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李灿院士:太阳燃料是实现低碳能源的主要途径

时间:  来源:中国能源报  作者:

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▲中国科学院院士李灿

10月22日,由《中国能源报》、山西省能源局主办的“第九届全球新能源企业500强峰会”在山西太原举行。中国科学院院士李灿出席会议并致辞。

以下为发言内容:

化石资源的过度利用将造成能源危机、全球变暖和环境污染等严峻的生态问题。今年是过去116年最干旱的一年,生态环境的恶化严重影响着人类发展。最近,联合国IPCC发出呼吁:挽救地球家园,人类还剩很短时间。若全球变暖以目前速度持续下去,全球气温到2050将升高1.5度,到2100年升温超过2.0度,将给人类导致极其可怕的灾难。

化石能源资源枯竭趋势正在显现,依照当前的能源发展状况,煤炭大概还可维持200年的使用,但我国使用燃煤发电的占比仍在60-70%;石油可维持50-100年的使用,而我国进口依赖度超过70%;天然气在支撑全球能源结构的发展中也仅有50年左右的时间。目前,我国面临的突出问题是汽油、柴油等液体燃料的短缺。

实际上,面对化石能源资源枯竭,我们并非没有切身的体会。在上世纪80年代,我国大庆油田的年产量在5500万吨/年,而现在已经出现了严重下滑;抚顺煤矿煤炭产业凋敝、鹤岗煤矿工人下岗,当地房价低迷。所以,能源的可持续发展必须要解决这样的问题。能源低碳才是资源可持续发展、环境友好、生态文明的途径。追求低碳清洁能源是人类文明发展的趋势、也是中国倡导的方向。

如何实现能源低碳?我总结为三步:

第一,化石能源的高效、清洁转化,辅之以节能。通过绿色发展,小幅减排二氧化碳,但这并不能根本上解决碳排放的问题;

第二,化石能源与可再生能源优化互补。不能一次性完全切断化石能源,而是一步步与可再生能源互补优化,大幅减排二氧化碳;

第三,完全使用可再生能源,实现绿色、零碳排放,从根本上解决问题。这其中存在两个技术层面的问题:可再生能源储能和转化问题、液体燃料合成问题。

太阳燃料的实质就是利用太阳能等可再生能源将水和二氧化碳转化为甲醇燃料,我们也称其为“液体阳光”。

这一思路现在越来越受到国际上的重视,我国也有很多科学家和企业致力于这方面的研究。

其实,从广义上讲,风能、水能、生物质能等很多可再生能源形式本质上都是太阳能。太阳能清洁、丰富、可再生而且潜力巨大,照到地球表面1-3小时的太阳能可满足全球一年的能源需求。问题就在于我们能不能将其转换成我们可用的太阳燃料。

生产太阳燃料的关键技术就是将水分解成氢气(氢能)和氧气,氢气再和二氧化碳反应就可以产生甲醇和水,这就是我们所说的液体燃料。

提到甲醇,目前有多种制备方式。但就甲醇合成过程碳排放来看,煤炭合成甲醇过程中的碳排放量最高,石油会低一些,天然气更低。如果用煤和可再生能源共同制备,可以将碳排放进一步降低。如果通过太阳燃料的制备方式合成甲醇则可以实现零碳排放。但目前煤制甲醇的成本最低,石油制备的成本比较高,太阳燃料制甲醇的成本则处在中间状态。从生态效应考虑,煤制甲醇最糟糕,石油次之,而太阳燃料的方式最理想。

目前,甲醇燃料越来越受到政府层面和企业的关注。今年3月,国家八部委发布的指导意见对甲醇燃料的发展具有重要意义。我国的甲醇制备原料来源广泛,煤炭、石油、天然气、生物质都可合成甲醇,但由于我国相对富煤,所以煤制甲醇在中国具有优势,我们必须认识到煤制甲醇解决了煤燃烧的清洁化问题,但并没有解决碳排放问题;煤制甲醇可以有效利用低品质劣煤,但没有从根本上改变依赖化石资源的现状。那么,凡是利用化石资源生产的甲醇都不是太阳燃料;只有利用太阳燃料,在低碳生态方面,甲醇燃料才具有优势。

在太阳燃料合成过程中,有两个关键催化技术,一是高效、廉价、稳定的分解水(光)电催化剂,能量转换效率可达80%以上,二是廉价、高选择性二氧化碳加氢制甲醇催化剂。这两个都是我们自主知识产权的技术,也是实现太阳燃料合成的关键。

2018年7月,我国在西部启动了太阳燃料年千吨级甲醇工业化示范,目前已完成前期中试。这是全球范围内第一次直接太阳燃料规模化合成的尝试。预计年合成甲醇9000万吨,可减排近10000万吨二氧化碳。

作为一种化学储能的形式,它解决了可再生能源间歇性问题和能源使用的随机性问题。太阳燃料合成可以将分散的太阳能收集、长期储存,适应随机的能源应用市场需求。每吨太阳燃料甲醇相当于储存约10000度电,100万吨甲醇就相当于100亿度电。

此外,太阳燃料甲醇也是一个理想的储氢模式。太阳燃料CH3OH有助于解决氢燃料电池氢源的制、储、运、加技术,使燃料电池技术成为真正意义上的可持续清洁能源技术。有了这样的思路就可以借助太阳燃料建设液态阳光加氢站。解决加氢站建设中氢的储存、运输安全问题。同时,氢作为可再生能源,可以实现燃料电池全流程绿色清洁,减少二氧化碳排放。此外,还可扩展为其它化学储氢路线(甲苯、氨),并且与加油站、甲醇站等并存,适合社区和现行加油站,这将是未来加氢站最具优势的发展方向。

制备太阳燃料主要依靠可再生能源,长期以来,大家有一个误区就是太阳能、风能价格偏高,但事实上随着可再生能源的快速发展,光伏发电等可再生能源的成本已经逐步降低,2018年在沙特大规模太阳电池发电招标价格已经降到3美分/度,2019年上半年在巴西光伏发电国际招标不足2美分/度(折合人民币0.12元/度)。

国网能源研究院发布的报告显示,2010 年,我国非化石能源发电装机约占总装机的6% ,2017 年,这一比重已经达到约14%,到2050年将达到50% 。同时,我国可再生能源资源丰富,仅弃风、弃光和弃水的量就可以和葛洲坝电站的发电量相当,合理利用这部分电就可满足供应当下中国燃料电池的用氢。此外,我国可再生能源资源分布广,适宜分布式布局制氢和合成太阳燃料,以供分布式加氢站,结合智能互联网系统,优化调配利用可再生能源制氢。

除将太阳能等可再生能源转化为甲醇外,另一种发展思路是可再生能源与化石资源优化互补,即零碳排放煤化工制甲醇,这也是适合煤炭大省山西的一种发展策略。

煤化工是煤炭资源优化利用、高值化利用的重要途径;但是,煤化工又是排放二氧化碳的主要来源之一,如煤制甲醇、乙醇、合成氨、合成油等是继火电之后的二氧化碳排放的重灾区,是煤化工发展的“痛点”。煤化工的大部分碳没有被有效利用,而是以二氧化碳形式排放了,造成碳资源损失和严重浪费,煤化工的二氧化碳问题是世界上,尤其中国、印度等发展中国家面临的大难题。

低碳、或零碳排放是煤化工发展的最理想境界。如何实现是长期以来各国关注的问题。在富煤地区进行新能源革命,必须直面煤和煤化工,做好“低碳能源”意义重大。而发展零排放煤化工一定离不开太阳能等可再生能源,新旧动能互补,可再生能源与煤化工的结合将是未来的方向;将可再生能源的无碳制氢代替煤化工的煤制氢,则有望实现零碳排放煤化工。

利用各种可再生能源特别是风电和光伏电解水制氢,来替代煤化工制氢,其技术关键是:可再生能源发电成本以及电解水效率和成本。近年来,光伏等可再生能源成本显著降低,光伏发电成本已经逼近煤电成本;同时,电解水装置成本大幅下降,规模化电解水已经可行,能量效率也从传统的50%-60% 提升到80%以上,甚至达到87%。

在低碳发展要求日益强烈的今天,到底如何实现低碳?希望太阳燃料及其与化石燃料优化结合,能够为大家提供一个新思路,这也将是实现低碳能源的主要途径。

(编辑:逍遥客)

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