李燦院士:太陽燃料是實現低碳能源的主要途徑

李燦 來源:中國能源報 編輯:jianping 太陽燃料低碳能源
太陽能清潔、豐富、可再生而且潛力巨大,照到地球表面1-3小時的太陽能可滿足全球一年的能源需求。問題就在于我們能不能將其轉換成我們可用的太陽燃料。


▲中國科學院院士李燦


化石資源的過度利用將造成能源危機、全球變暖和環境污染等嚴峻的生態問題。今年是過去116年最干旱的一年,生態環境的惡化嚴重影響著人類發展。最近,聯合國IPCC發出呼吁:挽救地球家園,人類還剩很短時間。若全球變暖以目前速度持續下去,全球氣溫到2050將升高1.5度,到2100年升溫超過2.0度,將給人類導致極其可怕的災難。


化石能源資源枯竭趨勢正在顯現,依照當前的能源發展狀況,煤炭大概還可維持200年的使用,但我國使用燃煤發電的占比仍在60-70%;石油可維持50-100年的使用,而我國進口依賴度超過70%;天然氣在支撐全球能源結構的發展中也僅有50年左右的時間。目前,我國面臨的突出問題是汽油、柴油等液體燃料的短缺。


實際上,面對化石能源資源枯竭,我們并非沒有切身的體會。在上世紀80年代,我國大慶油田的年產量在5500萬噸/年,而現在已經出現了嚴重下滑;撫順煤礦煤炭產業凋敝、鶴崗煤礦工人下崗,當地房價低迷。所以,能源的可持續發展必須要解決這樣的問題。能源低碳才是資源可持續發展、環境友好、生態文明的途徑。追求低碳清潔能源是人類文明發展的趨勢、也是中國倡導的方向。


如何實現能源低碳?我總結為三步:


▍第一,化石能源的高效、清潔轉化,輔之以節能。通過綠色發展,小幅減排二氧化碳,但這并不能根本上解決碳排放的問題;


▍第二,化石能源與可再生能源優化互補。不能一次性完全切斷化石能源,而是一步步與可再生能源互補優化,大幅減排二氧化碳;


▍第三,完全使用可再生能源,實現綠色、零碳排放,從根本上解決問題。這其中存在兩個技術層面的問題:可再生能源儲能和轉化問題、液體燃料合成問題。


太陽燃料的實質就是利用太陽能等可再生能源將水和二氧化碳轉化為甲醇燃料,我們也稱其為“液體陽光”。這一思路現在越來越受到國際上的重視,我國也有很多科學家和企業致力于這方面的研究。


其實,從廣義上講,風能、水能、生物質能等很多可再生能源形式本質上都是太陽能。太陽能清潔、豐富、可再生而且潛力巨大,照到地球表面1-3小時的太陽能可滿足全球一年的能源需求。問題就在于我們能不能將其轉換成我們可用的太陽燃料。


生產太陽燃料的關鍵技術就是將水分解成氫氣(氫能)和氧氣,氫氣再和二氧化碳反應就可以產生甲醇和水,這就是我們所說的液體燃料。


提到甲醇,目前有多種制備方式。但就甲醇合成過程碳排放來看,煤炭合成甲醇過程中的碳排放量最高,石油會低一些,天然氣更低。如果用煤和可再生能源共同制備,可以將碳排放進一步降低。如果通過太陽燃料的制備方式合成甲醇則可以實現零碳排放。但目前煤制甲醇的成本最低,石油制備的成本比較高,太陽燃料制甲醇的成本則處在中間狀態。從生態效應考慮,煤制甲醇最糟糕,石油次之,而太陽燃料的方式最理想。


目前,甲醇燃料越來越受到政府層面和企業的關注。今年3月,國家八部委發布的指導意見對甲醇燃料的發展具有重要意義。我國的甲醇制備原料來源廣泛,煤炭、石油、天然氣、生物質都可合成甲醇,但由于我國相對富煤,所以煤制甲醇在中國具有優勢,我們必須認識到煤制甲醇解決了煤燃燒的清潔化問題,但并沒有解決碳排放問題;煤制甲醇可以有效利用低品質劣煤,但沒有從根本上改變依賴化石資源的現狀。那么,凡是利用化石資源生產的甲醇都不是太陽燃料;只有利用太陽燃料,在低碳生態方面,甲醇燃料才具有優勢。


在太陽燃料合成過程中,有兩個關鍵催化技術,一是高效、廉價、穩定的分解水(光)電催化劑,能量轉換效率可達80%以上,二是廉價、高選擇性二氧化碳加氫制甲醇催化劑。這兩個都是我們自主知識產權的技術,也是實現太陽燃料合成的關鍵。


2018年7月,我國在西部啟動了太陽燃料年千噸級甲醇工業化示范,目前已完成前期中試。這是全球范圍內第一次直接太陽燃料規模化合成的嘗試。預計年合成甲醇9000萬噸,可減排近10000萬噸二氧化碳。


作為一種化學儲能的形式,它解決了可再生能源間歇性問題和能源使用的隨機性問題。太陽燃料合成可以將分散的太陽能收集、長期儲存,適應隨機的能源應用市場需求。每噸太陽燃料甲醇相當于儲存約10000度電,100萬噸甲醇就相當于100億度電。


此外,太陽燃料甲醇也是一個理想的儲氫模式。太陽燃料CH3OH有助于解決氫燃料電池氫源的制、儲、運、加技術,使燃料電池技術成為真正意義上的可持續清潔能源技術。有了這樣的思路就可以借助太陽燃料建設液態陽光加氫站。解決加氫站建設中氫的儲存、運輸安全問題。同時,氫作為可再生能源,可以實現燃料電池全流程綠色清潔,減少二氧化碳排放。此外,還可擴展為其它化學儲氫路線(甲苯、氨),并且與加油站、甲醇站等并存,適合社區和現行加油站,這將是未來加氫站最具優勢的發展方向。


制備太陽燃料主要依靠可再生能源,長期以來,大家有一個誤區就是太陽能、風能價格偏高,但事實上隨著可再生能源的快速發展,光伏發電等可再生能源的成本已經逐步降低,2018年在沙特大規模太陽電池發電招標價格已經降到3美分/度,2019年上半年在巴西光伏發電國際招標不足2美分/度(折合人民幣0.12元/度)。


國網能源研究院發布的報告顯示,2010 年,我國非化石能源發電裝機約占總裝機的6% ,2017 年,這一比重已經達到約14%,到2050年將達到50% 。同時,我國可再生能源資源豐富,僅棄風、棄光和棄水的量就可以和葛洲壩電站的發電量相當,合理利用這部分電就可滿足供應當下中國燃料電池的用氫。此外,我國可再生能源資源分布廣,適宜分布式布局制氫和合成太陽燃料,以供分布式加氫站,結合智能互聯網系統,優化調配利用可再生能源制氫。


除將太陽能等可再生能源轉化為甲醇外,另一種發展思路是可再生能源與化石資源優化互補,即零碳排放煤化工制甲醇,這也是適合煤炭大省山西的一種發展策略。


煤化工是煤炭資源優化利用、高值化利用的重要途徑;但是,煤化工又是排放二氧化碳的主要來源之一,如煤制甲醇、乙醇、合成氨、合成油等是繼火電之后的二氧化碳排放的重災區,是煤化工發展的“痛點”。煤化工的大部分碳沒有被有效利用,而是以二氧化碳形式排放了,造成碳資源損失和嚴重浪費,煤化工的二氧化碳問題是世界上,尤其中國、印度等發展中國家面臨的大難題。


低碳、或零碳排放是煤化工發展的最理想境界。如何實現是長期以來各國關注的問題。在富煤地區進行新能源革命,必須直面煤和煤化工,做好“低碳能源”意義重大。而發展零排放煤化工一定離不開太陽能等可再生能源,新舊動能互補,可再生能源與煤化工的結合將是未來的方向;將可再生能源的無碳制氫代替煤化工的煤制氫,則有望實現零碳排放煤化工。


利用各種可再生能源特別是風電和光伏電解水制氫,來替代煤化工制氫,其技術關鍵是:可再生能源發電成本以及電解水效率和成本。近年來,光伏等可再生能源成本顯著降低,光伏發電成本已經逼近煤電成本;同時,電解水裝置成本大幅下降,規模化電解水已經可行,能量效率也從傳統的50%-60% 提升到80%以上,甚至達到87%。


在低碳發展要求日益強烈的今天,到底如何實現低碳?希望太陽燃料及其與化石燃料優化結合,能夠為大家提供一個新思路,這也將是實現低碳能源的主要途徑。

 

(10月22日,由《中國能源報》、山西省能源局主辦的“第九屆全球新能源企業500強峰會”在山西太原舉行。中國科學院院士李燦出席會議并致辭。
本報記者 姚金楠/整理)

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