從中國(guó)式教育之殤----到塑料環(huán)保之路在何方？
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劉科院士：“碳中和”概念被許多人歪解了
2021年7月15日上午，國(guó)際知名的能源專家、澳大利亞國(guó)家工程院外籍院士、南方科技大學(xué)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)學(xué)院院長(zhǎng)劉科做客科技創(chuàng)新院士報(bào)告廳，圍繞“碳中和誤區(qū)及其現(xiàn)實(shí)路徑”做了精彩演講，在業(yè)內(nèi)引起廣泛關(guān)注。
據(jù)統(tǒng)計(jì)，2020年，我們中國(guó)二氧化碳排放大約103億噸（報(bào)道數(shù)據(jù)是102億噸到108億噸，我選其它文獻(xiàn)中也用的103億噸這個(gè)中間的數(shù)字），其中，煤炭、石油、天然氣排放達(dá)到95億噸，另外一部分是各種小的，比如沼氣、生物質(zhì)，還有一些其他的排放。所以，約92%的CO2排放是以上煤炭、石油、天然氣這三種化石能源燃燒產(chǎn)生的。衡量任何一家公司、任何一家單位、任何一個(gè)系統(tǒng)，把這三個(gè)算準(zhǔn)就可以了。國(guó)家對(duì)這三個(gè)都有統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，不需要額外再計(jì)量CO2排放量。2020年，中國(guó)的總煤耗量大約36億噸，折算成標(biāo)準(zhǔn)煤大約28億噸，每噸標(biāo)準(zhǔn)煤再乘以一個(gè)系數(shù)就可以得出，煤炭一年大約排放73.5億噸二氧化碳。2020年，中國(guó)的石油消耗7億多噸，折成標(biāo)準(zhǔn)煤約9億噸，排放二氧化碳15.4億噸；天然氣消耗量折成標(biāo)煤是4億噸的樣子，排放二氧化碳6億噸；三個(gè)加起來(lái)是95億噸。103億噸除以14億人口，人均大概7.4噸，一個(gè)三口之家每年平均排放22噸二氧化碳，這是一個(gè)天量的數(shù)字。怎么說(shuō)呢？如果把二氧化碳轉(zhuǎn)化成一種產(chǎn)品，22噸原料就要生產(chǎn)22噸產(chǎn)品，不管什么產(chǎn)品，哪一個(gè)家庭一年能消耗得了22噸這么多呢？
圖2 2018年5月13日，李克強(qiáng)總理參觀日本豐田氫燃料汽車。
圖1 1912年，愛(ài)迪生跟他的電動(dòng)車合影。
電動(dòng)車和燃油車之爭(zhēng)不是今天剛剛開始。1912年，以愛(ài)迪生為首的一批科學(xué)家，就覺(jué)得將來(lái)電動(dòng)車可以統(tǒng)領(lǐng)世界。以福特為代表的汽車公司走的是燃油車路線。到了20世紀(jì)30年代以后電動(dòng)車就幾乎銷聲匿跡了，今天燃油車仍然占有統(tǒng)治地位。
為什么一百年前電動(dòng)車多于燃油車？因?yàn)殂U酸電池早于內(nèi)燃機(jī)發(fā)明二十多年。有了鉛酸電池，再接一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)，就是今天高爾夫球場(chǎng)開的車，上面再加一個(gè)車體就是汽車了。今天高爾夫球場(chǎng)開的車就是一百年前愛(ài)迪生開的車，所以電動(dòng)車不是全新的技術(shù)，它這么多年來(lái)創(chuàng)新的核心在電池和電控系統(tǒng)。
那么，為什么前一百年電動(dòng)車沒(méi)有競(jìng)爭(zhēng)過(guò)燃油車？世界前100年選擇了燃油車的根本原因是什么？我在這里不預(yù)測(cè)未來(lái)，只用數(shù)據(jù)來(lái)講歷史，跟大家解釋幾個(gè)原因。
第1個(gè)原因，我們做能源的人都有一個(gè)概念叫做體積能量密度。汽車有壓艙鋼板，輪船有壓艙水，這個(gè)能源略微重一點(diǎn)對(duì)汽車、輪船的影響不大，但油箱不能無(wú)窮大。假設(shè)我們的油箱都是1立方米，每種能源蘊(yùn)含的能量密度大小，也就決定了汽車能跑的距離遠(yuǎn)近。
100多年前就發(fā)明的鉛酸電池的能量密度是90千瓦時(shí)/立方米，人類花了上千億美元和100多年的探索，電池能量密度到現(xiàn)在特斯拉的電池、比亞迪的刀片電池，也就是260千瓦時(shí)/立方米。而汽油的能量密度是8600千瓦時(shí)/立方米，柴油是9600千瓦時(shí)/立方米。稍后即將提到的甲醇液體是4300千瓦時(shí)/立方米，遠(yuǎn)大于電池。
第二個(gè)原因，液體是比較好的儲(chǔ)能的載體。液體能源有個(gè)非常好的特點(diǎn)，陸上可以管路輸送，海上可以非常便宜地跨海輸送，而且可以在常溫常壓下長(zhǎng)期儲(chǔ)存。
2016年我到深圳工作不久，在一個(gè)能源研討會(huì)上，我向很多能源界、學(xué)術(shù)界的朋友提了一個(gè)問(wèn)題，當(dāng)時(shí)很長(zhǎng)一段時(shí)間在深圳開車加油是7塊錢左右一升，假設(shè)這個(gè)汽油是從休斯敦的煉油廠用船拉到深圳鹽田港再到加油站，這一升的運(yùn)費(fèi)是多少錢？我讓好多搞能源的朋友猜，有人猜是一半（3塊5），甚至有人猜5塊，也有人猜1塊的，我說(shuō)真正的答案是7分錢不到。我說(shuō)7分錢的時(shí)候大家沒(méi)人相信，但一算就明白了。現(xiàn)在的大油輪一條大船可以拉30萬(wàn)噸，折算汽油是約4億升（折算原油約3.6億升）。液體的好處在于，使用泵和管道就能裝船，不需要人工。到了深圳的碼頭，管道連接好后，使用泵就能打到罐里，也不要人工。路上耗費(fèi)的就是船的油錢和折舊費(fèi)，4億升，如果一升一毛錢就是4000萬(wàn)元，但跑一趟船根本用不了這么多油錢。這就是為什么世界上產(chǎn)石油的只有那么幾個(gè)地方，但任何一個(gè)角落都可以很方便地加油開車。所以，液體在運(yùn)輸上有很多好處，而且可以長(zhǎng)期儲(chǔ)存。高度酒（如蘇格蘭烈性伏特加、中國(guó)的二鍋頭、茅臺(tái)等）存50年沒(méi)問(wèn)題，但電和氣都不能長(zhǎng)期儲(chǔ)存。常見(jiàn)的高度酒也是一種醇類液體，舉這個(gè)例子告訴大家，液體燃料的運(yùn)輸以及長(zhǎng)期存儲(chǔ)不存在任何問(wèn)題。
這些最基本的概念大家需要清楚，這也是為什么我冬天到加拿大那些靠近北極的鎮(zhèn)子去看，那里沒(méi)有電網(wǎng)、天然氣網(wǎng)，很多村鎮(zhèn)只有一個(gè)加油站，一罐汽油、一罐柴油拉過(guò)來(lái)就可以滿足日常生活了。在世界上再偏僻的角落，只要有公路的地方，拉過(guò)去就可以長(zhǎng)期儲(chǔ)存，拉一罐，一兩個(gè)月就夠了，但電和天然氣管網(wǎng)沒(méi)那么容易可以鋪設(shè)到。這就是液體能源的優(yōu)勢(shì)。人類永遠(yuǎn)選擇經(jīng)濟(jì)最優(yōu)化的東西，不是誰(shuí)喜歡什么，而是什么東西便宜，最方便。
第三點(diǎn)，為什么人類的第1條流水線是福特的流水線？?jī)?nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)是機(jī)械的東西，造一臺(tái)很貴，但當(dāng)設(shè)計(jì)一旦定型，在一條流水線每年造100萬(wàn)臺(tái)的時(shí)候，每臺(tái)的成本會(huì)極大降低。1913年，福特的流水線一上去量產(chǎn)，就讓美國(guó)的汽車從4700美元降到380美元，讓每個(gè)藍(lán)領(lǐng)工人都可以買得起汽車。
然而電動(dòng)車的不同之處在于，每個(gè)電池都需要一定量的鎳、鈷、鋰，車上還有銅等各種金屬。產(chǎn)能擴(kuò)張后每臺(tái)成本會(huì)有所下降，但是下降不多，不像機(jī)械不銹鋼，要多少，產(chǎn)多少，造得越多，成本越低，材料成本很少。電動(dòng)車的材料成本占大頭，加工成本并不是主流，所以采用流水線可以降低一些，但不能有根本的降低。
中國(guó)的電動(dòng)車從2016年底的51.7萬(wàn)輛增加到2018年第1個(gè)季度的79.4萬(wàn)輛，增量為28萬(wàn)輛，相對(duì)于當(dāng)時(shí)整個(gè)汽車市場(chǎng)一年2900萬(wàn)輛的產(chǎn)量的1/1000，但同期追蹤全世界的鈷的價(jià)格和鋰的價(jià)格，分別漲到了原來(lái)的四倍和兩倍。這種情況告訴我們，如果技術(shù)不突破，不把鈷和鋰的用量降下來(lái)，造得越多材料越貴。當(dāng)鈷的價(jià)格翻了四倍，鋰價(jià)格翻了一倍的時(shí)候，全世界沒(méi)有一家公司聲稱通過(guò)回收電池里的鈷和鋰能實(shí)現(xiàn)盈利，這反過(guò)來(lái)告訴我們，電池的回收技術(shù)還有待突破。
最近很多原材料漲價(jià)，一方面是因?yàn)榱炕瘜捤?，另一方面就是這些金屬原來(lái)的供需關(guān)系發(fā)生了變化。原來(lái)的供需關(guān)系是非常穩(wěn)定的，因?yàn)楣I(yè)上用到的鈷、鎳這些的量非常有限?，F(xiàn)在突然來(lái)了這么多造車新勢(shì)力，供需關(guān)系就變了。當(dāng)供需關(guān)系變了以后價(jià)格不會(huì)說(shuō)是按比例增長(zhǎng)，比如世界上100個(gè)人，但是只有99瓶礦泉水，最后1瓶的礦泉水一定不是漲到1.1倍，而是最后一個(gè)人買不起的價(jià)格。
就按今天的價(jià)格，電動(dòng)車的成本其實(shí)每個(gè)人心里都有數(shù)。我列出來(lái)，每輛車需要銅53.2公斤，鋰8.9公斤，鎳39.9公斤，錳24.5公斤，鈷13.3公斤，石墨66.3公斤，稀土0.5公斤，其他0.3公斤。最近，磷酸鐵鋰電池出來(lái)，鈷的用量可以降下來(lái)的，但問(wèn)題是冬天溫度一低它的性能不好了。所以，今天的這個(gè)價(jià)格，一輛好的寶馬、奔馳的內(nèi)燃機(jī)成本在2300美元左右，特斯拉的電池成本則是在2萬(wàn)美元左右。一個(gè)工業(yè)要發(fā)展必須是可以大規(guī)模量產(chǎn)的時(shí)候，越大規(guī)模越便宜。這就是為什么人類的第1條流水線是福特的流水線。這都不是偶然的。這些問(wèn)題我們大眾不清楚，但是行業(yè)里面是清楚的。現(xiàn)在資本市場(chǎng)很熱，但是一旦補(bǔ)貼政策停止了，能不能掙錢冷暖自知。
圖2 2018年5月13日，李克強(qiáng)總理參觀日本豐田氫燃料汽車。
大家關(guān)心汽車的人可能都看過(guò)這張照片（圖2）。借著2018年5月13日國(guó)家總理李克強(qiáng)訪問(wèn)豐田汽車公司，網(wǎng)上瘋炒氫能，說(shuō)電動(dòng)車真正的未來(lái)是氫燃料電池汽車，不是電動(dòng)車。氫能有它的好處，發(fā)電效率高，能降低對(duì)石油的依賴，排放的是水蒸氣，而且大規(guī)模量產(chǎn)后成本能下來(lái)。盡管燃料電池也要用貴金屬，但是它的貴金屬回收技術(shù)相對(duì)來(lái)講比較成熟。并且這些年的研發(fā)使得貴金屬用料量在降低，這都是它的優(yōu)點(diǎn)。
現(xiàn)在我們的電池是梯級(jí)利用，今天的電動(dòng)汽車用了5到7年，把退役動(dòng)力電池用作儲(chǔ)能電源，比如放到5G基站底下做儲(chǔ)能，可能還可以再延遲一二十年。但是儲(chǔ)能電池是有壽命的，里邊有很多對(duì)自然有害的化學(xué)物質(zhì)，不可能無(wú)限期使用，一二十年后仍然需要回收。如果不回收，當(dāng)幾百萬(wàn)個(gè)甚至將來(lái)上千萬(wàn)個(gè)電池分布在中國(guó)大地，如果任其泄露，那是環(huán)境的災(zāi)難。
能源全生命周期分析概念很重要，我們?cè)?jīng)做過(guò)一百多條線的“油井到車輪子”或者是“礦井到車輪子”的分析，要知道中國(guó)的能源40%在新疆，怎么把能源輸過(guò)來(lái)，這是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)。
我在GE曾花了幾百萬(wàn)美元和很多博士一起做能源的全生命周期分析研究的模型，每一步的排碳是多少，效率是多少，最后用數(shù)字說(shuō)話。回國(guó)后，我花了很大的代價(jià)把這套方法論引進(jìn)來(lái)，專門在低碳所和美國(guó)的EPC公司及國(guó)家實(shí)驗(yàn)室合作啟動(dòng)了“能源的全生命周期的分析”的項(xiàng)目，從零開始培養(yǎng)這方面的人才。這種軟課題在國(guó)內(nèi)很難拿到大的經(jīng)費(fèi)支持，但是很重要，因?yàn)橐谩皵?shù)據(jù)決策”。原中國(guó)工程院副院長(zhǎng)謝克昌院士領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)包括低碳所的田亞俊博士等正在致力于推動(dòng)這方面的工作，補(bǔ)這一塊的短板，是非常有意義、有價(jià)值的工作。因?yàn)檎嬲臎Q策最后是要依靠數(shù)據(jù)的，要科研人員花大量的時(shí)間把數(shù)學(xué)模型一點(diǎn)點(diǎn)建起來(lái)，并不斷地調(diào)整，最后能夠跟現(xiàn)實(shí)的數(shù)據(jù)對(duì)照，不斷修正模型參數(shù)，最后用這些模型的預(yù)測(cè)數(shù)字做未來(lái)的決策，這叫“數(shù)據(jù)決策data-driven decision making”，這是我們要提倡的一種文化。就像碳中和，將來(lái)也要做好各種渠道的碳中和數(shù)據(jù)搜集，從油井、礦井、天然氣井到車輪子、到電燈泡等等，每一步的全生命周期分析，建立模型，用模型分析完以后大家用數(shù)字說(shuō)話。
電動(dòng)車遇到這些問(wèn)題，并不意味著不去發(fā)展電動(dòng)車和電池技術(shù)，電池技術(shù)的研發(fā)永遠(yuǎn)是重要的，不僅是工業(yè)界在推動(dòng)研發(fā)各種先進(jìn)電池技術(shù)，我們南方科技大學(xué)的趙予生教授、鄧永紅教授等團(tuán)隊(duì)在這方面一直努力創(chuàng)新研發(fā)，并且取得了領(lǐng)先的進(jìn)展。但是有一點(diǎn)我要講，電動(dòng)化和網(wǎng)聯(lián)化沒(méi)有必然的聯(lián)系。內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)只要電池足夠大，夠一臺(tái)較好的計(jì)算機(jī)用就行了?，F(xiàn)在有人說(shuō)要搞網(wǎng)聯(lián)化、搞智能化，所以必須搞電能化，這句話只對(duì)了一半。今天一個(gè)智能手機(jī)的運(yùn)算能力有多少？網(wǎng)聯(lián)化可能需要幾十個(gè)手機(jī)的運(yùn)算能力，那也就是幾塊電池的問(wèn)題。但是如果因?yàn)樾枰@種運(yùn)算能力，就一定要把驅(qū)動(dòng)改成電動(dòng)嗎？實(shí)際上，現(xiàn)在一輛比較好的奔馳車，只要有一塊足夠的電池，里面有電動(dòng)機(jī)發(fā)電也可以做網(wǎng)聯(lián)化、智能化。所以智能化、網(wǎng)聯(lián)化和電動(dòng)化沒(méi)有必然的聯(lián)系。
為什么氫能汽車還沒(méi)有產(chǎn)業(yè)化？
氫能一點(diǎn)也不新，早在上個(gè)世紀(jì)六十年代，阿波羅登月的時(shí)候就是帶著液氫液氧上天，氫能發(fā)的電供儀器用，產(chǎn)生的水宇航員喝。
我曾經(jīng)在美國(guó)聯(lián)合技術(shù)（UTC）-殼牌合資公司工作，很多年美國(guó)所有宇宙飛船的燃料電池就是聯(lián)合技術(shù)公司（UTC）生產(chǎn)的。上世紀(jì)90年代一直到2005、2006左右，這個(gè)期間美國(guó)花了上百億美元在燃料電池上的研發(fā)。我記得2003年小布什總統(tǒng)在他的國(guó)情咨文演講時(shí)說(shuō)，他會(huì)宣布一個(gè)計(jì)劃，美國(guó)能源部花12億美元開發(fā)氫燃料電池汽車，15年后每一個(gè)美國(guó)人開的車后邊排放的都是水蒸氣。然而到現(xiàn)在，全世界的燃料電池（車）可能加起來(lái)也就是3萬(wàn)多輛，美國(guó)不到1萬(wàn)輛。去年全世界氫能源車只賣了1900多輛，豐田也沒(méi)賣多少輛。小布什總統(tǒng)用還沒(méi)有真正意義上突破的技術(shù)去制定國(guó)家戰(zhàn)略，耗費(fèi)大量投資，盡管在這期間培養(yǎng)了的大量的科學(xué)家和研發(fā)人員，但是對(duì)于產(chǎn)業(yè)的推動(dòng)和環(huán)境的改變是微乎其微的。
燃料電池汽車，也就是我們說(shuō)的氫能汽車，為什么沒(méi)有產(chǎn)業(yè)化？最根本的原因是氫氣不適合于作為你我大眾共有的能源載體。很多人在這塊有一個(gè)誤區(qū)，甚至有媒體渲染說(shuō)“氫是人類的最終能源”，這句話是不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)摹洳皇且淮文茉?，而是一種二次能源，或者更確切地說(shuō)是能源的載體。這個(gè)世界有煤田、油田、天然氣田，但沒(méi)有氫田。氫和電以及甲醇一樣，是通過(guò)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(zhǎng)期儲(chǔ)存方面的優(yōu)勢(shì)。
氫氣不適合于做大眾能源載體，主要的原因在于有幾個(gè)方面人們無(wú)法通過(guò)研發(fā)改變。
第1，氫氣是體積能量密度最小的物質(zhì)，我們要求是體積能量密度越大越好。好多人犯了一個(gè)概念性的誤解，說(shuō)氫是能量密度大的，這句話又是對(duì)了一半。如果論公斤（質(zhì)量能量密度），氫的能量密度是比較大的。但是對(duì)于汽車壓重和輪船有壓艙水來(lái)說(shuō)，重一點(diǎn)問(wèn)題不大，但油箱體積不能太大，應(yīng)該論每立方米，論公斤意義不大。如果轉(zhuǎn)成同樣的能源概念，它的體積能量密度是最小的（如圖3）。為了增加體積能量密度，只好增加壓力。目前看到所有的氫燃料電池車?yán)锏膬?chǔ)氫罐，都是350和700公斤大氣壓。儲(chǔ)氫罐如果拿不銹鋼設(shè)計(jì)必須做得非常厚，因?yàn)閴毫μ?。學(xué)過(guò)理工的人都知道，700公斤壓力的高壓設(shè)備，不是那么容易生產(chǎn)制造的。
圖3：各類能源的能量密度
第二，氫氣高壓會(huì)有一個(gè)問(wèn)題，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(zhǎng)期儲(chǔ)存是問(wèn)題。
第三，氫氣在露天沒(méi)有問(wèn)題，我們?cè)?0多年前在美國(guó)做過(guò)這個(gè)實(shí)驗(yàn)，一個(gè)氫燃料電池車，它的儲(chǔ)氫罐為了安全一般都放在最后，普通步槍一槍是打不透的，用超強(qiáng)的步槍打穿，因?yàn)闅錃夂茌p，就像氫氣球一樣，一條火龍沖上天，駕駛室的溫度一下子升不了那么高，人有足夠時(shí)間逃逸。
但是，在封閉的空間里，氫氣就會(huì)有巨大的問(wèn)題。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(gè)很寬的范圍內(nèi)，遇火星就爆。
現(xiàn)在北上廣深這些城市，尤其在深圳，90%以上的車是停到地下車庫(kù)這一封閉空間里的。當(dāng)大量氫能汽車進(jìn)到地下車庫(kù)，若有一輛車泄露，就會(huì)產(chǎn)生巨大的危險(xiǎn)。盡管這個(gè)是小概率事件，但是使用量眾多的時(shí)候，總有部件老化等問(wèn)題發(fā)生，哪怕儲(chǔ)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(fā)生了撞擊。一旦泄露遇到火星、電火花就會(huì)爆炸，引起其他車爆炸，一個(gè)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。
因?yàn)闅錃獾谋ㄐ?，現(xiàn)在都不讓運(yùn)輸氫超過(guò)一定的范圍的車輛過(guò)隧道，如果把隧道炸掉了怎么辦？當(dāng)然，將來(lái)是不是能夠建氫管道是另外一個(gè)問(wèn)題。
同樣因?yàn)闅錃獾谋ㄐ裕ㄔO(shè)加氫站要特別小心，周圍需一定的安全距離?，F(xiàn)在的北上廣深到處都是加油站，但地價(jià)這么貴，到哪找能那么多地重新建加氫站呢？
因?yàn)檫@些問(wèn)題，盡管氫能現(xiàn)在很熱，但是要謹(jǐn)慎。氫氣的這些性質(zhì)決定了它不適合做能源載體。所以，當(dāng)人們說(shuō)“氫是人類能源”時(shí)，很多的東西是似是而非的。
疫情前，科技部幾位同志可能聽說(shuō)我做過(guò)幾屆全美氫能與燃料電池峰會(huì)主席并且二十多年來(lái)一直是國(guó)際氫能協(xié)會(huì)的理事，帶了幾個(gè)專家到深圳來(lái)調(diào)研，我們談了一下午，之后我把氫能的一些現(xiàn)狀、問(wèn)題以及解決途徑寫了一個(gè)簡(jiǎn)單的報(bào)告，后來(lái)他們就把它放進(jìn)《科技日?qǐng)?bào)》的頭版頭條里。
制氫容易，但儲(chǔ)氫、運(yùn)氫有難度。世界上其實(shí)氫氣的使用很廣泛，中國(guó)的氫氣產(chǎn)能已經(jīng)達(dá)到3000多萬(wàn)噸/年了，今天我們用的每一克的化肥都是氫造的。世界上有這么多的化肥廠、煉油廠都要大量的氫氣，但是目前沒(méi)有一個(gè)化肥廠、煉油廠是靠太陽(yáng)能、風(fēng)能制氫、制化肥。什么原因？太貴，要是便宜的話，這些化肥廠，煉油廠早就改了用太陽(yáng)能、風(fēng)能制氫了。
現(xiàn)在全世界每年已有數(shù)千萬(wàn)噸的氫市場(chǎng)，而且供給到煉油廠氫是最貴的，每個(gè)煉油廠邊上都有個(gè)大的氣體公司。用風(fēng)能、太陽(yáng)能制氫不是不可以做，只是目前沒(méi)有足夠的經(jīng)濟(jì)吸引力。如果說(shuō)這是賺錢的，相信很多企業(yè)家早就開始拿風(fēng)能和太陽(yáng)能制氫去了。
氫也不是沒(méi)有優(yōu)勢(shì)，也可以做，怎么做？跟我們的碳中和有關(guān)系。
為什么甲醇可能是作為好的儲(chǔ)氫載體？
如果今后真正想實(shí)現(xiàn)碳中和，并且太陽(yáng)能、風(fēng)能可以賣碳稅的時(shí)候，可以把風(fēng)能、太陽(yáng)能和煤結(jié)合制出比較便宜的甲醇，通過(guò)車載甲醇制氫并與燃料電池系統(tǒng)集成，這就比直接燃燒的發(fā)動(dòng)機(jī)效率高。這條路線未來(lái)是有可能的。我只能說(shuō)有可能，不能保證，主要取決于各種政策的調(diào)整和碳稅。如果碳稅上去了，這條線路就有經(jīng)濟(jì)性。
1L甲醇和水反應(yīng)可以放出143克的氫。儲(chǔ)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(yīng)的產(chǎn)氫量是1L液氫的2倍。
為什么這個(gè)技術(shù)有可能這樣做？二十年前，全世界第1輛汽油在線轉(zhuǎn)化制氫的燃料電池汽車，是我領(lǐng)著尼桑和殼牌的一些工程師造出來(lái)的。
這有一個(gè)小故事，那時(shí)豐田、本田、GM的高壓氫燃料電池已經(jīng)造出來(lái)了，尼桑發(fā)現(xiàn)落后了，于是找到殼牌，又找到我們，說(shuō)能不能造一輛車，加的是汽油，汽油在車上和水、和空氣反應(yīng)造氫，然后推動(dòng)燃料電池，這樣燃料電池的效率高，同時(shí)也可以不用加氫站。
當(dāng)時(shí)為什么沒(méi)有做甲醇？因?yàn)轫?yè)巖氣革命還沒(méi)發(fā)生，天然氣當(dāng)時(shí)很貴，國(guó)外的天然氣制甲醇成本太高。2005年，如果我們預(yù)測(cè)到會(huì)發(fā)生頁(yè)巖氣革命，就不會(huì)花28億美元建零污染火電廠。但技術(shù)是不可預(yù)測(cè)的。頁(yè)巖氣革命讓世界上突然發(fā)現(xiàn)了上百年用不完的天然氣，也使得天然氣從17美元/百萬(wàn)英熱單位狂降到1.5美元，而后平盤到3美元左右。
在天然氣價(jià)格那么高的時(shí)候，甲醇沒(méi)有經(jīng)濟(jì)性。所以，當(dāng)時(shí)我們公司考慮用油，說(shuō)能不能在車上汽油制氫。老板找我的時(shí)候，我說(shuō)這個(gè)項(xiàng)目肯定不掙錢。但是他跟我說(shuō)，我做阿波羅登月的時(shí)候根本沒(méi)有想到掙錢，但事實(shí)上我們阿波羅登月開發(fā)的技術(shù)后來(lái)在各個(gè)領(lǐng)域用上了，現(xiàn)在有尼桑給我們錢，只要把技術(shù)做到極限，最后也能在其他領(lǐng)域有用。我說(shuō)，只要?jiǎng)e拿掙錢衡量我，我們把技術(shù)做到極限那是好事。后來(lái)，幾年之內(nèi)我們就把第1輛汽油轉(zhuǎn)化制氫的燃料電池汽車造出來(lái)了。
有了這個(gè)技術(shù)做積累，甲醇制氫比汽油轉(zhuǎn)化容易很多，因?yàn)橐环矫婕状几蓛舻枚?，沒(méi)有硫；另一方面汽油轉(zhuǎn)化需要850度以上，甲醇和水反應(yīng)200多度就可以了。
為什么我提甲醇這條線路？甲醇可以從煤、天然氣來(lái)制，未來(lái)可以用太陽(yáng)能制氫與CO2反應(yīng)制，或太陽(yáng)能催化二氧化碳和水來(lái)制甲醇，就變成綠色的甲醇。中國(guó)科學(xué)院大連化物所的李燦院士以及我們南方科技大學(xué)都在做綠色甲醇的研發(fā)，中科院在蘭州已經(jīng)建設(shè)了1000噸的論證示范工廠?，F(xiàn)在中國(guó)甲醇產(chǎn)能全世界高，大概8000多萬(wàn)噸。另外，頁(yè)巖氣革命讓世界發(fā)現(xiàn)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。未來(lái)如果碳稅真正上去了，我們也可以用風(fēng)能和太陽(yáng)能制氫，這樣生產(chǎn)的甲醇就完全是綠色甲醇了。
但是這個(gè)世界不需要追求零碳，國(guó)際上常提的零碳排放通常是“近零（Near Zero）”和“凈零(Net Zero)”。講碳中和的時(shí)候一定要強(qiáng)調(diào)，就是這個(gè)世界碳太多不好，但是任何人追求零碳是不科學(xué)的，因?yàn)槲覀兂缘氖称?、植物生長(zhǎng)和光合作用都需要二氧化碳。如果把中國(guó)的經(jīng)濟(jì)從煤經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)到天然氣經(jīng)濟(jì)或者是甲醇經(jīng)濟(jì)就可以減碳67%，那么基本上就可以做到碳平衡了。因此中國(guó)講的是“碳中和”，國(guó)外講的是“凈零排放”，也就是要排放碳的同時(shí)，有別的技術(shù)或者措施實(shí)現(xiàn)排放平衡到一定水平。
我個(gè)人覺(jué)得，從中國(guó)的天然能源稟賦和工業(yè)基礎(chǔ)來(lái)看，中國(guó)有很成熟的煤制甲醇技術(shù)，只是要產(chǎn)生很多的二氧化碳，因?yàn)橐a(bǔ)氫以達(dá)到甲醇合成所需要的碳?xì)浔?，然而通過(guò)水煤氣變換將一氧化碳轉(zhuǎn)化成氫氣的同時(shí)會(huì)排放二氧化碳。如果那部分的氫可以在西部用太陽(yáng)能和風(fēng)能制，同時(shí)副產(chǎn)氧氣供煤氣化用，能夠解決很多排放問(wèn)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比較大的，這塊投資未來(lái)省下來(lái)可以做太陽(yáng)能電解水裝置生產(chǎn)氧氣和氫氣供煤制甲醇用，這樣煤轉(zhuǎn)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(lái)比較現(xiàn)實(shí)的一條碳中和路線。說(shuō)穿了是利用現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施把太陽(yáng)能以甲醇液體的形式儲(chǔ)存下來(lái)；這是未來(lái)風(fēng)能，太陽(yáng)能儲(chǔ)能的另外一條途徑。
這樣風(fēng)能、太陽(yáng)能雖然貴一點(diǎn)，但煤很便宜，這兩個(gè)一中和，成本就可控了。氫氣和二氧化碳做綠色甲醇目前還有一定的成本障礙，如今直接用現(xiàn)有的煤甚至劣質(zhì)煤制甲醇就可以了。甲醇是一個(gè)載體，液體的載體比氣和電載體科學(xué)多了。因?yàn)?，電雖然好輸送但是不好存儲(chǔ)，氫既不好輸送，也不好存儲(chǔ)，只有液體比較方便。
今天氫氣制造很便宜，可一旦壓縮到幾百公斤大氣壓的時(shí)候成本就上去了。張家口冬奧會(huì)做氫能示范，國(guó)家補(bǔ)貼了大量資金，并且目標(biāo)在未來(lái)幾年達(dá)到30元/kg的氫氣價(jià)格。但是如果在車上用甲醇，就按今天的市場(chǎng)價(jià)格買甲醇，每公斤氫氣的成本只有15元。
所以一方面是甲醇制氫的成本低了；另一方面，甲醇常溫常壓下是液體，甲醇站可以用已有的液體加油站改裝。對(duì)于一般的加油站，近年可能是6個(gè)罐，前期替換成1個(gè)甲醇罐、5個(gè)汽柴油罐，再過(guò)十年，替換成2個(gè)甲醇罐，4個(gè)汽油罐。這樣整個(gè)能源轉(zhuǎn)型就不需要再花多少萬(wàn)億去建加氫站和充電樁了。
簡(jiǎn)單估算一下布局成本，按照加油站450輛車/天的加注能力，充電站24輛車/天充電能力，小型氫氣加注30輛車/天的能力來(lái)測(cè)算，假設(shè)都建一萬(wàn)座，甲醇大約需要20億美元，充電站大約需要830億美元，加氫站大約1.4萬(wàn)億美元，而且這個(gè)1.4萬(wàn)億還沒(méi)有考慮地價(jià)的因素。
我不認(rèn)為我們會(huì)把花了幾萬(wàn)億建起來(lái)的液體燃料基礎(chǔ)設(shè)施毀掉再重新建加氫站和充電樁，沒(méi)有必要。石油如果排碳太高，可以用綠色的液體取代，而且我們可以把太陽(yáng)能和風(fēng)能轉(zhuǎn)成液體儲(chǔ)存下來(lái)，這就改變了儲(chǔ)能的概念，原來(lái)大家多少年花了多少萬(wàn)億就是研究?jī)?chǔ)電，但是儲(chǔ)電干了一百年都干不過(guò)一個(gè)抽水儲(chǔ)電，這條線上再給十億的研發(fā)經(jīng)費(fèi)，成功的概率也就是萬(wàn)分之十、千分之一。
電池對(duì)小型設(shè)備比如說(shuō)手機(jī)非常重要，但是靠電池做大型的儲(chǔ)能要非常謹(jǐn)慎。最近國(guó)家也非常注意，把梯級(jí)利用的大電站停下來(lái)了，因?yàn)榘踩允且粋€(gè)問(wèn)題。
電動(dòng)車和燃料電池的問(wèn)題在于基礎(chǔ)設(shè)施的土地成本問(wèn)題和冬天續(xù)航問(wèn)題。現(xiàn)在我們城市里土地很貴，好多人為了拿國(guó)家補(bǔ)貼就在郊外搞一個(gè)充電站，但是買一輛車如果開車來(lái)回一個(gè)小時(shí)才能到充電站或加氫站，你會(huì)買嗎？現(xiàn)在，我國(guó)已建成的公共充電樁利用率平均只有4%左右，其中充電樁鋪設(shè)最多的北京、上海，使用率僅為1.8%、1.5%。電動(dòng)車存在里程焦慮且冬天無(wú)法滿足供暖，到冬天一遇冷可能會(huì)趴窩，要知道全世界80%主要發(fā)達(dá)城市位于北緯25度以上，紐約、倫敦、巴黎、莫斯科、東京、北京、多倫多，這些城市都是有冬天的地方，如果一輛汽車只能夏天開冬天開不了，你會(huì)買嗎？原來(lái)我在北京，為了研究這個(gè)，專門找電動(dòng)出租車坐，上車后我發(fā)現(xiàn)司機(jī)大冬天穿著軍大衣、棉靴子，不敢開暖氣。我說(shuō)把暖氣打開，司機(jī)說(shuō)他不敢。因?yàn)椴婚_暖氣，只能跑100多公里，如果開了暖氣，馬上就沒(méi)電了，他根本賺不了錢。
如果風(fēng)能、太陽(yáng)能和煤炭結(jié)合轉(zhuǎn)成甲醇，我車上永遠(yuǎn)裝50升的甲醇就好辦了。今天，在深圳買一個(gè)電動(dòng)車，連廣州都不敢跑一趟。跑到那里沒(méi)電了不知道到哪充，即使能找到充電樁，可能也要等一個(gè)小時(shí)，而快充對(duì)電池的破壞很大。怎么辦？我們現(xiàn)在想辦法給電動(dòng)車賦能。反正晚上回家停車，你在停車位邊安一個(gè)比較小的慢充裝置，幾百塊錢就行了。你把它充滿，但是車上永遠(yuǎn)裝50L的甲醇，就相當(dāng)于你晚上睡覺(jué)把手機(jī)充滿，同時(shí)還帶了一個(gè)充電寶。沒(méi)電的時(shí)候，就可以用車上的甲醇和水制氫，用氫發(fā)電。這樣根本不需要再建那么多充電站和加氫站，而且甲醇和水反應(yīng)只需要200多度，它的余熱就可以把電池維持在一定的溫度，也解決電動(dòng)車冬天的續(xù)航里程問(wèn)題。
霧霾的元兇在哪里？
還有一個(gè)碳中和的路線，是跟霧霾相關(guān)的。
這些年，我一直在研究霧霾。我對(duì)霧霾有親身體會(huì)。如果一直在北京生活我們可能感覺(jué)不到，但我家在南加州，早些年回國(guó)后，每次從洛杉磯到北京以后，那種強(qiáng)烈的對(duì)比讓我覺(jué)得一定要把中國(guó)的霧霾給治理好。
霧霾包括一次顆粒和二次顆粒?；剂先绮裼腿紵龝r(shí)尾氣中直接排放的顆粒是“一次顆粒（Primary Particulates）”，占霧霾總量的24%左右。對(duì)霧霾貢獻(xiàn)比較大的是“二次顆粒(Secondary Particulates)”占到其總量的約50%左右。“二次顆?！笔腔剂先紵矚庵械臍鈶B(tài)污染物（如NOx、SOx）和揮發(fā)性有機(jī)物（VOC）進(jìn)入大氣后，在一定的水霧狀態(tài)下與空氣中的氨及VOC等物質(zhì)發(fā)生氣溶膠反應(yīng)形成的顆粒。氮氧化物在天空遇水就變成硝酸，硫氧化物氧化遇水就是硫酸。如果我們不使用化肥就只能形成酸雨形不成霧霾。然而大量使用化肥向大氣中釋放了一定規(guī)模的氨，氨在大氣中呈堿性，酸堿中和生成硝酸銨鹽、硫酸銨等固體細(xì)顆粒，這些細(xì)顆粒才是PM2.5的主要來(lái)源。頭發(fā)絲大概是70微米左右，肉眼的分辨率在60微米左右，一個(gè)PM2.5的顆粒是看不見(jiàn)摸不著的，但是當(dāng)無(wú)數(shù)個(gè)PM2.5懸浮在天空中就可以遮天蔽日。
這兩年國(guó)家在脫硫脫硝上花了上萬(wàn)億，取得非常大的進(jìn)展，但是到冬天還有霧霾，一個(gè)重要因素是使用化肥以及氨排放沒(méi)有得到足夠的重視。化肥的排放就是氨的排放。
化肥有它的問(wèn)題和弊性，它使用一年、兩年、三年、五年沒(méi)問(wèn)題，但是用了三十年、五十年以后，問(wèn)題來(lái)了。早些年硝酸銨、磷酸銨強(qiáng)酸弱堿，氨被吸收，酸留到土壤里面，引起土地酸化，把土壤中的細(xì)菌殺死，引起大面積的土地板結(jié)。
另外，用了化肥三十年、五十年后的土壤長(zhǎng)出來(lái)的蔬菜看著個(gè)大皮厚，但吃著沒(méi)有味道了。什么原因？因?yàn)闆Q定食品營(yíng)養(yǎng)和味道的是生長(zhǎng)作物的半米左右深的土壤中微量元素和礦物質(zhì)的含量。土壤中有很多礦物質(zhì)不溶于水，但是一遇到酸，會(huì)發(fā)生酸浸，浸三五十年以后，當(dāng)半米深的土壤中這些微量的礦物質(zhì)都沒(méi)有了的時(shí)候，食品不可能不變。
對(duì)比1960年的玉米和2013年的玉米情況。1960年是純粹自然生長(zhǎng)的，2013年的是化肥催大的，看著個(gè)大飽滿，但是每100克里面鈣含量下降了78%。人類大量使用化肥和農(nóng)藥，導(dǎo)致土壤中的微量元素不斷下降，并伴隨著哮喘、心臟病、癌癥等疾病的增加。
中國(guó)自1978年改革開放之后，開始大量開始使用化肥，到大概2011年化肥產(chǎn)能接近峰值。這期間全中國(guó)糧食增產(chǎn)了87%，但化肥使用量增加到682%。每噸糧食產(chǎn)量需要0.1噸的化肥。2017年全國(guó)農(nóng)作物總播種面積1.6億公頃，平均化肥施用強(qiáng)度為352公斤/公頃，福建、海南、北京、廣東等省市分別為751、724、707、611公斤/公頃；而國(guó)際警戒線值為225公斤/公頃（世界平均水平為120公斤/公頃）。
其實(shí)隨經(jīng)數(shù)百萬(wàn)至數(shù)千萬(wàn)年，物質(zhì)不滅，土壤中寶貴的微量元素及礦物質(zhì)是以煤炭的形式保留至今的。煤炭中可燃的部分，基本都是通過(guò)光合作用二氧化碳形成的；不可燃的部分從哪里來(lái)的？就是遠(yuǎn)古時(shí)期樹根吸收的寶貴的礦物質(zhì)、微量元素。但這些東西不能用火燒掉，一千多度以后它們就形成了玻璃狀的琉璃瓦。
圖4 微礦分離技術(shù)
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