科技赋能“碳中和”,让绿色发展更上层楼
2021-03-10 09:19:00  来源:新华日报  
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本报记者 蔡姝雯 蒋明睿

碳达峰、碳中和已成为2021年全国两会当仁不让的关键词。去年的联合国大会上,我国向世界承诺,二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值,努力争取 2060年前实现碳中和。去年底,江苏提出了要在全国率先实现“碳达峰”的目标。什么是碳达峰、碳中和?相较于世界各国的碳中和目标,我们将面临怎样的挑 战和机遇?实现碳中和需要突破哪些关键技术?《科技周刊》记者专访江苏省能源研究会理事长、东南大学能源与环境学院院长肖睿,解答科技如何赋能碳中和,让 绿色发展更上层楼。

实现碳中和面临三大挑战

什么是碳达峰、碳中和?肖睿解释,碳就是二氧化碳,随着人类社会经济发展,二氧化碳的排放量也会增加,当二氧化碳排放达到一定的峰值,就叫碳达峰;之后随 着社会经济的转型发展,通过使用最先进的可再生能源等节能减排以及植树造林等方式,二氧化碳排放会逐步回落,这是一个缓慢下降的过程,最后达到碳中和,即 二氧化碳的排放量与吸收量平衡,此时的净碳排放为零。“先有碳达峰,再有碳中和,这是一个必经过程。”

目前,一些发达国家因为较早进行经济结构调整,能源消耗量逐渐下降,所以已经完成了碳达峰,比如欧洲很多年前就已经碳达峰了,美国也基本上实现了碳达峰。 但是碳中和世界各国都还没有做到。欧盟、英国、加拿大、日本、韩国等都列出了自己的“碳中和时间表”,计划于2050年实现碳中和,美国加州因为新能源使 用比例较高,提出希望在2045年就率先达到碳中和。

“在2060年实现碳中和,这对我们的挑战是非常高的。”肖睿分析,我国碳中和面临三大挑战。首先,我国的能源结构是一个高碳的体系,以化石能源为主,占 比高达85%左右,煤炭占57%,燃煤发电占到整个发电量62%。“因此我们必须通过新能源替代实现能源结构转型,这是一个艰巨的挑战。”

其次,我国的碳排放总量大且仍在增长中,目前我国碳排放总量大概是每年100亿吨,占世界的三分之一,是美国的两倍、欧盟的三倍,要把这么大的排放量中和掉,要付出很高代价。

此外,按照2030年碳达峰、2060年碳中和的目标来看,留给我国碳中和的时间较短。“欧盟、美国从碳达峰到碳中和分别有71年、43年的时间,所以他 们比较从容;而我国从碳达峰到碳中和仅有30年时间,因此任务较重。我们应力争提前实现碳达峰,为达成碳中和预留更多时间。”肖睿说。

机遇总是与挑战并存。肖睿认为,我国之所以提出碳达峰、碳中和目标,除了彰显大国的责任与担当,也是因为我国已具备实现这一目标的底气。以江苏为例,这几 年每年GDP在增长,但是能源消耗基本上是持平的,也就是说,经济的高质量增长与能源消耗是脱钩的,这就是碳达峰的预兆,我们已经具备了碳达峰的基础。而 在碳中和目标下,我国向绿色发展和能源转型升级,可再生能源比例将从目前15%提高到85%,带来大量科技创新和产业发展机会;我国光伏、风能等产业规模 现居世界第一,具有产业链优势,可以促进新能源装备出口等,这些都是机遇。

碳捕集利用与封存技术是关键

实现碳中和,离不开绿色科技赋能。

日前,在全国两会上,南京工业大学校长乔旭在接受记者采访时表示,为实现碳排放达峰后稳中有降,除了做好减法外,归根结底要通过科技创新赋能。他建议,鼓 励碳捕集利用与封存技术等绿色原始技术创新,“进一步加大科技创新力度,强化学科支撑作用,加快部署二氧化碳捕集利用和封存项目、二氧化碳用作原料生产化 工产品项目,突破一批关键核心技术。”

肖睿也着重提到了碳捕集利用与封存技术。“实现碳中和这一目标,在吸收侧的措施,除了植树造林,碳捕集利用与封存技术是关键。”他解释,即使减排到最后, 也还是要用到一部分化石能源,如何把这些化石能源产生的二氧化碳中和掉?植树造林效果有限,还是要依靠碳捕集利用与封存技术。

什么是碳捕集利用与封存技术(简称CCUS)?通俗一点说,就是把生产过程中排放的二氧化碳进行捕获提纯,继而投入到新的生产过程中进行循环再利用或封存 的一种技术。其中,碳捕集是指将大型发电厂、钢铁厂、水泥厂等排放源产生的二氧化碳收集起来,并用各种方法储存,以避免其排放到大气中。

国际能源署预测,本世纪末要实现全球气温升幅控制在2℃以内的目标,9%的碳减排需要依靠CCUS;实现1.5℃以内的目标,32%的碳减排任务需要依靠 CCUS。相关统计显示,截至2018年全球共有43座大型碳捕集设施,年碳捕集量4000万吨;截至2019年我国共有18个碳捕集项目运行,二氧化碳 捕集量约170万吨/年。

因此,碳捕集利用与封存技术发展空间极大。但是肖睿也指出,该技术目前面临的一个问题是使用成本很高,现有碳捕集技术会使电厂效率下降30%。“但我们还是要发展CCUS技术,我相信,随着技术的发展,成本会降下来。”

目前在碳捕集方面,东南大学科研团队已建成了国内首套2.5MWth循环流化床富氧燃烧示范装置,建成了3MW煤化学链燃烧示范系统,在国内外处于比较领 先的地位。在碳利用方面,科研人员也在探索用二氧化碳加氢制天然气、微藻固碳等,“我们在云南建了一个20千瓦的电转气示范装置,用当地的冗余水电制氢, 获得了比较好的热效率。”

全力攻关未来能源发展核心技术

为实现碳中和目标,未来可再生能源在终端用能需求占比将高达70%。因此,除了吸收侧,排放侧的技术创新也要一并发力。

“新能源替代是实现碳中和的一个根本保证。”肖睿举例,如用水能、太阳能、风能、生物质能、核能、氢能等替代传统的化石能源,进行电力脱碳;在工业上面,可以用氢气替代燃气;在交通方面,发展锂电池技术、氢燃料电池技术等。

值得一提的是生物质能。生物质能是自然界中有生命的植物提供的能量,这些植物以生物质作为媒介储存太阳能,属再生能源。目前生物质能被应用得较少。“比如 秸秆,怎么把秸秆利用好也是一个非常重要的课题。”肖睿说,目前江苏大部分秸秆都是还田的,科研人员正在探索将其通过热解、气化等一些新技术来制备液体燃 料、化学品和可降解的材料,用以替代石油。

由于可再生能源具有波动性,比如太阳能白天能发电,晚上就没了;风能风大的时候多些,风小的时候少些。因此,科研人员还在探索做分布式的综合能源系统,使 太阳能、风能、化石能源等形成一个多能互补体系,可以实现就地进行消纳。“分布式综合能源系统是可再生能源高比例渗透的极佳载体,而且离网型和并网不上网 型分布式综合能源系统不会增加电网负担。”肖睿说。

据了解,目前江苏正全力攻关未来能源发展关键领域核心技术,并在全国率先制定了《江苏省级能源互联网示范区规划》,在南京、苏州、无锡、常州、盐城5个城 市率先开展能源互联网试点建设,为后续能源互联网建设提供了实践基础,推动江苏可再生能源大规模消纳与全社会综合能效提升,为全国能源互联网建设提供“江 苏经验”。

去年12月,首个以“碳中和”命名的研究机构——长三角碳中和战略发展研究院在南京成立。研究院由南京市政府联合东南大学等有关方面共同组建,聚焦碳中和 领域的政策、技术、产品等开展研究,促进碳中和技术成果转化和推广应用,为政府提供碳达峰、碳中和政策咨询,为企业提供绿色转型解决方案。

据介绍,该研究院已经积累了一批创新技术成果。比如在节能方面,有地源热泵技术,为夏热冬冷地区供冷、除湿、采暖、生活热水的一体化提供技术路径,总体能 效可提升50%以上,获得了国家科技进步二等奖。目前该技术在格力电器等龙头企业实现了产业化应用,三年新增销售额11亿元,利润2亿元。

还有一种辐射制冷技术,它的最大特点是无需制冷剂,是一种节能环保的绿色制冷方式,已成功应用于杭州萧山机场航站楼,使其屋面温度比应用前下降25℃-30℃,全年空调制冷耗电量下降43.7%,节电5.5万千瓦时/年。

在新型燃料电池方面,团队则发明了一种单部件燃料电池, 被Nature Nanotechnology选为年度研究亮点,破解了固体氧化物燃料电池难以商业化的技术瓶颈,引领了国际燃料电池发展新方向。

“碳达峰、碳中和是我国应对气候变化,构建人类命运共同体的重要举措,具有划时代的意义,同时也为我国发展提供了新的动力引擎,促进科技界、产业界发力科技创新,为实现可持续发展贡献智慧和力量。”肖睿说。

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责编:梅源
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