刘科院士：要扛起能源转型大旗，电动车还有四大痛点
文 | 聊一波
编辑 | 董 雯 原晋东 贾梦霞
近期，关于人工智能、ChatGPT的话题充斥网络。突如其来的变革，让所有人意识到，未来并没有那么远，而且一旦临界点启动，爆发速度将是指数级的。
而事关人类终极命运的另一个领域——清洁能源，也在特斯拉的投资日上，掀起了不小的话题。时隔七年之后，马斯克再次开启他的“秘密宏图计划”(Master Plan) ，将绿色能源的愿景推到了全人类面前。人工智能需要天量的算力，也需要巨大的清洁能源，因此“可持续”的绿色能源供给是人类社会发展的基础。
“可持续”这三个字，关乎我们每一个人的命运。摆脱化石能源，实现能源体系绿色化，是人类的终极目标。太阳能、风能、水能、核能，以及近些年愈来愈热的电动车、氢燃料汽车及绿色甲醇汽车，都是人类在这个领域上的努力。
什么是清洁能源？如何才能实现100%可持续绿色能源？2023年1月10日，《聊一波》专访了在工业和学术两个领域都卓有成就的全球知名能源专家刘科。
王波明对话刘科
与其他专家不同，作为南方科技大学创新创业学院院长、澳大利亚国家工程院外籍院士，刘科不光有理论研究，其在通用电气、美国联合技术公司、埃克森美孚等国际能源巨头公司，也有着多年的一线实操经验。
简单的寒暄过后，王波明一如既往地直入主题。
为什么要实现碳达峰碳中和？
王波明：非常高兴邀请到刘院士作客《聊一波》。作为全球著名的能源专家，先带我们了解下什么是碳达峰和碳中和？
刘科：先给大家科普下这两个概念。随着经济的增长，人们对能源，特别是对电的需求永远在增长。世界上没有哪个国家GDP在增加，电量却在下降，只是增长的斜率有所不同。碳达峰就是确定一个时点，在中国2030年以后经济还要增长，但碳排放量不能再增加了。
碳中和，很重要的一点，不等于不能放碳。我们发电、开车、制造各种产品，总会有一些碳排放到空气里。虽然大自然自身有修复能力，但碳排放也不能太多。世界上如果没有二氧化碳，人类也无法生存，我们呼吸的氧气，吃的食品，从源头上说都是二氧化碳光合作用形成的。未来世界上排出去的碳和大自然光合作用以及人为消纳的碳，两者要达到平衡，不再继续积累了，就是碳中和。
王波明：碳排放增加会加剧温室效应，造成地球平均温度升高。如果地球气温升高1度、2度，这样的变化到底会对世界造成什么样的影响？
刘科：这也是人类为什么要实现碳中和。从工业革命到现在，世界上最主要的能源还是化石能源，燃烧之后会产生二氧化碳，所以在能源使用过程中就会排放碳。蒸汽机1698年发明，导致18世纪的工业革命，人类真正进入工业化也只有200多年；二战以后才开始大规模使用汽车，但石油、煤炭、天然气这些能源在地底下积累了数千万到数亿年，如今在很短的时间内都排到了大气里，大自然肯定要失衡。
二氧化碳是温室气体，但不是污染气体，但温室气体会随着在大气中的积累，形成类似塑料大棚一样的效果，当太阳的热量进来，散不出去，整个地球的温度就会上升。去年世界多国在格拉斯哥气候大会上的谈判和讨论，就是要努力达成共识将全球温度增加从原来的2度降到1.5度。这小小的2度，就会导致世界上很多冰川熔化，海平面上升，可能一半的港口城市会变成像威尼斯那样的水城。
前些年大家还在争论碳中和是不是阴谋论，但随着全世界科研水平的进步，极端气候愈加频繁，现在不只是政府，还有民间，包括我认为目前最聪明的几个发明家及企业家，比如比尔·盖茨、埃隆·马斯克都在花很大精力研究碳中和，这些人有很多事需要他们花时间来做，如果碳中和是伪命题，我相信他们这些聪明人不会去花那么多的时间、精力及投资在上面。目前这些争论已经慢慢过去了，现在重要的是全球怎样形成共识减少碳排放。
开发便宜的大规模储能技术是实现碳中和的关键
王波明：要限制碳排放量，应该从哪几个方面着手？
刘科：碳排放主要来自煤炭、石油、天然气这三种化石能源的使用，这些过程占了90%的碳排放量。去年全国有69.5%的电是靠煤炭发的，人类从工业革命开始就在烧煤供能或发电。全世界87%的石油用于生产汽油、柴油、煤油燃料，最后被燃烧掉并产生了二氧化碳，13%的石油生产了我们使用的所有化学品，而天然气在化石能源中碳排放是最少的。
计算这三种化石能源的碳排放量，有一个很重要的指标，碳氢比。煤炭是1个碳平均约0.6个氢(CH~0.6，产地不同，碳氢比有些变化)，石油是1个碳1.5个氢(CH~1.5)，天然气是1个碳4个氢（CH4）。所有的化石能源燃烧后都变成了二氧化碳和水，所以含氢量越大，产生同样能量所排放的碳就会越少。
王波明：既然煤炭占了碳排放量的很大部分，应该要找到其他的替代能源，为什么到现在风电、太阳能还没有普及？
刘科：各个国家的发电情况不太一样，我国煤炭发电占比近70%，太阳能、风能、水力发电、核电及天然气等加起来大概占近30%左右，其他还有地热、潮汐、生物质等比例比较少。
为了实现碳中和，今后要尽量减低煤炭发电。其实世界上没有人喜欢火力发电，之所以建那么多火电站，是因为发展中国家资本有限，发展经济需要电，而火电是最便宜的。当然不同地方的电价取决于煤的价格，如果仅仅看每度电的成本，全国火电大概是0.2~0.54元。（取决于当地的煤价）
这两年我国有一个好的消息，太阳能、风能发电增速在加快，每度电的成本急剧下降。一是技术进步，二是量多了。我国现在太阳能的成本大约是每度电0.2元，目前国内网上报出来的最便宜的太阳能电价是在四川甘孜州，每度电0.148元，已经是远低于火电了。
但是太阳能只在有太阳的时候会便宜。一年8760个小时，比如深圳等珠三角地区一年太阳能发电的有效时间大概是1200小时左右，上海等长三角地区是1000小时左右。就算天天阳光普照，一天也只有三分之一的时间有太阳。如果在没有太阳的时间里，还是靠煤来发电，那碳中和永远都实现不了。
风电也类似，有风的时候就有电，各地风力发电有效时间不同，据报道依靠风力的发电量全国平均下来是2200小时左右，在大部分区域风能要比太阳能贵一些，但总体来看，有风、有太阳的时候，它的成本就已经接近甚至低于火电了。
这是好消息。但坏消息是太阳和风是不可预测的，煤电厂可以24小时稳定发电。比如去年，俄乌战争发生前，欧洲天然气暴涨，是因为前几年欧洲的一批环保主义者砍掉了很多火电站。福岛核电站事故后，很多核电站也被关掉了，德国18座核电站就只剩下2座，取而代之的是建了大量的风电。但是2021年夏天有好几周整个北半球没有什么风，尽管这个世界上有的是沙漠，太阳和风的总量足够，但大自然是不稳定的，也很难预测。怎么能让它稳定？就必须要储能了。
王波明
王波明：储能很关键，我知道目前还只能储一部分，无法大量、稳定地输送到电网上，技术到现在还没突破。目前储能技术发展到哪步了？
刘科：储能一般分为短期储能和长期储能。短期储能时长几个小时，比如只储一晚上，第二天太阳出来就不用了。现在工业化的储能技术有三种，第一种是在有水库的地方用抽水储能；第二种是在一些有岩洞的地方通过压缩空气储能；第三种是电池，电池一般适用于手机、电脑、电动车这种小型的设备，但到GW级的大规模储电，成本相对较高，而且也只能储几个小时。
如何长期储能？世界上风和太阳的总量是足够的，白天能上电网的尽量上电网，能短期储能的尽量短期储，剩下的可以转化成在常温常压下是液态的绿色液体，也就是将太阳能和风能转成类似于绿色甲醇、绿氨这样的液体（~10atm）储存下来。比如当江浙地区出现梅雨季节，就可以采用液体燃料来发电。但是目前储能成本还是比较高的。从定价可以看出来，珠三角谷电约0.3元，峰电约1.3元，要是有技术可以实现在低谷时储电，在峰值时卖，中间就会有将近一块钱的利润，太阳能发电的成本已经很低，最便宜的也就一度电0.1元，如果储能成本能降下来，目前的峰谷电价就有巨大的利润空间，可以再产生几个宁德时代；但这样的情况并没有发生，反过来可以证明目前储能的成本还有待下降。
碳中和的核心就是储能，不仅仅需要短期储能技术，还需要长期储能技术来应对像两个礼拜连续阴雨或者像2021年夏天，整个北半球风较少的极端天气的情况，因为电是不能停的。对中国来说，最终碳中和要尽量少用煤发电，多用太阳能、风电、核电、水电等非碳能源。核电也要发展，虽然价格贵一些，但可以跟火电厂一样24小时稳定发电，所以未来，任何能源不可能像目前“一煤独大”，会是一个各种能源优势互补共同发展的混合的趋势。
燃油车不会马上消失，液体是最佳能源载体
王波明：接下来聊聊石油，石油的最大用户是交通运输业，包括汽车、飞机、轮船等，最近这几年，电动车高速发展，越来越多的人选择了电动车，这样一来，石油的用量能下降多少？
刘科：不到一年前，全世界电动车的拥有量已经超过了全球汽车拥有量的1%，中国应该超过了4%，但是1%是个临界点。通常一个新产品，能达到1%的市场规模已经很不容易了。从产能看，变化更大。根据不同年份，中国汽车年产量大概在2500万到2900万辆这个区间内波动。去年的电动车产量已经达到约700万辆左右了（网上的统计数字在500万~700万辆之间），今年可能会更多。从目前的趋势看，电动车的发展速度还是很快的。
电动车的主要动力还是要尽量用绿电，像风能、太阳能、核电、水电等非碳能源，这样就可以取代石油减低碳排放了。
王波明：现在一些国家已经开始禁售燃油车，未来电动车能彻底取代燃油车吗？
刘科：一些小国家问题不大，是能做到的。对中国来讲，还需要一段很长的过渡阶段。很多人觉得电动车是新的产品，其实电动车110多年前就有了。当时（1912年），纽约，伦敦，巴黎等大城市，街道上跑的电动车远多于燃油车。当时以GE的创始人爱迪生为代表的观点是未来的汽车是电动车，以福特为代表的观点是未来的汽车是燃油车。但是后来到了1920年代后，电动车就逐渐销声匿迹了，近100年来，基本都是燃油车主导，直到最近趋势在变。
历史为什么会这样转变？我研究发现有两个重要的原因：第一、能量密度，也就是不同的能源在1立方米的油箱中所储存的能量。每立方米的氢气只有3.2kWh，天然气只有10kWh，铅酸电池也只有90kWh。铅酸电池在1859年就发明了，人类研究了100多年，花费了上万亿的研发经费。比亚迪最新的刀片电池，磷酸铁锂，也只有300多kWh。但是每立方米的汽油是8600kWh，柴油是9600kWh，用太阳能和风能制的液体甲醇，每立方米是4300kWh。
尽管电池研究了100多年，能量密度从90kWh进步到300kWh了，但和液体相比，能量密度还是零头，所以人类当初选择了燃油车，选择液体燃料。
第二、液体作为能源载体有三个优点：第一，每立方米的能量密度最大；第二，在陆上可以24小时管路输送，也可以非常便宜的跨海输送，比如7块钱1升的汽油，运输成本不到7分钱，陆上管路输送比海运更便宜；第三，可以长期储存，像市场上销售的酒一样，盖子拧紧点，存50年没问题，电是不可能存50年的。如果是液化罐装的氢，如果不用，三个月以后压力也会降一半，氢是最小的分子，钢瓶都可以慢慢扩散出去。
今后风能、太阳能需要大力发展，能上网的尽量上网，这样效率最高；上不了网的就可转成绿色的液体燃料储存，因为液体是最好的能源载体，而且人类投资了几万亿美金的液体基础设施可以继续使用。所以在可见的未来，燃油车和电动车在世界上还是会并行发展。石油也不会马上退出历史舞台。
王波明：那你估计会是多长时间，10年、15年还是20年？
刘科：我相信在中国这样的大国至少还有20年左右，甚至更久。以后也不会全部是纯电动车，燃油车因碳排放等原因有可能被禁，但燃烧用太阳能及风能等绿色能源转化成的绿色液体的内燃机车不会被禁，也不应该禁。现在电动车还有四个痛点需要解决：
第一个，材料太贵，前一段时间碳酸锂的价格一度最高达到每吨60万，最近有下降，电动车要做600公里续航，必须把电池做得很大、很重，相应需要的材料也会很贵。
第二个，纯电动车在城市里开没问题，但要去稍远一点的地方，路上必须要有快充站。慢充不需要大规模更新电网，而且可以选择谷电时再充，而全国都铺设快充站，电网都要更新，而且快充需要集中管理，这将是一笔很大的投资，而且在各地布局也需要较长的时间。
第三个，基础设施的问题。慢充可以选择在现有的地下车库，在电价最便宜的时间充电。要是快充，就需要集中管理。目前中石化加油站，一天服务450辆车，假设每辆车加油3~5分钟，这就能算出占地面积，如果是同样服务450辆车的快充站，集中管理，占地面积应该是现在中石化加油站的10倍，尽管也可以用目前的停车场改建，但北上广深的地价这么贵，电网更新及相应的基础设施建设的费用，用卖电的钱可能多年都赚不回来。
第四个，还要解决冬天的问题，毕竟世界上绝大多数的发达城市是有冬天的，像纽约、伦敦、巴黎、北京、东京、莫斯科、多伦多，纯电动车到了很冷的冬天续航里程就会大降，而且冬天车里需要供暖，会雪上加霜，让里程更低，电动车也不能只在暖和的地方开。
刘科
如果，在车上装50升的绿色甲醇，靠甲醇发电，再装一个小型的发电机，边开车边充电，这样电池就可以做小一些，减低电动车的成本，也没有里程焦虑了。把现在的汽油站改成绿色甲醇站，很容易，几万块钱就可以改，贵阳已经改了近70座，而且甲醇发电的余热也可以在冬天保证电池及车处在最佳温度，供暖也没有问题了。所以绿色液体和电的混合动力在可见的未来将是中国汽车的方向，一一利用了电池的优势、液体的优势以及已有的几万亿美金建的基础设施的优势，这种系统工程的解决方案，比单独推一个纯电动可能更科学。
这样一套绿色设施可以供三代汽车，第一代，内燃机。第二代，混合动力，绿色甲醇加一个小发电机。第三，如果氢燃料电池的技术真的进步了，车上可以用甲醇或者绿氨和水反应制氢，氢推动燃料电池，因为氢的燃料电池效率更高。这是今后中国碳中和的一项工作，有无限的想象空间，也会有至少20年的投资空间。
中国要扛起能源转型大旗，不能再靠钢筋水泥了
王波明：中国房地产业已经走了20年，现在看峰值大概过去了。为了在2030年实现碳达峰，2060年实现碳中和，中间会涉及巨大的投资。作为可以替代煤炭和石油的清洁能源，你认为未来在投资上会有什么趋势？
刘科：2008年亚洲金融危机后，中国投资了大量的房地产和基础设施，依靠钢筋、水泥拉动GDP，对中国经济发展功不可没，带动了100多个行业的发展。到了今天，像黄奇帆先生讲的，中国占世界20%的人口，建造了全世界50%的房子，我国人均已经达到了发达国家的住房标准。
中国的基础设施不管是机场、高铁还是高速公路，已经或接近是全世界最好的。目前高铁除了京沪线赚钱，其他地方都在亏钱。前段时间我到川西、内蒙这些地方，高速公路建得很好，但是没有多少车。要有足够的车流量才能收回投资。
我们不能再继续建一堆空房子拉动GDP了。我看过一篇文章，讲的是日本因为过度基建掏空了经济。我们讲“出来混迟早是要还的”，投资最终是要看回报率的。
王波明：当年投资的时候带动了GDP的增长，投完立马就没了效益。你认为未来我国经济转型的主要方向是什么？
刘科：建楼房用的铁矿石需要进口，还要消耗地底下的煤，污染了空气，还排放了碳。英国的房子质量最好，平均寿命114年，美国大概不到100年，中国虽然没有统计数据，我们看看深圳40年左右的老房子，也知道是什么情况了。北上广深建高楼没问题，但是现在动辄县城、镇子甚至村里都是几十层的高楼，钢筋水泥是不能生物降解的。假设100年以后，这些建筑都到期了，那么多钢筋水泥往哪儿堆？堆了还要占地方。
所以我觉得中国经济要健康发展，要让“钢筋水泥”这部分慢慢降下来，让其他的领域慢慢增长，不但能抵消下降的这部分，还能带来更多增长。现在最有可能让经济转型的领域就是能源转型，，因为能源行业有足够的体量去拉动经济。一方面，中国的风能、太阳能是世界上最便宜的能源，中国的电动车也是世界上技术最好、最便宜的，能源是刚需，能源转型可能会产生巨大的增长空间，这是我们的机会；另一方面，中国提出“双碳”，向全世界表示我们是一个负责任的大国，能源转型不仅可以利国利民，同时对子孙后代也是好事。
投资新能源，投资能源转型，可以建大量的风能、太阳能，能上网的尽量上网，无法上网的转成绿色液体，这样就不再需要进口石油了。美元和黄金早就已经脱钩了，现在支撑美金的就是“石油美元”，而最大的买家是中国，中国现在每年73%的石油靠进口，每年2000多亿美金花到进口石油上。因为现在风能、太阳能便宜了，用这些转化成的清洁绿色液体燃料有可能比70美金一桶的石油生产的汽柴油还要便宜，这样不仅可以实现碳中和，还能产生巨大的经济回报和工业转型，何乐而不为呢？
对于能源转型，首先，我国有巨大的体量。其次，针对这一块的技术，中国可以走到世界前列，甚至引领世界，绿色液体等于是一个绿色的石油业，这是多么大的一个行业啊。最后，围绕新的绿色液体、新的电池、新的汽车，供电和新的制造业，又可以带动非常大的产业发展。
所以，中国应该带头扛起清洁能源的大旗，对人类负责任。中国还应该带头搞好市场经济。中国人聪明又勤劳，如果全世界都严格按照市场经济的游戏规则，我相信哪个国家都竞争不过我们，因为没有哪个国家的人比我们更勤劳。把这两点做好了，对中国的经济发展至关重要，同时对打造人类命运共同体，减少由于地球变暖导致的极端气候灾害改善人类居住的地球环境至关重要。我个人认为移民火星可以去想，可以去探索促进技术的进步，但通过我们大家共同的努力去研发新的清洁能源技术拯救地球比移民火星更现实。
责编 | 田洁
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