“碳”索之路

应对气候变化、保护地球家园,正在成为全人类共同关注的事。我国已宣布,将力争于2030年前实现碳达峰,2060年前实现碳中和。这意味着,作为全世界最大的发展中国家,我国将用全球历史上最短的时间,完成全球最高的碳排放强度降幅。

二氧化碳精算、工业减排、清洁煤炭、碳卫星监测、生态固碳、太阳能发电和二氧化碳制淀粉……在中国科学院格致论道近日举行的双碳专场讲座上,这些涉及了工程热物理、大气物理、地理、生物技术等不同学科的话题,出现在同一个屋檐下。

“想要到2060年实现碳中和,第一个办法是减排,用可持续的能源来替代化肥和燃料;第二个办法是碳捕获、利用与封存;还有一种方法是利用陆地和海洋的碳汇。”中国科学院院士朴世龙说。他的研究领域,包括陆地生态系统的碳循环、土地使用变化的气候反馈,等等。

中国科学院过程工程研究所研究员朱庆山主要从事流态化、过程强化、资源化工等方面的研究。他和他的研究团队正在跟鞍钢合作一个万吨级示范项目,这个备受国内外关注的项目将利用风电电解水制氢、流化床氢气直接还原炼铁这样一套工艺,探索中国工业的低碳重塑之路。

从碳卫星如何洞悉全球碳足迹,到太阳能光热发电在未来电网中的重要意义,从煤炭清洁燃烧与低碳利用的最新成果,到如何将大气中的二氧化碳变成人类所需的淀粉。不同的道路指向了同一个目标——碳中和、碳达峰。

“(二氧化碳的排放)就像给地球穿了一件棉袄。”朱庆山站在格致论道的讲台上,从二氧化碳开始讲起,“所以我们要努力把地球的温度升高,控制在1.5摄氏度以内,它的核心实际上是控制二氧化碳的浓度。”

他向大家科普,二氧化碳浓度之所以会上升,是因为人类排放的二氧化碳超过了人类所消耗的二氧化碳,要想不上升,排放和消耗必须相等。

投影上的示例一页一页翻过。朱庆山介绍,目前国内的碳排放大概是100亿吨,其中排在第一位的是电力。其次是工业,占了39%。工业再细分,可以大概分为钢铁、有色、化工、建材。炼铁的过程可以理解为把三氧化二铁里面的氧去掉,得到金属铁,传统的高炉炼铁方式是用碳跟氧结合,用朱庆山的话说,这个过程“会产生二氧化碳”。

有色、建材、化工等领域也是一样,制造氢气的过程会产生二氧化碳,碳酸钙分解会产生二氧化碳。当前的工业是通过化石能源来支撑的,提供能量的过程,同样会产生二氧化碳。

朱庆山设想的工业低碳重塑过程,就是从能源、原料到流程,都尽可能抹去二氧化碳的身影。

“在科技部和基金委的支持下,我们国家过去几十年开展了大量的研究,也为我国达成碳中和目标、参与全球气候治理,提供了关键的科学支撑。”朴世龙说。他在演讲中介绍了如何“计算生态碳收支、摸清中国碳家底”。

走在“碳”索之路上的另一位研究者,是中国科学院工程热物理研究所研究员吕清刚。作为中科院“双碳”战略行动计划首个先导专项“煤炭清洁燃烧与低碳利用”的专项负责人,吕清刚必须思考的问题是,如何突破煤炭的燃烧和利用技术门槛,保障我国能源和产业链的安全。

能不能让煤炭像气体燃料一样好用?吕清刚问自己。通过思考和研究,他和他的团队经过10余年的努力,做了上百次大型的试验,累计试验时长3000多小时,寻找一种让煤炭“更好烧”的办法:煤粉预热燃烧技术。如今,他们已经在工业锅炉上实现了应用。

在刚刚闭幕的第24届中国科协年会上,10个对产业发展具有引领作用的产业技术问题发布,其中包括了“碳中和背景下如何实现火电行业的低碳发展”。这正是吕清刚在谋求解决的问题。

“现代化的燃煤发电厂在我们国家超过1000座,这种清洁高效的电厂,实现了氮氧化物、二氧化硫和粉尘等常规污染物超低排放,达到了世界先进的水平,但火电也是真正的碳排放大户。”吕清刚说。目前,他们正在用预热燃烧技术解决火电支撑可再生能源并网发电,促进电力低碳。

他盼望到2060年,随着技术的发展和进步,电网能真正敞开怀抱,百分之百地接受可再生能源电力,不再有“弃风”“弃光”的现象,大幅降低二氧化碳的排放,实现碳中和这一目标。

“很长一段时间。科学家都在探索不用高炉炼铁的方法,提出了非高炉路线。我们流化床直接还原技术就是一个非高炉的方法。我们几代研究者,一直在做这方面的工作。”朱庆山对中青报·中青网记者说。

在这条“碳”索的道路上,除了工业减排、清洁煤炭的常规方式,科学技术的发展还展示出了超出许多人想象力的一面。比如,中国科学院天津工业生物技术研究所研究员蔡韬,就在格致论道的讲坛上,分享了如何将二氧化碳变成人类所需的淀粉。

“二氧化碳”和“淀粉”?这两个词关联起来,听上去甚至有一点科幻。这条新闻去年年底就已经引发了大量关注,一度成为“热搜”词条。

据蔡韬解释,人工合成淀粉这个项目的初衷,就是把淀粉生产的农业化过程,变成一个工业化过程。

“人类用原始的双腿行走奔跑,速度的天花板可能是博尔特的百米9秒,我和他赛跑的话,结果不言而喻。但如果给我一匹快马、一辆跑车的话,我轻易就可以超过他,这就是范式改变所带来的魅力。”蔡韬说。

蔡韬和团队成员希望,能用空气中的二氧化碳直接制造淀粉,他们给这个项目起了个名字,叫“凭‘空’制造”。

对这个团队来说,思考原料来源的问题,相当于思考“二氧化碳从哪来”。据蔡韬介绍,国家的热电厂、水泥厂等,每年固定排放的二氧化碳大约是40亿吨到50亿吨,“我们可以很容易拿到高浓度的二氧化碳”。

6年的时间,蔡韬和团队成员用33本实验记录,记下了他们在2000多个日夜里,对淀粉人工合成的追求和探索。其中有成功的喜悦,也有失败的沮丧。目标初步实现之后,很多人问他,你们合成的淀粉能吃吗?蔡韬承认,自己还不能回答这个问题,因为现在实验室里合成出来的淀粉,大约只有1克左右。

接下来的工作是如何加速推进这个项目,解决其中许多基础的科学问题。蔡韬希望有一天,实验室里能够生产公斤级甚至吨级的淀粉。他承认,从实验室阶段到实现产业化应用,还需要面临很多困难和挑战。但这并不妨碍他去畅想这个技术在未来到底能对人类的生活产生哪些影响。

“以二氧化碳为原料,可以生产淀粉,也可以生产各种各样的化学品,这样就能建立一条以二氧化碳为原料的、新的工业路线。”蔡韬说。

2020年9月,中国政府在第75届联合国大会上提出,我国将提高国家自主贡献力度,采取更加有力的政策和措施,二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值,努力争取2060年前实现碳中和。2021年2月,国务院印发《关于加快建立健全绿色低碳循环发展经济体系的指导意见》,7月,教育部也印发了《高等学校碳中和科技创新行动计划》。

随之而来的是,“双碳”一词持续走热,不但成为去年的全国两会热词,也是“2021年度中国媒体十大流行语”之一;今年“618”,碳中和也成了电商平台热点主题之一,某电商平台的消费者购买标有“绿色商品”的产品,或在购买商品时选择简单包装,就能获得“绿动乐园”的“小绿花”,用来兑换环保商品或参与公益。

作为最年轻的新晋两院院士,朴世龙常年在互联网上进行“碳”的科普,讨论陆地生态系统碳汇功能,及其在“碳中和”目标中的作用。

据朴世龙介绍,目前,我国的森林覆盖率已经由20世纪80年代初的12%,提高到目前的23.04%,森林蓄积量提高到175.6亿立方米。全国城市建成区绿化覆盖率,也由10.1%提高到41.11%。我国森林资源中幼龄林面积,占森林面积的61%,中幼龄林处于高生长阶段,具有较高的固碳速率和较大的碳汇增长潜力。

他也试着强调,生态系统就像一个容器,现在正在被不断地装满。如果有一天这个容器装满了,有可能再也装不下。碳汇也是类似的过程。

在他看来,构建一个天空地一体化的生物生态系统和碳汇的管理系统,是非常有必要的。

“碳中和跟我有关系吗?”朱庆山看到过一些人提出这样的疑问。他的答案是,碳中和跟每个人息息相关,每个人都应该关注碳中和。

他计算了一下,等到“碳达峰”实现的时候,他已经退休了。而“碳中和”实现的时候,现在刚刚大学毕业的那些学生,到时候“可能也该退休了”。但在他的设想中,这条“碳”索之路,未来几十年也许会产生一些新的赛道,带来新的机遇。

Tags :

发表回复

您的电子邮箱地址不会被公开。