谁在试图补齐碳中和最后一块拼图?

你在蚂蚁森林集齐多少张环保证书了? 你乘地铁、点环保单外卖、骑共享单车,每天收集能量,三五个月能在阿拉善种下一…

你在蚂蚁森林集齐多少张环保证书了?

你乘地铁、点环保单外卖、骑共享单车,每天收集能量,三五个月能在阿拉善种下一棵小树。你的每一棵树都是一个小小的碳汇,都在为减缓地球温升助力。

碳汇(Carbon sink)是指能吸收二氧化碳的森林、土地或海洋,他们能依靠自然的能量分解或通过光合作用吸收二氧化碳。因此,植树造林是缓解气候变化的重要措施之一,但仅靠种树来实现40年后的碳中和目标是完全不够的。

我们来做一道题:如果要中和掉中国在去年一整年的碳排放,需要多少树?一棵树一年能吸收大约30公斤的二氧化碳,2020年中国的碳排放量将近99亿吨,这需要3300亿棵树才能将中国去年全年的碳排放量抵消掉。

从上线到2019年4月,蚂蚁森林种下一亿棵树,占地933平方公里。如果想仅靠种树来实现中国的碳中和,我们需要308万平方公里的森林,超过国土面积的1/3。

是树的吸收效率太低吗?不,不是大自然不努力,只能说中国作为全球第二大经济体的蓬勃,其身后的确背负着全球最大的碳排放量。但你是否想过,假如能加速树叶的光合作用,加速碳汇对二氧化碳的吸收和转化效率,这道题会不会有其他的解法?

如何解开碳中和的“二元n次方程”?

自国家宣布“双碳”目标以来,碳中和迅速从学术界出圈走红,成为公共辩论的高频词汇,热度经久不衰。碳中和的解法,无疑两条路——源头减碳和末端治理。

大部分二氧化碳来自于化石燃料的燃烧。源头减碳,就是通过减少化石燃料的燃烧来减少二氧化碳排放。国家大力补贴风力与光伏发电,积极推动电动汽车的普及,就是通过利用更清洁的能源替代化石燃料,从源头上减少二氧化碳产生的做法。

但是,人类劳动生产不可能完全实现“零碳化”,且不说可再生能源生产的间歇性和不稳定性,还是会需要一定的传统能源方式补充;更重要的是,人类的活动会不可避免的产生二氧化碳,“堵不如疏”,相比于花大力气去在每个碳排放的细枝末节上进行处理,末端治理是更好的中和碳排放的不二法宝。

对二氧化碳的末端治理方案是碳捕集、利用和封存(CCUS, Carbon Capture,Utilization and Storage),关键技术在利用和封存两方面。

光合新能C2MET II型工业反应器原型机

说到碳利用,其实二氧化碳本身是很多产品重要的生产原料,比如你冰箱里的快乐水、口袋里跳跳糖、办公楼的灭火器、舞台上的干冰等等。但这些消耗量远不过碳中和所需的九牛一毛。

对比碳利用,碳封存目前的可行性更高,一部分碳封存技术已达到商业应用阶段。

不过,碳封存有较高的泄漏风险,而且由于封存需要大量储存空间,储存成本可能因为空间资源稀缺上涨,从而抵消掉技术成本的下降。长远看来,碳利用是更可持续的一种二氧化碳治理方式。这就好比垃圾分类回收再利用比单纯填埋的方式更好。

让“碳“回到生产生活的循环中,是最有效的治理。而大自然本身也有这样的碳循环示范——光合作用。前文对人工加速光合作用作了个假设,其实,这一假设已经有技术能够实现。

从人工光合作用到人工“油田”

光合作用的原理是,叶绿素在阳光的作用下将空气中的二氧化碳和水转化为饱含能量的有机物。光催化便是对光合作用进行模拟的尝试,其中,等离激元(Plasmon)效应的运用便是打开了光催化领域向清洁能源探索的一个新的可能性。

等离激元人工光合是通过纳米催化剂,人工完成光合作用的技术。过程中,纳米催化剂充当叶绿素的角色,以太阳光为能量,激活二氧化碳和水的化学键,将其中的碳、氢元素重新结合为烷烃分子,成为碳氢化合物燃料。用清洁的碳氢燃料去替代传统的化石能源,不仅可以回收利用二氧化碳,还能减少传统化石能源使用,可谓一石二鸟。

你可能会问,合成的碳氢化合物经过燃烧也会释放二氧化碳,如何是清洁能源呢?人造碳氢燃料在生产过程中,从空气中消耗的二氧化碳,等量于自身燃料产生的碳排放。因此它的生产和使用过程完成了一个短的闭环。

在这个闭环中,碳氢燃料燃烧释放的二氧化碳与其生产过程中使用的二氧化碳相互抵消,整个循环自身可以做到碳中和。这和生物质能源属于清洁能源是一个道理——生物在形成中吸收的二氧化碳量与生物质发电过程产生的二氧化碳量相当。

等离激元概念最早在1951年由美国科学家提出,在物理学上被定义为等离子振荡的量子,就如同光学振荡由光子构成,等离子振荡由等离激元构成。

这种振荡的微观结果就是纳米聚焦效应,通俗的讲就像透镜一样可以把光在纳米尺度聚焦,从而可以在人造材料上复刻并增强光合作用。随着气候变化成为亟待解决的全球性生态危机,等离激元技术在能源和气候治理领域的应用成为最前沿和热门的方向。

从2011开始,等离激元在碳利用领域的探索迅速发展——从理论探究到实验室研发,再到工业示范。

由美国能源部支持的科技公司Syzygy Plasmonics,专门研究等离激元低成本制备氢气的工业化路径,今年4月已完成B轮融资,获得了维港投资(Horizons Ventures)和挪威国家石油公司(Equinor)等全球投资者2300万美元的支持,准备量产其等离激元技术。

日本和中国一样,也在2020年官宣了碳中和目标,并随即发布了《绿色增长战略》,其中提到人工光合回收二氧化碳制乙烯工业化替代现有30%产量,并保持价格不提高。

美国Syzygy公司公布的等离激元光反应器概念图

对比其他国家,中国实现碳中和的难度要大得多。中国是目前所有宣布了碳中和目标的大国里唯一一个碳排放还未达峰的国家。这意味着,2030年碳排放一旦达峰,没有平台期做调整,中国需要在未来30年间,减掉占全球30%以上的碳排放量。在所有碳中和路径的研究中,中国的排放曲线在2030-2060年这一段都是断崖式下跌。

这个急转直下的阶段,除了要依靠高比例可再生能源,更离不开等离激元这类CCUS技术的强势加持。在生态环境部环境规划院新近发布的《中国二氧化碳捕集利用与封存 (CCUS) 年度报告 (2021)》中,对CCUS技术的定位是:实现化石能源低碳化利用的唯一技术选择。

中国比任何一个国家都需要自主可控、高效、经济的CCUS技术。清华大学气候变化与可持续发展研究院在研究报告《中国长期低碳发展战略与转型路径研究》中得出结论,在最低碳的情景下,到2050年,中国的碳排放仍然有14.7亿吨。什么概念呢?相当于到那个时候,中国离碳中和还差了一整个俄罗斯的排放量。

好在,中国对CCUS技术的开发程度并不比国际先进水平落后。2016年,几名纳米科学与激光应用科学家带着等离激元技术回到国内,在北京成立了光合新能科技有限公司。光合新能是全国唯一一家掌握着等离激元制清洁燃料核心专利的公司,他们正带着这项关键技术走出实验室,走向产业化。

除了掌握核心科技,光合新能公司还选择了一套创新的商业模式——轻资产运作,将建设和运营交给客户或第三方,自己只出售关键技术。相当于客户只需购买技术,就能拥有一块净零排放、稳定永续的专属人造“油田”。

不同于过去传统的能源集团,轻资产运作的模式舍弃了对完整产业链的把控,转而聚焦在自身附加值最高的竞争优势上,在未来向智能化、去中心化转型的能源系统中,能大大提高管理运行效率,缩短盈利周期。

这种技术的的潜在客户是中国GDP的顶梁柱们,包括以煤或天然气为能源的电厂或热电厂、高耗能制造业(钢铁、水泥、化工、有色金属)、交通运输业(公路交通与航空)等。

巧的是,这些行业均在碳交易市场首批覆盖的八大行业之中。全国碳市场于今年7月启动,这将碳中和的压力从国家层面转移到企业。

未来,碳价的约束力在“双碳“目标的引导下将愈加强势,这必将成为企业主动减碳的强大动力。这时,高排放的企业将选择性价比更高的技术。而光合新能将提供的,不仅是中和掉碳排放的办法,还能同时为企业自身供能。

2020年11月,光合新能的首个工业化示范厂已于大唐集团在黑龙江的七台河电厂落地建成,七台河电厂拥有了世界第一块清洁人造“油田”。

利用二氧化碳人工合成的清洁燃油

在中试第一阶段,全年能吸收24吨二氧化碳、生产6吨清洁燃料。目前,中国全年的发电量还有68%由化石燃料提供。一旦光合新能的核心技术实现低成本量产,仅电力行业就存在巨大的市场需求。

谁来点燃技术爆炸的引线?

《三体》关于现代技术发展,提到“技术爆炸“这一概念,是说文明为了生存,会在短暂的时间内完成跨越式发展,即便是弱小文明也能通过技术爆炸超越强大文明。

面对反常的暴雨、连绵的山火、崩塌的冰川、极端的酷暑,日益加剧的全球变暖又何尝不是威胁人类社会生存的危机?

危机存在危险,也同时可能为技术爆炸打开机会之门。每一次工业革命的本质都是一次能源革命。第一次工业革命是煤炭为动力的蒸汽时代;第二次工业革命中,作为二次能源的电力横空出世,带领世界走进电气时代,内燃机也让石油在几十年内迅速超越煤炭成为全球能源之首;第三次工业革命中我们已见证了核能、移动能源、信息技术对世界的改变和推动。

信息技术的催化下,第四次工业革命已经提前开始萌芽。这意味着能源领域也将迎来新的一轮能源革命。而且,这一轮革新将是以碳中和为导向能源清洁化。

谁率先掌握了解锁碳中和的技术密钥,谁就有可能引领第四次能源革命。碳中和目标打开了能源技术革命的新赛道,而且有各国政府为技术爆炸掐表倒计时。

碳中和呼吁的技术爆炸将是一种技术范式转移(Paradigm Shift),即在某一领域出现新的科学发现及技术成果,打破了原有的假设或者法则,从而使相关学科发生巨大转变,进而带动产业变革。

等离激元就是一种技术范式转移,除能源领域以外,它还被科学家们运用在DNA辨别、癌症筛查、信息储存和传输、军事装备等尖端领域。

七台河等离激元碳吸收中试厂内景-核心反应器撬装组

对中国乃至全球来说,这都是一条坡长雪厚的黄金赛道。国际能源署在今年五月发布的报告《2050年净零排放》中估计在净零排放路径下,全球每年在能源领域的投资将高达2.3万亿美元,到2030年将上涨到5万亿美元。

而且越临近碳中和期限,这个数值将越高。中国在全球碳排放量中的巨大份额,也同时意味着中国将成为全球投资者眼中一个相当可观的目标市场。

碳中和这条赛道在国际政治、经济和生态文明建设等各方面都满足我国的中远期发展目标,因而确定性极高。

近期来看,疫情后全球急需从历史性的经济危机中复苏,包括中国在内的所有国家都在探索一套绿色高效的刺激方案。国家也在“十四五”规划中划出重点——要开始建立一个可再生能源为主体的现代能源体系。

长远看,中国要在下一次工业革命中占领先机,必须主动把握新一轮能源革命中低碳和负碳生产的颠覆性技术。

碳中和涉及能源部门上中下游十多个细分领域,像等离激元这类拥有独特优势的技术,能在清洁能源、碳利用、储能等多条细分赛道上同步驰骋。

碳中和已经点燃了新的能源革命,中美日都已在新赛道起跑,谁能引领技术爆炸,让我们拭目以待。

 

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