全球碳中和运动缺乏一个明确的理论基础

 

自工业革命以来，人为的大规模CO2排放来源包括能源领域和非能源领域两个方面。能源领域主要是化石能源燃烧所产生的排放，而非能源领域则是来自于化工、钢铁、水泥等工业制造过程中的化学反应。前者占CO2排放总量的80%左右。

 

化石能源燃烧主要通过蒸汽机、内燃机和燃气轮机进行，对应的主要燃料分别是煤炭、石油和天然气。以上三种燃烧技术都涉及到共同的物理化学原理，即碳氢化合物加氧燃烧，释放能量产生动力，同时形成二氧化碳，并通过水蒸汽散发余热。

 

近两个多世纪以来，人类依靠化石能源燃烧的“火”建立了现代工业与文明。然而事实证明，这一集中式燃烧化石能源的“旧火”系统越来越不可持续，对经济、安全、健康、环境的威胁也越来越大。美国洛基山研究院主席兼首席科学家Amory Lovins（卢安武）博士在2011年出版的《重新发明火》【1】一书中指出，鉴于“旧火”系统对人类在地球上生存的严重威胁，非常有必要重新发明“火”，以“新火”代替“旧火”，彻底改造现有的能源系统。他预计，到2050年，美国经济将达到2010年规模的2.6倍，而通过“新火”替代“旧火”，不再需要消耗任何石油、煤炭和核电，就可为美国节约5万亿美元的能源开支，且这一切可以完全利用现有的技术来实现，不需要任何政府补贴和国会法案的支持。

 

这里的“新火”即指那些不需要燃烧碳氢化合物就能够获取能量的技术手段，主要包括源于地上的节能和可再生能源，广义层面也包括挖自地下的地热和核能，即我们常说的“零碳”能源。然而，以零碳能源代替化石能源来解决CO2排放问题，与CO2的关系是间接的。由于当前CO2排放的主要来源是化石能源燃烧，因此有必要直接就CO2排放问题开展一些理论探索，如化石能源能否不通过燃烧来获取能量？有没有好的办法来消除CO2对大气的影响？化石能源燃烧的过程是否可逆？能否通过“逆燃烧”的办法，将CO2和水合成为碳氢化合物？

 

此外，燃烧过程产生大量的废热，除了可以梯级利用部分之外，大多数还是通过水吸热相变，从液态变成气态，并以水蒸气的形式散发到空气中。有没有可能通过“逆蒸汽机”的方法，将这些水蒸汽冷凝成液态水，从而释放热量，为我所用？

 

回答上述问题，笔者认为答案无疑是肯定的。

 

■化石能源能否不通过燃烧获取能量？能！燃料电池就是通过非燃烧的方式从化石能源中获取能量。

 

■能否消除CO2对大气的影响？能！碳捕获、利用和封存(CCUS)技术就是基于这个问题来发展起来的，核心是转换利用，而不是简单的地质封存。

 

■能否通过“逆燃烧”的办法，将CO2和水合成为碳氢化合物？能！这方面的技术进展非常快速，并且有望很快得到商业化推广。北京光合新能公司的等离激元技术，就是利用工业废热或太阳能光热，在常温常压下将CO2和水低成本地合成为碳氢化合物，该技术目前正在中试阶段。

 

■能否通过“逆蒸汽机”的方法，将燃烧过程产生的大量水蒸汽冷凝成液态水，从而释放热量，为我所用？能！这方面我国已经进入规模化推广的阶段了。北京国际能源专家俱乐部2017年评估与推广过的湖南东尤水汽能技术就是将空气中的水蒸汽进行冷凝放热，并通过热泵技术提前所释放的热量，给政府办公大楼、医院和厂房提供取暖和制冷服务，成本比常规燃气取暖和中央空调要低很多。这一技术在湖南已经有了多个商业化运营的案例实证。

 

笔者认为，工业化时代是通过蒸汽机燃烧化石能源“卖碳”方式来支持经济增长，经济增长与CO2排放成正比。与此模式相反，碳中和时代需要通过减碳来支持经济的持续增长，经济增长要与CO2成反比，形成越来越大的剪刀口。在新模式下，我们需要更多的“逆燃烧”和“逆蒸汽机”技术。