中科院院士李灿:将太阳能转化成液态甲醇可缓解我国燃料短缺,减排二氧化碳几十亿吨
发布者:admin | 来源:搜狐商学院 | 0评论 | 2969查看 | 2021-07-28 13:46:38    

氢能作为实现“碳中和”战略的重要组成部分,备受全球主要国家和地区的青睐。过去半年,全国各地氢能产业园规划建设,各省市氢能政策陆续出台,布局氢能产业的公司越来越多。


“绿色氢能,就是利用可再生能源、太阳能、风能、水能等从水分解制取的氢能,它将是未来解决二氧化碳排放的根本路径。”中国科学院院士李灿日前在“2021长三角(张家港)国际氢能产业人才峰会”中对搜狐财经《致知100人》表示。


李灿与搜狐财经《致知100人》对话


李灿表示,未来氢能将在我国的能源结构中扮演越来越重要的角色。我国要实现碳达峰、碳中和,一方面要提升可再生能源的比例,另一方面还要解决刚性二氧化碳的排放。通过“绿色氢能”和“液态阳光甲醇”可以实现规模化减碳,将提高可再生能源比例与减碳结合起来,完成双碳的目标。


近20年来,李灿一直致力于新能源和可再生能源研究。2001年,李灿便带头开始“人工光合成太阳燃料”的研究工作:利用太阳能等可再生能源生产“绿色”氢能、并将二氧化碳加氢转化为甲醇等液体燃料,这也是液态太阳燃料(即液态阳光)合成的技术路线。


2020年1月,由李灿所在的中国科学院大连化学物理研究所主导研发的“液态阳光”示范项目投料试车成功,生产出液体甲醇产品。这是全球范围内直接太阳燃料规模化合成的最早尝试之一。


把太阳能变成液体燃料,科学家们形象地称其为“液态阳光”甲醇。李灿表示,生产“液态阳光”甲醇,可以回收二氧化碳,实现二氧化碳减排。此外,如以甲醇代替煤炭作为燃料,排放的PM2.5将减少80%以上,氮氧化物减少90%以上。


“如果能把部分可再生能源电力逐渐转化为燃料,比如氢能和甲醇,代替汽油、柴油,就能缓解我们国家液体燃料短缺的问题,减少能源依赖进口,同时能实现碳达峰、碳中和目标。”


规模化发展“液态阳光”优势显著,李灿算了一笔“生态经济账”,每吨甲醇可转化1.375吨二氧化碳,目前我国每年的甲醇产能约为8000万吨,若全部应用“液态阳光”技术路线,则每年可转化上亿吨二氧化碳。同时,合成1吨甲醇可储存6000多度电,电解水制氢每吨氢相当于储存3.3万度电,这意味着该路线也可作为规模化化学储能的技术手段。


“我们已经在上海做了一个示范工程。目前在张家港正在做一个加氢站。我们准备把加氢站用到冬奥会上去,这将会是一个新的技术。”李灿说。


“未来绿氢不光可以供给燃料电池,应用前景非常广。”李灿表示,通过“液态阳光甲醇”的途径,可以把它作为直接燃料。另外甲醇还可以用于合成烯烃、芳烃、含氧化合物,我们国家对于这方面的需求量是巨大的。如果把这些方面都利用起来,“液态阳光甲醇”可以解决减排的二氧化碳可达几十亿吨级。


本期访谈嘉宾:中国科学院院士、物理化学家李灿


以下为对话精编:


搜狐财经:我国提出要在2030年实现碳达峰,还有2060年前实现碳中和,如何看待氢能在实现碳达峰、碳中和中的重要性?


李灿:氢能,这里主要是指绿色氢能,将成为实现碳达峰、碳中和的路径之一。


实现碳中和就要努力消除消纳人类活动中排放出来的二氧化碳,碳中和不一定是零碳排放,使净排放和净消纳的碳量相等就是碳中和。绿色氢能,就是从可再生能源、太阳能、风能、水能中制取的氢能,它将是解决这些已经排放的二氧化碳的最根本的路径,目前看没有其他更优的路可走。


碳排放主要来源于煤电、以及其他化石燃料发电,还有交通领域使用的天然气、汽油、柴油等,这是最大的碳排放来源。另一块是来自煤化工、石油化工、炼油、冶金、合成氨、水泥、电石等行业刚性排放的二氧化碳。


自然吸收二氧化碳有植树造林、海洋等方式,但这是有限的。提高非化石能源、可再生能源的比例是最根本的做法。另外,在目前以化石能源为主导的情况下,节能减排,降低GDP单位能源损耗,也能降低二氧化碳的排放。


按照计划,2030年,我国的非化石能源占一次能源消费比重要达到25%左右,风电、太阳能发电总装机容量达到12亿千瓦以上,就要使化石能源占比降到75%以下,其中煤发电降到40%以下。到2060年,这个量还要下降,煤发电只占到20%左右。所以要大幅度发展风电、光伏发电,现在看发展势头非常好。


单靠降低煤电、火电的排放量还不够,刚性二氧化碳的排放量也非常大,大概有40到50亿吨。要解决这块的排放量,就要加上CCUS(碳捕获、利用与封存)技术。通过绿色氢能和液态阳光甲醇可以实现规模化减碳技术。这样就可以将提高可再生能源比例与减碳结合起来,完成双碳的目标。


搜狐财经:相比于其他形式的发电,氢能有哪些比较突出的优势?


李灿:现在社会的终端能源里面,用电不到30%。各行各业更多用的是天然气、煤气。开车还是开飞机、开轮船。还有很多其他能源的形式。其他的能源往往都与化石能源有关,基本都要排放二氧化碳,所以氢能可以解决这些行业排放二氧化碳方面的问题。


搜狐财经:您多年来一直致力于太阳能转化与利用的科学研究,目前我国在太阳燃料上的研究处于怎样的阶段?太阳能的应用主要有哪些?


李灿:我们在技术这一块已经走在前面了。我国有可能成为国际上第一个规模化运用这种技术的国家,其他国家还没有那么大规模的行动起来。


以太阳能为代表的可再生能源,比如风电、光伏发电、生物质、水电,都是来自于太阳能。太阳能是所有可再生能源的来源。太阳能的量非常丰富,太阳照到地球表面一小时的太阳能就可以满足全球一年的能源需求。有这么好的资源禀赋,关键是要发展先进的技术把太阳能利用起来,达到碳中和碳达峰。


我们在光伏、风电、水电的利用方面已经规模化发展。商业化应用也是国际上应用最多、装机量最多的国家。如果我国要在2030年的风电、太阳能发电总装机容量达到12亿千瓦以上。总体上看,我国电能供应基本可以满足需求。


能否把这一块电力逐渐转化成燃料,现在欧美洲国家也在研究。如果把光伏、风电、水电变成燃料,比如氢能,就能缓解我国液体燃料短缺的问题,同时能实现碳达峰、碳中和。


这里面最关键的就是制氢的过程。把电力变成化学能,关键就是把水分解成氢气和氧气,这也是储能的反应。制作一吨的氢,相当于储存了3.3万度电。太阳能可以集中储存起来,实现低碳和无碳的燃料。现在从太阳能到发电,到电解水制氢,已经到应用阶段了,这是大家目前非常重视的技术。


搜狐财经:太阳能制氢,如何解决二氧化碳的排放问题?


李灿:利用太阳能等可再生能源制备绿氢、将二氧化碳加氢气分子转化为甲醇等液体燃料,相当于把可再生能源存储在液体燃料中。太阳能制氢的效率可以达到16%以上,这是世界上最高的效率。这个过程相当于把太阳能储存在氢里面,氢能可以储存成液态甲醇。这种“清洁甲醇”也就是液态阳光,可以替代汽油,广泛应用于化学工业。


“液态阳光”过程可以实现规模化减碳技术,合成每吨甲醇可以转化1.375吨二氧化碳,中国现在甲醇产能是8000万吨的甲醇,如果生产8000万吨甲醇可以转化上亿吨的二氧化碳。


全球首套直接液态太阳燃料规模化合成于2020年1月在兰州新区试车成功。2020年10月份,石化联合会组织专家验收鉴定,建议尽快推进10万吨级以上工业化,今年正在部署。


液态太阳燃料合成示范装置实现了从太阳能、水和二氧化碳直接合成甲醇,实现绿色规模化生产,同时也可以解决可再生能源间歇性问题。如果我们把所有其他的光伏风电、水电、弃风弃光弃水的电很好的利用起来,就可以消耗GW级以上的电力。通过“液态阳光”合成甲醇代替汽油柴油燃料,则可以减排亿吨级二氧化碳,可以有效缓解我国对外能源进口的依赖问题。


搜狐财经:如何看待“液态阳光”和“绿氢”的应用前景?


李灿:把绿氢用到氢燃料电池只是其中一个方面,绿氢是解决碳排放的主要技术。通过绿氢,我们可以进行氢冶金、水泥建材,另外绿氢还可以应用在化学工业。这些行业之所以排放二氧化碳,因为它们用煤来制氢,然后进行石油化工。如果把制氢的过程用“绿氢”来替代,就没有二氧化碳排放的问题。


所以未来,绿氢不光是供给燃料电池,它使用面非常大,氢能的前景非常广阔。有些不可避免的刚性排放的二氧化碳,可以用绿氢来解决。


通过“液态阳光甲醇”的途径,可以把它作为直接燃料,现在甲醇汽车已经开始推广了。另外甲醇还可以用在烯烃、芳烃、含氧化合物的合成,我们国家对于这方面的需求量是巨大的。如果把这些都利用起来,液态阳光甲醇可以解决减排的二氧化碳可达几十亿吨级。


目前我国二氧化碳排放量很高,排世界第一,必须采取行之有效措施来解决。用可再生能源实现二氧化碳资源化,即通过加氢合成甲醇等太阳燃料。这个过程中,需要的关键技术的基础学科是催化,光催化、电催化、生物催化。我所在的实验室是我国第一个催化重点实验室,过去三十年一直致力于催化研究。从过去的热催化、石油化工催化,慢慢过渡到电催化、光催化,力争根本上解决二氧化碳的问题。


搜狐财经:如何降低太阳能制氢的成本?


李灿:一是要降低太阳能发电的成本,比如太阳能发电,太阳能光伏、太阳能风电、太阳能水电技术不断地进步,让它越来越便宜。二是要降低把电变成氢能的成本,比如电解水、光解水。


这两个成本降下来,太阳能到氢能的成本就彻底降下来。降下来后,氢能的成本甚至要低过现在火电、煤电或者是天然气的成本。


搜狐财经:如何看待液态阳光制氢、储氢的安全性问题?


李灿:液态阳光甲醇,可以长期安全稳定的储存。将电能储存成液态阳光甲醇可以解决电能不稳定性间歇的问题。


液态阳光甲醇是理想的化学储氢分子。这个放氢的量可以达到18.75%。一吨的甲醇可以放出187公斤的氢气。这样大家担心制氢、储存的安全性问题,可以通过“液态阳光甲醇”这个技术实现。


可再生能源制氢和太阳燃料,可以解决加氢站制、储、运、加的成本和安全性问题,实现零碳甚至负碳过程。据我们估算,一公斤氢成本不到30块钱,甲醇的使用非常便宜。这样的加氢站,因为储存的是甲醇,而不是氢气,比较安全,可以建在社区里面。加氢站还可以和现在的汽油站放在一起。


我们已经在上海做了一个示范工程。现在我们正在张家港做一个加氢站。我们准备把加氢站用到冬奥会上去,这将会是一个新的技术。


搜狐财经:我国的氢能产业也在进行区域的布局。如何解决氢能基础设施建设方面的问题?


李灿:基础设施要加快建设,如果这个跟不上,也会成为限制氢能发展的限制因素。但是这也是相辅相成的,氢能的产业不断地发展,基础设施跟着往前走,但要超前地去做加氢站,很多人不去做,做了又没用,它后面的产业还没跟上来。


所以它是一个随着产业、随着市场的需求,逐步往前推进的过程,现在已经建了很多加氢站。这些加氢站现在建得不一定合理,但是经过市场的运行以后,过一段时间它有一个优化重新布局的过程。

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