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刘科:绿色甲醇是最合理的能源解决方案

刘科:绿色甲醇是最合理的能源解决方案

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  • 发布时间:2021-12-07 08:31
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有了绿色甲醇,汽车内燃机就机会成为绿色能源动力,实现低碳排放。更重要的是,如果大面积运用以绿色甲醇作为原料的能源系统,可实现如今煤炭经济不到1/5的碳排放量,解决中国的电力、交通和供暖供冷等问题。

“减碳的关键在于改变能源结构,将风能和太阳能以液体形式存储的绿色甲醇将成为最合理的能源解决方案之一。有了绿色甲醇,汽车内燃机就机会成为绿色能源动力,实现低碳排放。更重要的是,如果大面积运用以绿色甲醇作为原料的能源系统,可实现如今煤炭经济不到1/5的碳排放量,解决中国的电力、交通和供暖供冷等问题。”11月28日,南方科技大学创新创业学院院长、澳大利亚工程院外籍院士刘科在第十九届《财经》年会“《财经》年会2022:预测与战略”上表示。

刘科认为,首先我们国家储能能力还有待进一步提升,而到底经过多少年能实现,无法做出预测。

第二,减碳的根本在于解决能源结构问题,将风能和太阳能以液体形式储存的绿色甲醇将成为最合理的能源解决方案。有了绿色甲醇,燃烧甲醇的内燃机就成立绿色能源驱动的动力。更重要的是,如果大面积运用以绿色甲醇为原料的能源系统,可实现如今煤炭经济不到1/5的碳排放量,解决中国的电力、交通和供暖供冷等问题。

最后,很多商业宣传里所谓的“零碳”是不对的。这个世界二氧化碳不能太多,但是你我呼吸的氧气和吃的食品都来自二氧化碳,经过植物的光合作用形成。有一定量的二氧化碳排放是正常的。把今天的煤炭/石油经济改为绿色经济,中国的碳中和问题就解决了。

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以下为部分发言实录:

 

刘科:谢谢主持人,很高兴在网上见到大地和俊峰两位老兄。我今天跟大家谈一下碳中和的现实路径,首先跟大家分享几个实在数据,目前中国每年的碳排放量是103亿吨,除以14亿人口,每个人平均7.5吨。而不管你生产什么产品,都消耗不了7.5吨,我们每天都在开车、用电,你略微省一点就可以省很多碳排放。而现在太阳能确实便宜了,风能确实便宜了,但是到2019年疫情前,经四十多年发展的中国风能太阳能能够输到东部的电相当于1.92亿吨标准煤,只占了煤电的12%。受限于电网稳定性的要求,电网仅可输送有一定量的非稳定能源,而其余非稳定能源供给的电,电网将不再输送。全年风能太阳能只有20%发电时间,另外80%的时间怎么办?那就要靠储能?电池储能从1959年到现在研究了上百年,花了上万亿人民币,然而大规模储电最便宜的还是100多年前就存在的抽水储能,但是抽水储能不是哪儿都建造的。一个技术研究了100年都没有革命性的突破,那么今天我们就需要考虑换赛道了。前一段,我参加了一个会议,有人提出储电的问题解决了,但我说没解决。为什么?今天的现实是全世界一年电池产量储的电不够冬天一天用。技术具有不可预测性,到底经过多少年能实现,我没法预测。

第二,大家均在讲减碳,现在有人说可以把二氧化碳转化成不同的产品。就如刚才,我讲的一年一个人的碳排放量约为7.5吨,一个三口之家约为22吨。而生产什么产品,一个家庭一年可消耗22吨?22吨产品是一个家庭一年消耗不了的。现在全世界87%的石油被用于燃烧,仅13.3%的石油生产了你我用的所有化石品。而靠二氧化碳转成其他的物质,如果能够赚钱,对减碳不能说没贡献,但杯水车薪。

对于目前利用CCS、CCUS技术进行大量捕获二氧化碳进行再利用或封存,作用是有限的。十几年前在GE公司时,我们花了28亿美金建了净零排放IGCC火电厂,上百个博士工作了很多年。最后得出的结论,与其去干CCS或者CCUS,不如直接干核电。当时核电很好,但是福岛事故之后,由于核电的安全系数提高,使得核电每千瓦成本提升太多。

通过提高能效来减低碳排放是有用的,但是难以根本解决碳中和的问题。首先增加能效永远是减低碳排放成本最低的,也是最优先实施的途径。但有一个重要的数字值得关注,2001年,我们经过了100多年的工业化,我们国家的煤产量仅为13亿吨,结果到2013年,仅13年的时间就飙至39亿吨。我经常用能源解读经济。为什么前面100年工业化,1949年建国,1978年改革开放,而我们国家仅用了近十年时间就飙升了前面100年的3倍?很重要的因素是2001年中国加入WTO,世界市场对中国开放了,中国成为世界工厂。当然,这一期间我们大量的房地产建设也是一个因素。房地产的建设是通过钢筋水泥堆起来的,这个过程需要消耗大量能量。

如果能源结构不改变,靠电动车对减碳的贡献是非常有限的,其中更重要的因素就是能量密度,对汽车、轮船、飞机等移动交通工具而言来讲,能量存储最重要的是油箱不能无限大。如果油箱都是1立方米,氢每立方米最小,3.2千瓦时,天然气只有10千瓦时,铅酸电池90千瓦时。其次,还需要考虑生产能力。起初内燃机生产一台很贵。当1913年内燃机生产流水线建成以后,一条流水线一年生产100万台的内燃机,每台成本最贵的也就300美金。然而,电动车不同。电动车的核心部件电池,受各种制造材料多样,且储量及开采量有限的影响,流水线的生产可以降低一定量的成本,但有限。最后,就是电池的回收问题还没有完全解决。大规模的使用的电动车,将来几百万个电池分布在中国大地。如果不回收的话,电池的随意丢弃,将会污染土壤、污染水。有人认为通过回收电池作为储能电站可以解决废旧电池的问题,但近期发改委把许多废旧电池储能电站的项目叫停了,还存在很多问题。所以我觉得电动车可以发展,但是从生产之日起必须考虑电池回收问题,否则最好谨慎发展。

面对目前我们国家的碳中和实现问题,怎么办呢?我们提出另外一个问题,能不能把风能和太阳能以液体的形式——绿色甲醇存储下来?甲醇是良好的储氢载体,可解决氢气储运的问题。而我们国家的甲醇以煤制甲醇形成生产的就有9千万吨产能,相当于汽油产能的1/4。但是煤制甲醇存在着致命的问题是生产每吨甲醇要放3.5吨左右的二氧化碳。

怎么办呢?一个好的办法就是弃光弃风的电去电解水产生绿氢和绿氧。煤制甲醇厂生产成本最高的两个就是氧气和氢气。把电解水出来的氧去气化煤生产一氧化碳,与电解出来的氢气一起合成甲醇,进而用煤和太阳能生产出来的甲醇66%以上的能量来源于可再生能源。有了绿色甲醇,第一,类似李书福的吉利生产的甲醇内燃机就已经成了绿色能源。吉利等生产的甲醇内燃机车技术已相当成熟,今天西安、贵阳等十几个城市的公共汽车、营运车都使用甲醇作为燃料,开了好几年,没有任何问题。在双碳的要求下,今后既然储电储能还存在一定的瓶颈,那可以把多余的、便宜的风能太阳能电解水制氢制氧,仅利用一点点碳,把太阳能风能转成绿色的液体进行利用。液体是人类最好的能源载体,中国的能量分布特色是产地在西部,用能在东部。有煤有太阳有风的西部都是海拔1500米左右,为了石油和天然气的运输的西气东输的管线已经建设完成。而修管线最贵的是征地和立项。如果西气东输的管线已经有了,甲醇每立方米体积能量密度是4300千瓦时,天然气每立方米只有10千瓦时。仅需要用比远小于现有西气东输管线直径的管线,就可以输液体甲醇,且输送的能量为天然气的几倍。此外,东西部的海拔差,有利于液体的运输至东边。进而可以在甲醇内燃机车上使用绿色甲醇。且未来可以做绿色甲醇-电混合动力,就如比亚迪的唐一样,油电混合动力百公里油耗只有5点几升。而使用绿色甲醇-电混合动力的话,汽车的碳排放就大幅度降低。

当燃料电池成本足够便宜了,车上装点绿色甲醇,通过车载甲醇重整在线制氢,氢通过燃料电池发电,电为车辆提供动力。进而可以通过改造现有一代液体基础设施-加油站成甲醇加注站,可以支持内燃机车、电动车、氢燃料电池车三代汽车的发展。我不认为人类会把已有的建成的几十亿美金的液体设施扔掉。北上广深每亩的地价多贵?加氢站的占地面积比现在中石化的加油站占地面积大,北上广的城市里哪儿找那么多的那么大的地方去建加氢站。而使用甲醇作为运输工具的燃料,可很好的利用现有的燃料加注设备,举个例子,现有加油站一个罐可先改造为是绿色甲醇储罐,其他五个罐仍是汽油,再过几年根据需求可以逐渐替代相关油罐为绿色甲醇储罐,基础设施得到缓慢发展。氢能虽然呼吁得很高,但现在深圳没有一个加氢站。中国的风能太阳能很便宜,我们怎么把风能太阳能转成一个绿色的液体,这也是碳中和很重要的一条路径,需要大家考虑。

另外一点,刚才我主要讲述了交通领域的碳中和的问题,而在分布式发电上我们也已经开发了多年。目前,广东有40多个山顶的5G基站就是以用甲醇-水重整制氢发电作为供能系统。该项技术已运用了好几年,非常稳定,是相当成熟的。为什么这样做呢?因为到山顶上,通过市电拉线到一台基站成本高昂。一台2.5千瓦的绿色甲醇分布式供能系统就足够满足一栋别墅的用电需求。每几个月拉半车甲醇就可满足其用电需求。这个设备发电只要甲醇和水。工作原理是甲醇和水在200多度产生氢气,氢气在80度和空气通过燃料电池发电。它的发电效率就比燃烧发电效率高2-3倍,而且反应腔中200多度的余热冬天可以供暖,夏天可以制冷。比较一下,这种系统和今天中国的煤炭碳排放,西部建一个火电厂,100万大卡的煤只有30多万大卡以电能的形式送至用户端,其中60多万大卡以热的形式散耗掉。而电可以通过电网进行超远距离输过来,热不可能进行远距离输过来。而甲醇可以通过管道运输的方式,高效率的运输过来,并且系统余热能够实现冬天供暖、夏天制冷的运用。因此,假设能源用这种系统的话,仅用仅排放今天煤炭经济不到1/5的碳排放量,就解决中国的电力、交通和供暖供冷等问题。尤其是我们用绿色甲醇取代石油的话,可有利于解决中国能源经济及能源安全问题。现在美元和黄金早就脱钩,美元的支撑就是石油。今天用煤制甲醇的成本是汽油的一半,而用风能太阳能等可再生能源制得甲醇可能略微比煤贵一点,但是贵不到哪儿去,且煤炭可用劣质煤来做作为相关原料,进一步的降低成本。因此,绿色甲醇每百万大卡的成本不会超过汽油。

此外,我们还做了实现了一个技术,在燃烧前把煤在水里磨细,把可燃的不可燃的分开,煤里可燃的就是光和作用形成的,不可燃的是来源于远古大地的营养物质,可用于治理板结的土地、盐碱地、沙漠。因此,我们提出煤炭工业的第一个碳中和概念。传统的燃煤发电,将煤炭直接烧后产生大量的灰渣及排放二氧化碳。因此今天火电厂粉煤灰成灾。这是我们人类千百年来对煤炭的认知错误。应该把煤中可燃与不可燃的分开,来自于远古大地的高营养矿物质应该把它分离出来后,还回土地的或去治理沙漠。进行可以通过促进植物生长的方式将燃煤排放的二氧化碳重新存储回来。这样也可以做到降低碳排放。现在在西部,通过太阳能和沙漠治理结合形式,在太阳能板下种植固沙植物,进而太阳能板发了电,而底下植物也良好的生长,绿了起来。由此可看,碳中和是整个大的能源结构调整问题。

因此需要社会体系进行创新与变革,同时更需要政产学研良性互动,真正把政产学研链接到一起的。其中最缺两类人,具有企业家精神的科学家和具有科学素养的企业家,我们希望与具有企业家精神的科学家和具有科学素养的企业家,共同推动碳中和的进步,实现我们的碳中和。

最后,很多人说“零碳”,但“零碳”是不对的。这个世界二氧化碳不能太多,但是你我呼吸的氧气和吃的食品都需要二氧化碳光合作用生成。因此,需要有一定量的二氧化碳。把今天的煤炭/石油经济改为绿色经济,中国的碳中和问题就可以解决了,而且成本是可控的,不像储电那么贵。我的演讲结束,谢谢大家。

 
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转载来源:财经十一人

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