甲醇作为能源载体会成为未来碳中和的路径之一吗？

今天继续谈谈未来可能的能源路径以及目前碳中和路径存在的问题。对碳中和感兴趣的朋友还可关注小红书（GREEN&CARBON）以及公众号（绿色

今天继续谈谈未来可能的能源路径以及目前碳中和路径存在的问题。对碳中和感兴趣的朋友还可关注小红书（GREEN&CARBON）以及公众号（绿色的碳）哟，欢迎相互学习和交流，谢谢！

数据显示，2020年，我国二氧化碳排放大约103亿吨，其中，煤炭、石油、天然气排放达到95亿吨，另外一部分是沼气、生物质以及一些其他的排放。所以，约92%的二氧化碳排放是以上煤炭、石油、天然气这三种化石能源燃烧产生的。煤炭、石油以及天然气细分碳排放量如下表：

可以看出，煤炭是最主要的碳排放源，占比达到了总碳排放量的71%左右，如何降低煤炭的消耗是实现碳中和的重中之重。另外，我们用103亿吨除以14亿人口，算出人均碳排放大概7.4吨，从而推出一个三口之家每年平均排放22吨二氧化碳，这是一个天量的数字。所以实现碳中和对于我国目前高度依赖煤炭资源的能源结构来说，存在时间短、强度大的问题，必须倒逼我国的能源、产业以及经济结构转型升级。同时，这个转型过程需要与我国的经济状况挂钩，不能毕其功于一役，走碳冲锋路线，也就是不能牺牲我国经济的发展使碳中和硬着陆。碳中和并不是我们最终的目的，我国需要借助碳中和机遇摆脱对他国的能源依赖、实现高新技术弯道超车以及重塑世界格局的目的。

过去40年，中国在改革开放政策下发生了翻天覆地的变化，而未来40年，中国在碳中和政策下会再一次迎来翻天覆地的变化。尽管风能、太阳能、二氧化碳转化为化学品、CCS、CCUS，提高能效都会对减碳有些贡献，都值得去鼓励探索和实施，但对目前天量排放的二氧化碳，近期内二氧化碳减低的比例是相当有限的。在这种情况下我们怎么才能在对经济影响最小的前提下实现碳中和？碳中和的现实路径有哪些，这是需要进一步探讨的。

减碳

减碳的途径有许多，比如产品生产过程中的降耗增效、人们生活工作中的绿色行为、废弃物的回收利用等。我国的碳排放主要来源于电力、工业、交通和建筑领域的各种活动，减碳也应该从这些地方找到突破口。降耗增效应该算是最有针对性的减碳方法，可以显著降低工业流程、产品使用中的碳排放，提高能效是全球成本最低的减碳路线。但是这种减碳方法真的对于现在的中国有很大作用吗？

接下来我们用数据进行论证。中国加入WTO这二十年来能效提高了很多，但是碳排放的总量是增加了还是减少了？由于我国经济和生产水平的飞速发展，前10年我们碳排放增加得更多。下表为20年来我国煤炭石油消耗量的大致走势。

可以看出能源消耗量的增速有所放缓，但是体量却巨大。20年间，随着科技的进步，在新增的诸多工业门类中已经很大程度地提高了能效、减少了碳排放。

那这数据该如何解读？唯一的解读是加入WTO，世界的市场向中国开放，中国一度成为了世界工厂，同时这一期间我国房地产建设蓬勃发展也是一个重要因素。煤的耗量表示电的耗量，电的耗量表示工业化的程度。这期间能效肯定提高了很多，但是单凭能效也难以解决碳排越来越多的问题。因此，提高能效是减碳的重要手段，但只要仍然在使用化石能源，提高能效对碳中和的贡献也是非常有限的。提高能效确实是成本最低的减低碳排放的方式，也是最应该优先做的，但是现实考量是不能光靠能效提高就能够达到碳中和。

零碳

在俄乌冲突导致世界整体形势变得混乱的情况下，所有的能源价格不断飙升，这给了风能和太阳能等清洁能源发展的动力和机会，可再生能源的价格的确越来越便宜了。对于太阳能发电成本，华为与沙特2021年签署了全球最大的光储离网储能项目，其储能系统可达1.3GW。由于资本成本在中东尤其是沙特很低，而且沙特具有长时间的太阳光照，所以此项目中整体系统生命周期每度电成本将低于1美分，即每度电成本不到7分钱人民币。即使今天，在中国的一些火电厂的发电成本也是上述项目发电成本的3倍左右。

在目前这种情况下，太阳能和风能的价格会越来越便宜，但问题是首先要有太阳能和风能。中国各地的太阳能每年发电小时数不等，但全国各地平均起来大约在1500-1700小时左右，风能每年发电的时间大约是2000小时左右。但一年总共8760小时，用电是需要24小时连续的。太阳的有效照射时间一般少于20%，所以核心问题是另外没太阳的那80%的时间怎么办？这两种能源之所以不能大幅提升，是因为它们具有波动性，需要储能技术配合。

而且，对电网来说，波动性的能量输入是一种冲击，传统电网只能容纳约15%左右的非稳定电源。所以无论风能和太阳能发电有多便宜，依旧改变不了用电不稳定的缺点。例如去年夏天，欧洲出现了风力不足的情况，这就是为什么天然气价格会飙升的原因之一。

一方面人们非常乐观地看到可再生能源的价格越来越便宜，但更关键的议题应该如何解决这些可再生能不稳定性的问题？

储能则是最为重要的实现路径，但现在的储能却非常昂贵。目前在中国上海，用电尖峰、高峰、平时、低谷比价为1.8：1.5：1: 0.46，尖峰时是低谷时的接近4倍价格。人们之所以不能用便宜的价格在谷时电价时去储能，在峰电时出售，其原因是储电的成本依然太高。现在很多人乐观地说，我们已经准备好了实现碳中和的路径，但是事实并非如此，除非愿意在风能和太阳能不足时支付数倍的能源储存成本。

那么，我国目前的储能事业发展如何呢？

首先，我们探讨一下电化学储能技术。特斯拉创始人埃隆马斯克说：“我可以通过电动汽车的电池储存所有的能源。”，这目前看来是一种妄想，但毋庸置疑马斯克的确有一种把妄想变为现实的人格魅力。即使假设现在所有的车都是电动汽车，也只能通过电池储存16%的电网电力。人们已经研究了百年的电池，今天的电池容量对于笔记本电脑、电动车等确实已经够用，但当我们提到巨量的电网电力能源存储时，电池还是捉襟见肘。

目前使用最广泛的仍是抽水蓄能，抽水蓄能是几百年前的技术，而研究了百年的电池储能在现在却无法与百年前的抽水蓄能技术相竞争，意味着储能技术进步是很不容易的。

人们总是幻想存在一种能够存储大量能源的魔法，但很可惜目前还不存在。自铅酸电池发明至今的百年来，人类花费了数千亿美元研发经费研究储能。从铅酸电池的90千瓦时/立方米增加到今天特斯拉的300-500千瓦时/立方米，电池的能量密度并没有得到革命性的根本改变，而汽油的能量密度则是8600千瓦时/立方米。迄今为止大规模（如GW级）的储电技术，最便宜的还是100多年前就被发明的抽水蓄能技术。如果有一个大型水坝，你可以使用抽水蓄能来储存大量能源；如果有合适的岩洞，压缩空气储能，也可以作为低成本的大型储能方案。但是使用电池储能目前确实太贵，在中国曾使用过废旧的电动车电池进行储能，却因发生数次事故后而使项目夭折。因为在使用旧电池时存在较大安全风险，当电池越来越旧时，可靠性就越来越低了。

接下来，再谈一下最近正值风口的储能技术，甚至被认为是终极能源的氢能。

氢不是一次能源，而是一种二次能源，或者更确切地说是能源的载体。这个世界有煤田、油田、天然气田，但没有氢田。氢和电一样，是通过别的能源制造的，但是作为载体，氢不具备上面提到的液体能源在能量密度、管道及跨海输送、长期储存方面的优势。

氢气不适合于做大众能源载体，主要的原因在于有几个方面无法通过研发改变。第一，氢是质量能量密度最大的能源，但因为氢气的密度最小，氢气也是体积能量密度最小的物质。对于许多应用场景，像汽车轮船等油箱，因为空间有限，需要的能源体积能量密度不能太小。为了增加体积能量密度，只好增加压力。目前所有的氢燃料电池车里的储氢罐，都是350和700公斤大气压。因为压力太大，储氢罐如果拿不锈钢设计必须做得非常厚，这在生产上具有较大的成本和安全隐患。第二，氢气是元素周期表中最小的分子，最小的分子就意味着最容易泄露，长期储存是问题。第三，氢气在露天没有问题，但是在封闭的空间里，氢气就会有巨大隐患。氢气是爆炸范围最宽的气体，可以从4%到74%。小于4%是安全的，大于74%只着火不爆炸。但是在4%到74%这个很宽的范围内，遇火星就爆。现在北上广深这些城市，大部分的车是停到地下车库这一封闭空间里的。当大量氢能汽车进到地下车库，若有一辆车泄露，就会产生巨大的危险。尽管这个是小概率事件，但是使用量众多的时候，总有部件老化等问题发生，哪怕储氢罐是安全的，阀门、管路等也有一定小概率老化，或者开车不注意发生了撞击。一旦泄露遇到火星、电火花就会爆炸，引起其他车爆炸，一个大楼都有可能毁掉。所以在封闭的空间里，使用氢气要非常注意。同样因为氢气的爆炸性，建设加氢站要特别小心，周围需一定的安全距离。现在的北上广深到处都是加油站，但地价这么贵，到哪找能那么多地重新建加氢站呢？

负碳

负碳则是通过碳汇、CCUS（碳捕集、利用与封存技术）等技术主动吸收空气中的二氧化碳，从而实现碳中和的目的。

首先，利用CCUS技术，把生产过程排放的二氧化碳进行捕获提纯，再投入到新的生产过程中进行循环再利用或封存。目前大规模捕集二氧化碳的技术是可行的，只是成本太高。通过捕集可把电厂产生的二氧化碳打入地下做驱油和埋藏等其他的作用。资料显示，近年中国二氧化碳驱油消耗量大概是每年几百万吨二氧化碳耗量，与我国一年103亿吨二氧化碳排放量相比，减排效果非常有限。而且驱油这个阶段是一部分二氧化碳进到地里，还有一部分会跟着油出来，并不是完全的埋藏。

另外，有人认为我们可以把二氧化碳转化成各种各样的化学品，比如保鲜膜、化妆品等等，但是这些没法从根本上解决二氧化碳的问题。前面已粗略估算过中国一个三口之家一年平均排放二氧化碳22吨，但不管什么产品一个家庭一年也消耗不了20多吨。另一方面，据估算全世界只有大约13%的石油就生产了我们所有的石化产品，剩下的大约87%的石油都是被烧掉的。如果把全世界的化学品都用二氧化碳来造，也只是解决13%的石油排碳的碳中和问题。所以，从规模上讲二氧化碳制成化学品并不具备减碳价值。

因此，碳中和不光是一个技术的问题，更是经济和社会平衡发展的综合性问题。现在电厂把二氧化碳分离，分离完以后打到地下可以做驱油和埋藏这条路，我国新疆等地已经有类似的二氧化碳驱油工程，因为地理位置的优势还具有一定的经济效益。这块的成本主要是把二氧化碳在锅炉尾气中分离出来的成本，在目前的技术手段下，靠CCUS利用来处理的成本很高，作用也是有限的，当然这方面的成本通过研发也可以降一些，经济上能否有竞争力，取决于未来碳价和碳税如何发展。

新路径

如上所述，虽然氢气的质量能量密度大，燃烧时二氧化碳零排放，但是它体积能量密度低，不易运输储存，容易发生爆炸等缺点让氢能目前仍得不到重用。而就目前而言，要想作为能够被广泛使用的能源载体，需要具备以下几个特点：一是能量密度尤其是体积能量密度大，二是在陆上可管道输送，三是海上可便宜的跨海输送，四是可以长期储存，在碳中和背景下，目前还需要增加一个特性：碳排放少。

数据显示：氢气在常压下的能量密度只有3.2千瓦时/立方米，而液体的甲醇是4300千瓦时/立方米，汽油8600千瓦时/立方米，柴油是9600千瓦时/立方米。可以看出，液体才是氢能最好的能源载体。但是氢气是非常难液化的气体,在101.325千帕下,氢气在-252.8℃时才能变成无色的液体，这使液氢在目前大范围使用成为奢望。那么从分子式来看，将甲醇作为氢气的载体，是不是一个颠覆能源结构的一种实现路径呢？

就目前的甲醇制备技术分析，甲醇可以从煤、天然气来制，未来可以用太阳能和风能制氢，再与二氧化碳反应制得，或太阳能催化二氧化碳和水来制甲醇，就变成绿色的甲醇。具体绿色甲醇制备路线为：使用太阳能和风能电解水产生绿氢和绿氧，精简掉了空分和水气变换工艺单元，传统甲醇生产设施只需进行改造翻新即可用于制取绿色甲醇。

现在中国甲醇产能全世界最高，大概8000多万吨。另外，页岩气革命让世界发现了100多年用不完的天然气。有100多年用不完的天然气，就有100多年用不完的甲醇。如果今后真正想实现碳中和，并且太阳能、风能有较高的碳减排收益的时候，可以把风能、太阳能和煤结合制出比较便宜的甲醇，通过车载甲醇制氢并与燃料电池系统集成，这就比直接燃烧的发动机效率高，那么重型卡车、飞机、轮船就可以不用在使用柴油和汽油，这就填补了适配能源的缺口。另外，1L甲醇和水反应可以放出143克的氢。储氢要么压缩，要么冷凝。即使冷凝，1L的液氢也就72克，而1L甲醇和水反应的产氢量是1L液氢的2倍。

至于甲醇输送成本，我们可以假设每升7元的汽油是从休斯敦炼油厂用船拉到上海东海港，每升的运费是多少钱？成本其实不到7分钱。船运液体时，使用泵和管道就能装卸，基本不需要人工，路上耗费的就是船的油钱和折旧费，现在一条大船可以拉30万吨，按汽油比重算，接近4亿升，如果一升一毛钱就是4000万元，但是船跑一趟油钱根本就没有这么多。这就是为什么全球石油产地有限，但世界任何一个角落都可以很方便地加油开车的最根本的原因之一。液体在储运上有很多好处，而且可以长期储存，拉一车可以用很久。

在常温常压下是液体的物质，目前的技术下甲醇可能是最好的储氢的载体之一。甲醇在常温常压下是液体，安全等级和汽油相近，并且在零下60多度也不会结冰。它的能量密度4300千瓦时/立方米，而锂电池能量密度为300-500千瓦时/立方米。甲醇是含氢量高达12.5%的液体，可以通过重整技术制成氢气。甲醇可以通过罐车、管道高效率的输送。在中国西气东输管道已经建成，成本中比例较大的土地费用已经支付，相同的能量密度下，甲醇只需要一条直径比天然气输气管小的多的管道即可长距离输送。我国西部高，东部低，水往低处流，像水和酒精一样的甲醇液体输送成本远低于气体输送。

还有一点，如果我们以后真的使用氢气能源，需要把几万亿建起来的液体燃料基础设施毁掉再重新建加氢站和充电桩？这是一个大问题。石油排碳太高，我们可以把太阳能和风能转成甲醇液体储存下来，便不需要再建那么多充电站和加氢站，电动汽车可以将甲醇和水反应制氢，然后用氢发电，解决电动车续航短的问题。而且甲醇和水反应只需要200多度，它的余热就可以把电池维持在最佳的温度，也解决电动车冬天的续航里程大幅下降的问题。

在了解了甲醇作为新能源的这么多优点后，可能有人会回过头来问，不管是生产甲醇还是使用甲醇都会排放出二氧化碳，为什么还要将甲醇作为实现碳中和的重要途径？

从中国的天然能源禀赋和工业基础来看，中国有很成熟的煤制甲醇技术，只是要产生很多的二氧化碳，因为要补氢以达到甲醇合成所需要的碳氢比，然而通过水煤气变换将一氧化碳转化成氢气的同时会排放二氧化碳。如果那部分的氢可以在西部用太阳能和风能制，同时副产氧气供煤气化用，能够解决很多排放问题；煤制甲醇的工厂里，空气深冷分离制氧气的空分装置是投资最大的，这块投资未来省下来可以做太阳能电解水装置生产氧气和氢气供煤制甲醇用，这样煤转成甲醇就不用排放二氧化碳，再用甲醇作为能源的载体就可以做到减碳60%以上，这可能是未来比较现实的一条碳中和路线。其实这整套技术的核心便是利用现有的基础设施把太阳能和风能以甲醇液体的形式储存下来，能够良好改善目前风光电的弃光弃风状况。

到这儿，可能还有人会问，甲醇技术不也只减少了60%多的碳排放吗？并没有实现零排放。

其实，碳中和并不是追求绝对的零碳，国际上常提的零碳排放通常是“近零（Near Zero）”和“净零(Net Zero)”。作为以碳为基的地球以及所有生物，追求绝对的零碳是不科学的，因为我们吃的食品、植物生长和光合作用都需要二氧化碳。如果把中国的经济从煤经济转到天然气经济或者是甲醇经济就可以减碳67%左右，那么再辅助一些减排增汇，沙漠绿化，盐碱地治理等负碳技术，基本上就可以做到碳平衡了。

希冀

对于中国来说，2060年实现碳中和是一个相对理性的目标，不能操之过急，未来四十年还有很大的想象空间，但是需要面对现实。碳中和是一场系统性的产业革命，涉及一系列能源结构调整、技术进步、发展方式转变的问题，这就需要我们理性审视绿色复苏，而开发便宜的大规模储能技术是能源绿色转型和实现碳中和的关键。

虽然目前风能、太阳能、二氧化碳转化、CCS、CCUS都对碳中和的贡献还并不是很大，而且在长期看来也不是最理想的碳中和路径，但是我们依然需要投入时间、精力、资金等去探索、去研发、去改进。只有在做的过程中才能够去发现一些新的方法和新的途径，或许突然有一天就取得了技术突破。而且，我们现在的这些技术也是对减碳有一定效果的，也需要努力做下去，积少成多，不断精进，做出应有的贡献。

前两次的技术革命，我们没有好好地抓住机会，但是这次能源革命我们已经走在前列。虽然在短期可能会遭受地缘政治以及全球经济下行的冲击，经济体系会面临一定的风险，但是从长远来看，这是一条我们必须要走，也必须要走好的路。

参考资料：刘科院士的访谈与演讲

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