液態(tài)太陽(yáng)燃料合成示范裝置 中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所供圖
當(dāng)前，化石能源逐漸面臨枯竭，全球氣候變化與環(huán)境污染問(wèn)題愈發(fā)嚴(yán)峻，發(fā)展綠色清潔的可再生能源已成為擺在人們面前的重要課題。
近日，在蘭州舉行的“綠色氫能和液態(tài)陽(yáng)光甲醇高端論壇”上，來(lái)自國(guó)內(nèi)18名院士、逾百名知名專家學(xué)者共同圍繞可再生能源、氫能、甲醇應(yīng)用以及綠色能源新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展，深入探討綠色能源的未來(lái)。
專家們表示，綠色氫能和液態(tài)陽(yáng)光甲醇是新時(shí)代背景下發(fā)展綠色能源的重要路線之一，對(duì)保障國(guó)家能源安全、實(shí)現(xiàn)碳減排具有重要意義。
太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化利用促進(jìn)碳中和
不久前，中國(guó)提出提高國(guó)家自主貢獻(xiàn)力度，采取更加有力的政策和措施，力爭(zhēng)二氧化碳排放于2030年前達(dá)到峰值、2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。
對(duì)于我國(guó)而言，“零排放之路”道阻且長(zhǎng)。英國(guó)石油公司BP世界能源統(tǒng)計(jì)年鑒數(shù)據(jù)顯示，2019年，我國(guó)二氧化碳排放總量占全球29%，已成為世界第一，二氧化碳減排任務(wù)十分艱巨。
“從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，通過(guò)可再生能源高效利用，才可以徹底有效地解決我們面臨的能源、環(huán)境和資源問(wèn)題。”中國(guó)科學(xué)院院士、中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所研究員張濤在主旨報(bào)告中表示。
多元化、低碳化、清潔化已是未來(lái)能源的發(fā)展趨勢(shì)。英國(guó)石油公司BP發(fā)布的《世界能源展望(2020年版)》報(bào)告也指出，2050年前全球能源需求仍將繼續(xù)增長(zhǎng)一段時(shí)間，但能源結(jié)構(gòu)發(fā)生根本變化，化石燃料持續(xù)降低，可再生能源不斷增長(zhǎng)。
在可再生能源中，太陽(yáng)能取之不盡、用之不竭，是儲(chǔ)量最大的清潔可再生能源，也是其他可再生能源如風(fēng)能、水能和生物質(zhì)能等能源形式的根本來(lái)源。
如何突破太陽(yáng)能大規(guī)模經(jīng)濟(jì)利用的關(guān)鍵技術(shù)，探討其可行性和發(fā)展方向，對(duì)實(shí)現(xiàn)可再生能源高效利用十分關(guān)鍵。
過(guò)去20年來(lái)，中國(guó)科學(xué)院院士、中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所研究員李燦團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期致力于太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化的基礎(chǔ)科學(xué)研究和應(yīng)用示范，并研發(fā)出應(yīng)用前景廣闊的“液態(tài)陽(yáng)光技術(shù)”。
“能源利用中有兩大難題，一是如何將可再生能源轉(zhuǎn)化為綠色能源，另一個(gè)則是如何將可再生能源轉(zhuǎn)化為可儲(chǔ)存、可運(yùn)輸?shù)囊后w燃料。”李燦表示，“液態(tài)陽(yáng)光技術(shù)”是利用太陽(yáng)能等可再生能源產(chǎn)生的電力電解水生產(chǎn)“綠色”氫能，并將二氧化碳加氫轉(zhuǎn)化為“綠色”甲醇等液體燃料，為同時(shí)解決上述兩大難題提供了新的策略和技術(shù)路線。
近日，李燦團(tuán)隊(duì)在西部地區(qū)先行先試的千噸級(jí)“液態(tài)太陽(yáng)燃料合成示范項(xiàng)目”在蘭州新區(qū)通過(guò)了科技成果鑒定。鑒定委員會(huì)專家組認(rèn)為，這是全球首套直接太陽(yáng)能規(guī)模化合成液態(tài)太陽(yáng)燃料的技術(shù)、其關(guān)鍵催化劑技術(shù)和整體集成技術(shù)達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先。
“‘液態(tài)陽(yáng)光’通過(guò)可再生能源制氫技術(shù)，搭建了化石能源與可再生能源融合的橋梁。”張濤說(shuō)。
綠氫產(chǎn)業(yè)發(fā)展的“橋梁”
“液態(tài)陽(yáng)光”是一種模擬自然光合作用和自然生態(tài)循環(huán)過(guò)程的新技術(shù)途徑。其通過(guò)光伏捕獲太陽(yáng)能，而二氧化碳和水作為天然的能量運(yùn)送者，將太陽(yáng)能以穩(wěn)定化合物的形式儲(chǔ)存并利用，太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化成穩(wěn)定的液態(tài)形式(例如甲醇等)后，可將其輸運(yùn)分銷(xiāo)至用戶終端進(jìn)行能源利用，而后產(chǎn)生的二氧化碳和水則可以進(jìn)行循環(huán)使用。
“液態(tài)陽(yáng)光”的路線也被專家稱為“通向零排放的路徑”。這一過(guò)程還關(guān)系到兩大清潔能源的發(fā)展：綠色氫能和綠色甲醇燃料(太陽(yáng)燃料)。
當(dāng)前，氫能作為一種清潔高效、安全可持續(xù)的二次能源，其開(kāi)發(fā)利用被認(rèn)為是能源變革的重要方式之一。在制氫環(huán)節(jié)，根據(jù)二氧化碳的排放量，將氫分為灰氫、藍(lán)氫、綠氫。
“綠氫是氫能發(fā)展的初衷和目標(biāo)，未來(lái)市場(chǎng)份額將持續(xù)增加。”清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院教授、國(guó)際氫能協(xié)會(huì)副主席毛宗強(qiáng)指出，由可再生能源以及核能通過(guò)電解水等技術(shù)產(chǎn)生的氫氣稱為綠氫，制氫過(guò)程中沒(méi)有排放溫室氣體。然而當(dāng)下，氫氣幾乎都是利用化石燃料重整制得，因此稱為灰氫。
而“液態(tài)陽(yáng)光”則是通過(guò)突破高效、低成本、長(zhǎng)壽命規(guī)模化電催化分解水制氫技術(shù)，利用太陽(yáng)能獲得“綠色氫能”。據(jù)介紹，在“液態(tài)太陽(yáng)燃料合成示范”裝置上，配備有新一代電催化劑的工業(yè)電解槽可實(shí)現(xiàn)單套大于1000標(biāo)方氫/小時(shí)規(guī)模化產(chǎn)氫，單位氫能耗降低至4.3度電/方氫以內(nèi)，是目前全球規(guī)模化堿性電解水制氫的最高效率。
“液態(tài)陽(yáng)光”技術(shù)的重要產(chǎn)物“甲醇”，為解決大規(guī)模儲(chǔ)存、長(zhǎng)距離輸運(yùn)綠氫問(wèn)題提供了重要技術(shù)方案。毛宗強(qiáng)通過(guò)對(duì)比不同儲(chǔ)存技術(shù)可行性以及溫室氣體的排放后指出，液態(tài)陽(yáng)光甲醇是大規(guī)模長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)存氫氣的優(yōu)秀介質(zhì)，應(yīng)推動(dòng)其在氫的“儲(chǔ)、運(yùn)、加注、用”環(huán)節(jié)的應(yīng)用。
“相對(duì)來(lái)說(shuō)，甲醇等醇類是一個(gè)優(yōu)良的氫載體。”張濤也表示，甲醇等醇類的體積密度和質(zhì)量密度接近汽油。另外，它儲(chǔ)存運(yùn)輸和分配具有全球性特征，二氧化碳和主要污染物的排放也較少。
與會(huì)專家表示，未來(lái)，隨著可再生能源發(fā)電成本和電解水制氫成本的進(jìn)一步降低，綠色氫能和太陽(yáng)燃料生產(chǎn)成本將大幅降低，通過(guò)規(guī)模化二氧化碳捕獲(CCS)及資源化利用(CCSU)，促進(jìn)可再生能源更大規(guī)模地發(fā)展，有望從根本上改善我國(guó)生態(tài)環(huán)境，助力解決全球碳排放及氣候變化問(wèn)題。
催生新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)
在“液態(tài)陽(yáng)光”技術(shù)中，李燦團(tuán)隊(duì)還突破了廉價(jià)、高選擇性、高穩(wěn)定性二氧化碳加氫制甲醇催化技術(shù)，在工業(yè)化裝置上實(shí)現(xiàn)千噸級(jí)/年綠色甲醇合成，甲醇選擇性達(dá)到98%，甲醇純度達(dá)到99.5%。
以綠色甲醇為代表的“液態(tài)陽(yáng)光”，是一種低排放液態(tài)能量，也是一種重要的綠色化工原料。在專家們看來(lái)，“液態(tài)陽(yáng)光”的大規(guī)模使用，有望替代煤炭、石油、天然氣等傳統(tǒng)能源，建立新型綠色低碳、高效的能源系統(tǒng)，催生新的能源經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)。
我國(guó)有著全球最大的甲醇市場(chǎng)。據(jù)工信部發(fā)布的《石化和化學(xué)工業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2016—2020年)》，我國(guó)目前傳統(tǒng)的甲醇化工市場(chǎng)規(guī)模約5000萬(wàn)噸/年，年增長(zhǎng)率僅8.8%左右。而甲醇作為新型燃料，在鍋爐、車(chē)用、船用等領(lǐng)域市場(chǎng)空間巨大。
據(jù)測(cè)算，甲醇燃料市場(chǎng)規(guī)模約為甲醇化工市場(chǎng)的9倍以上，我國(guó)甲醇潛在市場(chǎng)需求可達(dá)近5億噸/年，市場(chǎng)規(guī)模超萬(wàn)億元。“液態(tài)陽(yáng)光經(jīng)濟(jì)”將助推能源生產(chǎn)和消費(fèi)革命，市場(chǎng)前景廣闊。
“高碳的能源結(jié)構(gòu)已不能支撐經(jīng)濟(jì)的高質(zhì)量發(fā)展，碳中和的愿景要求我們更早地進(jìn)入清潔而可再生能源時(shí)代，未來(lái)要發(fā)展更多實(shí)現(xiàn)綠色氫能和液態(tài)陽(yáng)光甲醇的相關(guān)技術(shù)，加快構(gòu)建現(xiàn)代能源體系。”國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)能源研究所研究員王仲穎指出。
人類可持續(xù)發(fā)展的動(dòng)力能源最終依賴于陽(yáng)光，太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化與利用相關(guān)科學(xué)研究和技術(shù)研發(fā)被認(rèn)為是人類當(dāng)前和未來(lái)的重要發(fā)展方向之一，但依然面臨著諸多技術(shù)難點(diǎn)以及成本、規(guī)模化等難題，而液態(tài)陽(yáng)光甲醇規(guī)模化合成示范工程項(xiàng)目的成功實(shí)施為推進(jìn)可再生能源的發(fā)展邁出了重要的一步。
專家們認(rèn)為，實(shí)現(xiàn)“碳中和”更需要科學(xué)技術(shù)解決方案，需要科技界共同開(kāi)拓創(chuàng)新、開(kāi)辟新領(lǐng)域、探索新途徑。同時(shí)，也離不開(kāi)多學(xué)科多領(lǐng)域的緊密聯(lián)合，以及“政產(chǎn)學(xué)研”的通力合作。
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