北京大興國際氫能示範區加氫示範站。
賀路啓攝(人民視覺)
國家能源集團寧夏煤業有限公司400萬噸煤制油項目深加工產品芳綸。
新華社記者 王 鵬攝
西藏自治區日喀則市江當現代生態產業示範園內的“光伏 儲能”電站。
新華社記者 劉洪明攝
碳中和，是指人類活動排放的二氧化碳被人為作用和自然過程所吸收。研究顯示，當前全球每年排放約400億噸二氧化碳，其中14%來自土地利用，86%源於化石燃料利用。這意味着，實現碳中和，必須變革以化石能源為主導的能源體系，構建以風、光、水、核等為主體的非碳能源新結構。
碳中和硬約束下，並非摒棄化石能源。為降低化石能源使用過程中的碳排放，科研人員正在探索清潔化利用技術。同時，在交通、工業等領域，研究用氫能、電能等替代化石能源，多管齊下，支撐減排降碳。
化石能源清潔利用
既獲得化學品，又儘量少排放二氧化碳
據統計，我國一次能源消費中，非碳能源只佔15%，另外85%主要是煤、油、氣。其中，煤炭在一次能源消費中佔比接近60%。
近年來，煤炭佔我國一次能源消費的比重持續下降，但未來一段時間內，煤炭在能源結構中依舊重要。在此情況下，有必要研究煤炭清潔利用，減少二氧化碳排放，煤化工被認為是一條路徑。
中科院院士、中國科技大學校長包信和介紹，現階段，我國煤炭有兩種主流利用方式，一是大量作為能源，直接燃燒發電；二是作為原料，通過煤化工等手段，製備化學品。我國對化學品需求量很大，又不可能像國外一樣，完全依賴石油化工來生產，因此，利用煤炭轉化製備化學品比較現實、可靠。
以煤為原料製備化學品，離不開碳、氫、氧三個元素的反應變換。因此，煤的結構及反應過程，決定其燃燒一定會產生二氧化碳。據測算，燃燒1噸煤大約排放3噸二氧化碳，且煤化工項目往往又是用水大户，煤氣化、合成及後續產品純化、分離等環節，均離不開水。
有沒有一種方法，既能實現煤轉化的目的，又不用排放大量二氧化碳？朝着這個方向，科學家正在探索新的化學反應方式。
包信和解釋，石油化工通過催化、蒸餾、裂解等方式，把大分子變成小分子，從而得到烯烴、芳烴等產品。這一過程就不需要很多水，也不會過多排放二氧化碳，即可將油分子“吃幹榨淨”。從分子式結構來看，煤和油的差別不大，區別主要在反應過程。如果能換一種方式實現煤轉化，即將煤中的大分子像石油煉製一樣直接“剪開”，也可以在少用水、少排放碳的同時，拿到所需的產品。
化石能源對一個國家來説，是珍貴的資源，但直接燃燒，二氧化碳的排放量比較大。科學家正在努力，把化石能源更多當原材料來利用，從而加工成產品。
比如，“吃幹榨淨”石油，科研人員創新了比較精準的煉油方法，一些“分子煉油”技術大大提高了石油資源的利用效率。有專家設想，未來80%的原油可以變成烯烴、芳烴，進而生產合成塑料、橡膠、纖維等材料，作為工業生產化學原料，減少石油的直接燃燒。
推動氫能規模應用
研究高效、便利、低成本獲取“綠氫”的途徑
“精準剪接”煤分子，完成煤炭清潔利用，實現這一構想離不開先進、高效的催化劑，同時還要摒棄傳統的氧助氣化過程，有“綠氫”的幫助才能做到。
氫氣在自然界不存在，需要人工獲取，還要儲存、轉換和應用。所謂“綠氫”，是指通過風能、光能等可再生能源發電，再用清潔的電力分解水製備出的氫氣。這被認為是未來獲取氫能的主要方式。但電解水制氫的成本比較高，全球每年消耗的5000萬噸左右氫氣中，僅有4%來自電解水，而且所用電能也非全部來自可再生能源。大多數氫氣來自化石能源，其中又以煤制氫價格最便宜。但以煤制氫，又免不了排放二氧化碳。
科研人員正在開發高效、便利、低成本獲取“綠氫”的途徑。比如，發展大規模、低能耗、高穩定性的電解水制氫新技術，通過材料和過程的創新降低能耗和成本等。專家認為，如果人們能夠比較經濟地獲得“綠氫”，未來就能形成一條比較完善的氫能產業鏈，推動氫能在各個行業的應用，最終甚至會形成一套獨立於石油天然氣和電力的新體系。
氫氣的價值遠不止助力煤炭清潔利用。包信和認為，氫能利用效率高、無污染，還能與多種能源耦合，可以説是實現碳中和目標的關鍵。當今能源體系是由化石能源產生電力、液體燃料，再到達最終用户。在未來能源構架中，氫能將與電力一起居於核心位置，為終端用户供能。
在能量釋放效率上，氫燃料電池技術比內燃機更高，氫氣有潛力取代汽油，在交通領域有廣闊的應用前景。又如，傳統的鍊鋼方式，主要通過焦炭燃燒提供還原反應所需要的熱量，併產生還原劑一氧化碳，將鐵礦石還原得到鐵，再把鐵煉成鋼，整個過程會產生大量的二氧化碳；氫能鍊鋼則利用氫氣替代一氧化碳做還原劑，其還原產物為水，從而極大降低鍊鋼的二氧化碳排放。“以氫代煤”有望引領鋼鐵行業綠色轉型。
氫能要想大規模使用，除了需降低製備成本外，儲存和輸運也是必須克服的難題。針對這一痛點，我國科研人員探索“液態陽光甲醇”技術路線，即將“綠氫”與二氧化碳結合製成液態甲醇。將太陽能等可再生能源儲存在甲醇中，提供了一條可再生能源儲存和輸運的新模式。這樣不僅可以解決氫氣儲運問題，還能中和二氧化碳。此外，甲醇使用後分解得到的二氧化碳和水，又是下一輪循環的載體。
中科院院士、中國科學院大連化學物理研究所太陽能研究部部長李燦介紹，經過多年攻關，我國完成了全球首套直接利用太陽能“液態陽光甲醇”合成技術的規模化示範工程，正在推廣10萬噸級“液態陽光甲醇”合成技術的工業化應用。
支撐可再生能源併網
探索大容量、安全、穩定的儲能技術
我國太陽能資源十分豐富。據專家測算，在我國有條件的農村屋頂都裝上光伏，初步估計將有20億千瓦的安裝容量。這意味着一年能發電3萬億千瓦時，佔到未來全國總電力需求的20%左右。
實現碳中和，必須構建以風、光、水等為主體的非碳能源新結構。然而，風、光等為代表的可再生能源，有發電波動性和間歇性等短板，如果規模化併網，會影響電網穩定運行。為支撐大規模併網，可再生能源必須與有效的儲能結合起來。作為能源存儲轉換的關鍵，儲能系統能夠提高多元能源系統的安全性、靈活性和可調性。
專家介紹，在電源側，儲能技術可聯合火電機組調峯調頻、平抑新能源出力波動；在電網側，儲能技術可支撐電網調峯調頻，在系統發生故障或異常時，保障電網運行安全；在用户側，儲能技術可實現用户冷熱電氣等方面綜合供應。
目前，大規模儲能技術也存在一些缺陷。除了成本比較高之外，安全也是儲能產業的瓶頸。針對這些痛點，科技界和產業界正在探索大容量、安全、穩定的儲能技術。比如，在儲能材料上，朝着低成本、高儲能密度、高循環穩定性、長週期存儲的方向發展；在儲能裝置上，正從關注單體設備效率、成本，轉向滿足差異性需求的高品質供能、儲用協調方向。
業內專家表示，近年來，各種新型儲能技術不斷有突破，且嘗試了一些場景實現示範應用，包括氫儲能技術、電磁儲能和飛輪儲能等等。儲能技術路線不同，適合的場景也不一樣，未來還需進一步研究，綜合考慮技術成熟度與場景匹配度。
中國工程院院士杜祥琬表示，從碳達峯走向碳中和，發達國家一般要用45年至70年，我國僅預留了30年時間，困難更大，富有挑戰性，但也是一個發展的機遇。
“‘碳中和’將是一次經濟社會的大轉型，是一場涉及廣泛領域的大變革，誰在技術上走在前面，誰將在未來國際競爭中取得優勢。”中科院院士丁仲禮表示，我國需要積極研究與謀劃，謀定而動，系統佈局，力爭以技術上的先進性獲得產業上的主導權。
《 人民日報 》( 2021年09月27日 19 版)