利用太陽能、風(fēng)能等可再生能源分解水制綠氫，再由綠氫加二氧化碳在催化劑作用下合成出甲醇，用以替代化石能源，實(shí)現(xiàn)碳的循環(huán)利用——中國(guó)科學(xué)院院士、中科院大連化學(xué)物理研究所研究員李燦及其團(tuán)隊(duì)歷時(shí)20載攻克的液態(tài)陽光甲醇技術(shù)，將這一夢(mèng)想變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。隨著該技術(shù)工業(yè)化驗(yàn)證的完成，早日實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”有了一條全新路徑。目前，采用該技術(shù)的10萬噸級(jí)工業(yè)化生產(chǎn)項(xiàng)目正在推進(jìn)。
據(jù)李燦介紹，該技術(shù)以甲醇為載體實(shí)現(xiàn)太陽能等清潔能源的儲(chǔ)存、運(yùn)輸及利用，具有規(guī)模化儲(chǔ)能、儲(chǔ)氫以及直接資源化轉(zhuǎn)化利用二氧化碳3方面碳中和效果。
生產(chǎn)1噸液態(tài)陽光甲醇可消納6000多千瓦時(shí)電，一個(gè)規(guī)模百萬噸級(jí)的甲醇合成企業(yè)，相當(dāng)于可存儲(chǔ)60億千瓦時(shí)電，儲(chǔ)能潛力巨大。李燦說，作為理想的低碳清潔燃料，液態(tài)陽光甲醇可替代油氣，有助于解決交通碳排放問題；作為中間體廣泛應(yīng)用于化學(xué)工業(yè)、材料合成等基礎(chǔ)工業(yè)，可推動(dòng)綠色制造；作為性能優(yōu)異的儲(chǔ)氫材料，使用甲醇儲(chǔ)氫還能緩解氫能儲(chǔ)運(yùn)安全、成本等難題。
碳中和切實(shí)可行的技術(shù)路徑
李燦指出，2020年我國(guó)在提出“雙碳”目標(biāo)時(shí)，煤炭發(fā)電占一次能源的58%，目標(biāo)是到2030年、2060年分別降到40%、20%～30%，短短40年要降下來是非常困難的;可再生能源占17%，目標(biāo)是到2030年、2060年要分別上升到25%、80%，在短短40年內(nèi)提升63%，也是極具挑戰(zhàn)性的。然而，碳達(dá)峰與碳中和不是一蹴而就的事情。中央要求要保障能源安全，立足煤炭為能源主體的國(guó)情，實(shí)現(xiàn)煤炭的清潔高效綠色利用，深入推動(dòng)能源革命。這就需要處理好4對(duì)關(guān)系，先立后破、有序推進(jìn)、錨定目標(biāo)、抓鐵有痕地來做。要做到化石能源逐步退出，新能源安全替代，煤炭與新能源優(yōu)化組合，綠色低碳碳排放量和強(qiáng)度雙控。而液態(tài)陽光甲醇技術(shù)是解決規(guī)模化碳資源優(yōu)化利用和實(shí)現(xiàn)碳中和的切實(shí)可行的技術(shù)路徑。
據(jù)悉，中國(guó)排放的二氧化碳中，火電(煤、天然氣)約50億噸，占比45%。工業(yè)剛性排放約60億噸，占比55%，其中交通(燃油)11億噸，占比10%；煤化工14.3億噸，占比13%；冶金13.2億噸，占比12%；水泥13.2億噸，占比12%；石油化工6.6億噸，占比6%；其他2.2億噸，占比2%。
李燦指出，從能耗和碳排放看，我國(guó)工業(yè)還是粗放式的，高質(zhì)量發(fā)展任務(wù)艱巨;而從另一個(gè)角度看，達(dá)到全球平均水平，可挖掘的潛力、因節(jié)約資源而帶來的財(cái)富也將會(huì)是巨大的。
李燦介紹，針對(duì)以上排碳結(jié)構(gòu)，火電可用非化石能源、可再生能源、核電替代；交通領(lǐng)域可用電動(dòng)車、氫燃料電池，通過綠氫在源頭上阻斷二氧化碳排放，使用液態(tài)陽光甲醇燃料。解決工業(yè)剛性排放的任務(wù)更艱巨，急需發(fā)展兼顧經(jīng)濟(jì)發(fā)展和實(shí)現(xiàn)碳中和的技術(shù)路徑，可以考慮通過CCS(碳捕獲與封存)、CCU(碳捕集與利用)技術(shù)解決，特別是CCU技術(shù)可以在減碳的同時(shí)獲得一定的經(jīng)濟(jì)效益。液態(tài)陽光甲醇技術(shù)就是一種CCU技術(shù)，其主要過程通過風(fēng)、光、水等可再生能源產(chǎn)生綠電，綠電電解水生產(chǎn)綠氫，綠氫和二氧化碳生產(chǎn)綠甲醇，綠甲醇燃燒可實(shí)現(xiàn)碳中和。甲醇是化學(xué)工業(yè)的基礎(chǔ)平臺(tái)原料，由甲醇可以生產(chǎn)各種化學(xué)品，如烯烴、芳烴，實(shí)現(xiàn)永久儲(chǔ)碳。
規(guī)模化減碳的有效手段
液態(tài)陽光甲醇技術(shù)可謂一箭三雕之舉：既可將快速發(fā)展的可再生能源電力消納轉(zhuǎn)化為可儲(chǔ)存運(yùn)輸?shù)募状迹挚梢跃徑馕覈?guó)液體燃料短缺的能源安全問題，還可以助力實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)。
李燦告訴記者，傳統(tǒng)煤制甲醇排放二氧化碳，而液態(tài)陽光甲醇則是資源化利用二氧化碳。“雙碳”目標(biāo)下，液態(tài)陽光甲醇迎來更大的發(fā)展前景。目前，我國(guó)傳統(tǒng)煤制甲醇產(chǎn)能約8000萬噸/年，每生產(chǎn)1噸甲醇排放約3噸二氧化碳，而每噸液態(tài)陽光甲醇可轉(zhuǎn)化1.375噸二氧化碳。如果用液態(tài)陽光甲醇代替?zhèn)鹘y(tǒng)的8000萬噸甲醇，則可直接轉(zhuǎn)化1.1億噸二氧化碳，同時(shí)減少煤制甲醇排放的2.4億噸二氧化碳。生產(chǎn)10萬噸液態(tài)陽光甲醇可消納700MW級(jí)光伏發(fā)電，若利用GW級(jí)以上電力合成液態(tài)陽光甲醇，代替汽/柴油燃料，則可減排10億噸級(jí)以上二氧化碳。
他介紹，液態(tài)陽光甲醇的合成需要綠氫，而綠氫的生產(chǎn)需要綠電。我國(guó)能源稟賦是缺氣、貧油、富煤，風(fēng)、光、水、生物質(zhì)、海上風(fēng)力資源等可再生能源非常豐富。在我國(guó)近三分之二的國(guó)土上，太陽能資源可以商業(yè)化開發(fā)利用，若開發(fā)60%的戈壁的風(fēng)光發(fā)電資源，可滿足全國(guó)能源需求。目前，我國(guó)各大電力公司加大了可再生能源發(fā)電力度，到2030年前，僅光伏、風(fēng)電裝機(jī)量就將達(dá)到甚至超過12億千瓦。
綠氫由可再生能源發(fā)電并電解水制備(也可通過光催化分解水制備)，其制備過程不排放二氧化碳。旦氫能利用的過程產(chǎn)物是水，也不排放二氧化碳。因此，綠氫在實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)過程中將發(fā)揮重要作用。李燦介紹，制備綠氫的過程非常具有挑戰(zhàn)性。他的團(tuán)隊(duì)這些年探索了多種路子，一直致力于太陽能分解水制氫的基礎(chǔ)研究，包括光催化分解水、光電催化分解水、熱化學(xué)循環(huán)分解水、光伏發(fā)電然后電解水制氫。目前，前3種技術(shù)仍處在基礎(chǔ)研究和應(yīng)用基礎(chǔ)研究階段，光伏發(fā)電然后電解水制氫技術(shù)已達(dá)到工業(yè)化應(yīng)用階段。用綠電分解水制氫，1噸氫氣約等于33000千瓦時(shí)電能，是最有效的化學(xué)儲(chǔ)能及能源轉(zhuǎn)化反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)電能到氫能的轉(zhuǎn)換。雖然綠氫可以從源頭阻斷二氧化碳的生成，是實(shí)現(xiàn)工業(yè)碳中和的根本路徑。但是，氫能大規(guī)模儲(chǔ)存及運(yùn)輸?shù)陌踩统杀締栴}非常突出，限制了其發(fā)展。而甲醇是理想的化學(xué)儲(chǔ)氫分子，可解決氫能大規(guī)模儲(chǔ)存及運(yùn)輸?shù)陌踩统杀締栴}。1噸甲醇經(jīng)水汽重整可釋放187.5千克的氫氣，儲(chǔ)氫密度高于液態(tài)氫，也比其他化學(xué)儲(chǔ)氫的儲(chǔ)氫量高，因此越來越受到關(guān)注。目前高壓氫氣的成本非常高，原因之一是運(yùn)輸儲(chǔ)存成本高，通過高壓氣瓶輸運(yùn)氫氣，大約100千米就把氫氣的成本翻一倍。但甲醇容易儲(chǔ)存和運(yùn)輸，成本也較低，容易被消費(fèi)者接受。因此，甲醇作為優(yōu)異的綠氫載體，可作為車載供氫、企業(yè)規(guī)模化供氫及加氫站儲(chǔ)氫、供氫的技術(shù)，可解決氫能大規(guī)模儲(chǔ)存及運(yùn)輸?shù)陌踩统杀締栴}。
李燦介紹，液態(tài)太陽燃料合成示范項(xiàng)目集成了液態(tài)太陽燃料合成全流程工藝技術(shù)，具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，整體技術(shù)國(guó)際領(lǐng)先。該技術(shù)有3個(gè)創(chuàng)新：一是研發(fā)了鎳基地上原子級(jí)分散的過渡金屬電解水制氫催化劑，實(shí)現(xiàn)單槽千立方/小時(shí)以上規(guī)模化制氫生產(chǎn)，能量轉(zhuǎn)化效率超過82%；二是針對(duì)二氧化碳加氫制甲醇，發(fā)明了新型鋅鋯氧化物固溶體催化劑，表現(xiàn)出了優(yōu)異的甲醇選擇性和穩(wěn)定性；三是成功耦合了光伏-堿性電解水制氫-二氧化碳加氫制甲醇三個(gè)單元，解決了各單元之間的匹配和連續(xù)化運(yùn)行問題，可適應(yīng)光伏發(fā)電間歇性、波動(dòng)性的特點(diǎn)。
綠色甲醇應(yīng)用大勢(shì)所趨
據(jù)李燦介紹，在交通領(lǐng)域，甲醇作為低碳清潔燃料替代汽油，可緩解石油對(duì)外依存度，實(shí)現(xiàn)環(huán)境友好。而“液態(tài)陽光”甲醇(綠色甲醇)的推廣應(yīng)用，不僅可解決傳統(tǒng)化石燃料燃燒污染排放問題，更是該領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)“碳中和”目標(biāo)的有效技術(shù)路徑。在我國(guó)，甲醇燃料目前已經(jīng)在動(dòng)力燃燒和熱力燃燒領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，且在部分行業(yè)的應(yīng)用技術(shù)走在世界前沿。
從具體領(lǐng)域來看，甲醇作為動(dòng)力燃料，主要用于交通運(yùn)輸車輛和船舶、固定發(fā)電裝備等，基于道路車輛管理許可的放開、船舶技術(shù)法規(guī)的出臺(tái)，產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的技術(shù)推廣和產(chǎn)品投放正在全面加速鋪開。2019年，甲醇汽車在我國(guó)實(shí)現(xiàn)了政策許可、管理許可、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)許可、市場(chǎng)準(zhǔn)入、后市場(chǎng)維保全面貫通。我國(guó)在全球汽車產(chǎn)業(yè)率先實(shí)現(xiàn)甲醇汽車產(chǎn)業(yè)化建設(shè)和市場(chǎng)化規(guī)模應(yīng)用，并開展了甲醇汽車與國(guó)際同行的多邊合作。
上述情況表明，從社會(huì)公眾認(rèn)知和產(chǎn)業(yè)界接受層面看，我國(guó)甲醇燃料行業(yè)已完成了前期探索和試點(diǎn)應(yīng)用工作，正在進(jìn)入全面產(chǎn)業(yè)化和規(guī)模應(yīng)用階段。但目前消耗的甲醇大多來自化石能源制備(主要是煤制甲醇)，不能有效解決二氧化碳排放問題。每噸煤制甲醇排放2～3噸二氧化碳，再考慮到作為燃料燃燒排放，總計(jì)排放3～4噸二氧化碳。
在保障能源安全、推進(jìn)甲醇燃料規(guī)模應(yīng)用的進(jìn)程中，應(yīng)特別鼓勵(lì)甲醇能源制備產(chǎn)業(yè)逐步由化石燃料甲醇技術(shù)向可再生能源綠色甲醇技術(shù)轉(zhuǎn)變。這意味著，需要從甲醇能源生產(chǎn)的源頭開展 “液態(tài)陽光”甲醇規(guī)模化生產(chǎn)，以此提高我國(guó)綠色甲醇產(chǎn)能占比。
此前，交通運(yùn)輸部、鐵路局、民運(yùn)航空局、郵政局聯(lián)合印發(fā)《積極發(fā)展新能源和清潔能源運(yùn)輸工具實(shí)施意見》中指出，將依托交通強(qiáng)國(guó)建設(shè)試點(diǎn)，有序開展氫燃料電池、可再生合成燃料車輛、船舶的試點(diǎn)。車輛交通和船運(yùn)領(lǐng)域開始推廣使用綠色甲醇。
國(guó)際海運(yùn)組織開始要求船運(yùn)使用低碳綠色(甲醇)燃料。馬士基已經(jīng)開始在全球部署船舶綠色甲醇燃料生產(chǎn)、供應(yīng)體系，它提出的目標(biāo)是到2030年使用500萬噸。近日，法國(guó)達(dá)飛輪船的6艘15000TEU甲醇雙燃料集裝箱船訂單“花落”大船集團(tuán)，將在2025年下半年予以交付。由此可見，綠色甲醇在船運(yùn)領(lǐng)域的應(yīng)用勢(shì)頭很猛，業(yè)內(nèi)應(yīng)予以高度關(guān)注。
據(jù)介紹，液態(tài)陽光甲醇加氫站已在今年初被選作張家口冬奧會(huì)新能源示范技術(shù)。目前，液態(tài)陽光甲醇制氫的成本可低于30元/千克，有一定競(jìng)爭(zhēng)力，能實(shí)現(xiàn)油、醇、氫共站新局面。
建議設(shè)置甲醇制造準(zhǔn)入條件
李燦強(qiáng)調(diào)，液態(tài)陽光甲醇不僅是交通領(lǐng)域、更是工業(yè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)綠色低碳乃至零碳的路徑。通過CCS和CCU，規(guī)模化生產(chǎn)液態(tài)陽光甲醇，與化工、冶金、建材及其高端裝備業(yè)等工業(yè)過程結(jié)合，可發(fā)展綠色低碳新興產(chǎn)業(yè)，理性平衡減碳和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)系，創(chuàng)新科技范式，促進(jìn)新興能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。液態(tài)陽光甲醇可推進(jìn)綠色生物制造，諸如生產(chǎn)氨基酸、多肽，蛋白質(zhì)、淀粉，可降解高分子聚合物單體和藥物中間體等綠色產(chǎn)品。
對(duì)于液態(tài)陽光甲醇技術(shù)的發(fā)展，李燦提出如下建議：
一是宜盡快研究和組織編制并頒發(fā)《甲醇燃料制造企業(yè)準(zhǔn)入條件》，對(duì)甲醇制造企業(yè)提出相應(yīng)的基本要求，如生產(chǎn)原料、生產(chǎn)綱領(lǐng)(規(guī)模)、生產(chǎn)效率、水資源消耗、碳回收等，進(jìn)行科學(xué)規(guī)范和規(guī)定。對(duì)應(yīng)編制和出臺(tái)《甲醇燃料制造企業(yè)規(guī)范管理辦法》，對(duì)制造企業(yè)碳回收、“液態(tài)陽光”甲醇制造項(xiàng)目建設(shè)、綠色甲醇占比階段目標(biāo)等提出要求和規(guī)定。《準(zhǔn)入條件》為產(chǎn)業(yè)剛性要求，《管理辦法》為達(dá)到規(guī)定階段占比目標(biāo)要求給予鼓勵(lì)支持的相應(yīng)條款。
二是最好能建立綠色甲醇燃料制備企業(yè)名單發(fā)布機(jī)制，按生產(chǎn)“液態(tài)陽光”甲醇占比排名，引導(dǎo)甲醇燃料消費(fèi)企業(yè)和行業(yè)優(yōu)先采購名單企業(yè)和排名靠前企業(yè)制造的甲醇。政府則通過階梯碳稅補(bǔ)貼的方式，鼓勵(lì)名單企業(yè)和排名靠前的企業(yè)。
三是希望盡快開通“液態(tài)陽光”甲醇產(chǎn)業(yè)建設(shè)綠色通道。通過國(guó)家綠色金融框架激勵(lì)機(jī)制、綠色金融和財(cái)稅配套政策，對(duì)符合《準(zhǔn)入條件》《管理辦法》而獲得綠色甲醇燃料制備名單的企業(yè)，優(yōu)先給予可再生能源資源，開通可再生能源建設(shè)項(xiàng)目審批綠色通道;鼓勵(lì)和支持企業(yè)利用自有資金和社會(huì)資金，建設(shè)“液態(tài)陽光”甲醇項(xiàng)目。
蘇公網(wǎng)安備 32010502010057號(hào)
