“液态阳光”技术走出实验室,为工业减碳提供技术路径

2021年12月22日 12:00
随着“液态阳光”技术工业化示范成功,这项技术将成为企业转化、利用二氧化碳的技术方案;同时,由于易存储和运输,“液态阳光”将成为更安全的储能方式。

来源:视觉中国

未来,人们可以将阳光储存起来,变成一种看得见、摸得着的液体能源。

2020年10月15日在兰州新区,全球首套千吨级“液态太阳燃料合成示范项目”(以下简称为“液态阳光”示范项目)通过了中国石油和化学工业联合会组织的科技成果鉴定。这意味着“液态阳光”技术迈出实验室,朝工业化的方向走出决定性的一步。人们有望大规模地利用太阳能、风能等绿色能源,电解水制氢,并耦合排放的二氧化碳,生成绿色清洁能源——甲醇。

“在项目完成验收后的这一年里,煤炭等二氧化碳排放严重的行业已经有几十家企业来联系商讨,如何将‘液态阳光’大规模工业化应用。现在至少已有三家国有企业开始做经济评估,启动选址、筹备工作,计划上10万吨级的液态阳光甲醇合成项目。” 主持这项研究的中科院大连化学物理研究所李灿院士在近日接受界面新闻专访时透露。

2018年,在甘肃兰州新区和兰州新区石投公司的支持下,李灿带着其研究团队在当地落实“液态阳光”示范工程项目的厂址。甘肃太阳能资源丰富,且太阳辐射强度和波动性具有代表性,与新疆、内蒙古、青海等周边省份相比,甘肃更靠近物流中心、用电负荷中心,电网覆盖率高、交通便利。

历时两年,“液态阳光”项目完成验收鉴定。通过示范项目得到了重要的技术参数,“液态阳光”在未来可以放大实现10万吨级甚至100万吨级的工业化生产。这对有效利用可再生能源、解决可再生能源存储,以及规模化减排二氧化碳等都具有重要意义。

“液态太阳燃料合成示范项目”流程图 图片由受访者提供

从研究化石能源到研究太阳能

20多年前,作为化石能源的催化基础前沿研究者,李灿很早意识到化石能源的不可再生,以及对环境的负面影响。

“上世纪六十年代大庆油田高产的时候,年产出接近5000万吨,不仅解决国家的需求,且还有余量可供出口,现在即使利用各种取油方法也只有3000万吨的产能。”李灿告诉界面新闻。“等到化石能源耗尽时,我们的子孙后代何以生存?”这个问题一直萦绕在他脑海中。出于对化石能源快速消耗的担忧,再加上1997年《京都议定书》的广泛讨论,国际社会开始倡议减少二氧化碳等温室气体排放。李灿在2001年决定把研究重心从化石能源转向了以太阳能为代表的可再生能源的研究。

“液态阳光”是以甲醇为代表的液态太阳燃料的简称。相比于气态燃料,液态燃料具有能大规模储存和较易运输的优点。

“液态阳光”的合成是指利用太阳能等可再生能源分解水制氢,再和空气中捕获的二氧化碳通过催化过程,进一步转化为甲醇。在减少向空气中排放二氧化碳的情况下,产生新的燃料。

 

太阳能分解水制氢与二氧化碳资源化利用的耦合 图片由受访者提供

在研究初期,李灿团队面临的第一个技术难点是如何利用太阳能制氢。如果从化石能源获取氢气,技术早已经成熟,且成本较低,但制氢过程消耗化石资源,并排放大量二氧化碳。但是若用太阳能通过光催化、光电催化、光伏+电催化等途径分解水制氢,就可实现几乎零碳排放。

作为“液态阳光”合成的核心技术之一,李灿团队自主研发了高效、低成本、长寿命、规模化的电催化分解水制氢技术。经测试验证,该技术在单套工业电解槽上实现了每小时产出大于1000标方氢气,生产每单位氢的能耗降低至4.3度电/方氢以内,是目前全球范围内,规模化碱性电解水制氢的最高效率。

由于太阳能非稳定持续,但甲醇的制备过程又需要持续进行,太阳光强度高时多产的氢会被短期储存在氢罐中,用来维持后续二氧化碳加氢过程的平稳运行。

另外,电解水制氢过程的用水量并不大。李灿告诉界面新闻,“大约9吨水能产1吨氢,1吨氢可以产5吨以上的甲醇。”“液态阳光”合成过程的主要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约70%,电解槽成本占约30%。

催化的力量

除了氢气的获取,如何实现高活性、高选择性、低能耗的二氧化碳催化加氢制甲醇过程,是这项研究另一个要攻克的技术难点。

催化剂好比婚介所,虽然参与了反应,但当双方化学物质结合后,它本身的化学性质和数量并不发生变化。高活性的催化剂可以使化学反应更快、更容易进行,高选择性则是为了最大化产出目标产品,也就是甲醇。李灿团队研发了一种二元金属氧化物ZnO-ZrO2固溶体催化剂,实现了二氧化碳高选择性高稳定性加氢合成甲醇。

用太阳能光催化分解水制氢的研究,从上世纪七十年代就有科研人员开始尝试,但由于该研究的挑战性太大,没有持续的经费支持,使得国内外不少相关研究团队逐渐放弃。

“大部分研究在盲目地筛选催化剂,没有下功夫研究光催化分解水过程中内在的微观机制。”李灿告诉界面新闻。经过三四年的研究探索,李灿和他的团队才基本明确光催化体系的关键问题。现在越来越多的研究者加入到这个研究方向。

国际上也日益重视太阳能制氢的研究。日本东京大学教授Kazunari Domen致力于寻找、构筑具有宽光谱吸收和高反应活性的分解水制氢光催化材料,其团队完成了首例光催化剂反应器板上太阳能光催化分解水产氢放大验证。斯坦福大学的Jaramillo教授采用聚光光伏系统,与聚合物膜电极池匹配,实现了超过30%的太阳能到氢能的转化效率。瑞士联邦工学院的M. Grätzel教授领导的“NanoPEC”项目也在重点开展高效太阳能分解水制氢研究。

同时,“液态阳光”技术除了推进碳中和、并为绿色甲醇工业化发展做基础外,还可拓展到其他领域。今年9月底,天津工业生物技术研究所报道了人工合成淀粉的研究成果,发表在国际期刊《Science》上,引起国内外的广泛关注。而在合成淀粉反应初期,由二氧化碳生成甲醇这一步,利用的就是李灿团队的“液态阳光”技术,这使得从二氧化碳和水出发合成淀粉成为可能。

李灿告诉界面新闻,在该项合作中,天津工业所将大量复杂的酶催化过程简化为11步,把甲醇转化为了淀粉,提高了反应效率。

“液态阳光”的应用示例:加氢站

“液态太阳”甲醇作为理想的储氢载体,有助于解决加氢站建设中氢的储存和运输问题。据报道,“液态阳光”加氢站已经列入2022年北京冬奥会的可再生能源示范区项目,将为冬奥会提供绿氢。

在用可再生能源分解水制氢、耦合二氧化碳生成甲醇的基础上,液态阳光加氢站设计研发了集在线制氢、分离纯化、升压加注及二氧化碳液化回收于一体的液态阳光制氢加氢技术,资料显示,其日产绿氢可达50至100公斤,是我国具有自主知识产权的首个液态阳光加氢站技术。

据国际氢能源委员会预测,到2025年,全球氢能源需求是目前的10倍,预计到2030年,全球加氢站可达5000座,为35万辆汽车加氢。“液态阳光”技术有助于改进目前氢能源的制备、储存、运输等难题。

另外,“液态阳光”技术也转化利用了空气中的二氧化碳,将原本废弃的二氧化碳转化成有用的甲醇。

“随着相关碳排放政策的发布,企业一旦超额排放二氧化碳就需要交碳税,甚至相关高碳排放生产过程不再被允许,企业面临转型压力,但减排是大势所趋。而液态阳光有助于平衡经济发展和实现双碳目标。”李灿告诉界面新闻。

长期研究新能源与碳捕获技术的罗兰贝格全球高级合伙人许季刚分析认为,“液态阳光”技术可以成为碳捕集和碳运输的最后一环—“碳利用”。

“甲醇是低价值产品,所以液态阳光技术的主要意义在于碳的处理。国外也有类似的应用,可以建在二氧化碳排放密集地的附近。”许季刚指出,用该技术实现碳利用的成本主要分四部分:太阳能利用的成本、电解水制氢的成本、催化剂,以及二氧化碳捕集运输成本。

“二氧化碳加氢制甲醇的经济性,需要和产品收益加上碳价格做比较,如果碳价格不够高,或者缺乏补贴,该项目的推广仍然很难,主要还是示范技术和补贴项目。我们预测2035年前后,该技术将逐步呈现经济性。”许季刚说。

最新统计称,人类每年向全球大气中排放的温室气体约为510亿吨(二氧化碳当量)。为缓解气候变暖,如果要将本世纪末全球平均气温较工业化前水平升高幅度控制在1.5℃以内,全球2050年左右要达到净零碳排放;如果要实现2℃的温控目标,则要求2030年全球CO2排放量要比2010年减少约65%,2070年左右达到净零排放。

为缓解现阶段产业发展与碳减排的矛盾,全球科学界在进行二氧化碳捕获与封存技术的研究,而液态阳光技术提供了一项兼顾经济发展和双碳任务的新的低碳路径。

同时,作为一种化学储能的形式,“液态阳光”技术解决了可再生能源供应的随机性、间歇性问题。太阳燃料合成可将太阳能收集并长期储存,适应能源应用市场多样且不断波动的需求。

“可再生能源转化到甲醇,恰恰就是一个储能的过程。”李灿说,“虽然储能并不是我们最初研究的主要方向,但回头看它确实起到了这个作用。就像在攀登珠穆朗玛峰的过程中,目标是登顶,但爬到一定高度时就有机会摘到灵芝或雪莲。”

液态太阳燃料的“制、储、运、用”示意图 图片由受访者提供

李灿在其著作《太阳能转化科学与技术》中对这项研究寄予厚望。“未来规模化液态太阳燃料的生产和应用,将从根本上改善人类赖以生存的环境,具有深远的社会生态意义。”

来源:界面新闻

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