在实现双碳目标的未来40年，我们的产业结构会发生革命性的变化

出品：格致论道讲坛

以下内容为中国科学院工程热物理研究所研究员吕清刚、中国科学院电工研究所研究员王志峰、中国科学院天津工业生物技术研究所研究员蔡韬演讲实录：

段玉龙：在2022年3月，中科院发布了和双碳相关的科研战略，叫“双碳行动计划”。我想请三位老师从各自的领域来跟我们说一说，除了现场分享的演讲内容外，咱们的研究领域在助力双碳战略落实的过程中，分别还有什么样的科学贡献？

在这个专项里，我今天报告里有两点没有讲到。第一点，我们的电力稳定调峰是一方面，更多的还要注意产业链的安全。也就是说，我们国家工业的门类非常齐全，在整个产业链里边，我们既要保证低碳，同时要保证它稳定地发展。第二个就是油气的安全。在没有充足油气的前提下，怎么用煤炭来替代油气？这里边更核心的一个技术就是，煤不但是燃料，也是原料。

我们要发挥燃料和原料耦合的属性，也就是说我们能够发电或者变成能源，而在排放二氧化碳的过程中，我们又能把二氧化碳合成化学品。化学品里含碳，这样就把一部分二氧化碳固定下来了，所以发电是可以低碳的。同时，在煤的转化合成上，也可以是更低碳的，甚至是零碳的。这些是我们未来5年发展和努力的方向。

段玉龙：也就是双碳战略最终的目的不仅仅是碳中和，而是通过这样的一个战略，能够使我们在能源的使用模式上有一个新的改变。而且也会让我们的经济发展进入到一个新的层面，这才是双碳战略更加伟大的意义。王老师，听听您对于我刚才这个问题的想法。

王志峰：中国科学院确实是比较超前的。比如说刚才我讲的太阳能跨季储热，就是我们科学院先导部署的项目。在新的双碳战略里，我本人从事的是两个更具有挑战性的项目。一个是应对电网安全的卡诺电池（储热电池）。随着未来的电力发展，可再生能源在电力系统里面的占比越来越高。有时候用户并不需要用那么多电，这个时候多余的电得有个去处。这是第一个问题。另外，当没有风、没有光的时候，电从哪儿来？这是第二个问题。

所以我们现在就做了一种电池，它可以把多余的电变成热能存储起来，在需要时候再去发电。这个事好像很简单，因为把热变成电这个事并不难，把电再变成热这事也不难。但实际上，这个事是非常困难的。

其次，在放电的时候，用户的需求也不是我们能控制的。从热变到电，并不像汽车踩一脚电门，电“哗”就冲上去了。热都是有惯性的，所以如何去应对电网的需求，把热大功率地放出来，也是非常有挑战性的。比如说循环次数，盐罐突然地工作，从满罐突然到半罐，再到三分之一罐，这个液位的变化对盐罐本身的考验很大。再比如几万吨的盐，几十万吨的盐在高温盐罐里也有很大的考验，有很多力学、热学和材料学的耦合问题。

第三个问题是效率。我们的手机电池是存进去电，再出来电，电到电的效率大概是90%以上。但从电变成热，热再变成电，目前的效率只有42%左右，这就太低了。进去1度电，出来只有0.42度电，这样电就很贵了。如何来提高这个效率呢？我们发明了以卡诺热力学循环为基础的三代电池，能把这个效率从现在的42%提高到70%-75%。

第一代就是我们说的用电加热，直接就是电到热，是1比1的，大概0.9。第二代是基于蒸汽的热泵循环，来实现电到热、热再到电。热泵循环能利用发电机的余热，因为我们热进了汽轮机以后，只有40%变成电了，那还剩下60%变成余热。把这个余热利用起来，重新回到储热罐里边去，这是用了正逆卡诺循环的组合来做储热，就可以提高效率。但即使这样，它的效率也就在55%左右。第三代我们需要用超临界二氧化碳这样一个更新的、一个跨越了布莱顿循环的无相变的发电技术来提高热到电的效率。这时候它的效率就可以到70%-75%。

第二个项目，就是更加神奇的技术——太阳能。在我们的双碳计划中，有一个项目是工业过程的燃料替代。当工业产生二氧化碳以后，我们用碳来还原二氧化碳，把它变成一氧化碳。一氧化碳可以作为燃料，再回到水泥窑的窑头。从生物质能变成碳的这个过程是要加热，就用到太阳能，加热以后碳就可以去做还原剂了。这是把二氧化碳吸收给变成一氧化碳。

大家如果对水泥厂熟悉，就会知道水泥厂后面有一个大的窑尾。窑尾里边是碳酸钙，碳酸钙在里边分解，就叫预分解。把太阳能的热量加进去以后，加热到850度左右，碳酸钙就会直接分解，产生氧化钙跟二氧化碳。二氧化碳再跟刚才我们说到的用太阳能碳化的生物质能再去反应，就生成了氧化钙和一氧化碳。这就实现了零碳排放。

我们现在也在跟大连化物所、青岛能源所共同酝酿这个工作，前期也做了一些技术上的探讨。我们还做了一些实验，也是比较成功的。从原理上讲是可以实现的。这样的话，水泥工业的碳排放就能大幅度地降低。以上就是我们做的两个工作。

蔡韬：刚才吕老师和王老师讲得非常好。我们淀粉合成刚好是在下游。我们用的二氧化碳可能来自于吕老师的煤炭清洁利用，能源可能来自于王老师的热电。我们的工作属于生物领域。而生物在很早的时候，就可以固定二氧化碳了。但是自然生物固碳的目的并不是为了服务我们人类，它是为了自己能在自然界中生存下去。所以在很多时候，它在能量效率上面不追求最高，在速度上面不追求最快。所以对于我们的要求来讲，它做的并不好。

所以我们一直想去改造自然的固碳生物。我们有各种各样的改造方法，有去做新的固碳途径的，还有做固碳酶的，提高固碳酶（RuBisCO）的活性。还有把化学和生物耦合起来，发挥各自的优势，既能很快地把二氧化碳转化过来，又可以合成非常复杂的、有更高价值或者重要意义的化学品，这也是我们一直在做的事情。

当然就人工合成淀粉这个工作，和刚才两位老师介绍的已经对我国双碳战略有了非常实质性的贡献来比较的话，确实还处于一个非常初期的阶段。这实际上也对我们提出了要求，我们要尽快地去攻关，尽快地克服这里面的一些关键科学问题，尽快地为我们国家的双碳战略做出贡献。

大气中的二氧化碳可以被收集利用吗？

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段玉龙：您刚才讲的碳捕集的技术，也是接下来要去发展的方向之一。说个题外话，之前还有网友留下了问题：有一个美国人叫埃隆·马斯克，他悬赏1亿美元要征集全球最好的碳捕捉技术。您有想去挣这1亿美元吗？

蔡韬：会不会去竞争这1亿美元现在还不敢说，要看我们技术发展的情况。但是有一点，马斯克其实一直在推动一个事情，那就是移民到火星去。火星上有很多二氧化碳，但是我们没法耕种。那如何把这些二氧化碳收集起来，并进一步转化成我们人类的食物，这是一个非常核心的挑战，也是我们一直在做的事情。

段玉龙：这个目标有点太远大了。我觉得咱们双碳的技术用来解决人类的问题、解决地球上的问题才是当务之急。关于碳捕集的技术，也是最近这些年全球热点领域。我不知道在二位老师的研究中有没有关注过碳捕集的技术呢？

吕清刚：大家都在说的碳捕集，也叫CCUS。CCS是碳捕集存储，U是捕集之后的应用。如果我们要是达不到碳中和的话，CCUS是最后的一个兜底技术。但是它的成本比较高，高在什么地方呢？比方说燃烧1吨煤，它跟氧结合之后，会生成2.5吨的二氧化碳，重量增加了，因为很多氧分子进去了。所以存储量会比开采量还大，那我们往哪儿去埋呢？埋的地方都是一个定时的炸弹，所以我想这个是不得不用时才会用的。它会造成效率降低10个百分点，现在发电的效率是40%，到2030年发电的效率能达到50%。降低10个点，我们一下子又回去20年前的发电效率的情况。所以我想这是碳捕集的状况。

刚才说的马斯克的问题，我觉得它的意义在于提示了一个颠覆性的思维。不仅要注重地球的表面，还注重临近空间乃至月球。这样太阳能和风能的资源就是巨量的，这就不是捕捉的问题了，而是我们可以根本不需要排放二氧化碳。

王志峰：我认为减碳过程应该分为三大部分。第一部分是源头减碳，比如说用其他能源替代。第二是过程减碳。第三个是捕集以及利用。我本人是做第一个环节的，比如刚才谈到的用太阳能辅助烧水泥、跟生物质能结合烧水泥，还有太阳能发电，把夏天的太阳能存储到冬天使用，这些都是从源头减碳。对后面的部分我没有研究，所以我也没法回答。

传统能源和新能源非此即彼？

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段玉龙：没关系，咱们今天也是在做思想的交流嘛。接下来和大家讨论另外一个能源结构的问题。我们在实现双碳战略的过程中，能源模式的切换是一个重要方式。但是我感觉大家对于能源模式的切换有的时候有点着急了。现在什么事都说一定要用新能源，但在吕老师刚才的讲述当中，我也看到这些年对于煤炭的使用，无论是燃烧效率的提升，还是煤炭在燃烧之后排放的相关污染物的控制和收集，都有着非常不错的成果。

所以想请几位老师聊一聊，在您看来，未来在实现双碳战略的过程中，传统的化石能源和新能源之间理想的搭配方式究竟是什么样的呢？

吕清刚：现在煤炭还是我们的主体能源，但随着双碳目标的实现，它将逐步由一个基础能源变成保障能源，这是为了给可再生能源让路。现在可再生能源还比较弱小，煤负责挑大梁。当可再生能源能够大量地接入时，煤电就起调峰的作用。因为可再生能源有间歇性和不连续性，煤可以给它们兜底，让它可劲发电，这样可以大量地减少二氧化碳的排放。到后期，我们国家可能60%、70%甚至80%都是可再生能源，煤电就起保障的作用。

王志峰：我觉得未来能源应该有三种模式。第一种就是太阳能热发电加光伏，因为热发电含有大量的储能，光伏有很便宜的价格，二者可以互补，这个方式适用的地域也很广。第二种方式可能有点窄，就是风电加抽水蓄能。因为抽水蓄能需要一些高差，风电也是在高山的地方比较丰富。第三个就是各种生物燃气，或者是一些天然气加压缩空气储能。

有观点认为，这三种能源利用方式完全可以替代火电。但是我也同意刚才吕老师谈到的，新能源的替换需要一个过程。这三种能源方式，从理论上看没有什么问题，而且现在成本都在降低，包括压缩空气、风电、光伏、海上风电、热发电的成本都在快速下降。

我开始从事热发电时，它的成本是26欧分，现在大概只有9欧分，才十来年的时间，成本下降的很快。光伏的成本下降的更快，2007-2009年的时候，光伏是46欧分，现在只有一两毛钱。所以它是有可能替代的，但是这中间需要一个稳定的过程。

另外一个问题是如何解决新能源稳定性。我参加过一些关于储能的会议。我们热发电这行，开会时五六百人就算比较大的会议，电储能的会议那都是三四千人、五六千人的。大家对这个领域特别热情。原来的热点是在电动汽车和移动交通工具上运用化学电池，但是目前的热点都移动到光伏和风电上了，大家开始做大型的储能电站。但是可能因为技术发展的比较快，所以发生了很多安全性事故，还关停过一些比较大型的化学储能的电站。这都是可再生能源发展过程中一些需要解决的问题。

但是我想未来的发展应该是以可再生能源为主，但是这需要一个过渡的时间。大部分的研究认为可能在2050年的时候，可再生能源的发电量占比会超过火电。

另外，可再生能源在中国的《可再生能源法》里面是有定义的，它是指风能、生物质能、水能、太阳能以及小水能。但是目前，我好像没有看到一个对清洁能源的法律定义。现在大家都说清洁能源采暖。但是电采暖是不是清洁能源？采暖用的电经常是煤电。再比如炼钢中用到的制氢过程中电从可再生能源来的吗？有的时候并不是这样的。清洁能源这个词混淆了很多有关碳的概念。所以我建议未来应该明确可再生能源的电力和可再生能源的采暖，而不是用清洁能源这个词。

再比如核能算什么能源？有人说清洁能源，也有人说不是清洁能源。但它肯定不是可再生能源。尤其是采暖，我们如果直接用煤采暖，那效率很高。但如果先把煤变成电，只有40%的效率，然后再用电去采暖，这等于产生同样的热，却多烧了一倍的煤，会产生更多污染。所以我觉得这也是需要理清的一个问题。

我们要让所有东西有一个法律上的定义，而不是用一些术语或者口语来定义。这样未来的发展可能会更加有序。

蔡韬：这个我就外行了，但是我们合成淀粉其实非常关注能源的来源。如果这个能源来自于烧煤产生的能源，那人工合成淀粉这件事其实就没多大意义了。如果是来自于可再生能源，比如风、水、光，那它就是非常有意义的。两位老师讲的我非常赞同。我们要逐步地去减少煤电的用量，同时调整可再生能源的一些不稳定的情况。太阳能、风能各种能量形式也需要共存。

另外就是我们的核聚变技术。和太阳能相比，它还不能真正地发电。严格来讲，我认为应该叫做绿色能源（不排放二氧化碳），不应该叫可再生能源。但是我觉得这可能是未来的发电技术，会和光电、风电并存。当然我们还需要时间，需要耐心地去等待它实现，它的背后其实就是巨大的科技进步所带来的能源变革。

我们的生活将会有什么变化？

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段玉龙：最后一个问题，我们今天反复说碳达峰、碳中和，如果有一天我们实现了双碳的目标，这到底会对我们每个人的生活产生什么样的影响？在我看来，我在家依然还是开关灯、吹空调，好像我不会从个人的层面感觉到有多么大的影响。我不知道几位专家怎么看呢？

吕清刚：我认为在双碳目标实现的过程中，在未来的10年、20年、30年，会发生本质的变化。我举个例子，40年前，咱们国家的油是富余的，那我们去烧油，后来油不够了又上了大量的煤改油工程。现在，我们为了二氧化碳排放的问题，进行煤改气。所以在这个变革之中，看起来是为了实现双碳目标，实际上我们利用双碳也可以实现产业结构的大调整。

在这个过程中，第一个就是会提高能源的效率，包括能源、材料等的很多效能都会大幅度提高，这样就能节约很多的资源。举个例子来说，最开始光伏的发电效率只有15%-18%，现在普遍都可以做到20%。下一个目标点是25%-30%。如果到30%，意味着它会降低50%的资源浪费，这样我们就可以生产更多的高精尖产品。

再比方说水泥，现在水泥的原料是碳酸钙，它分解之后是氧化钙，碳酸钙变成氧化钙的过程中就会排出大量的二氧化碳。所以我们想要用其他原料替代水泥。但是我们这么大的一个国家，不可能没有水泥，但是未来相当一部分水泥可能会被钢铁取代。钢铁最大的好处就是废钢还可以回收，而水泥不能。这会带来革命性的变化，所以我觉得未来是可以期待的。

王志峰：我觉得未来会有四个场景。第一个场景就是以后各种疾病可能会减少，大家的身体会更健康。第二个就是温度不会这么酷热，不会有全球变暖这些问题。第三个场景是我在畅想的。我们目前的电网系统全部都是有线电网系统，但我知道，我们电工所就有一个老师在搞空间太阳能电站，包括美国、欧洲也都有人在做这个。

到2060年在空间建电站以后，通过某种电磁波发射到地面，我们接收这个电磁波以后就可以直接转换成电力。也就是说，我们的电动汽车永远在开，永远不需要去充电桩上充电，因为它会无限地给你充电。手机不需要再去充电座上充电。这将是最大的能源革命的场景，不但可以完全使用太阳能，太空太阳能资源比地球还高35%左右，而且可以24小时不间断的供应。这个场景是非常值得期待的，我觉得是可以实现的。

第四个场景就是我本人在实践的。我在朋友圈里面经常会展示一些我使用可再生能源的场景。比如我现在用太阳能做饭，烧绿豆汤、烧开水、泡茶，都用太阳能。我家还有太阳能电池板，也是用太阳能来发电。还有用传热系数低于1.4的窗子来节能。今年这么热的天，我在室内就没有开过空调，温度控制得很好。

蔡韬：我2011-2012年到天津的时候，就觉得冬天很压抑，这种感觉持续了几年。在很多行业改革之后，天津的天空变得特别蓝。我感觉整个人的心情都变得特别好了。所以我觉得对我来说，双碳目标的实现意味着青山、绿水、蓝天和愉快的心情。

它更深层次的意思，实际上是我们要和自然和谐相处。过去，我们不停地从自然界中去攫取各种的能源、各种的物质。用完之后产生的废料再一股脑地推给自然。即使这种方式不产生全球变暖的问题，也会产生其他问题。所以我们必须要改变这种方式，而双碳计划就是改变这种方式的一种途径。我相信，未来我们人类会和自然界和谐相处。

段玉龙：感谢诸位嘉宾的精彩分享。诸位老师也是从各自不同的领域来给我们分享了他们的研究成果。其实每一个研究成果的背后都是一个解决方案，我们也希望这些解决方案在实现的过程当中，能够在更大的程度上助力我们双碳目标的实现。再次感谢三位老师。谢谢！

本文出品自“格致论道讲坛”公众号