以創(chuàng)新助力碳中和
——專訪中國(guó)工程院院士金涌

文／本刊記者 陸曉如

實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和充滿了挑戰(zhàn)，而科技創(chuàng)新是唯一出路。

●“綠色低碳轉(zhuǎn)型將是今后全部經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的內(nèi)核。供圖/視覺(jué)中國(guó)

專 家 簡(jiǎn) 介

金涌，中國(guó)工程院院士，清華大學(xué)化學(xué)工程系教授、化工科學(xué)與技術(shù)研究院院長(zhǎng)。現(xiàn)任中國(guó)化工學(xué)會(huì)和中國(guó)顆粒學(xué)會(huì)常務(wù)理事、中國(guó)生態(tài)經(jīng)濟(jì)學(xué)會(huì)副理事長(zhǎng)、工業(yè)生態(tài)經(jīng)濟(jì)與技術(shù)專業(yè)委員會(huì)主任、國(guó)務(wù)院學(xué)位委員會(huì)化工學(xué)科評(píng)議組召集人。

長(zhǎng)期從事湍動(dòng)流化床、高速氣固流化床反應(yīng)器、氣液固三相流化床反應(yīng)器、顆粒技術(shù)及反應(yīng)—反應(yīng)、反應(yīng)—分離耦合等教學(xué)與研究工作。近年來(lái)，重點(diǎn)研究方向?yàn)樯鷳B(tài)工業(yè)工程和循環(huán)經(jīng)濟(jì)，積極推動(dòng)循環(huán)經(jīng)濟(jì)與低碳經(jīng)濟(jì)的工程科學(xué)的學(xué)科基礎(chǔ)建設(shè)。

“二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和?！?020年9月22日，在第七十五屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)一般性辯論上，中國(guó)國(guó)家主席習(xí)近平向全世界鄭重宣布。

截至目前，全球已有超過(guò)120個(gè)國(guó)家和地區(qū)提出了碳中和目標(biāo)。其中，大部分計(jì)劃在2050年實(shí)現(xiàn)碳中和，如歐盟、英國(guó)、加拿大、日本、新西蘭等。但對(duì)中國(guó)來(lái)說(shuō)，用30年左右的時(shí)間完成全球最高碳排放強(qiáng)度降幅，用全球歷史上最短的時(shí)間實(shí)現(xiàn)從碳達(dá)峰到碳中和，無(wú)疑是一場(chǎng)大考。

如何答好這一時(shí)代答卷？中國(guó)工程院院士金涌認(rèn)為，實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和充滿了挑戰(zhàn)，而科技創(chuàng)新是唯一出路。

四大挑戰(zhàn)

中國(guó)石油石化：金院士，您好！在您看來(lái)，中國(guó)實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和，面臨著怎樣的困難與挑戰(zhàn)？

金涌：中國(guó)實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和，不僅僅是氣候問(wèn)題、環(huán)境問(wèn)題。就如習(xí)近平總書記所說(shuō)，這是一場(chǎng)廣泛而深刻的經(jīng)濟(jì)社會(huì)系統(tǒng)性變革，要把碳達(dá)峰、碳中和納入生態(tài)文明建設(shè)整體布局。為什么？因?yàn)橹袊?guó)實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和面臨著四大挑戰(zhàn)。

首先，中國(guó)碳排放總量在全球范圍內(nèi)最大。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2021年全球二氧化碳排放總量為338.84億噸。其中，中國(guó)的碳排放量達(dá)到105.23億噸，以31%的占比排在了第一。同為人口大國(guó)的印度，碳排放量為25.53億噸，排在第三。美國(guó)作為發(fā)達(dá)國(guó)家的代表，碳排放量為47.01億噸，排在第二。預(yù)計(jì)中國(guó)2030年碳排放量可達(dá)110億噸。

其次，中國(guó)承諾二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。從達(dá)峰到碳中和僅30年時(shí)間，將是全球用最短時(shí)間實(shí)現(xiàn)從碳達(dá)峰到碳中和的國(guó)家。英國(guó)早在1971年就已碳達(dá)峰。2019年6月，英國(guó)新修訂的《氣候變化法》生效，正式確立到2050年實(shí)現(xiàn)溫室氣體“凈零”排放，即實(shí)現(xiàn)碳中和的目標(biāo)。從碳達(dá)峰到碳中和，英國(guó)將用79年。美國(guó)2005年已碳達(dá)峰，計(jì)劃2050年實(shí)現(xiàn)碳中和，從碳達(dá)峰到碳中和將用45年。

再次，中國(guó)既要實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)，又要保持國(guó)民經(jīng)濟(jì)健康穩(wěn)定發(fā)展，挑戰(zhàn)巨大。從2020年的人均GDP來(lái)看，美國(guó)6.5萬(wàn)美元、德國(guó)4.8萬(wàn)美元、日本4.1萬(wàn)美元，而中國(guó)僅1萬(wàn)美元。根據(jù)我國(guó)社會(huì)主義現(xiàn)代化建設(shè)“三步走”的總體戰(zhàn)略部署，到2050年我國(guó)將實(shí)現(xiàn)第三步戰(zhàn)略目標(biāo)，達(dá)到中等發(fā)達(dá)國(guó)家水平。按照《宏觀經(jīng)濟(jì)藍(lán)皮書》的設(shè)定，我國(guó)2050年人均GDP達(dá)到4.1萬(wàn)美元。在實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和的關(guān)鍵期，我國(guó)的人均GDP要達(dá)到現(xiàn)行水平的4倍，而經(jīng)濟(jì)的發(fā)展必然產(chǎn)生能耗。2019年，我國(guó)萬(wàn)元GDP能耗約為0.519噸標(biāo)準(zhǔn)煤，同期主流發(fā)達(dá)國(guó)家的萬(wàn)元GDP能耗一般維持在0.1～0.2噸標(biāo)準(zhǔn)煤。若要達(dá)到目前發(fā)達(dá)國(guó)家的能耗水平，2060年我國(guó)的總能耗要與當(dāng)前總能耗持平或減少一半，難度很大，需要下大功夫。

最后，中國(guó)要發(fā)展必須保持強(qiáng)大的制造業(yè)。國(guó)外經(jīng)濟(jì)學(xué)家推崇的克拉克定律認(rèn)為，應(yīng)該發(fā)展服務(wù)業(yè)。但是，服務(wù)業(yè)依賴被服務(wù)對(duì)象的強(qiáng)大，導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)發(fā)展金融化、虛擬化、空心化。今年斯里蘭卡作為一個(gè)主權(quán)國(guó)家宣布破產(chǎn)，就是太過(guò)于依賴服務(wù)業(yè)而忽視了農(nóng)業(yè)、制造業(yè)帶來(lái)的惡果。未來(lái)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，應(yīng)該是通過(guò)科學(xué)研究、技術(shù)開(kāi)發(fā)等智力勞動(dòng)推動(dòng)制造業(yè)創(chuàng)新，保證制造業(yè)是創(chuàng)造財(cái)富的主體。制造業(yè)、服務(wù)業(yè)、智造業(yè)三者相互依賴，才能使經(jīng)濟(jì)整體健康發(fā)展。中國(guó)制造業(yè)2010年以來(lái)已連續(xù)11年位居世界第一，占全球比重的近30%。根據(jù)中國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展軌跡，未來(lái)中國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展要依靠高端制造業(yè)，而非金融等非實(shí)體經(jīng)濟(jì)。而制造業(yè)無(wú)疑是能耗大戶，且隨著向高端制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，碳排放同步降低的難度會(huì)越來(lái)越大。

兩方面入手

中國(guó)石油石化：面對(duì)如此嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，您認(rèn)為我國(guó)應(yīng)該如何實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和？

金涌：碳達(dá)峰、碳中和是未來(lái)中國(guó)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)和轉(zhuǎn)型發(fā)展的最大驅(qū)動(dòng)力，綠色低碳轉(zhuǎn)型將是今后全部經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的內(nèi)核。它將成為科學(xué)研究、科技創(chuàng)新以及投資、生產(chǎn)、消費(fèi)等所有經(jīng)濟(jì)活動(dòng)決策的指導(dǎo)思想和重要依據(jù)。面對(duì)上述的挑戰(zhàn)，今后的40年我們一定要理性地、智慧地實(shí)現(xiàn)碳中和，平衡生態(tài)文明建設(shè)與經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的關(guān)系。

中國(guó)石油石化：對(duì)此，您有哪些具體的建議？

金涌：我建議，我國(guó)可以從兩方面入手。

一是推進(jìn)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型。能耗高、產(chǎn)值低的初級(jí)產(chǎn)品要慢慢退出。比如，2019年，美國(guó)人均水泥產(chǎn)量0.27噸/人，而中國(guó)人均水泥產(chǎn)量1.69噸/人，是美國(guó)的6倍；美國(guó)人均鋼鐵產(chǎn)量約0.3噸/人，而中國(guó)鋼鐵產(chǎn)量占世界總產(chǎn)量的50%以上，人均鋼鐵產(chǎn)量約0.9噸/人，是美國(guó)的3倍。這類產(chǎn)業(yè)能耗高、產(chǎn)值低，且未來(lái)我們并不需要這么多，該淘汰就應(yīng)該淘汰。

隨著信息產(chǎn)業(yè)、智能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，5G、互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的進(jìn)步，重工業(yè)的占比將會(huì)數(shù)倍下降。實(shí)現(xiàn)碳中和，我們要以制造業(yè)實(shí)現(xiàn)碳中和為主要努力方向，要通過(guò)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的改變向高端制造業(yè)轉(zhuǎn)型，發(fā)展低能耗、高附加值的數(shù)字產(chǎn)業(yè)、智能產(chǎn)業(yè)。

二是推進(jìn)技術(shù)進(jìn)步。2019年，我國(guó)火電煤耗306.7G/kWh，而發(fā)達(dá)國(guó)家火電煤耗為270G/kWh；石油加工產(chǎn)生的碳排放，中國(guó)為230kg/噸油，而歐洲小于210kg/噸油。通過(guò)節(jié)能技術(shù)的進(jìn)步，我國(guó)約有10%～20%的能耗和碳排放降低空間。

雙管齊下，科技創(chuàng)新的思路有很多。比如，開(kāi)展跨學(xué)科研究，開(kāi)發(fā)顛覆性技術(shù)，比如化學(xué)+生物（制藥、人造器官）、化學(xué)+物理（電池、芯片）、化學(xué)+信息（分子煉油等）。推進(jìn)不同技術(shù)間的融合，比如視、聽(tīng)、觸覺(jué)傳感技術(shù)與5G、6G量子信息傳輸技術(shù)的融合，提升算力、人工智能水平，發(fā)展機(jī)器人產(chǎn)業(yè)。

目前，我國(guó)的5G量子信息傳遞技術(shù)、純電動(dòng)汽車技術(shù)、電池技術(shù)、高鐵技術(shù)已處于世界領(lǐng)先水平，大型工程機(jī)械、無(wú)人機(jī)處于并跑水平，民用航空、人工智能、機(jī)器人已有產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)，芯片、制藥等先進(jìn)技術(shù)加快追趕。這些技術(shù)的進(jìn)步、產(chǎn)業(yè)的興起，都將為碳中和的實(shí)現(xiàn)做出積極貢獻(xiàn)。

出路在科技創(chuàng)新

中國(guó)石油石化：作為科技工作者，您如何看待科技創(chuàng)新對(duì)實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和的意義和價(jià)值？

金涌：我認(rèn)為，科技創(chuàng)新是實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和的唯一出路。要向生產(chǎn)低能耗、高附加值產(chǎn)品的高端制造業(yè)轉(zhuǎn)型，高端材料是基礎(chǔ)，需要科技創(chuàng)新來(lái)實(shí)現(xiàn)。與信息產(chǎn)業(yè)配套的高純?cè)噭⒏邫n光刻膠、封裝材料等，與生化產(chǎn)業(yè)配套的醫(yī)藥、活體3D打印材料、靶向合成等，與精細(xì)化、個(gè)性化制造業(yè)相關(guān)的有機(jī)發(fā)光半導(dǎo)體、碳纖維、濾膜材料、光電膜、鹵化丁基膠、特種聚合物等，同樣需要依靠科技創(chuàng)新。此外，生態(tài)產(chǎn)業(yè)園的建設(shè)，需要通過(guò)科技創(chuàng)新提升技術(shù)，使資源、能源、資金、區(qū)域達(dá)到最優(yōu)配置，實(shí)現(xiàn)全生命周期清潔、源頭污染防治。

●供圖/視覺(jué)中國(guó)

中國(guó)石油石化：就能源行業(yè)來(lái)說(shuō)，您認(rèn)為應(yīng)該如何通過(guò)科技創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)碳中和？

金涌：首先，要通過(guò)科技創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)零碳電力供應(yīng)。

2020年，我國(guó)燃煤機(jī)組發(fā)電量4.8萬(wàn)億千瓦時(shí)，全年消耗標(biāo)準(zhǔn)煤約14.6億噸，碳排放約為42億噸，是碳排放大戶。一方面要通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新降低燃煤發(fā)電的碳排放量，另一方面要發(fā)展可再生能源發(fā)電。

現(xiàn)在風(fēng)電和光伏發(fā)電的成本已經(jīng)很低。以沙特阿拉伯新建的光伏電站為例，發(fā)電成本核算成人民幣為每千瓦時(shí)8分錢。從質(zhì)量、經(jīng)濟(jì)、技術(shù)方面看，風(fēng)電和太陽(yáng)能發(fā)電都是可行的。通過(guò)科技創(chuàng)新，可以進(jìn)一步降低可再生能源發(fā)電的碳排放。例如，風(fēng)電渦輪葉片原來(lái)采用環(huán)氧樹(shù)脂+玻璃纖維材料，使用壽命短、不易回收利用。創(chuàng)新采用熱塑性樹(shù)脂+玻璃纖維，使用壽命延長(zhǎng)，且可溶于新鮮單體而再生，抽出纖維再制造。再比如光伏發(fā)電，多晶硅材料光電能量轉(zhuǎn)換率在10%～15%，而單晶硅光電能量轉(zhuǎn)換率在20%～25%。目前，實(shí)驗(yàn)室正在研究中的砷化鎵材料光電能量轉(zhuǎn)換率能達(dá)到30%以上?？萍紕?chuàng)新，無(wú)疑將大大降低生產(chǎn)新能源發(fā)電相關(guān)部件產(chǎn)生的碳排放。

風(fēng)力和太陽(yáng)能是實(shí)現(xiàn)零碳電力供應(yīng)的重要力量，但缺點(diǎn)是發(fā)電不穩(wěn)定，夜里或者風(fēng)力不夠時(shí)就發(fā)不出電，因此必須配套儲(chǔ)能。2008年，鋰離子動(dòng)力電池應(yīng)用于電動(dòng)汽車。10余年來(lái)，因?yàn)榭萍紕?chuàng)新，實(shí)現(xiàn)了裝車產(chǎn)品能量密度從100Wh/kg提升到了250Wh/kg?，F(xiàn)在儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展很快，方式各異，如化學(xué)儲(chǔ)能、機(jī)械儲(chǔ)能、抽水蓄能等等，而且投資火爆。寧德時(shí)代研發(fā)的方形軟包電池質(zhì)量能量密度304Wh/kg、體積能量密度743Wh/L，已經(jīng)投入市場(chǎng)。隨著可再生能源和儲(chǔ)能的發(fā)展，再通過(guò)智能電網(wǎng)做傳輸，即可形成完整的能源供給網(wǎng)絡(luò)?！翱稍偕?儲(chǔ)能”，將是人類未來(lái)能源終極解決方案之一。

其次，通過(guò)科技創(chuàng)新推動(dòng)化石能源從化石燃料時(shí)代轉(zhuǎn)為化石材料時(shí)代。

現(xiàn)在化石能源在我國(guó)能源消費(fèi)中占據(jù)主要位置。而人為二氧化碳排放中，90%來(lái)自化石燃料燃燒。我國(guó)二氧化碳排放中，燃煤占80%、石油占14%、天然氣占4%。要實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)，一定是少用甚至不用煤炭、石油等傳統(tǒng)能源。未來(lái)，應(yīng)通過(guò)科技創(chuàng)新讓傳統(tǒng)化石能源更多在化工領(lǐng)域發(fā)揮作用。

石油方面，在傳統(tǒng)的煉化技術(shù)下，80%的原油變成了汽油、柴油，僅有20%用來(lái)制作塑料、橡膠和纖維。到2060年，如果電動(dòng)汽車在全國(guó)普及，創(chuàng)新催化裂化法，走石油材料路線，將使這一比例反過(guò)來(lái)，即80%的原油用來(lái)制作材料、20%用來(lái)做燃料。

煤炭方面，煤炭的分質(zhì)利用是一種思路。通過(guò)分質(zhì)，煤炭最終變成半焦和氫氣。氫氣可以作為碳匯處理二氧化碳；經(jīng)過(guò)加熱，半焦也可以成為一種碳匯，生成性質(zhì)活潑的一氧化碳。一氧化碳可以用來(lái)制作酒精，從而用于汽車燃料，甚至塑料、橡膠纖維的使用，實(shí)現(xiàn)無(wú)機(jī)碳向有機(jī)碳的轉(zhuǎn)化?，F(xiàn)有的煤變油、煤變烯烴甚至乙二醇可能不會(huì)受到廣泛支持，只有耗能少、碳排放少、收益高的技術(shù)才能實(shí)現(xiàn)發(fā)展。因此，我國(guó)需要發(fā)展新的技術(shù)，提高煤炭的利用率。

●接天蓮葉無(wú)窮碧，“風(fēng)”“光”不與四時(shí)同。供圖/視覺(jué)中國(guó)

天然氣是很好的碳中和原料，應(yīng)當(dāng)分離碳和氫元素。氫是碳匯中的一部分，可以與碳氧化合物反應(yīng)。碳可以作為還原劑，將二氧化碳還原為用途更廣泛的一氧化碳。類似的做法為目前正面臨淘汰風(fēng)險(xiǎn)的高耗能企業(yè)提供了退出路徑，可以幫助它們改造原有技術(shù)，減少碳排放，提高能源利用率，降低損失，契合碳中和目標(biāo)。

總的來(lái)說(shuō)，實(shí)現(xiàn)碳中和，我們要從學(xué)術(shù)角度研究，要認(rèn)識(shí)到碳元素和氫元素是對(duì)生物、對(duì)人類最重要的兩個(gè)元素。不要懼怕它們，而要進(jìn)行碳元素和氫元素的自然代謝分析，對(duì)社會(huì)生態(tài)中的碳元素和氫元素重新規(guī)劃和優(yōu)化利用。我國(guó)要實(shí)現(xiàn)碳中和，就必須從現(xiàn)在開(kāi)始進(jìn)行合理規(guī)劃、有序替代，積極創(chuàng)新、循序漸進(jìn)，與經(jīng)濟(jì)發(fā)展同步。

相信到2060年實(shí)現(xiàn)碳中和時(shí)，我國(guó)將由工業(yè)化時(shí)代轉(zhuǎn)變?yōu)樾畔⒒瘯r(shí)代，進(jìn)入可再生能源主導(dǎo)時(shí)代、核聚變能源時(shí)代、化石材料時(shí)代、資源循環(huán)利用時(shí)代，擺脫能源資源的困擾。