今天繼續談談未來可能的能源路徑以及目前碳中和路徑存在的問題。對碳中和感興趣的朋友還可關注小紅書（GREEN&CARBON）以及公眾號（綠色

今天繼續談談未來可能的能源路徑以及目前碳中和路徑存在的問題。對碳中和感興趣的朋友還可關注小紅書（GREEN&CARBON）以及公眾號（綠色的碳）喲，歡迎相互學習和交流，謝謝！

數據顯示，2020年，我國二氧化碳排放大約103億噸，其中，煤炭、石油、天然氣排放達到95億噸，另外一部分是沼氣、生物質以及一些其他的排放。所以，約92%的二氧化碳排放是以上煤炭、石油、天然氣這三種化石能源燃燒產生的。煤炭、石油以及天然氣細分碳排放量如下表：

可以看出，煤炭是最主要的碳排放源，占比達到了總碳排放量的71%左右，如何降低煤炭的消耗是實現碳中和的重中之重。另外，我們用103億噸除以14億人口，算出人均碳排放大概7.4噸，從而推出一個三口之家每年平均排放22噸二氧化碳，這是一個天量的數字。所以實現碳中和對于我國目前高度依賴煤炭資源的能源結構來說，存在時間短、強度大的問題，必須倒逼我國的能源、產業以及經濟結構轉型升級。同時，這個轉型過程需要與我國的經濟狀況掛鉤，不能畢其功于一役，走碳沖鋒路線，也就是不能犧牲我國經濟的發展使碳中和硬著陸。碳中和并不是我們最終的目的，我國需要借助碳中和機遇擺脫對他國的能源依賴、實現高新技術彎道超車以及重塑世界格局的目的。

過去40年，中國在改革開放政策下發生了翻天覆地的變化，而未來40年，中國在碳中和政策下會再一次迎來翻天覆地的變化。盡管風能、太陽能、二氧化碳轉化為化學品、CCS、CCUS，提高能效都會對減碳有些貢獻，都值得去鼓勵探索和實施，但對目前天量排放的二氧化碳，近期內二氧化碳減低的比例是相當有限的。在這種情況下我們怎么才能在對經濟影響最小的前提下實現碳中和？碳中和的現實路徑有哪些，這是需要進一步探討的。

減碳

減碳的途徑有許多，比如產品生產過程中的降耗增效、人們生活工作中的綠色行為、廢棄物的回收利用等。我國的碳排放主要來源于電力、工業、交通和建筑領域的各種活動，減碳也應該從這些地方找到突破口。降耗增效應該算是最有針對性的減碳方法，可以顯著降低工業流程、產品使用中的碳排放，提高能效是全球成本最低的減碳路線。但是這種減碳方法真的對于現在的中國有很大作用嗎？

接下來我們用數據進行論證。中國加入WTO這二十年來能效提高了很多，但是碳排放的總量是增加了還是減少了？由于我國經濟和生產水平的飛速發展，前10年我們碳排放增加得更多。下表為20年來我國煤炭石油消耗量的大致走勢。

可以看出能源消耗量的增速有所放緩，但是體量卻巨大。20年間，隨著科技的進步，在新增的諸多工業門類中已經很大程度地提高了能效、減少了碳排放。

那這數據該如何解讀？唯一的解讀是加入WTO，世界的市場向中國開放，中國一度成為了世界工廠，同時這一期間我國房地產建設蓬勃發展也是一個重要因素。煤的耗量表示電的耗量，電的耗量表示工業化的程度。這期間能效肯定提高了很多，但是單憑能效也難以解決碳排越來越多的問題。因此，提高能效是減碳的重要手段，但只要仍然在使用化石能源，提高能效對碳中和的貢獻也是非常有限的。提高能效確實是成本最低的減低碳排放的方式，也是最應該優先做的，但是現實考量是不能光靠能效提高就能夠達到碳中和。

零碳

在俄烏沖突導致世界整體形勢變得混亂的情況下，所有的能源價格不斷飆升，這給了風能和太陽能等清潔能源發展的動力和機會，可再生能源的價格的確越來越便宜了。對于太陽能發電成本，華為與沙特2021年簽署了全球最大的光儲離網儲能項目，其儲能系統可達1.3GW。由于資本成本在中東尤其是沙特很低，而且沙特具有長時間的太陽光照，所以此項目中整體系統生命周期每度電成本將低于1美分，即每度電成本不到7分錢人民幣。即使今天，在中國的一些火電廠的發電成本也是上述項目發電成本的3倍左右。

在目前這種情況下，太陽能和風能的價格會越來越便宜，但問題是首先要有太陽能和風能。中國各地的太陽能每年發電小時數不等，但全國各地平均起來大約在1500-1700小時左右，風能每年發電的時間大約是2000小時左右。但一年總共8760小時，用電是需要24小時連續的。太陽的有效照射時間一般少于20%，所以核心問題是另外沒太陽的那80%的時間怎么辦？這兩種能源之所以不能大幅提升，是因為它們具有波動性，需要儲能技術配合。

而且，對電網來說，波動性的能量輸入是一種沖擊，傳統電網只能容納約15%左右的非穩定電源。所以無論風能和太陽能發電有多便宜，依舊改變不了用電不穩定的缺點。例如去年夏天，歐洲出現了風力不足的情況，這就是為什么天然氣價格會飆升的原因之一。

一方面人們非常樂觀地看到可再生能源的價格越來越便宜，但更關鍵的議題應該如何解決這些可再生能不穩定性的問題？

儲能則是最為重要的實現路徑，但現在的儲能卻非常昂貴。目前在中國上海，用電尖峰、高峰、平時、低谷比價為1.8：1.5：1: 0.46，尖峰時是低谷時的接近4倍價格。人們之所以不能用便宜的價格在谷時電價時去儲能，在峰電時出售，其原因是儲電的成本依然太高。現在很多人樂觀地說，我們已經準備好了實現碳中和的路徑，但是事實并非如此，除非愿意在風能和太陽能不足時支付數倍的能源儲存成本。

那么，我國目前的儲能事業發展如何呢？

首先，我們探討一下電化學儲能技術。特斯拉創始人埃隆馬斯克說：“我可以通過電動汽車的電池儲存所有的能源。”，這目前看來是一種妄想，但毋庸置疑馬斯克的確有一種把妄想變為現實的人格魅力。即使假設現在所有的車都是電動汽車，也只能通過電池儲存16%的電網電力。人們已經研究了百年的電池，今天的電池容量對于筆記本電腦、電動車等確實已經夠用，但當我們提到巨量的電網電力能源存儲時，電池還是捉襟見肘。

目前使用最廣泛的仍是抽水蓄能，抽水蓄能是幾百年前的技術，而研究了百年的電池儲能在現在卻無法與百年前的抽水蓄能技術相競爭，意味著儲能技術進步是很不容易的。

人們總是幻想存在一種能夠存儲大量能源的魔法，但很可惜目前還不存在。自鉛酸電池發明至今的百年來，人類花費了數千億美元研發經費研究儲能。從鉛酸電池的90千瓦時/立方米增加到今天特斯拉的300-500千瓦時/立方米，電池的能量密度并沒有得到革命性的根本改變，而汽油的能量密度則是8600千瓦時/立方米。迄今為止大規模（如GW級）的儲電技術，最便宜的還是100多年前就被發明的抽水蓄能技術。如果有一個大型水壩，你可以使用抽水蓄能來儲存大量能源；如果有合適的巖洞，壓縮空氣儲能，也可以作為低成本的大型儲能方案。但是使用電池儲能目前確實太貴，在中國曾使用過廢舊的電動車電池進行儲能，卻因發生數次事故后而使項目夭折。因為在使用舊電池時存在較大安全風險，當電池越來越舊時，可靠性就越來越低了。

接下來，再談一下最近正值風口的儲能技術，甚至被認為是終極能源的氫能。

氫不是一次能源，而是一種二次能源，或者更確切地說是能源的載體。這個世界有煤田、油田、天然氣田，但沒有氫田。氫和電一樣，是通過別的能源制造的，但是作為載體，氫不具備上面提到的液體能源在能量密度、管道及跨海輸送、長期儲存方面的優勢。

氫氣不適合于做大眾能源載體，主要的原因在于有幾個方面無法通過研發改變。第一，氫是質量能量密度最大的能源，但因為氫氣的密度最小，氫氣也是體積能量密度最小的物質。對于許多應用場景，像汽車輪船等油箱，因為空間有限，需要的能源體積能量密度不能太小。為了增加體積能量密度，只好增加壓力。目前所有的氫燃料電池車里的儲氫罐，都是350和700公斤大氣壓。因為壓力太大，儲氫罐如果拿不銹鋼設計必須做得非常厚，這在生產上具有較大的成本和安全隱患。第二，氫氣是元素周期表中最小的分子，最小的分子就意味著最容易泄露，長期儲存是問題。第三，氫氣在露天沒有問題，但是在封閉的空間里，氫氣就會有巨大隱患。氫氣是爆炸范圍最寬的氣體，可以從4%到74%。小于4%是安全的，大于74%只著火不爆炸。但是在4%到74%這個很寬的范圍內，遇火星就爆。現在北上廣深這些城市，大部分的車是停到地下車庫這一封閉空間里的。當大量氫能汽車進到地下車庫，若有一輛車泄露，就會產生巨大的危險。盡管這個是小概率事件，但是使用量眾多的時候，總有部件老化等問題發生，哪怕儲氫罐是安全的，閥門、管路等也有一定小概率老化，或者開車不注意發生了撞擊。一旦泄露遇到火星、電火花就會爆炸，引起其他車爆炸，一個大樓都有可能毀掉。所以在封閉的空間里，使用氫氣要非常注意。同樣因為氫氣的爆炸性，建設加氫站要特別小心，周圍需一定的安全距離。現在的北上廣深到處都是加油站，但地價這么貴，到哪找能那么多地重新建加氫站呢？

負碳

負碳則是通過碳匯、CCUS（碳捕集、利用與封存技術）等技術主動吸收空氣中的二氧化碳，從而實現碳中和的目的。

首先，利用CCUS技術，把生產過程排放的二氧化碳進行捕獲提純，再投入到新的生產過程中進行循環再利用或封存。目前大規模捕集二氧化碳的技術是可行的，只是成本太高。通過捕集可把電廠產生的二氧化碳打入地下做驅油和埋藏等其他的作用。資料顯示，近年中國二氧化碳驅油消耗量大概是每年幾百萬噸二氧化碳耗量，與我國一年103億噸二氧化碳排放量相比，減排效果非常有限。而且驅油這個階段是一部分二氧化碳進到地里，還有一部分會跟著油出來，并不是完全的埋藏。

另外，有人認為我們可以把二氧化碳轉化成各種各樣的化學品，比如保鮮膜、化妝品等等，但是這些沒法從根本上解決二氧化碳的問題。前面已粗略估算過中國一個三口之家一年平均排放二氧化碳22噸，但不管什么產品一個家庭一年也消耗不了20多噸。另一方面，據估算全世界只有大約13%的石油就生產了我們所有的石化產品，剩下的大約87%的石油都是被燒掉的。如果把全世界的化學品都用二氧化碳來造，也只是解決13%的石油排碳的碳中和問題。所以，從規模上講二氧化碳制成化學品并不具備減碳價值。

因此，碳中和不光是一個技術的問題，更是經濟和社會平衡發展的綜合性問題。現在電廠把二氧化碳分離，分離完以后打到地下可以做驅油和埋藏這條路，我國新疆等地已經有類似的二氧化碳驅油工程，因為地理位置的優勢還具有一定的經濟效益。這塊的成本主要是把二氧化碳在鍋爐尾氣中分離出來的成本，在目前的技術手段下，靠CCUS利用來處理的成本很高，作用也是有限的，當然這方面的成本通過研發也可以降一些，經濟上能否有競爭力，取決于未來碳價和碳稅如何發展。

新路徑

如上所述，雖然氫氣的質量能量密度大，燃燒時二氧化碳零排放，但是它體積能量密度低，不易運輸儲存，容易發生爆炸等缺點讓氫能目前仍得不到重用。而就目前而言，要想作為能夠被廣泛使用的能源載體，需要具備以下幾個特點：一是能量密度尤其是體積能量密度大，二是在陸上可管道輸送，三是海上可便宜的跨海輸送，四是可以長期儲存，在碳中和背景下，目前還需要增加一個特性：碳排放少。

數據顯示：氫氣在常壓下的能量密度只有3.2千瓦時/立方米，而液體的甲醇是4300千瓦時/立方米，汽油8600千瓦時/立方米，柴油是9600千瓦時/立方米。可以看出，液體才是氫能最好的能源載體。但是氫氣是非常難液化的氣體,在101.325千帕下,氫氣在-252.8℃時才能變成無色的液體，這使液氫在目前大范圍使用成為奢望。那么從分子式來看，將甲醇作為氫氣的載體，是不是一個顛覆能源結構的一種實現路徑呢？

就目前的甲醇制備技術分析，甲醇可以從煤、天然氣來制，未來可以用太陽能和風能制氫，再與二氧化碳反應制得，或太陽能催化二氧化碳和水來制甲醇，就變成綠色的甲醇。具體綠色甲醇制備路線為：使用太陽能和風能電解水產生綠氫和綠氧，精簡掉了空分和水氣變換工藝單元，傳統甲醇生產設施只需進行改造翻新即可用于制取綠色甲醇。

現在中國甲醇產能全世界最高，大概8000多萬噸。另外，頁巖氣革命讓世界發現了100多年用不完的天然氣。有100多年用不完的天然氣，就有100多年用不完的甲醇。如果今后真正想實現碳中和，并且太陽能、風能有較高的碳減排收益的時候，可以把風能、太陽能和煤結合制出比較便宜的甲醇，通過車載甲醇制氫并與燃料電池系統集成，這就比直接燃燒的發動機效率高，那么重型卡車、飛機、輪船就可以不用在使用柴油和汽油，這就填補了適配能源的缺口。另外，1L甲醇和水反應可以放出143克的氫。儲氫要么壓縮，要么冷凝。即使冷凝，1L的液氫也就72克，而1L甲醇和水反應的產氫量是1L液氫的2倍。

至于甲醇輸送成本，我們可以假設每升7元的汽油是從休斯敦煉油廠用船拉到上海東海港，每升的運費是多少錢？成本其實不到7分錢。船運液體時，使用泵和管道就能裝卸，基本不需要人工，路上耗費的就是船的油錢和折舊費，現在一條大船可以拉30萬噸，按汽油比重算，接近4億升，如果一升一毛錢就是4000萬元，但是船跑一趟油錢根本就沒有這么多。這就是為什么全球石油產地有限，但世界任何一個角落都可以很方便地加油開車的最根本的原因之一。液體在儲運上有很多好處，而且可以長期儲存，拉一車可以用很久。

在常溫常壓下是液體的物質，目前的技術下甲醇可能是最好的儲氫的載體之一。甲醇在常溫常壓下是液體，安全等級和汽油相近，并且在零下60多度也不會結冰。它的能量密度4300千瓦時/立方米，而鋰電池能量密度為300-500千瓦時/立方米。甲醇是含氫量高達12.5%的液體，可以通過重整技術制成氫氣。甲醇可以通過罐車、管道高效率的輸送。在中國西氣東輸管道已經建成，成本中比例較大的土地費用已經支付，相同的能量密度下，甲醇只需要一條直徑比天然氣輸氣管小的多的管道即可長距離輸送。我國西部高，東部低，水往低處流，像水和酒精一樣的甲醇液體輸送成本遠低于氣體輸送。

還有一點，如果我們以后真的使用氫氣能源，需要把幾萬億建起來的液體燃料基礎設施毀掉再重新建加氫站和充電樁？這是一個大問題。石油排碳太高，我們可以把太陽能和風能轉成甲醇液體儲存下來，便不需要再建那么多充電站和加氫站，電動汽車可以將甲醇和水反應制氫，然后用氫發電，解決電動車續航短的問題。而且甲醇和水反應只需要200多度，它的余熱就可以把電池維持在最佳的溫度，也解決電動車冬天的續航里程大幅下降的問題。

在了解了甲醇作為新能源的這么多優點后，可能有人會回過頭來問，不管是生產甲醇還是使用甲醇都會排放出二氧化碳，為什么還要將甲醇作為實現碳中和的重要途徑？

從中國的天然能源稟賦和工業基礎來看，中國有很成熟的煤制甲醇技術，只是要產生很多的二氧化碳，因為要補氫以達到甲醇合成所需要的碳氫比，然而通過水煤氣變換將一氧化碳轉化成氫氣的同時會排放二氧化碳。如果那部分的氫可以在西部用太陽能和風能制，同時副產氧氣供煤氣化用，能夠解決很多排放問題；煤制甲醇的工廠里，空氣深冷分離制氧氣的空分裝置是投資最大的，這塊投資未來省下來可以做太陽能電解水裝置生產氧氣和氫氣供煤制甲醇用，這樣煤轉成甲醇就不用排放二氧化碳，再用甲醇作為能源的載體就可以做到減碳60%以上，這可能是未來比較現實的一條碳中和路線。其實這整套技術的核心便是利用現有的基礎設施把太陽能和風能以甲醇液體的形式儲存下來，能夠良好改善目前風光電的棄光棄風狀況。

到這兒，可能還有人會問，甲醇技術不也只減少了60%多的碳排放嗎？并沒有實現零排放。

其實，碳中和并不是追求絕對的零碳，國際上常提的零碳排放通常是“近零（Near Zero）”和“凈零(Net Zero)”。作為以碳為基的地球以及所有生物，追求絕對的零碳是不科學的，因為我們吃的食品、植物生長和光合作用都需要二氧化碳。如果把中國的經濟從煤經濟轉到天然氣經濟或者是甲醇經濟就可以減碳67%左右，那么再輔助一些減排增匯，沙漠綠化，鹽堿地治理等負碳技術，基本上就可以做到碳平衡了。

希冀

對于中國來說，2060年實現碳中和是一個相對理性的目標，不能操之過急，未來四十年還有很大的想象空間，但是需要面對現實。碳中和是一場系統性的產業革命，涉及一系列能源結構調整、技術進步、發展方式轉變的問題，這就需要我們理性審視綠色復蘇，而開發便宜的大規模儲能技術是能源綠色轉型和實現碳中和的關鍵。

雖然目前風能、太陽能、二氧化碳轉化、CCS、CCUS都對碳中和的貢獻還并不是很大，而且在長期看來也不是最理想的碳中和路徑，但是我們依然需要投入時間、精力、資金等去探索、去研發、去改進。只有在做的過程中才能夠去發現一些新的方法和新的途徑，或許突然有一天就取得了技術突破。而且，我們現在的這些技術也是對減碳有一定效果的，也需要努力做下去，積少成多，不斷精進，做出應有的貢獻。

前兩次的技術革命，我們沒有好好地抓住機會，但是這次能源革命我們已經走在前列。雖然在短期可能會遭受地緣政治以及全球經濟下行的沖擊，經濟體系會面臨一定的風險，但是從長遠來看，這是一條我們必須要走，也必須要走好的路。

參考資料：劉科院士的訪談與演講

感謝您的閱讀，記住這里的碳不是黑色的！