张锁江院士：实现碳中和目标可以分“四步走”，
控碳、减碳、低碳、碳中和
“我国要实现碳中和，首先要明晰碳排放主要来自于哪里？能源45%，工业39%，工业包括钢铁、有色、化工、建材等等，另外交通10%，建材5%，其他相对来说较少。”中国科学院院士、中国科学院过程工程研究所所长、河南大学校长张锁江在5月20日~23日举办的2023大湾区科学论坛上指出，目前能源生产和工业生产过程中的碳排放量约占我国碳排放总量的85%，工业碳减排是重中之重，需从产能端、用能端和碳汇端“三端”发力，通过技术变革实现碳中和。
张锁江院士分享了三个领域低碳技术的最新进展。首先是工业低碳技术，他表示，工业领域里面最主要的行业是钢铁、有色、化工和建材，这一体系的“低碳化”是要将原来生产所用的热碳驱动改成电氢驱动，将原来用碳还原的过程全部改成用氢还原。第二是能源低碳变革。在锂电池领域，中国科学院过程工程研究所的研究团队正在研发浆料电池，该电池技术兼具锂电池和液流电池两者的优点。在氢能的发展上，当前合成氨排放约2亿吨的二氧化碳，占我国总碳排约2%。将来，可以利用可再生能源通过电解水制出“绿氢”，氢气再与空气膜分离获得的氮气通过电热催化合成氨，以降低碳排放。第三是碳捕集利用技术，即用物理化学方法把二氧化碳捕集起来，作为原料再与氢结合，通过热、光、电及生物转化的方法来合成化学品及材料，比如合成乙醇等，真正实现“变废为宝”。
展望未来，张锁江院士认为，实现碳中和目标，可以分“四步走”：首先是控碳，即2030年前已有电力及工业装置继续运行，新建装置碳排放量要低于现有水平的5%~10%；第二步是减碳，2040年前大幅降低新能源发电成本，通过市场调节减少化石能源使用，推动工业结构减碳；第三步为低碳，2050年前新能源系统进一步推广，大幅推进低碳工业再造，将碳排放降低50%~60%；第四步为碳中和，到2060年新能源电力系统全面建成，工业系统以低碳方式运行，逐步实现碳中和。张锁江院士同时表示，还有三个问题需要深入研究：第一，AI如何深刻影响未来能源及工业系统；第二，将来生物质和风光电到底能做成多大的规模，其经济性怎么样，我国到底该怎么发展，这需要顶层设计和战略研究；第三，储能及氢能到底怎么发展，氢能的输送和天然气的输送完全是不同的材料，也需要战略层面的研究。
部分发言实录
尊敬的梁主席、白院长、王省长、丁院士，各位院士专家和朋友们：
今天向大家汇报一下关于《碳中和：工业技术变革及系统重构》的思考。气候变暖威胁人类生存。工业革命以来，特别是近年来碳排放量激增，大气中的二氧化碳浓度接近400 ppm，比工业革命前提高约50%，将温度变化控制在2摄氏度以内成为全世界的共识，所以碳中和也成为了全球关注的重大问题。
我国要实现碳中和，首先要明晰碳排放主要来自于哪里？能源45%，工业39%，工业包括钢铁、有色、化工、建材等等，另外交通10%，建材5%，其他相对来说较少，比如农业1%左右，所以碳排放的重点是能源生产和工业过程，总共约占到85%。
我国目前碳排放大约100亿吨，达峰之前还会增加一些。如果我们仍然采用传统的方式且不加以控制，碳中和是不可能实现的。如果采用新的政策严格控制，碳达峰、碳中和就有可能提前实现，所以必须要有相应的政策，通过技术变革来推动实现碳中和。
碳中和是一个大系统。丁仲礼副委员长提出了“三端发力”，包括产能端、用能端和碳汇端。从这个系统可以看到，未来能源系统中化石能源的使用要逐步减少，特别是汽柴油的使用，未来石油主要用来做化学品。新能源发电要和煤炭燃烧发电配合起来，构成多能互补的能源系统。在新能源系统中，最重要的是新能源的储存，包括储氢和储电等技术。在工业用能端，钢铁、有色、化工、建材这几个行业是相互衔接的，各个过程耦合起来，钢铁、有色等金属使用后可回收处理后作为原料再次使用，废弃塑料等也可再循环利用起来，还需结合CCUS技术，才有可能实现碳中和，所以要“三端”发力。那么，我今天主要汇报三个方面的技术进展。
第一是工业低碳技术。工业领域里面最主要的是钢铁、有色、化工和建材。而我国是一个发展中大国，又不得不发展重工业，所以工业过程是碳减排的重中之重，因为它支撑了国家约20%的GDP。工业过程排放二氧化碳的原理是什么呢？所有的矿物质，如铁和铝，在自然界都是以氧化物形式存在的，用碳还原生产铁、铝就要排放大量二氧化碳。第二个是建材行业，碳酸钙加热分解生成氧化钙，就必然排放二氧化碳。化工生产过程中主要做油品和化学品，工艺过程也会排放二氧化碳，高温高压的生产条件也会增加碳排放。另外一个是化工过程的合成氨技术，它排放了2亿吨左右的二氧化碳。整个体系的变革就是要从原来的热碳驱动改成电氢驱动，原来用碳还原的过程要改成用氢或电来还原。比如氧化铁由碳来还原会产生二氧化碳，改成用氢还原或者用电还原，就可以避免二氧化碳的产生。另外，铝的还原也要低碳化，这些都要进行技术变革，以实现减少碳排放，具体我就不一一展开了。
下面我讲几个例子。一个是氢冶金替代碳冶金。这个系统中的一个重要变化，就是原来用碳作为还原剂，现在可以用富氢气、合成气来作为还原剂，将来要完全用氢作还原剂，我们国家已经在做万吨级的示范，过程所也取得了一些非常重要的进展。
第二个是电解铝。我们国家有色的碳排放中，电解铝占了约60%，电解铝耗的电占全国总用电的7%左右，相当于两到三个三峡发电量。电解铝中最重要的几个环节是铝土矿到三氧化二铝，再就是用三氧化二铝往后去做铝的还原过程。现在主要发展两个技术，一个是惰性阳极技术，一个是离子液体电解铝技术。
在石化行业中最重要的是油品。石油如果不做汽柴油，以后就要与绿氢相结合，通过流化床反应器来做成化学品。这里最主要的一个科学问题，就是小分子裂解温度比较高，大分子裂解温度比较低，都要在流化床反应器中的非常小的空间里面实现反应，所以提出了反应微区和整个反应器如何来调控的问题。
现在我们国家在这方面的进展非常快，已经完成了中试规模的研究，三烯收率可达到50%以上，化学品收率可达到60%以上。如果石油全部来做烯烃、芳烃以后，进一步还可以制备一系列化学品。烯烃做到α-烯烃可以做润滑油，上海高研院在这方面有一些突破；也可以做MMA，即有机玻璃原料；C4可以再做尼龙，或进一步发展光刻胶等等；还有芳烃可以做均酐，是电子信息材料的原料，所以应该以石化行业的工艺创新为源头，来引领整个石化行业的变革。
我们在大亚湾做了几个工业示范装置，其中包括离子液体催化二氧化碳合成锂电池电解液溶剂等。大亚湾里面的石化园区是非常完整的产业链，它的产值超过了3000亿。
第二方面，简单汇报一下能源的低碳变革。能源的低碳变革就是要依靠风光电，还有非常重要的一块，就是生物质。生物质如果能做乙醇，进一步生产烯烃。生物质做乙醇可以靠生物的方法，也可以靠化学的方法。另外就是发的电如何储存的问题，一个是储电，一个是储氢。氢的另外一个储存方式就是合成氨，或者合成甲醇（液态阳光）。我这里介绍几个最新的进展，一个是生物质做乙醇。这是美国的一个工厂图，我们国内也在做，现在最重要的问题就是发酵过程的酶太贵，生产1吨产品要耗费3000~5000元，只有把酶的价格降下来，才可能解决生产的问题。现在正在发展的技术，是在实验室从二氧化碳直接碳碳重构合成乙醇，这个在实验室中已经走通了。其中我们提出了一个概念叫离子酶，因为我们主要做离子液体，这个过程如果能够实现产业化或者能够在科技上有所突破以后，它的意义是非常重大的，生物质的链就打通了。
在能源存储使用方面，我们通常做的电池都是正负极固定的，比如现有的锂电池。我们承担了科技部的一个变革性项目，国外也在做，就是使正负极能流动起来。正负极流动起来以后，就形成了锂浆料电池或者钠浆料电池。如果能解决化工上浆料顺畅流动的问题，将来的汽车就可以灌注液体了，电量用完以后把液体抽出来，然后再把新液体灌进去，就可以继续使用，这作为新一代的技术，兼具了锂电池和液流电池两者的优点。
再进一步是氢的发展，氢在化工上最重要的用途就是合成氨，合成氨排放了约2亿吨的二氧化碳，占总碳排的约2%。我国7成以上的合成氨工艺采用煤炭制氢，将来如果绿氢出来以后，再通过空气膜分离出来氮气，氮气和氢气通过电热催化合成氨。同时，反应后气体中氨的浓度只有10%~20%，原料气需要循环，我们已经在努力解决这方面的问题了。这一项技术的未来就是氮气加水合成氨，如果这个课题突破了，整个合成氨工业将发生一个大的变革。工业过程创新现在面临着前所未有的大机遇。
第三方面，我将汇报碳捕集利用。关于碳捕集利用，我们在讨论的时候，认为自然界最重要的是碳汇，靠生态来固碳，但是我们可以用物理或化学的方法把它捕集起来，然后再和氢结合，就可以通过热、光、电、生物转化的方法来合成化学品，比如合成乙醇、甲醇等。我们还可以适当考虑碳的封存，但是碳封存实际上只能作为一项储备技术，因为封存是不具有经济性的。
在这里我想跟大家汇报的是，我们在大亚湾跟新宙邦合作，用二氧化碳和环氧乙烷生产碳酸酯，在2021年建成了10万吨装置，现在又新建了15万吨装置，总共是25万吨。碳酸酯的量我们估算需要300~400万吨，随着锂电池和钠电池的飞速发展，能够真正地实现较大规模的“变废为宝”。
目前，二氧化碳的进一步转化有两个大突破：一是通过酶来做液体燃料，如合成甲醇。另外是天津工生所做的合成淀粉，它为我们提供了新的路线、新的希望。当然从化工的角度来讲，要实现经济性还有很长的路要走，这个工艺的第一步甲醇合成是通过化学的方法，未来可能是生物与化学转化相结合的方法，这样才可能开发出来具有大规模经济性的技术。
最后一部分是未来展望。实现零碳目标，可能需要分以下四步：
第一阶段是现在的系统要继续运行，但新建的装置必须要控制为低碳的，排放量要比现有水平低5%~10%。碳的排放不能再增加很多，要控制在5%以内；
第二阶段是减碳，新能源发电成本降低以后，要大幅度通过市场调节来减少化石能源的使用，推动工业结构的减碳；
第三阶段是低碳，大规模的可再生发电成本越来越低以后，我们就可以大规模地推进工业的试验，把碳排放减少到50%甚至到60%；
最后才是碳中和阶段，碳中和阶段即新能源的电力系统成本必须非常低且非常稳定，工业结构的调整必须按照低碳的方式运行，CCUS必须发力。丁仲礼副委员长曾领导开展“中国碳中和框架路线图研究”咨询项目，据估算，自然界吸收的碳+CCUS最多能达到25亿吨，碳排放必须要减少70%到80%才能实现真正的碳中和。所以碳中和将催生新一轮的科技革命，最早是蒸汽机，第二次是电力，第三次是信息，那么再往后的第四次工业革命可能是能源+人工智能+生命健康的革命，这个革命将彻底重塑能源和工业体系。所以我们的研发范式必须要改变，原来我们的研发是在实验室做完实验再到企业，企业在使用我们技术时还需要重新理解生产原理、核验数据等，这个周期特别长，一般需要10年到15年才能搞出一个大规模的应用。
但现在碳中和的发展趋势，要求工艺的变革必须从一开始就要产学研相结合，一开始就要和企业一起确定研发目标、研发产品和研发方向，产学研结合共同推进产业化。我认为这个研发范式必须从线性的改为立体的、协同攻关的模式。从工艺放大来讲，这个过程是多尺度的问题，它包括原子层次、微区层次、反应器、系统层次等等，我们所多尺度团队一直在做这方面的工作。现在来看，传统的热力学理论在纳微尺度层次是不适用的，因此我们需要发展新的理论。
我们前面听了丁肇中先生的报告以及几位专家的报告，非常受启发，一方面要发展理论；另一方面要发展人工智能技术，这两方面结合起来，才能颠覆传统的工业发展模式。
还有几个非常值得思考的问题，前段时间我们跟发改委能源所在交流的时候提到以下三个问题需要深入研究：第一，AI如何深刻影响未来能源及工业系统。第二，将来生物质和风光电到底能做成多大的规模，其经济性怎么样，我国到底该怎么发展？这需要顶层设计和战略研究。第三，储能及氢能到底怎么发展，氢能的输送和天然气的输送完全是不同的材料，这样一种新体系是非常需要战略层面的研究，不是一个两个科学家可以解决的。
党的二十大提出，实现碳达峰碳中和是一场广泛而深刻的经济社会系统性变革，我认为这对我们的影响是非常大的。在此，希望利用这个机会，向社会发出倡议：大家都要积极投入到碳中和当中来，碳中和与每个人息息相关，不仅是一个学校、一个单位，所有人都和碳中和有关。作为一个科研工作者，希望在科学院、科技部的指导下做出一些工作，贡献一些我的微薄力量。