原標(biāo)題：“碳中和”是中國轉(zhuǎn)型的巨大驅(qū)動力——專訪中國工程院院士、清華大學(xué)化學(xué)工程系金涌教授
◎鄭挺穎 于寶源 陳北斗 ◎?qū)嵙?xí)生 宋瀟陽
“碳中和”是環(huán)境問題，更是發(fā)展問題。在“碳中和”的大背景下，化工行業(yè)路在何方？如何實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型與能源轉(zhuǎn)型？
《環(huán)境與生活》記者專訪中國工程院院士、清華大學(xué)化工科學(xué)與技術(shù)研究院院長、博士生導(dǎo)師金涌教授，請他分享一個資深化工科學(xué)家對“碳中和”的理解與思考。金涌院士認(rèn)為，化工行業(yè)未來應(yīng)該實(shí)現(xiàn)低碳轉(zhuǎn)型，變“化石燃料”為“化石材料”——
圖｜2021年6月23日，中國工程院院士、清華大學(xué)化學(xué)工程系金涌教授接受《環(huán)境與生活》雜志記者采訪。 于寶源 攝影
“碳中和”是中國發(fā)展的必然需求
《環(huán)境與生活》：在我國提出了2030年碳達(dá)峰，2060年碳中和的“雙碳”目標(biāo)之后，各行各業(yè)對此都極為重視。作為化學(xué)工程科研領(lǐng)域的領(lǐng)軍人物，您深耕化工行業(yè)數(shù)十年，對“雙碳”目標(biāo)和化工行業(yè)的未來有著遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越這個時代的理解和認(rèn)識，請問在邁向碳中和的大背景下，化工行業(yè)應(yīng)該如何轉(zhuǎn)型？化工行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的路該怎么走？
金涌：咱們就說說碳中和，去年聯(lián)合國大會上，有121個國家提出要2050年達(dá)到碳中和，這當(dāng)然是對中國有壓力的。我國在提出構(gòu)建人類命運(yùn)共同體的前提下，也堅(jiān)持了自己的原則，也就是說應(yīng)對氣候變化問題，大家都有責(zé)任，責(zé)任是共同但有區(qū)別的。所以，我國提出了“爭取在2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和”的目標(biāo)。
那么，我國為什么要做這個事，并且作為全國的一個重大發(fā)展目標(biāo)呢？事實(shí)上這和我國自身的發(fā)展需求也有關(guān)系。我覺得，我國制定“雙碳”目標(biāo)，一方面是應(yīng)對來自西方國家的壓力，另一方面也是我國發(fā)展到了目前的階段，不得不做的。中國現(xiàn)在發(fā)展最大的矛盾就是能源短缺，資源不夠，加上環(huán)境惡化。我國現(xiàn)在74%的石油是從國外進(jìn)口，差不多40%至50%的天然氣進(jìn)口，鐵礦石80%進(jìn)口。我國在資源和能源上，如果還想進(jìn)一步發(fā)展，就會受到這些方面的制約。
“碳中和”是環(huán)境問題，更是發(fā)展問題
《環(huán)境與生活》：對于碳中和目標(biāo)，目前似乎存在著兩派觀點(diǎn)，其中一派認(rèn)為實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)需要消耗大量的財(cái)力物力，這將會是十分困難的；另一派認(rèn)為，我國現(xiàn)在已經(jīng)具有足夠的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)實(shí)力，因此實(shí)現(xiàn)碳中和將是水到渠成。那么，您認(rèn)為我國實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的難度如何？
金涌：我國現(xiàn)在要從工業(yè)化社會變成信息化社會，就必須解決我國的資源問題、能源問題、環(huán)境問題。在這種情況下，我國正好以碳中和作為一個巨大的驅(qū)動力，來驅(qū)動中國的轉(zhuǎn)型。所以說，碳中和是中國必須做的，我覺得我國通過中國人的財(cái)富、才能，是完全可以做到的，是可以解決這些問題的，我國是有自己的發(fā)展目標(biāo)和任務(wù)的。
因此我國提出碳達(dá)峰、碳中和的目標(biāo)，要知道我國現(xiàn)在是全世界碳排放量最大的國家，排放全球近1/3的二氧化碳。我國從碳達(dá)峰到碳中和只有30年時間，這是非常短的時間。世界上其他一些國家，從碳達(dá)峰到2050年碳中和，像英國是接近80年，美國也有40多年。我國要想很快地把這么大的二氧化碳排放量，降到碳中和的目標(biāo)，困難還是很大的。
與此同時，我國還承諾到2050年，中國要從小康達(dá)到發(fā)達(dá)國家水平，要進(jìn)入發(fā)達(dá)國家行列。發(fā)達(dá)國家最大的指標(biāo)，就是人均GDP。像美國等發(fā)達(dá)國家，人均GDP能到四五萬美元，我國目前的人均GDP是一萬美元。在這個過程中，我國不光需要減少排放，還要提高GDP，中高速經(jīng)濟(jì)發(fā)展同步進(jìn)行，這就比較困難了?？墒沁€不能不做。碳中和絕對不是一個單純的能源問題或氣候變化問題，而是一個深刻、廣泛的經(jīng)濟(jì)社會系統(tǒng)變革，是涉及全社會的事，是一個非常非常大的目標(biāo)。也可以說，碳中和將會是主導(dǎo)中國經(jīng)濟(jì)增長和轉(zhuǎn)型的最大驅(qū)動力，也是我國以后經(jīng)濟(jì)活動最核心的部分之一。將來，我國無論科學(xué)研究、技術(shù)開發(fā)、投資、生產(chǎn)、消費(fèi)，一直到物流、循環(huán)利用，全部決策都需要以此作為依據(jù)。因此我覺得，我國對碳中和的目標(biāo)，要從一個比較高的角度來認(rèn)識，不要以為就是解決一點(diǎn)環(huán)境問題，不是這樣的。我國和美國人的想法是完全不同的。
《環(huán)境與生活》：也有觀點(diǎn)認(rèn)為，中央是想以此為抓手，統(tǒng)籌整個社會的變革
金涌：對，因?yàn)槭且粋€整體的社會變革，如果達(dá)成目標(biāo)，我國就真正做到了可持續(xù)發(fā)展，我國就不會再有對國外的能源的依賴。大部分資源我國能通過循環(huán)經(jīng)濟(jì)解決，這樣的話，中國就真正做到了可持續(xù)發(fā)展，相應(yīng)的，污染也減少了。
《環(huán)境與生活》：通過您的介紹，我國對“雙碳”目標(biāo)也有了一個更加深刻的認(rèn)識。您認(rèn)為，我國后續(xù)將需要在哪些方向做出更多努力？
金涌：我覺得首先我國需要對碳達(dá)峰、碳中和的真正的內(nèi)涵、高度，有正確的認(rèn)識。不能一上來就說是應(yīng)對氣候變化的問題。
相應(yīng)的，我國的經(jīng)濟(jì)和社會還想繼續(xù)發(fā)展，就必須找到可再生能源代替化石能源。這是我想說的第一點(diǎn)，也就是高度的問題。我想談的第二點(diǎn)，是我國需要怎么做。按人口學(xué)家的統(tǒng)計(jì)，到2060年，我國的人口預(yù)計(jì)還會穩(wěn)定在14億左右。也許有可能會變少，但是可以肯定不會出現(xiàn)大幅度增加了。我國和發(fā)達(dá)國家的水平差在哪里？我想就是萬元GDP能耗，也就是每生產(chǎn)1萬元的產(chǎn)值消耗多少能量。這是目前我國和外國相比，存在的最大問題。日本和美國這些發(fā)達(dá)國家，每生產(chǎn)1萬元產(chǎn)值，大概需要消耗不到0.2噸標(biāo)準(zhǔn)煤。我國目前是接近0.5噸。我國每生產(chǎn)1萬元GDP，消耗的能源太多。所以，我國必須把每萬元GDP能耗降下來，也要降到0.1噸這個級別。
產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型與能源轉(zhuǎn)型，是目前最大需求
《環(huán)境與生活》：的確如您所說，2020年，我國的GDP首次突破百萬億元人民幣，位列世界第二。但是，我國的人均GDP水平還是相對較低。
金涌：為什么我國的每萬元GDP能耗和發(fā)達(dá)國家有如此大的差距？根本問題在于產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，當(dāng)然服務(wù)業(yè)少也是原因之一。改變產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)非常重要，但是，我國也不會因此放棄制造業(yè)，因?yàn)橹袊鞘澜缰圃鞓I(yè)第一大國。因此我國要發(fā)展高端制造業(yè)，向著高質(zhì)量發(fā)展。
我國現(xiàn)在存在很多產(chǎn)品價值低，但二氧化碳排放量大，并且能耗很大的產(chǎn)業(yè)。比如鋼鐵，我國2019年生產(chǎn)了12億噸鋼，占全球鋼年產(chǎn)量的一半。按人均產(chǎn)量來算，是美國的3倍。水泥就更是如此了，我國的水泥產(chǎn)量占全世界70%，人均水泥生產(chǎn)量是美國的6倍。但是問題就來了，我國未來還會再建這么多高速公路或樓房嗎？我國進(jìn)入了信息化社會，產(chǎn)業(yè)就要發(fā)生很大變化，所以在這40年之內(nèi)，可能我國會逐漸將一些產(chǎn)業(yè)淘汰，尤其是一些高耗能低產(chǎn)出的行業(yè)，要有序地退出，然后用先進(jìn)的、高端的、耗能少、產(chǎn)值高的行業(yè)代替。這樣就有機(jī)會把我國的每萬元GDP能耗也降到0.1噸左右，這是完全可能實(shí)現(xiàn)的。所以，這將會是全行業(yè)要面臨的情況。我國要從工業(yè)化社會，變成信息化社會，這樣才有可能真正實(shí)現(xiàn)碳中和。要想經(jīng)濟(jì)發(fā)展和減少碳排放同時實(shí)現(xiàn)，就需要全社會的共同努力。
我國還需要消費(fèi)拉動，比如說現(xiàn)在中國的高端化妝品大多數(shù)依靠進(jìn)口，其實(shí)化妝品就是我剛才提到的高附加值、低能耗產(chǎn)品。那我國為什么不可以打造我們自己的高端化妝品？現(xiàn)在，我國每年進(jìn)口的化妝品約有4000億元，要是再算上那些在國外旅游購買或者代購的，幾年以后很快就會達(dá)到1萬億元。相比起來，我國每年進(jìn)口石油也就只有兩三萬億元。隨著我國加大在化妝品方面的研究力度，會慢慢擁有自己的高端化妝品，擁有一定的話語權(quán)，我國就會把這一部分市場慢慢奪回來。
接著就是產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型，現(xiàn)在我國的能源，基本都是把煤、油、天然氣直接燒掉，燃燒就會產(chǎn)生二氧化碳。不燒不就沒有二氧化碳了嗎？可就目前的情況來看，不燒就沒有能源了?；茉词峭苿哟饲叭喂I(yè)革命的主要力量，現(xiàn)在我國需要讓化石能源逐漸退出，如果不燒，自然就不會有二氧化碳排放。
那么，能源問題怎么解決？我國提出碳中和目標(biāo)的一個先決條件，就是我國的光伏發(fā)電和風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展很好。在光伏發(fā)電和風(fēng)電發(fā)展了十多年后的今天，其發(fā)電成本已經(jīng)大幅下降?，F(xiàn)在光電、風(fēng)電與火電相比，每發(fā)一度電的經(jīng)濟(jì)成本，已經(jīng)基本相近。我國的技術(shù)已經(jīng)到了這種程度，并且在這方面是領(lǐng)先的。我國的光電、風(fēng)電發(fā)展非常好，而且現(xiàn)在產(chǎn)量、產(chǎn)值都是世界第一。我國完全可以建設(shè)光電風(fēng)電的發(fā)電裝置來代替火力發(fā)電，也就是不用燒（燃料）了。中國的風(fēng)力發(fā)電占全世界的1/3到1/4。中國出口的光電用硅板，產(chǎn)量占全世界70%。
另外就是電動車，我國電動車保有量約為500多萬輛，也是全世界第一，當(dāng)然占比還很小。電動車在未來也會成為拉動經(jīng)濟(jì)的重要力量。美國就很害怕，6月初美國總統(tǒng)拜登在“汽車城”底特律市發(fā)表演講，說中國在電動車領(lǐng)域超過了美國，無論產(chǎn)量、市場和電池，都比美國做得好。為了趕上中國，拜登公開承諾將會投入1700億美元補(bǔ)貼美國的電動車產(chǎn)業(yè)。
我國現(xiàn)在是有條件利用新的可再生能源代替火電了，技術(shù)問題都解決了，經(jīng)濟(jì)問題也接近解決，那么我國的環(huán)境當(dāng)然會更好。以后，我國發(fā)展經(jīng)濟(jì)就需要考慮技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)合算、二氧化碳排放量低，這是與今后的發(fā)展吻合的。這些都是先決條件，如果沒有這些條件，碳中和自然不可能實(shí)現(xiàn)，我國正是因?yàn)橛辛诉@些良好的基礎(chǔ)，才有了現(xiàn)在的目標(biāo)。
從“化石燃料”到“化石材料”
《環(huán)境與生活》：作為深耕化工行業(yè)幾十年的專家，您對我國化工行業(yè)現(xiàn)狀有著準(zhǔn)確、全面、清醒、超前的認(rèn)識。您認(rèn)為在“雙碳”目標(biāo)提出后，我國的化工領(lǐng)域會受到哪些影響？同時基于您剛剛提到的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型，您認(rèn)為化工行業(yè)后續(xù)的發(fā)展方向是什么？
金涌：回到化工行業(yè)的話題，既然我國未來不燒化石燃料了，那用它做什么？首先就是石油，將來我國的汽車絕大多數(shù)會被電動車代替。這不會是十分遙遠(yuǎn)的未來，現(xiàn)在歐盟一些國家已經(jīng)計(jì)劃2030年后不再生產(chǎn)汽油車，而是全部變?yōu)殡妱榆?，那么傳統(tǒng)煉油產(chǎn)業(yè)肯定要逐漸退出市場。相應(yīng)的，要把石油做成材料，而不是變成汽油、柴油、煤油。現(xiàn)在，我國的傳統(tǒng)煉油技術(shù)，80%的石油都變成了汽油、柴油、煤油，20%是石腦油。石腦油裂解再制成烯烴、芳烴。
我認(rèn)為，今后這種技術(shù)路線將會改變，石油化工企業(yè)將會改變結(jié)構(gòu)，不再生產(chǎn)燃料，而是生產(chǎn)材料，比如說橡膠、纖維或其他高端材料、涂料。這種轉(zhuǎn)型就是石油化工的發(fā)展方向，現(xiàn)在已經(jīng)成為全球共識。國外的一些企業(yè)已經(jīng)開始著手布局這種轉(zhuǎn)型，比如歐洲的道達(dá)爾公司，就要把石油的利潤占比逐漸減少，現(xiàn)在占50%，將來要減少到30%，同時要大量發(fā)展新產(chǎn)業(yè)，也就是石油材料。這也是我們清華大學(xué)化工系目前的主要任務(wù)之一，現(xiàn)在我們的實(shí)驗(yàn)室在研究把石油制成材料，我們也有相關(guān)的研究基礎(chǔ)，在十多年前就開展了這方面的研究。
《環(huán)境與生活》：您當(dāng)時為什么會想到以此作為研究方向？
金涌：當(dāng)時的環(huán)境問題和能源問題并不像現(xiàn)在這么尖銳，但是我們作為科學(xué)研究者，意識到了煉油技術(shù)存在的問題。煉油最重要的第一步就是催化裂化，這個步驟決定了汽油、柴油、煤油和石腦油的占比?，F(xiàn)在使用的反應(yīng)器，是催化劑和石油氣從下向上走，也就是上行床。我們研究的反應(yīng)器與之相反，是下行床，也就是從上往下走，我們在10年前就已經(jīng)做了年產(chǎn)15萬噸的實(shí)驗(yàn)，證明了下行床可以大幅度提高石腦油的占比。我們在濟(jì)南煉油廠利用廠區(qū)廢棄的設(shè)備進(jìn)行改造，完成了實(shí)驗(yàn)。通過實(shí)驗(yàn)證明，改進(jìn)的下行床可以把石腦油的占比提高到70%。
有了石腦油，我們就可以生產(chǎn)三烯三苯，也就是乙烯、丙烯、丁烯、苯、甲苯、二甲苯。就可以生產(chǎn)非常多的化工產(chǎn)品，可以說所有的石化產(chǎn)品，原料都是三烯三苯。有了這些，我們就可以生產(chǎn)各種高分子材料。我們不再把石油燒掉，而是把碳都留在了材料中，碳對人類是非常重要的物質(zhì)，碳并不壞，只是不應(yīng)該讓它變成溫室氣體跑到天上去。所以石油總的發(fā)展方向，就是從燃料變成材料，這也是我國化工企業(yè)今后的發(fā)展方向，一方面我國不再燒石油了，減少二氧化碳排放；另一方面，企業(yè)轉(zhuǎn)型為石油材料制造商，也避免了企業(yè)的損失。
《環(huán)境與生活》：那煤炭何去何從？煤炭最好的出路是什么？
金涌：最難的就是煤，煤燃燒是現(xiàn)在二氧化碳排放的大戶。如果我們不燒煤，用它做什么？煤化工顯然不是最好的選擇，我國之前從事了很多年的MTO（醇制烯烴）和“煤變油”研究，我國的煤化工產(chǎn)量已經(jīng)達(dá)到千萬噸級了，過去因?yàn)橛蛢r很高，所以還有價值。但是繼續(xù)發(fā)展下去，隨著全球?qū)κ偷男枨罅吭絹碓叫。夯さ膯栴}也就凸顯出來，一是經(jīng)濟(jì)效益差，二是二氧化碳排放高，因此我認(rèn)為傳統(tǒng)的煤化工技術(shù)，都將慢慢淡出市場。
那么，煤最好的出路是什么？我國需要在這方面研發(fā)出具有顛覆性的技術(shù)。事實(shí)上中國的煤資源并不多，煤儲量只有美國的一半，而人口數(shù)是美國的4倍，這樣算下來，美國的人均煤儲量是中國的8倍。中國的煤儲量只占全世界的12%，因此我國其實(shí)也不能大肆浪費(fèi)煤資源。
除了需要在未來探尋顛覆性的技術(shù)外，目前我們已知的最佳利用途徑，也就是煤的分質(zhì)利用。煤不是單純的碳，煤中的碳?xì)浔仁?比0.8，也就是每10個碳原子，伴有8個氫分子，如果用煤當(dāng)燃料，就相當(dāng)于把氫也一起燒掉了。
如果我們在燒之前，就先把碳、氫分開，也就是所謂的藍(lán)碳技術(shù)，現(xiàn)在我國在這方面做得很好，但也有一些最終的技術(shù)問題沒解決。這不是單純的煤制氫技術(shù)，煤制氫技術(shù)每制造1噸氫氣需要排放11噸二氧化碳，從碳中和的角度來看，煤制氫技術(shù)是要被淘汰的。
煤的分質(zhì)利用，是把煤所含的碳變成焦炭或半焦，把氫拿出來利用。這些比煤熱值還高的半焦，可以用于火力發(fā)電，推動蒸汽輪機(jī)，同時利用分出來的碳?xì)浠衔飺]發(fā)部分，噴在半焦發(fā)電煙道氣中，再點(diǎn)燃一次，推動燃?xì)廨啓C(jī)，這個技術(shù)就是燃?xì)廨啓C(jī)-蒸汽輪機(jī)聯(lián)合循環(huán)發(fā)電，這種技術(shù)的能量轉(zhuǎn)化率可以達(dá)到60%，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)火力發(fā)電的45%。這樣一來，煤的利用率就提高了，相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)價值也提高了。同時，聯(lián)合循環(huán)發(fā)電中的燃?xì)廨啓C(jī)可以隨時啟停，因此也可用于調(diào)峰發(fā)電。我認(rèn)為，在未來大量使用光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電之后，火電的生存空間，就是用于調(diào)峰發(fā)電。
那下一個問題就是，我們將煤分質(zhì)利用后，這些半焦要如何處理？如果用來燒，還是會產(chǎn)生二氧化碳，所以我們也為半焦找到了出路。碳本身也是還原劑，如果把半焦加熱到一定溫度，碰到二氧化碳，就會把二氧化碳還原成一氧化碳。這是我們目前正在研究的項(xiàng)目之一，通過這種還原，半焦就不再產(chǎn)生二氧化碳，反而是能將二氧化碳還原為一氧化碳的還原劑，這就成為二氧化碳減排的物質(zhì)了。二氧化碳還原是吸熱的，那我們同時再將一部分半焦燒掉，加入少量氧氣使燃燒放熱的同時，生成一氧化碳。一氧化碳可以用來制造很多的化工產(chǎn)品。我想這就是煤今后的出路。
《環(huán)境與生活》：再就是天然氣，我國要如何處理天然氣才能與碳中和的目標(biāo)相吻合？
金涌：目前，我們對天然氣的利用存在問題，我們把天然氣用來做飯，也就是民用。舉例來說，我們把一壺水放在燃?xì)庠钌蠠?，天然氣中的熱量有多少進(jìn)入水壺了？其實(shí)只有30%至40%，其他的熱能都加熱空氣了，這個利用率是很低的。如果用電加熱水壺?zé)?，熱能的利用率可以達(dá)到90%以上。所以，我認(rèn)為以后的家庭將會電氣化，應(yīng)該把天然氣用于工業(yè)?，F(xiàn)在，我國的情況正好相反，禁止工業(yè)使用天然氣，這是不符合碳中和原則的。美國電氣化的家庭約占50%，歐洲一些國家已經(jīng)逐漸開始禁止天然氣入戶了。天然氣更適合用于工業(yè)生產(chǎn)，天然氣（CH4）中每有1個碳原子，就有4個氫原子，是最好的制氫原料。很多國家都利用天然氣制氫，只有中國是煤制氫，當(dāng)然這也是因?yàn)槲覈奶烊粴鈨α亢苄 ？偟膩碚f，未來的天然氣將與工業(yè)結(jié)合，要把煤分質(zhì)利用產(chǎn)生的一氧化碳與天然氣結(jié)合，也將大幅度減少二氧化碳排放。
總而言之，我國化石能源的煤、石油、天然氣，都需要其相應(yīng)的產(chǎn)業(yè)慢慢轉(zhuǎn)型，這種轉(zhuǎn)型將會為二氧化碳減排做出巨大貢獻(xiàn)。除了化石能源轉(zhuǎn)型之外，利用其他的可再生能源也有助于減排。首先是生物技術(shù)，生物是利用太陽能最好的方法之一，目前比較有機(jī)會產(chǎn)業(yè)化的就是微藻利用，微藻在干燥后，以甘油三酯的形式固定光合作用產(chǎn)物，含油率可達(dá)50%至60%，并且藻類可以在海水中生長，生長速度和陽光利用率是陸生植物的4至5倍，這是生物代替化石能源的重要途徑。
《環(huán)境與生活》：目前，我國有藻類制油的項(xiàng)目落地嗎？
金涌：我國的新奧集團(tuán)就有這種陽光微藻轉(zhuǎn)化器，在溫室中搭建玻璃管道，管道內(nèi)通入海水，加入二氧化碳和藻類，在流動過程中藻類就會快速生長，成品的藻類形態(tài)就像黃醬一樣。不過，目前產(chǎn)業(yè)化還存在一定困難，因?yàn)槌善吩孱惖暮试?0%以上，干燥需要大量熱量，如果用燒煤干燥，消耗的熱能比藻類產(chǎn)生的能量要高出很多?，F(xiàn)在也在研究如何不經(jīng)過干燥，直接將藻類生成的能量提取出來，也就是不干燥直接把油拿出來，但是目前這項(xiàng)技術(shù)還沒有打通。日曬是不行的，因?yàn)槿绻龅疥幪?，藻類很容易變質(zhì)腐爛，所以這方面的技術(shù)還得繼續(xù)探索。
《環(huán)境與生活》：沼氣、生物乙醇這些還有生存空間嗎？
金涌：我國有很多的秸稈、人畜糞便可以進(jìn)一步利用，也就是生產(chǎn)沼氣。關(guān)于沼氣，我認(rèn)為沼氣不能一家一戶去做，而是要以村為單位，一個村設(shè)置一兩個沼氣站，由專人或公司負(fù)責(zé)，維持沼氣的高產(chǎn)。這可以解決農(nóng)村的能源使用問題，并且制沼氣的副產(chǎn)物——沼渣沼液可以用做肥料。
另外，有人說種樹可以解決二氧化碳排放問題，其實(shí)并非如此。首先，如果要通過植樹吸收人類活動排放的二氧化碳，需要的植被數(shù)量是非常大的。其次，植物在白天通過光合作用吸收二氧化碳，固定碳元素，到夜間還要排放二氧化碳。同時，樹木落葉腐爛會產(chǎn)生大量甲烷，其溫室效應(yīng)比二氧化碳還要高得多。對于這些落葉、農(nóng)作物秸稈，我們也要將其碳化，做成生物炭。有一個企業(yè)叫三聚環(huán)保，他們把秸稈制成了具有多孔結(jié)構(gòu)的生物炭，將這種生物炭投入土地可以保水、改良土壤，或使化肥緩釋。
另外就是生物乙醇。美國的乙醇汽油技術(shù)比較成熟，因?yàn)樗麄兊募Z食有富余，在糧價下跌時，為了穩(wěn)定糧價，就把糧食做成乙醇。美國的乙醇產(chǎn)量可以達(dá)到4000萬噸/年，全部用于代替石油。巴西的乙醇產(chǎn)量是2000萬噸/年。巴西有很多制糖副產(chǎn)物，也就是糖蜜，是不可以食用的，但它是非常好的發(fā)酵原料。
我國沒有那么多富余的糧食用來制乙醇，我國目前主要是利用廢糧制乙醇，乙醇產(chǎn)量為300萬噸/年。事實(shí)上，我國的乙醇需求量是每年1500萬至2000萬噸。我國沒有多余的糧食，用什么來做？煤可以制醇，但是工藝路線很長，經(jīng)濟(jì)效益一般。
目前，在首鋼曹妃甸地區(qū)還有一個乙醇生產(chǎn)線，是利用一氧化碳作為碳源，來發(fā)酵生產(chǎn)乙醇。目前，已經(jīng)建成了4.5萬噸/年的裝置，同時副產(chǎn)5000噸/年的生物蛋白飼料，具有很好的經(jīng)濟(jì)效益。這樣的話，我國不用糧食，不排放二氧化碳，就可以生產(chǎn)乙醇，所需要的一氧化碳，可以通過煤來生產(chǎn)。
這樣的話，整個過程就接上了，形成了一個產(chǎn)業(yè)鏈，這一套產(chǎn)業(yè)鏈中的二氧化碳排放量非常低。
煤，我們把它分質(zhì)利用制成半焦和氫氣。
焦炭，我國把它作為還原劑，將二氧化碳還原成一氧化碳。
一氧化碳，我們用它來制乙醇。
乙醇，脫水后就是乙烯，再聚合后就是丁二烯。
這樣的話，作為我國儲量最高的化石能源，煤就有了新的利用方式，在不排二氧化碳的同時，產(chǎn)生了可用于制作材料的新資源。這就是我們對于煤、石油、天然氣、生物技術(shù)的整體規(guī)劃，在實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)的過程中，這些都是十分重要的，既解決了二氧化碳的排放，同時也為它們找到了新的用途。
能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整需要因性而謀、因勢而定
《環(huán)境與生活》：關(guān)于可再生能源的問題，我們注意到您也曾提出生物質(zhì)能和微藻產(chǎn)油等新能源技術(shù)，能否請您向大家詳細(xì)介紹這些新技術(shù)目前的發(fā)展?fàn)顩r？
金涌：我們先從電力說起，現(xiàn)在我們的技術(shù)已經(jīng)可以讓光電風(fēng)電的成本與火電持平了，但光電、風(fēng)電仍然存在一個很大的缺點(diǎn)，就是不穩(wěn)定性，所以必須有儲能裝置。只有讓光電、風(fēng)電平穩(wěn)，不波動，才能組成智能電網(wǎng)，儲能裝置的作用就在于此。因此現(xiàn)在電力發(fā)展的關(guān)鍵，就是解決儲能問題。太陽輻射到地球的能量，是目前人類所需總能量的3000倍，中國有很好的條件，很多地區(qū)都適宜發(fā)展光電和風(fēng)電。對于光電和風(fēng)電來說，技術(shù)有了，條件也有了，關(guān)鍵就是蓄電設(shè)備。目前，使用最多的蓄電設(shè)施，約占70%以上，就是利用水建立水庫，用多余的電把水抽到上游，需要電力時放水推動發(fā)電。但是，僅靠這一種方式顯然是不行的，我們還需要開發(fā)更多的方式儲電。
目前，清華大學(xué)在儲能領(lǐng)域的主要攻關(guān)方向是電動車，電動車需要電池，現(xiàn)在的鋰電池大部分問題都已經(jīng)解決，剩下的小問題我相信慢慢都會解決，比如說儲電能力不夠，充一次電只能跑兩三百公里。隨著鋰硫電池的發(fā)展，國內(nèi)已經(jīng)形成產(chǎn)業(yè)化，充一次電可以跑800公里，續(xù)航問題解決了。有的人說鋰硫電池容易著火，現(xiàn)在這個問題也已經(jīng)解決。將來，我國的所有交通都可以電氣化，不用燒油了，因此就需要大量的儲電設(shè)備。當(dāng)然，制造電池的門檻很高，我們做化工的人不做電池，但我們可以為電池提供材料，有了更好的材料，才能做出更好的電池。我們現(xiàn)在已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化的，一個是納米碳管材料，將石墨烯與納米碳管結(jié)合，形成立體的結(jié)構(gòu)，我們稱為石墨烯和納米碳管的雜化，這種碳材料是非常好的鋰電池正極材料。我們把產(chǎn)品出售給其他國家，并弄清楚其用途。他們將這種材料和離子液體混合，壓入多孔的泡沫鋁中，就做成了鋰電池的正極材料。于是，我們也研究制作出多孔的泡沫鋁材料，用于生產(chǎn)電池。比起傳統(tǒng)材料，我們的材料擁有更好的儲電能力?，F(xiàn)在這項(xiàng)技術(shù)也正在產(chǎn)業(yè)化，相信很快就能看到這種材料最終的效益。這是比較成功的，已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化的材料。同時，我們也在著手研發(fā)一些新的技術(shù)，比如說固體電解質(zhì)。固體電解質(zhì)制成電池的安全性很高，因?yàn)槠鋬?nèi)部不存在有機(jī)材料，不會著火。
我們非常看好鋰電池的發(fā)展，一方面是電動車可以代替燃油車減少碳排放。另一方面，電池本身就是儲電設(shè)備。我國現(xiàn)在機(jī)動車保有量是2.5億輛，假設(shè)在未來，其中的1億輛變成了電動車，在夜間不使用時充電，那這1億輛電動車就成了儲電設(shè)備，充當(dāng)了調(diào)峰的角色。所以，我也設(shè)想，今后的電動車不再搭配銷售電池，而是將電池出租，或變?yōu)閾Q電池的形式。電動車沒電了，可以直接到電站充電或換電池。同時，電站與電網(wǎng)相結(jié)合，集中給電池充電，這就起到了儲能和調(diào)峰的作用。現(xiàn)在，國家也正在積極策劃這方面的行動，當(dāng)然對于目前的電動車保有量來說，還不足以實(shí)現(xiàn)，但就發(fā)展而言，這絕對是一個一舉兩得的措施。如果是建立大量大型的調(diào)峰電廠，將會耗費(fèi)巨大的經(jīng)濟(jì)成本。
《環(huán)境與生活》：有人說現(xiàn)在的鋰電池雖然有調(diào)峰的作用，但經(jīng)過多次的充放電后，電池的儲電能力會明顯下降。同時，全球鋰礦的儲量是否能支持如此大量的鋰電池生產(chǎn)？
金涌：鋰電池需要經(jīng)過幾萬次的充放電才會有顯著的影響，并且現(xiàn)在鋰電池可以回收，這方面的技術(shù)也已經(jīng)解決了。廢舊的鋰電池可以用于制造新的電池。
至于全球鋰礦的儲量是否能支持如此大量的鋰電池生產(chǎn)，我認(rèn)為現(xiàn)在還不需要把這些因素作為顧慮。除了鋰電池之外，現(xiàn)在研究人員還在研究鈉電池，還有空氣電池。電池的發(fā)展有很多渠道，鋰電池僅僅是第一個突破。后續(xù)肯定會有很多新的技術(shù)投入使用。
《環(huán)境與生活》：關(guān)于氫能，以及相對應(yīng)的氫燃料電池，我們也注意到您一直都持有保留態(tài)度，能否請您詳細(xì)說明一下？
金涌：我們做化工的人，舍不得把氫拿來燒掉。氫燃料電池本質(zhì)上不是儲電設(shè)備，而是燒氫氣的，它是通過電化學(xué)反應(yīng)，把氫和氧燒成水，同時產(chǎn)生電能。我們好不容易得到了氫，它有很多種用途來降低二氧化碳排放，為什么要把它燒掉？
更關(guān)鍵的問題在于，現(xiàn)在全世界還沒有電解水制氫的大型工廠，因?yàn)闆]有任何的經(jīng)濟(jì)效益。電解水制氫，能源的利用率只有30%左右，即使今后利用率可以提高，也不會超過60%。同時，氫到了燃料電池中再重新轉(zhuǎn)化為電能，目前轉(zhuǎn)化率的目標(biāo)是50%，我想以后最多也就是60%。也就是說，用電制氫氣，能量就先少了一半，再把氫轉(zhuǎn)化成電，就又少了一半，即使是理想狀態(tài)下，60%乘60%，最終的利用率只有36%。電網(wǎng)中的一度電，最后到氫燃料電池釋放出來，就只剩下1/3，這樣的利用率太低了。有的人可能會說沒關(guān)系，因?yàn)樘柲苁侨≈槐M的。但我們還要考慮設(shè)備投入的成本，以及使用的成本。
事實(shí)上，我們非常需要?dú)?，非常愿意生產(chǎn)氫，因?yàn)槲覀兛梢杂脷浒讯趸歼€原回來。氫氣是一個好東西，比如美國人就提出了“氫經(jīng)濟(jì)時代”的概念，而不是“氫燃料時代”。氫是非常重要的，但不是用來燒的，這是兩個不同的概念。氫太寶貴了，它可以解決碳排放的問題，可以用來做很多合成。氫氣對化學(xué)家非常寶貴，我們不愿意把它燒掉，從另一個角度來說，氫燒掉的利用率太低，沒有經(jīng)濟(jì)效益。日本人愿意燒氫，是因?yàn)樗麄冞M(jìn)口的天然氣多，天然氣中每有1個碳原子就有4個氫原子，他們的氫是富余的。同樣，美國也不愿意，他們很早就不做氫燃料電池了，因?yàn)槊绹哪茉唇Y(jié)構(gòu)和中國類似。所以，現(xiàn)在炒作氫燃料電池概念的只有日本，因?yàn)樗麄冄芯康臅r間很長，想把這個技術(shù)賣給中國，但我認(rèn)為這是個大坑。
從我的認(rèn)知看來，氫燃料電池汽車是沒有出路的。氫氣不好儲存，不便于運(yùn)輸，容易泄漏，還有爆炸的風(fēng)險。如果說有一個地下停車場，幾百輛氫燃料汽車在里面停著，有一輛車的氫漏了，積累到一定濃度會發(fā)生爆炸，那這幾百輛車就全都要爆炸了?，F(xiàn)在有800公斤的壓力瓶放在車?yán)飪Υ鏆錃猓绻袊鴰變|輛車都帶著壓力瓶到處跑，你害怕不害怕？即使有一個爆炸，都是很大的事故，要是遇到連環(huán)交通事故，那更是不得了。所以，我認(rèn)為這是不可靠的，不安全的。從能量上來看，利用率低沒有經(jīng)濟(jì)效益，從安全性上看，缺乏可靠性。我們不談氫氣的性質(zhì)，單說壓力罐如果出現(xiàn)問題，氣體膨脹發(fā)生爆炸也十分危險。
當(dāng)然，氫燃料電池真的就完全沒用嗎？我想也并非如此。比如說潛艇、輪船、飛機(jī)，這些大型運(yùn)輸工具想用鋰電池顯然是不可能的，因?yàn)殇囯姵睾苤亍＿@些大型運(yùn)輸工具的電氣化，我想還是要用氫燃料電池。還有就是煤礦中的礦車，因?yàn)橐b載大量的貨物，并且礦車本身較重，如果再使用鋰電池，就會存在很多問題。因此我認(rèn)為，氫燃料電池在一些特殊情況下、特殊的場景中，比如說需要長距離或重載的交通運(yùn)輸中，有很好的應(yīng)用前景。目前，鋰電池與氫燃料電池相比，單位重量儲存的電量還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，如果進(jìn)行長距離運(yùn)輸，顯然不如氫有優(yōu)勢。我想在未來，一些大型車輛，或是輪船，都有機(jī)會變?yōu)闅淙剂想姵毓┠堋?
“碳中和”需要全民參與
《環(huán)境與生活》：“碳中和”與我們的生活息息相關(guān)。那么，在普通人的生活中，碳中和除了帶來電動車之類的改變，還有哪些也會隨之改變？
金涌：到了碳中和的那一天，我們發(fā)電就不再使用火電了，交通也要做到零碳排放。那么，下一個大量消耗能源、排放二氧化碳的就是住房問題?，F(xiàn)在的人們都追求舒適的居住環(huán)境，這就涉及供熱取暖的問題，也就是建筑節(jié)能。中國的二氧化碳排放，有近20%是人居產(chǎn)生的，包括供熱、制冷，這也是未來需要解決的問題。當(dāng)然，外國人在這方面也有很多成熟的技術(shù)，有一些建筑物已經(jīng)做到能源完全自供。前一陣我去萬通地產(chǎn)，他們就在發(fā)展地源熱泵技術(shù)，利用地球本身的熱能取暖。另外，就是保溫建筑材料，還有利用工廠的廢熱供暖，這些技術(shù)目前整體發(fā)展都比較完善，在國際上也有先例。德國人在這方面做得最好，在建筑節(jié)能方面有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，也就是房子要達(dá)到居住舒適的標(biāo)準(zhǔn)，冬天取暖夏天制冷，每平方米建筑面積的耗能不能超過7升柴油/年，他們把這個叫做“7升房”。目前，德國的建筑水平可以達(dá)到3升柴油/年。中國的一些老房子，可能每平方米20升柴油/年都不止。因此，我國在這方面如果能有所進(jìn)步，相應(yīng)的二氧化碳排放量就可以有很大的下降。這方面的市場商機(jī)也很大，萬通就在生產(chǎn)泡沫材料，之后新建的建筑將會使用泡沫材料作為隔熱層。因?yàn)榕菽牧喜粚?dǎo)熱，室內(nèi)的溫度不容易受到室外影響，也就是冬暖夏涼。未來的建筑表面還可以設(shè)置光伏發(fā)電材料，真正實(shí)現(xiàn)建筑物的用電自給自足。在這方面國外的一些成功經(jīng)驗(yàn)，我們都可以參考學(xué)習(xí)。
最后一點(diǎn)就是全民參與。聯(lián)合國早就提出了全民參與的概念，環(huán)境與我們每個人都有關(guān)系，因此大家都需要節(jié)能。聯(lián)合國發(fā)布過一個核算表，里面列出的很多數(shù)據(jù)很有意思，比如洗完衣服不甩干，而是自然晾干，每人每天就可以少排放2.3公斤的二氧化碳；不使用白熾燈，而使用熒光燈或LED燈；到室外慢跑而不使用跑步機(jī)……我說這些就是想說明，低碳環(huán)保需要全民參與，我們生活中每一個細(xì)節(jié)的改變都有助于減排。
所以，將來中國實(shí)現(xiàn)碳中和，會有幾個時代的變化。
第一，我國要把工業(yè)化時代，變成信息化時代，這是需要全民參加的。信息化時代、智能化時代、數(shù)字化時代，這種時代的變革會同時發(fā)生。
第二，目前的“化石能源時代”，將會變成“可再生能源時代”，這不是說我們的化石能源已經(jīng)用完了，而是發(fā)展帶來的變化，就好像石器時代發(fā)展到青銅時代，也不是因?yàn)槭^用完了，而是因?yàn)橛辛藷掋~技術(shù)。我們現(xiàn)在已經(jīng)擁有了技術(shù)，那么時代的更迭就是必然的，這是很了不起的變化。當(dāng)然，我還沒提到核能，如果核聚變能源能投入使用，那我們之前說的那些新能源都不算什么了，就要完全變成“核能時代”了。
第三，“化石燃料時代”變成“化石材料時代”，我國要把這些化石資源進(jìn)行更加科學(xué)合理的應(yīng)用。
第四，就是進(jìn)入到“循環(huán)經(jīng)濟(jì)時代”。
只有真正實(shí)現(xiàn)了這四個時代的變遷，才能真正做到碳中和。
【人物百科】
金涌
金涌，83歲，清華大學(xué)化學(xué)工程系教授，中國工程院院士。他是國際公認(rèn)流態(tài)化、反應(yīng)工程領(lǐng)域的領(lǐng)軍人物、循環(huán)經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域相關(guān)學(xué)科發(fā)展與實(shí)踐推動的先驅(qū)者之一。他的科研成果獲4項(xiàng)國家獎。他編寫教材及專著5部，發(fā)表科研論文400余篇。
他創(chuàng)建了清華大學(xué)化學(xué)反應(yīng)工程教研室和生態(tài)工業(yè)工程學(xué)科方向，建立了北京市綠色反應(yīng)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，還組建了全國生態(tài)經(jīng)濟(jì)學(xué)會所屬的生態(tài)工業(yè)與技術(shù)專業(yè)委員會。
他曾任數(shù)屆全國化工學(xué)會、顆粒學(xué)會常務(wù)理事，中國環(huán)境科學(xué)學(xué)會顧問。他連續(xù)兩次擔(dān)任中美化工大會主席，還擔(dān)任兩屆全國學(xué)位委員會化工學(xué)科評議組召集人。
近五年來，他結(jié)合重大社會轉(zhuǎn)型發(fā)展關(guān)鍵問題，進(jìn)行主旨發(fā)言和科普講演300余場，對各省、市、縣領(lǐng)導(dǎo)作循環(huán)經(jīng)濟(jì)主題宣講報告30多次。主持編制《探索化學(xué)化工未來世界》系列科普片和配套書，獲“典贊·2016科普中國”十大傳播人物獎。他曾獲全國“五·一”勞動獎?wù)录皠趧幽７斗Q號、全國優(yōu)秀教師獎、北京市優(yōu)秀教師獎、北京市教學(xué)名師獎、中國石油和化工行業(yè)影響力人物獎、中國石化和化工行業(yè)“十二五”十佳人物獎光華工程科技獎（獎金全部捐贈至“金涌獎學(xué)金基金”）。
