“在我國(guó)，80%以上的碳排放來(lái)自于能源使用，主要就是化石能源。因此，提及低碳發(fā)展，必然涉及到化石能源利用問(wèn)題。大家也一直在問(wèn)，未來(lái)實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)了，以煤為代表的化石能源出路在哪里？”在近日召開(kāi)的中國(guó)科學(xué)院學(xué)部第七屆學(xué)術(shù)年會(huì)上，中國(guó)科學(xué)院院士、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)校長(zhǎng)包信和拋出問(wèn)題。

在包信和看來(lái)，實(shí)現(xiàn)碳中和，意味著必須徹底顛覆以化石能源為主導(dǎo)的能源體系，構(gòu)建以非化石能源為主體的新結(jié)構(gòu)。對(duì)此，我國(guó)具備一定基礎(chǔ)。“當(dāng)前，我國(guó)一年碳排放量約100億噸，每產(chǎn)生1萬(wàn)元GDP排放1噸二氧化碳。而在上世紀(jì)90年代，1萬(wàn)元GDP還對(duì)應(yīng)約12噸碳排放，可見(jiàn)近年減碳的進(jìn)展之快、變化之大。在此基礎(chǔ)上，我國(guó)進(jìn)一步提出碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)。‘十四五’規(guī)劃建議明確提出，支持有條件的地方率先達(dá)到碳排放峰值，制定2030年前碳達(dá)峰行動(dòng)方案。相關(guān)研究顯示，到2060年實(shí)現(xiàn)碳中和，我國(guó)碳排放總量將在20億-30億噸。”

然而，減碳?jí)毫Σ蝗菪∮U。包信和坦言，我國(guó)煤炭占一次能源消費(fèi)的比重雖然持續(xù)下降，但即便到2030、2060年，依然要重視煤炭?jī)?yōu)化利用的問(wèn)題。“理論上說(shuō)，可以通過(guò)二氧化碳捕捉與封存技術(shù)進(jìn)行處理，但這件事的成本非常大。現(xiàn)階段，處理1噸碳需要投入200-300美元。按照燒1噸煤排放2噸二氧化碳來(lái)算，噸煤處理費(fèi)用至少在400美元，從經(jīng)濟(jì)性看根本不可能實(shí)現(xiàn)。”

若想進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)二氧化碳利用，理論可行，但代價(jià)更高。包信和指出，其利用面臨著存在規(guī)模不對(duì)等、分子能量低等現(xiàn)實(shí)阻礙。“比如，我國(guó)需求量最高的大宗化學(xué)品乙烯，目前年產(chǎn)量在6000萬(wàn)-7000萬(wàn)噸。即便拿出1億噸二氧化碳來(lái)生產(chǎn)化學(xué)品，也只占到碳排放總量的百分之一，相比動(dòng)輒百萬(wàn)噸的體量微乎其微。由于二氧化碳分子能量低，必須先活化、再利用，通過(guò)加氫等工藝才能完成反應(yīng)。而目前，氫能基本來(lái)自以煤為主的化石能源，注入的能量比釋放的能量還多，算起來(lái)也得不償失。”

基于上述情況，包信和提出，以煤為主的化石能源清潔低碳化是實(shí)現(xiàn)碳中和的路徑之一。究竟怎么用？“現(xiàn)階段，我國(guó)煤炭有兩種主流利用方式——大量作為能源，直接燃燒發(fā)電；少量作為原料，制備化學(xué)品。電力、鋼鐵、建材、化工行業(yè)用煤，占比分別約為57%、16%、10%和8%。在技術(shù)成熟、成本降低的前提下，利用風(fēng)、光和核等可再生能源替代煤電，逐步降低煤在發(fā)電中的比例是必然趨勢(shì)。同時(shí)，我國(guó)對(duì)化學(xué)品的需求量非常大，其制備離不開(kāi)‘碳’這一重要元素。我國(guó)很難像國(guó)外那樣完全依賴石油化工，短期內(nèi)通過(guò)生物質(zhì)和二氧化碳循環(huán)利用解決碳資源問(wèn)題又不現(xiàn)實(shí)，煤炭則成為最現(xiàn)實(shí)、最可靠的選項(xiàng)。”

據(jù)了解，以煤為原料制備化學(xué)品，離不開(kāi)碳、氫、氧三個(gè)元素的反應(yīng)變換。也正因此，煤的結(jié)構(gòu)及反應(yīng)過(guò)程，決定其燃燒一定會(huì)產(chǎn)生二氧化碳，燃燒1噸煤大約排放3噸以上二氧化碳。煤化工項(xiàng)目往往又是用水大戶，煤氣化、合成及后續(xù)產(chǎn)品純化、分離等環(huán)節(jié)均離不開(kāi)水。

“煤轉(zhuǎn)化是不是一定要耗水，一定排放大量二氧化碳？”包信和表示，石油化工是通過(guò)催化、蒸餾、裂解等方式，把大分子變成小分子，從而得到烯烴、芳烴等產(chǎn)品。其過(guò)程無(wú)需動(dòng)用很多水，也不會(huì)過(guò)多排放二氧化碳，即可將油分子吃干榨盡。“從分子式結(jié)構(gòu)來(lái)看，煤和油的差別并不大，二者區(qū)別主要在于反應(yīng)過(guò)程。若能換一種方式實(shí)現(xiàn)煤轉(zhuǎn)化，將煤中的大分子像石油煉制一樣直接‘剪開(kāi)’，也可以少用水、少排碳，就拿到我們需要的產(chǎn)品。”

實(shí)現(xiàn)這些構(gòu)想，離不開(kāi)更新、更先進(jìn)的催化劑，同時(shí)還需摒棄“野蠻”的氧助氣化過(guò)程。包信和建議，通過(guò)高效催化劑及相關(guān)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，在綠氫的幫助下，對(duì)煤炭分子進(jìn)行“精準(zhǔn)剪裁”。“也就是說(shuō)，煤化工并不是一定要排放二氧化碳。”

此外，針對(duì)當(dāng)前備受關(guān)注的氫能產(chǎn)業(yè)，包信和給予了充分肯定。“氫能利用效率高、無(wú)污染，還可與多種能源耦合，可以說(shuō)是實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)的關(guān)鍵。當(dāng)今能源體系是由化石能源產(chǎn)生電力、液體燃料，再到達(dá)最終用戶。在未來(lái)能源構(gòu)架中，氫能將與電力一起居于核心位置，為終端用戶供能。而最大問(wèn)題在于，氫不是一次能源，需要通過(guò)轉(zhuǎn)化實(shí)現(xiàn)。在制備、儲(chǔ)存、供給、應(yīng)用等體系中，制氫是重中之重。”

據(jù)包信和介紹，目前全球每年消耗氫氣5000萬(wàn)噸左右，其中96%來(lái)自化石能源，很大一部分又是通過(guò)煤轉(zhuǎn)化，僅4%來(lái)自電解水，而且所用電能也非全部來(lái)自可再生能源。“煤制氫價(jià)格最便宜，但碳排放最強(qiáng)。從城市發(fā)電得到氫氣，目前成本每公斤為40-50元，價(jià)格最高。除了電價(jià)，多少度電產(chǎn)出1方氫也是決定其成本的關(guān)鍵。從原理看，只要是用碳作為能源和還原劑的地方，最終都能用氫替代，從而降低二氧化碳排放。”