)等。由于高端材料是高端制造的基礎，所以在推進高技術產業(yè)發(fā)展的過程中，需同時注重其前端行業(yè)的發(fā)展，如與信息產業(yè)配套的高純試劑、高檔光刻膠、封裝材料行業(yè)，以及與生化產業(yè)配套的活體3D打印材料行業(yè)等。

如今，我國基礎產業(yè)與目前國際上最先進的技術比較，尚存在10%~20%的技術提高空間。以科技創(chuàng)新推動能源效率提高至關重要，如發(fā)電效率提升有望減少火電碳排放，能源效率提升可使噸鋼能耗、單位水泥綜合能耗等進一步下降。

眾所周知，煤、石油、天然氣等這些埋藏在地下和海洋下的不可再生能源均可作為化石燃料。在元素構成上，煤、石油、天然氣均含有碳元素，而這也是它們的寶貴之處。作為有機世界的主角，碳是生命物質的重要成分。

▲世界科技發(fā)展與能源革命路線圖（供圖/金涌）

在目前已知的有機物中，與人類關系最密切的是碳氫化合物與碳水化合物。碳氫化合物是指只含有碳原子和氫原子的化合物，多存在于石油和天然氣中，是制造塑料與合成纖維的主要原料。碳水化合物是指只含有碳、氫、氧三種元素的化合物。日常生活中，人們吃的食物多是由碳水化合物組成，如糖和淀粉。

雖然碳有諸多益處，我們的生活也離不開碳，但正是由于煤、石油、天然氣中含碳，它們的燃燒排放了大量的二氧化碳，使大氣中的二氧化碳濃度增高，從而導致地球產生了“溫室效應”。那么是否有辦法將這些碳“鎖”在產品中，不讓其排放到大氣環(huán)境中呢？這就需要我們從化石燃料轉向化石材料。

當今世界，最重要的三大化石燃料是煤、石油、天然氣。以石油為例，目前的煉油技術是通過催化裂化等方式獲得產品，大約80%可轉化為汽油、柴油、煤油、潤滑油，只有20%左右成為石腦油（石油產品之一，又叫化工輕油、粗汽油）。石腦油未來的出路則是“三烯三苯”（三烯指的是乙烯、丙烯、丁二烯，三苯指的是苯、甲苯、二甲苯），這些材料被用于制作塑料、橡膠、纖維或其他高端材料。而這些材料所含碳會保存在產品中，不會如化石燃料般通過燃燒排放到大氣中。

然而這種將碳“鎖”在產品中的方式依然占石油化工生產中較少的一部分。目前我國的煉油能力在7億噸左右，但乙烯產量只有3000多萬噸，從數(shù)據(jù)來看，只有5%左右的石油變成了乙烯。

未來，石油化工企業(yè)應改變結構，從生產燃料轉向生產材料，同時降低石油的利潤比，大量發(fā)展石油材料等新產業(yè)，爭取早日脫離化石燃料時代，進入化石材料時代。

除石油外，我們對天然氣的利用也存在一些誤區(qū)。在我國，天然氣基本上被用來做飯，也就是民用，但這并非是適合天然氣大顯身手的領域。以燒水為例，我們將一壺水放在燃氣灶上燒，在這一過程中，其實僅有30%左右的天然氣提供的熱量進入了水中，其他的熱能都被用于加熱空氣。

由此可見，用天然氣做飯對能源的利用率很低。假如用電暖壺來燒水，用電來提供熱能，幾乎90%以上的熱量都會進入水中。因此，為提高利用率，實現(xiàn)家用電氣化，將天然氣用于工業(yè)是一個很好的碳中和思路。因為天然氣其實更適用于工業(yè)生產。如一項先進技術是將天然氣加熱到800℃，將氧氣也加熱到800℃，兩個800℃的氣體碰到一起后點著，再瞬間澆滅，就會產出乙烯或乙炔，這兩者都是非常實用的工業(yè)材料。

當然，如果想實現(xiàn)全民家用電氣化，必須保障電力的供應?？上驳氖?，如今我國的技術基本已經(jīng)能夠實現(xiàn)光電、風電的成本與火電持平，基本不需要再新建火電廠。2020年，中國風電在世界占比38%，居世界前十的風電企業(yè)，我國十占其七。另外，中國也有很好的自然地理優(yōu)勢，很多地區(qū)都適宜發(fā)展光電和風電。

可再生能源也存在著一些問題，就是不穩(wěn)定性，遇多云天氣，光電的產出可能就會受到一定程度的影響。因此，儲能裝置不可或缺。只有保證光電、風電平穩(wěn)，才能組成智能電網(wǎng)，供人們使用。

▲電化學儲能累計裝機容量（供圖/金涌）

由此可見，利用可再生能源發(fā)電的關鍵，就是解決儲能問題。目前，使用較多的蓄電設施，是利用水建立水庫，用多余的電把水抽到上游，需要電力時再放水推動發(fā)電。未來，我們還需要開發(fā)更多實用的儲電方式。

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碳中和需要全民參與

早日實現(xiàn)碳中和其實與大家息息相關，需要每個人的助力。聯(lián)合國環(huán)境署很早就發(fā)布了低碳生活方式的清單，并用實際數(shù)據(jù)展現(xiàn)了生活方式的改變對碳減排的助力。

在家附近的公園慢跑代替跑步機減排二氧化碳1千克/45分鐘，不用洗衣機甩干而是自然晾干減排二氧化碳3千克/天，……個人或許是做一些微小的改變，但若能全民參與，帶來的減排成果將驚艷世人。

實現(xiàn)碳中和并非一時一日之功，必須從現(xiàn)在開始規(guī)劃、替代、創(chuàng)新，且需要漸進式推進，并與經(jīng)濟發(fā)展同步。在推進碳中和的進程中，需要我國從工業(yè)化時代邁向信息化時代，告別化石燃料時代轉向化石材料時代，邁入可再生能源主導時代、核聚變能源時代、資源循環(huán)利用時代，助力中國經(jīng)濟發(fā)展擺脫資源能源匱乏的困擾。

出品：科普中央廚房

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