【能源评论】液态阳光:碳减排的中国智慧——访中国科学院院士李灿

  来源:能源评论

  发布时间:2021-02-05

  日前召开的中央经济工作会议明确提出,“要抓紧制定2030年前碳排放达峰行动方案,支持有条件的地方率先达峰”。在现有能源结构基础上,如何保证碳减排工作又好又快?面对艰巨的任务,创新的思路和方案有哪些?《能源评论》记者日前采访了中国科学院院士、中国科学院大连化学物理研究所研究员李灿。他认为,在能源转型过程中,要发挥突破性科技的关键作用,“液态阳光”甲醇技术将是我国实现碳达峰、碳中和的一个重要路径,并为全球应对气候变化提供切实可行的中国方案、中国智慧。

  压力来自现实和未来 

  《能源评论》:我国最近对国际社会庄严承诺碳达峰、碳中和的相关量化目标,您作为科学家有何感受?

  李灿:习主席的这些表态特别强调中国是重信守诺的国家、强化说到做到,引起了全世界的高度重视。中国学术界、科技界、工业界尤其是能源领域的从业者感到责任重大、使命光荣,同时也面临着巨大的压力,因为要完成这个任务并不容易。我们国家是相对富煤、贫油、缺气的国家,化石能源在一次能源中占比超过84%,经过这么多年的努力,非化石能源占比才达到15%左右。我国液体燃料供应紧张,石油、天然气对外依存度分别超过70%、45%。令人鼓舞的是,经过多年的努力,我国电力已经基本能够满足经济发展需要,但是电力系统中煤电占比仍然接近60%,这是非常严峻的现实压力。

  《能源评论》:压力不仅仅来自现实,从碳排放历史和未来角度看,中国与国外尤其是发达国家的情况也有较大区别。

  李灿:是的。从总量来看,2017年以后我国的碳排放量就比美国、欧洲等发达国家加起来还要多,碳达峰和碳中和的任务非常艰巨;从进程来看,大部分发达国家在2000年之前就完成了工业现代化和城镇化,实现了碳达峰,我国2030年前还不能完成全国的工业现代化和城镇化,我们要在2030年前实现碳达峰只有10年时间、从碳达峰到实现碳中和只剩下30年时间,形势非常严峻、任务如此艰巨,这么大的挑战,确实需要深入考虑如何创新未来发展路径等一系列问题。

  《能源评论》:目前看来,实现碳达峰和碳中和有哪些思路?都有什么特点?

  李灿:碳中和路径比较多样,包括植物自然光合作用、海洋吸收、节能减排、降低单位GDP能耗、提高非化石能源消费占比、大力发展可再生能源、CCS(二氧化碳捕获封存)、CCUS(二氧化碳捕获封存与利用)等。这些方案中最根本的减排方式就是发展可再生能源,实现规模化低碳乃至无碳能源应用,助力地球回归生态平衡。

突破性科技助力

  《能源评论》:在实现能源转型和能源革命的过程中,您怎么看待科技创新的作用?

  李灿:能源革命就是要跨越化石能源到清洁能源这样一个坎儿,能源转型必须要发展突破性科学技术,发挥其关键作用。

  可再生能源中最主要的是太阳能以及相关的风能、水能。太阳照到地球表面1小时的能量就可以满足全世界全年的能量消耗,只要发展高效、低成本技术,将太阳能等可再生能源转化为人类需要的能源形式,原理上是能够解决碳中和问题的。在太阳能的科学转化利用方面,我国是发展最快、做得最好的国家,目前的太阳能光伏发电和风电装容机量位居世界第一。我国能源供给已经基本满足经济社会发展的需求。现在需要进一步拓展可再生能源的消费市场,特别是将可再生能源转化为液体燃料,像光合作用那样把水和二氧化碳转化成燃料来代替化石燃料。

  《能源评论》:这相当于把太阳能转化成液态燃料,您认为,这一创新思路的关键点在哪里?

  李灿:“液态阳光”是指利用太阳能、风能、水能等可再生能源分解水(光解水或电解水)制备绿氢、将二氧化碳加氢转化制甲醇等液体燃料,把可再生能源转化、存储在液体燃料中。

  这个过程最关键的是如何实现可再生能源分解水制氢。这样的氢承载着可再生能源,这个过程是实现可再生能源转化为化学能的关键,只有把这步打通才能做别的事情。电解水制氢每吨氢相当于储存3.3万度(千瓦时)电,将电能转化成化学能,是最有效的化学储能反应,这样一来,“液态阳光”甲醇技术等一系列的方案就都可以实现。

  《能源评论》:以煤制甲醇为代表的煤化工路线曾被认为代表了煤炭行业转型发展的方向,您对此如何评价?

  李灿:煤化工制甲醇技术可以解决煤炭资源的清洁化利用问题,但是不能从根本上解决二氧化碳排放的问题。从储能来看,每吨氢可以储存3.3万千瓦时电能,液态阳光甲醇每吨可储存8000千瓦时电能。将太阳能发电制备的氢能储存到甲醇里,是理想的太阳能储能过程。因此,“液态阳光”技术可以解决可再生能源的储能以及“弃风、弃光、弃水”等问题。

  《能源评论》:单就技术而言, 目前煤制甲醇技术已经成熟,您认为“液态阳光”技术的应用优势在哪里?

  李灿:是的,煤制甲醇已经是成熟的煤化工技术,它是化石资源转化利用的一种技术,其生产过程排放二氧化碳,所生产的甲醇若作为燃料,燃烧过程可以减少污染物和颗粒物排放,但仍然要排放二氧化碳,故只是解决煤的清洁燃烧问题,无法从根本上实现减排二氧化碳的目标。另外,传统的储能无论储存的还是输出的都是电能,新的思路是储存电能输出化学能,如甲醇和氢能,因为甲醇和氢能是稳定的可以长期储存的能源分子。太阳燃料合成是一个化学储能的过程,可以成为能源转化的中枢,将分散、间歇的太阳能收集、长期储存,应用于波动分散的能源市场。因此,可以看出用可再生能源制“液态阳光”甲醇,同时解决了可再生能源生产侧和应用端随机变化的难题。

  从技术角度来看,未来的关键是如何实现清洁能源制备“液态阳光”甲醇的经济性问题。从能源和化学工业更广的范围看,“液态阳光”甲醇可以形成一种甲醇经济。甲醇可以做直接或者间接的甲醇燃料电池,也可以作为原料分子直接制烯烃和芳烃,还可以将甲醇转化成汽油、柴油替代动力燃料,更可以通过甲醇水汽重整把氢释放出来供氢燃料电池使用或者用到石化工业、钢铁工业等行业。

碳减排需要中国方案

  《能源评论》:这个思路实际上也拓展了CCS技术的应用领域和方式,具体实践情况如何?您对其未来有何预期?

  李灿:传统的CCS(碳捕获封存)技术存在两个问题,一是成本很高,二是技术可行性存在一定问题。“液态阳光”技术是一种CCU(碳捕获转化利用)技术,可以把二氧化碳捕获再循环利用,形成大的生态碳循环和甲醇经济。

  2018年,我们开始启动这一具有自主知识产权的创新技术的工业化示范工程。2020年初,全球首套千吨级规模太阳燃料合成示范项目在兰州新区绿色化工园区试车成功,意味着迈出了将太阳能等可再生能源转化为液体燃料的工业化生产的第一步。2020年10月,石化行业专家做了验收鉴定、给予了比较高的评价。

  “液态阳光”规模化化学储能的意义非常大。我国目前的甲醇产能为8000万吨左右(主要是煤、天然气制甲醇)。如果用可再生能源来合成“液态阳光”甲醇,1吨甲醇可转化1.375吨二氧化碳,生产8000万吨甲醇, 就可减排亿吨级二氧化碳。若规模化代替汽油燃料,则有望减排10亿吨级二氧化碳,同时可以缓解我国依赖石油进口的能源安全问题,战略意义重大。同时,因为1吨甲醇经水汽重整可以释放出187千克氢气,这一方案还可以解决燃料电池用氢的远距离储运难题,使燃料电池技术成为真正意义上的清洁能源技术。

  《能源评论》:“液态阳光”技术的创新性毋庸置疑,其经济性目前如何?

  李灿:“液态阳光”甲醇主要的成本是可再生能源的发电成本和制氢电解槽的成本,其中可再生能源发电成本占65%,电解成本占35%。

  粗略估算,电解水制氢成本为0.25元/千瓦时,制氢成本和天然气制氢成本相当;如果达到0.15元/千瓦时,就可以和煤制氢相当(当然要考虑煤制氢要排放二氧化碳);随着光伏电价进一步降低,“液态阳光”甲醇成本会更低、更具有竞争性。未来,可再生能源制绿氢和绿色甲醇的成本接近或低于煤化工的日子,不会遥远了。

  《能源评论》:“液态阳光”在我国实现碳达峰、碳中和的征程上,有何战略意义?

  李灿:绿色氢能及“液态阳光”作为一项新技术,具有碳减排普适性和重要的战略意义。

  首先,这是一种新的储能形式,将电能转化为可储存运输的化学能,可以解决可再生能源间歇性问题以及“弃风、弃光、弃水”问题,成为除(特)高压输电之外的另一种再生能源规模化输送的途径。

  其次,通过CCU技术,可资源化转化利用二氧化碳,实现甲醇的绿色化学合成。甲醇作为绿色燃料,部分替代汽油柴油,可以缓解我国的能源安全形势;甲醇作为绿色氢能载体,可以缓解氢能的“制、储、运、加”的安全性问题,并使燃料电池车技术全链条绿色化。

  最后,“液态阳光”技术可实现规模化减排二氧化碳的目标。在此基础上正在研发的液态阳光Ⅱ型技术,将优化利用煤炭资源,实现零碳排放的煤化工制甲醇、规模化储存可再生能源和大规模减排二氧化碳。总之,液态阳光技术将为完成碳达峰、碳中和目标以及应对气候变化提供切实可行的中国方案、中国智慧。

  以下是该媒体报道地址:http://www.indaa.com.cn/zz/nypl/NYPL202101/202102/P020210209622158314521.pdf

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