郭正晓教授应邀在《2021全球绿色发展高峰论坛》作“碳利用的再思考 ”主题报告-香港大学浙江科学技术研究院

郭正晓教授应邀在《2021全球绿色发展高峰论坛》作“碳利用的再思考 ”主题报告

2021.09.15

香港大学科学学院和工程学院双聘教授，欧洲科学院院士，浙江研究院执行院长郭正晓教授应邀在《2021全球绿色发展高峰论坛》作了 “碳利用的再思考“主题报告（注：以下内容，作者有删节更正) 。

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作为“第十九届中国西部海外高新科技人才洽谈会”的重要活动之一，以“碳中和愿景下能源转型与创新”为主题，2021全球绿色发展高峰论坛于9月6-8日在成都举行。美国加州前州长阿诺·施瓦辛格也通过视频来关注论坛。作为论坛主题演讲的8名中外院士之一，郭正晓教授深入探讨了“碳利用” （CO₂ Utilisation）的挑战和机遇问题。目前由于人类活动造成的温室气体排放已经达到每年540亿吨（54 GtCO₂e），这相当于我们每周排放出两倍于人类总重量的温室气体：人类的总重量大概有 5亿吨；地球上所有其它的哺乳动物的重量也大概是10亿吨（1Gt）。所以，要在未来二三十年达到“碳中和”，挑战是巨大的。

540亿吨就相当于我们平均每人每年排放差不多6.5吨。如果要达到巴黎协定的目标，在未来5年内，我们人均的碳排放量要降到每年2吨，也就是说每个人的碳排放要下降70%才行。所以我们要想健康的生活，除了“减盐减糖”之外，还要“减碳”，每个人都必须把减碳问题重视起来。

目前，发电和制热的碳排放量只占总量的30%。我们每个人的“衣食住行”也基本上产生了30%多的碳排放量，比如少吃牛肉，多用公共交通工具，适当利用空调温度，其实对“减少需求侧的碳排放”的影响还是非常大的。另外可以增加工业过程的效率、引进更多的可再生能源等措施来实现减排。

氢能源的充分利用，特别是和可再生能源或“碳捕捉”结合，可以减少碳排放和城市污染。但关于氢能源的推广，目前还是有很多问题，最重要的问题是氢能源的整个传输体系还没有建成，这方面需要投入几十倍速度来建设发展，才能够真正有效的利用氢能源。

“碳捕捉和封存” （CCS）可以在“供给侧“减碳。但单纯的”捕捉”和”封存” 都直接增加运营成本，可达30-40%，不利于直接推广。当然，国家可以利用“碳政策”工具（碳信用、碳定价、碳交易）来引导或强制实施, 促进科学技术创新和企业技术转型。目前国内对新建电站和旧电站碳排放的捕捉和储存问题也做了很多研究。但是这里还有一个问题，虽然目前欧共体、美国、英国、中国、挪威、加拿大在碳捕捉和储存方面都做的不错，但是把目前储存的量和释放的量对比一下，会发现能够做到的储存量只占整个排放量0.2%，远远低于排放或控制排放的需求。

从另一个角度来讲，碳（Carbon）是一个我们生活中的必需品，我们的好多生活用品，无论建筑还是穿衣穿戴等，都离不开碳，碳的含量占我们好多产品的80%。还有很多能量密集型的行业，比如说炼钢、制造水泥以及长途空运，这些行业直接减碳是非常困难的。

在这种情况下，既要保证能源的安全，又要减少二氧化碳的排放，同时由于人们对生活需求的增加和生活质量的提高，对能源的需求也在持续增长。针对这三方面的挑战（Trilemma），我们必须统筹考虑来应对才行。

因此，我们必须充分考虑“碳利用” （Carbon Utilization）方面的问题，怎么样把能源的三个挑战（Trilemma）变成资源的“三合一”机遇（Tri-portunity）：也就是在这些挑战的驱动下，把以太阳能为基础的可再生能源、电力需求峰谷差的多余电能、和二氧化碳废气– 作为“绿色-价廉-高效”的资源来综合利用起来，制备人类必须的化学物质和能源载体。太阳照到地球上的能量是我们目前消耗的上万倍，那么现在无论是从太阳能发电和太阳能光催化，利用率都还很低，所以这方面的发展和利用空间都很大，太阳能可直接供电给电网，也可加速“碳利用”。

另一个方面就是谷峰电的利用，大家知道一个电站正常运作的话，一定要达到全负荷或者近负荷的运作，它的效率才会最高。如果晚上电“谷”期用的比较少的话，多余的电就只能通过减少发电量来保证电网的平衡，这对能源其实是一种浪费，谷峰差的电价格很低，完全可以促进二氧化碳的利用。在利用的过程中，其实空气中有很多氮气、氮化物都可以和二氧化碳结合，变成可利用的资源，生产绿色资源物资源。

我们的攻关团队目前集中于把二氧化碳、水（包括海水）、氮气这些资源通过合理的设计来提高整个转化效率。比如通过光催化直接转成甲醇或氨气。为什么转换成甲醇而不是氢气呢？一是，我们人类生存能源的供给，除了电以外，还必须有足够的化学能源。化学能源灵活性高、便于输运、可以长期储存。二是，甲醇自己是很多化学物质和材料的不可缺少的原材料。氨是肥料里边不可缺少的，目前制造氨是通过化石能源来做支撑的，完全可以把二氧化碳和氮气转化以后来生成绿色肥料来支持我们生活方面的一些需求。

我们都知道氢能源电池的工作温度是在85度左右，它的寿命容易受到一些限制。在氢气制备或运输过程中如果有杂质的话，很容易造成氢能源电池里的催化剂失效失活。如果是用甲醇或者氨的能源电池，即可保证高效率，切不存在催化剂失活的问题，所以整体的使用效率和使用寿命是非常好的。甲醇的体积和重量也比较小，对于长途“绿色”空运/海运具有很大的潜在利用价值。那么我们希望通过可再生能源和谷峰电的能源来促进二氧化碳的“绿色-价廉-高效”转化，制备甲醇这样一些化学物质和能源载体，而不受制于目前清洁能源的基础设施和利用技术的限制，有效加速“低碳向零碳”的技术接轨和商业拓展。

二氧化碳进一步的转换利用不仅需要一个地区的努力，还需要世界各个国家的共同合作。最近澳大利亚出了一个二氧化碳利用的蓝图，做了非常好的布局。另外日本对二氧化碳的利用也做了部署和分析。但缺少具体的数据，所以大家都需要进一步来了解二氧化碳利用的潜力到底有多大，而且有具体时间表的计划，效果才会更好。

总的来讲，这里想说明两个问题。第一，减碳人人有责，每个人的减碳“行为变化” （Behavioural Change）可以有效抑制“气候变化”。第二，要把二氧化碳当做一种资源，制备高附加值的产品作为“碳经济的驱动力”之一。因此，必须加速科技创新方面的投入来加强碳资源利用的效果；也需要科学家、工程技术人员、公司企业和决策者的统筹合作，才能真正建立有效的低碳资源路径。