金红光院士：双碳牵扯到各行各业和每一个人（文末附视频）

大家好！我是金红光，很高兴来到格致论道讲坛，和大家分享我对双碳目标中关于能源低碳转化的一些思考。

我国在国际上做出了双碳目标的承诺。在这个背景下，能源领域也提出了要能源革命。二十大报告中我们宣布要构建新型能源体系。

我个人认为，我们国家对双碳目标很明确，但是在双碳未来如何发展这个问题上还未达成共识。对于双碳的重要性、必要性谈得比较多，但是对于双碳目标的艰巨性和复杂性，大家的认识还不够充分。

首先，双碳不是某一个行业、某一个装备的事情，它牵扯到社会的各行各业以及我们在座的每一个人，它是非常复杂的。

第二，在国家发展层面上，我国的产业结构、能源结构和西方国家，甚至国际上任何一个国家都是不一样的。我国GDP（国内生产总值）的构成中工业占比较高，我国的能源当中高碳能源较多，我们的经济发展目前还处于从大国走向强国的阶段。所以，不能简单地说某一个西方国家怎么做，我们就怎么做，我们要结合自身国情去考虑未来的发展。

在可持续发展的前景下，特别是在双碳和绿色能源发展的前景下，我们需要考虑我国的经济和能源安全是什么样的。有人说，低碳、绿色能源和经济与安全构成了一个“不可能三角”。到底是不可能还是可能，希望我后面的一些对科技的思考可以回答这个问题。

第三，在低碳发展的路径当中，我们需要明确未来的新型战略产业是什么，主体能源是什么，主战场在哪里。抓住了这些，我们才能够大幅度地做好碳减排工作。我们必须清楚要如何转变过去的发展模式，如何改变能源利用的方式以及如何发展变革性的技术。双碳是一个新的领域、新的方向，企业也好，科技界也好，都应该对与它相关的关键技术突破给予足够的重视。

为什么这么说呢？有一些新的突破可以实现某些功能，但是我们在工程上只考虑了工程的应用，在科技层面只考虑科技的革新，这样的话我们就难以突破关键技术。

我谈一下我国目前能源和碳减排领域的一些现状和问题。 

第一步，我们用了几十年提高能效，把发电效率从百分之三十几提高到了百分之四十几。第二步，我们遇到了新的问题，脱硫、脱硝和粉尘的问题，这些问题属于环境污染。这两个问题还没有解决好，第三个问题又来了，就是碳的问题。我把这几个问题称作“能效”“清洁”还有“低碳”。

现在的能源发展模式，实际上是遇到一个问题就解决一个问题，我们走的是一个链式发展模式。这种链式发展模式给我们未来的可持续发展带来了挑战。它向我们提出了一个问题：能源、经济、安全能不能协调发展？

我的答案是，只有把能效的问题、清洁的问题和低碳的问题“三位一体”去解决，才能够满足图中右边的三角关系。这是一个重要的命题。

我们再来看能源的利用方式是什么样的呢？ 

一般能源的转化部分都是单一输入、单一输出，高品位能源用于低品位。比如说，我们现在正在享受的冷气。冷的品位并不高，但是我们用了电这种高品位能源。这种简单粗放的利用方式造成我们的能源利用的“三高问题”：高能耗、高污染、高碳排放。

那么，我们能源领域要如何解决这些问题呢？

中国科学院的双碳计划

为了实现双碳目标，各行各业都有自己的规划，我们中国科学院也有一个支持碳达峰碳中和的行动计划。 

这个行动计划包括了3个部分、8大行动和18项重点任务。这个计划的主要抓手还是科技支撑，我们要突破高能耗行业的关键技术。这是我们的任务清单，我就不一一说明了。

先导A-煤炭清洁燃烧与低碳利用（2022-2026）

为了完成这个行动计划，中国科学院规划了多个先导项目。目前，我们已经启动了“煤炭清洁燃烧与低碳利用”的先导项目。每一个先导项目都是10亿级，还有很多我们正在酝酿的先导项目。

能源领域论证或准备启动的先导项目

这些先导项目有几个方面。第一，储能方面；第二，氢能方面；第三，可再生能源方面；还有一个工业的低碳方面。这些在不久的将来都会启动。

简单地总结一下，我们国家在双碳方面需要做的事有很多，有一些亟需解决的关键问题和亟需突破的关键领域，包括化石燃料的低碳转化、可再生能源、氢能、储能，还有碳捕集利用与封存（CCUS）方面。

追求能源的梯级利用

那么，我们目前能源利用问题的根源是什么？最大潜力在哪里？这些都是突破口，也是我们未来的发展方向。

技术科学思想起源：冯·卡门（左）、钱学森（右）

能源转化实际上是一门技术科学。技术科学这个概念在很早的时候钱学森先生就提过。他认为工程技术和科学技术中间有一个桥梁，要搭建的这个桥梁就是技术科学。

如果科学界只是从理论到理论，如果工程界只解决工程问题，那就会存在这个鸿沟，不解决这个鸿沟就难以突破我们的关键技术。

在能源利用方面，创建我们工程热物理学会和中国科学院工程热物理研究所的吴仲华先生，他在20世纪80年代在中央党校向中央书记处讲解，为了让大家能够理解能源的利用，提出了“温度对口、梯级利用”的用能理念。

那么，什么是“温度对口、梯级利用”呢？就是说能源利用不仅要考虑能源的量，还要考虑能源的质。什么是能质？比如说同样的热量在不同温度下，高温的、中温的、低温的，作功能力是不一样的，我们把这个叫作品位不一样。作功能力不一样这件事，非常重要。从科学的层面，我们就可以从这个角度去看各种能源转化到底转化得好不好。

从80年代到现在，在国家文件里面都能够看到“能源的梯级利用”，后面我也会从梯级利用的继承和发展上去阐述我们的方向和关键技术。

能源转化：能量、能质、能势变化

我们做能源的一般是得到了热能以后，把热能再转换成发电和作功，我们把这个转化叫作热转功。这个过程能实现的最高效率是卡诺循环效率，就是图中的曲线。

我们过去的工作基本上都停留在曲线下方这个蓝颜色的卡诺循环效率的范围内。而我们大部分化石燃料利用，是通过一把火把它转换成热能，再去做各种事情。

我想强调的是，我们这一把火，就是这个绿颜色的部分，碳氢燃料在燃烧过程当中的不可逆损失是最大的。损失最大的地方就是潜力最大的地方，就是突破口。

这种能源转化不仅影响了效率，而且这个燃烧过程正是污染物和二氧化碳产生的根源。如果我们关注这个绿颜色的部分，我们就能够做到同时解决能效的问题、污染的问题和碳排放的问题。所以，我把它叫作能源的有序转化。

换句话说，过去我们注重的是图中的下半部分，现在我们要注重的是上半部分，才能做到高效、清洁和降碳“三位一体”的能耗最小化。无论面对什么能源，我们科技界的主攻方向都是探索如何做到这一点。

火力发电的现状与问题

这张图里我简单地罗列了一下，左半部分是燃煤发电，右半部分是天然气发电。我们知道全世界一半的煤都在中国，中国一半的煤都用于燃煤发电。

工业发展离不开电，这么多的煤发了这么多的电，那现在的发电状况怎么样呢？较高的燃煤发电的效率能达到45%左右。

为什么是效率是45%？我用最简单的语言来解释。我们的燃烧温度是1800℃，但是蒸汽轮机入口温度才600℃。这就相当于水力发电中1800米高的水位到600米的水位都没有被利用，从600米开始我们才开始利用它发电。换句话说，火力发电中从1800℃到600℃的作功能力都损失掉了。这就是刚才说的，能源不仅有能量，还有能质。

从能量角度来看，我们锅炉的效率并不低，有百分之九十几，但是它作功能力的利用率才50%左右。所以，这种利用方式不符合吴先生提出的“温度对口、梯级利用”，只是一个简单循环。

现在经常提到说，我们的电厂是超临界、超超临界。但那只是压力，不是温度，温度依然很低。目前这么做不但效率低，而且二氧化碳被稀释，不容易回收。

所以，要注意的是未来的方向。这个图右边我们能看到，天然气发电得先经过燃气轮机。燃气轮机的入口温度是1600℃，排温也比较高。在它后面再接一个蒸汽轮机，就能做到梯级利用。目前，位于东莞的一台机组，它的发电效率可以达到63.6%，远远高于现在其他所有的发电方式，包括氢的燃料电池。氢能发电的发电效率也仅有55%。

天然气发电效率经过梯级利用后，效率这么高，那它的碳排放是多少呢？1度电才0.33公斤。而我国煤炭发电碳排放最低也要超过1度电0.6公斤。

所以，我们如果能够做到这种化石能源的利用方式，就比现在更进一步了。当然还有比这更好的，我们需要再向前发展。

现在再考虑一个重大的问题，我们未来的高效低碳应该是什么样的？到目前为止，我国的城市能源利用方式是利用煤炭发电、用电制冷、用燃料制热，这种方式叫单一输入，把高品位的能量用在低品位。这种发展模式急需我们突破。 

那怎么突破呢？我们可以依靠分布式能源梯级利用系统。它是利用高温段发电、中温段制冷、低温段制热的一种能源系统。根据不同品位的特点，这种分布式能源梯级利用系统不仅能给用户提供电，还能进行制冷和制热。 

临近用户的这种能源系统是我们未来的一个很好的发展方向，这种系统是大幅度节能的基础。中国科学院工程热物理所承担了一个科技部的863项目，我们在东莞的一家企业里面做了示范工程。它在供冷、供热、供电量不变的前提下，可以一次性节省29.3%的燃料，这是第三方测试的结果。

国外也有这种系统，类似系统（奥斯丁CCHP项目）获得了美国能源部的环境能源奖。我们现在的这个系统比美国的还要好得多。

到目前为止，国内分布式能源系统大幅度节能做得最好的，还是我们的这个项目。分布式能源系统适用于不同能源系统、不同行业的能源种类，我们也牵头制定了相关的国家能源标准。

用变革性技术实现碳捕集

在能源利用的同时，我们还需要碳捕集，碳捕集的目的就是让高碳能源能够低碳利用。

很多人认为，高碳能源不能低碳利用，实际上是可以做到的，一是通过高效节能降碳，二是通过直接碳捕集。

碳捕集的现状与问

国际上现在考虑到碳捕集主要有三个环节，叫燃烧前、燃烧中、燃烧后。我国考虑比较多的，是在现有电厂锅炉后面的燃烧后环节捕集二氧化碳。

煤经过燃烧以后再排放，烟气里面的二氧化碳浓度比较低，只有百分之十几。这时再去捕集二氧化碳，它的分离能耗就比较高。高到什么程度呢？刚才我已经讲了，我们用了三十几年把发电效率从百分之三十几提高到百分之四十几，但二氧化碳捕集会额外消耗20%～30%的能源，让发电效率下降十个百分点以上。

为了捕集二氧化碳，一夜之间又回到30年前，发电效率又降低到百分之三十几，我认为这种捕集方式的额外能耗过高。

碳捕集的经济性需要考虑。捕集一吨二氧化碳需要二三百块钱，按照这种思路进行碳捕集的话，也不够经济。所以，未来碳捕集需要的是新技术，而不是用传统的技术“穿新鞋走老路”，一定需要变革性的技术。 

我国的碳排放中，百分之八十几的碳都来源于化石燃料的燃烧。这个燃烧过程必须要变革，不变革难以解决碳减排的问题。

传统燃烧需要燃料和空气，实际上燃烧可以分富氧燃烧、氢氧燃烧、纯氧燃烧、无火焰燃烧，还有化学链燃烧，等等。

原创性提出了“化学链燃烧”动力系统

化学链燃烧是我们提出的一个无火焰的燃烧方式，这种方式实现了二氧化碳定向迁移，无需额外分离二氧化碳。美国能源部在碳捕集技术路线里面把它列为前沿性的技术。国际上几个大国都在研究这个燃烧方式，最具权威的联合国IPCC报告也认可了我们的工作。

上：天然气水基化学链制氢下：化石燃料制氢脱碳协同转化

最近，我们把化学链燃料应用在天然气制氢上。因为传统的制氢方式温度比较高，这就要求必须燃烧，所以能耗高。用化学链燃烧不需要燃烧，就可以把温度降下来，使制氢能耗降低20%～30%。这个也是跟我们科学院系统内的中科集团在联合研发的项目。

还有一个传统能源利用转化当中的重大问题，是什么呢？我国煤的气化非常重要。我们的煤气化主要不是用于发电，而是用于生产，比如说甲醇、天然气甚至合成氨的生产。 

现有煤制清洁燃料尚未达到变革性低碳转化水平

在这个工业过程中，我们可以看到合成气的制备过程效率很低，合成过程的效率还相对高一些。从煤到甲醇的最终合成效率只有45%，非常低。为什么这么低呢？ 

这个图是使用氢气和氮气生产合成氨产品，这是为了做化肥。它一次通过的转化率非常低，只有8%。有上万名化学家致力于研究催化剂，试图提高它的转化率，但是都没有成功。只有哈伯（F. Haber）教授把未反应气的气体再打到气体的入口，利用未反应气再循环的方式，使转化率从8%提高到百分之九十几，最终获得了诺贝尔奖。工业界把这个方式产业化后，又获得了一次诺贝尔奖。这奠定了化工行业近百年的基本工艺，就像卡诺循环效率一样。 

随着转化率吃干榨尽，看这张图里有一个圆圈，我叫它能耗拐点。化工产品采用的这种制作工艺，过了这个拐点以后，能耗就会急剧上升。也就是高转化率是以高能耗为代价的。

这个问题是系统性问题，对此我们正在研发一个新的气化方式。

现有的煤气化方法

传统煤气化方式的化学转化效率也叫冷煤气效率，这个转化效率较高，但是需要空分制氧。把空分制氧所需要的电加进去以后，它这个气化单元的效率并不高，只有百分之六十多。这也就是说我们必须要突破这种高能耗的转化方式。

碳氢组分定向转化的分级气化方法

因此，我提出来一种“三步法气化”。先热解产生碳，碳再跟一氧化碳反应，然后一氧化碳再跟水反应。经过这三步以后，不用空分，就能够把气化效率大幅提高。

变革性低碳转化系统

这种气化方式能把百分之六十几的效率提高到百分之八十几，对现有电厂甚至新的联合循环电厂，乃至于化工转化都能起到一个变革性的突破效果。

清洁燃料与电力的多联产技术

在这个能耗拐点之前可以做化工，拐点之后就到了我们动力里面。动力系统里，氢和一氧化碳都是燃料，可以被很好地利用。在化工里面，气体比例掌握不好就难以转化，能耗就会很高。我们目前在电厂尝试做氢和化工产品的联产。以后的电厂就不是单纯的发电，还有一些多功能的特点。

图中左边是我们现有的碳捕集方式，以能效下降为代价。如果采用了变革性的技术，既能提高效率，又能够把碳捕集下来。这种技术路线才适合我们国家未来的可持续发展道路。

太阳能动力的挑战

除了碳捕集，还有一个重要话题——太阳能。在光伏外，聚光太阳能的发电效率到现在发展仍不理想，原因之一就是我们仍然保持传统的思路，还在让高品位的聚光太阳能通过蒸汽轮机这种低品位的方式发电。

我们知道，燃煤用蒸汽轮机、天然气用燃气轮机、燃油用柴油机。既然是聚光太阳能是一种新的方式，为什么我们还要用蒸汽轮机？这都是我们需要面对的挑战。

美国针对聚光太阳能提出来了一种超临界二氧化碳的动力循环，我认为还有更好的循环。

太阳能燃料源头化学储能方法

我提出来一个方法。聚光太阳能二三百度的时候直接发电的效率很低，我们可以驱动燃料的转化，把二三百度太阳能提升到合成气燃料的品位。太阳辐射充足的时候太阳能可以直接驱动发电机，还能储存一部分合成气。等下午太阳辐射不足的时候，储存的合成气能够提供给这个发电机。这样对转化设备连续运行非常有益。太阳能技术一定要注意它的连续性，可再生能源利用的重要问题就在于不能连续运行。

视频中是科技部的项目，这是位于张家口黄帝城的一个示范装置。这个示范装置里的槽式聚光太阳能集热器同时也是一个反应器，它是全世界最长的反应器，长达192米。

那么，它的作用是什么呢？我们把多发的电和投入的太阳能的比值叫做太阳能净发电效率，这个效率现在已经达到了25%。最近我们还在实验，有望达到30%，远远高于光伏。这个装置内部的镜面材料只是钢铁和玻璃，不是半导体。

最后我想说，我们能源的发展需要从吴先生提出的“温度对口、梯级利用”，到能源的互补转化，最后实现低碳转化。我们未来的发展一定是一个多元化、低碳化、智能化的过程。

谢谢大家。

来源： 格致论道讲坛

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