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    绿色甲醇:碳中和的另一条道路
    发布时间:2022-04-24  [返回]

    现在风能和太阳能价格便宜,然而到2019年底新冠肺炎疫情发生之前,经40多年发展的中国风能、太阳能能够输到东部的电仅相当于1.92亿吨标准煤的发电量,约占煤电的12.5%。


    受限于电网稳定性的要求,电网仅可输送有一定量的非稳定能源。全年太阳能只有20%左右发电时间(取决于区域),另外约80%的时间怎么办,需要寻求一种经济可行\可全域推广的大规模储能技术。


    电池储能从1859年到现在研究了上百年,花了上万亿元人民币研发,然而100多年前就存在的抽水蓄能技术,仍然是当今技术成熟度最高、经济性最优的大规模储能技术。抽水蓄能项目的选址对天然地理位置要求很高,中国抽水蓄能电站主要分布在华东和华北,占总规模的60%。电池储能技术研究了100多年,至今“全世界一年电池产量储的电不够东京一天用”,如果一个技术研究了100多年,仍竞争不过很多年前就存在的抽水储能,在大规模储能领域就应该考虑其他的方向。


    目前,中国每年的碳排放量是103亿吨,除以14亿人口数,每个人平均约7.4吨。一个三口之家约为22吨,每天都在开车、用电,只要人人都有节能意识,就可以减少很多碳排放。


    在整个减碳大背景下,从理论的角度上是可以把二氧化碳转化成产品。全世界87%的石油被用于燃烧,仅13.3%生产了人类使用的所有石化产品。依靠二氧化碳转成其他物质,如果能盈利则可以推,但对于整个碳排放体量来说是杯水车薪。


    碳捕获与封存(CCS)和碳捕集利用与封存(CCUS)技术也备受关注,但是目前全球运行的CCS设施每年仅可捕集和永久封存约400万吨二氧化碳。如图1所示,传统的CCS技术对地质条件要求较高,需要盐水层进行二氧化碳封存,其适用面较窄,成本较高。


    相较于CCS技术,中国CCUS技术发展较快,每年二氧化碳捕集量约为170万吨。在数以亿吨计的碳排放前,CCS与CCUS的作用都是有限的。十几年前笔者所在的美国通用电气公司耗费28亿美元,建成了630MW净零排放整体煤气化联合循环发电系统(IGCC火电厂),被称为是爱迪生创立GE100多年来,GE做的最复杂的工业系统,但最后也没能埋藏二氧化碳;当初福岛核电站事故尚未发生,按当初的数据,与其干IGCC或火电厂CCS/CCUS路线,不如直接干核电。


    提高能效是降低碳排放确实可行的路径,也是减低碳排放成本最低和优先实施的途径。如图2所示,经过了100多年的工业化,到2001年,中国煤产量仅为13亿吨。到2013年,仅13年的时间就增加至39亿吨。12年时间中国能源消耗翻了三倍,这个数字是惊人的;其主要原因是2001年中国加入WTO,世界市场对中国开放了,中国成为世界工厂,能源消耗猛增。同时,这一时期大量的房地产及基础设施的建设也刺激了煤炭消费,钢筋水泥都需要消耗大量煤炭。


    一个大误解:电动车减碳


    电动车可以减碳,但前提条件是电网中的电大部分应该是非化石能源生产的。如果能源结构不改变,电网中的电仍然大部分是靠煤发的,表面上是电开车,从全生命周期看实际上是靠煤开车,电动车对减碳的贡献是非常有限的。


    对汽车轮船等交通工具,如图3所示,对汽车、轮船、飞机等移动交通工具而言,能量存储最重要的是油箱不能无限大。如果都是1立方米的储能空间,氢每立方米的能量密度反而是最小的,为3.2千瓦时/立方米,天然气只有10千瓦时/立方米,铅酸电池90千瓦时/立方米。


    人类花了上百年时间研发,现在特斯拉、比亚迪做到的电池也就是300千瓦时/立方米-600千瓦时/立方米,而汽油是8600千瓦时/立方米,后面我们要提到的绿色甲醇是4300千瓦时/立方米。


    人类的第一条流水线为什么是1913年福特的汽车生产线?生产一台内燃机是很贵的,但福特的生产流水线建成以后,一条流水线如果满产,每台车的成本就会大降。1913年福特的流水线投产后,汽车价格从当初的4300美元降到300多美元,使当时每一个美国的蓝领工人都能买得起汽车。


    然而,电动车不同,其核心部件是电池,其生产过程需要各种制造材料,且部分材料如有色、稀贵金属的储量及开采量有限,生产1万台、10万台,每台成本有所下降,但是每个电池的制备单价大部分是由材料决定的,不是量越大越便宜;反而是量大到一定程度,市场上材料的供需关系失衡时,有些金属材料的价格会飞涨。近期,由于各电动车厂扩产,造电池用的所有金属价格都飞涨,就说明了这一点。


    此外,电池的回收问题还没有完全解决。大规模的使用电动车,将来几百万个电池分布在中国大地。如果不回收的话,电池的随意丢弃,电池里一些剧毒化学品将会污染土壤、污染地下水。


    也有人提出,通过回收电池作为储能电站,可以解决废旧电池问题。近期,由于几起安全事故,发改委把许多废旧电池储能电站项目叫停了,废旧电池储能站的大规模应用还存在很多问题。


    鉴于此,电动车是可以发展的,但是从生产之日起必须考虑电池回收问题。电动车是很好的技术,在城市大家只是上下班开车使用非常好。电动车发展到一定规模,各种金属价格仍然合理才是比较科学的,其增长速度要和材料的价格及能源结构的改善匹配,才能健康发展。


    中国目前每年的汽车产能约2900万辆,今年电动车的产能已近300万辆,这已导致近期各种金属价格飞涨;电动车继续盲目扩大产能对整个行业不一定是好事。


    笔者认为,除非短期内有技术的重大突破,电动车的第一个约束因素是各种金属材料的价格;第二个约束因素是发展到一定规模后,电网包括小区电网的改造都需要和电动车的发展速度匹配;目前资本市场对电动车这一行业的估值可能已经偏高。


    绿色甲醇,另一条道路


    中国煤化工产业的发展迅速,煤制甲醇的产能达到了9000万吨/年,主要聚集在西北地区,约占汽油产能的四分之一。甲醇是含氢量高达12.5%的液体,可以通过成熟的重整技术制成氢气。甲醇在常温常压下是液体,安全等级和汽油相近,并且在零下93摄氏度也不会结冰。


    因其具有以上优点,甲醇可以通过罐车、管道高效率的输送。在中国西气东输管道已经建成,成本中比例较大的土地费用已经支付,相同的能量密度下,甲醇只需要一条直径为天然气输气管六分之一的管道即可长距离输送。在相同管径下,输入甲醇的总能量是天然气的36倍,且输送成本远低于气体输送。


    如图4所示,中国现有的甲醇生产主要依赖煤炭,生产1吨产品需要排放3.5吨-4.0吨二氧化碳。主要的排放来源是制氧用的高能耗空分装置和调节CO和氢气比例的水气变换单元。


    结合上文提到,因为风能和太阳能成本已经相当低了,许多人认为可以用西部的可再生电能去电解水制氢、制氧,把氧气排空,把氢气拉到东部来开车。这一愿景很美妙,但氢气既不好储存,也不易运输,罐车运输氢气超过一定量,一些隧道都不能过。


    甲醇是良好的储氢载体,将风能和太阳能以液体的绿色甲醇形式存储,可解决氢气储运的问题。如果利用西部地区已建成的煤化工厂,接受来自于可再生能源的氧气和氢气,即可使甲醇的生产向绿色倾斜。


    如图5所示,我们团队提出的绿色甲醇制备路线,主要特征在于,使用太阳能和风能电解水产生绿氢和绿氧,精简掉了空分和水气变换工艺单元,传统甲醇生产设施只需进行改造翻新即可用于制取绿色甲醇。这里,绿色甲醇指的是,在生产过程将太阳能和风能这类绿电以甲醇化学能的方式储存下来,而且甲醇生产工艺及公用工程基本不排放二氧化碳。


    有煤、有太阳、有风的西部多数位于海拔1500米的地区,西气东输的管线已经建成,而修管线最贵的是征地和立项;如果西气东输的管线已经有了,根据图3的质量能量密度与体积能量密度关系图,甲醇每立方米体积能量密度是4300千瓦时/立方米,天然气每立方米只有10千瓦时;用西气东输六分之一的管径的小管子就可输送与西气东输同样的能量。


    此外,东西部的海拔差,液体可以自动流到东部沿海城市。在“双碳”的要求下,今后既然储电成本尚高,还存在一定的瓶颈,那可以把多余的、便宜的风能太阳能电解水制氢制氧,仅利用一点点碳,把太阳能风能转成绿色的液体进行利用,液体是人类最好的能源载体。


    绿色甲醇无论在任何场景应用,都将是绿色,无碳排放的。如图6所示,甲醇汽车使用甲醇路线。第一,甲醇内燃机就已经成了绿色能源。吉利等生产的甲醇内燃机车技术已相当成熟,今天西安、贵阳等十几个城市的公共汽车、营运车都使用甲醇作为燃料,开了好几年,没有任何问题。第二,可以做绿色甲醇-电混合动力,就如比亚迪的唐DM-i,油电混合动力百公里油耗为5升左右。而使用绿色甲醇-电混合动力的话,汽车的碳排放就大幅度降低。第三,当燃料电池成本足够便宜了,车上装绿色甲醇,通过车载甲醇在线制氢,氢气通过燃料电池发电,电再为车辆提供动力,1升甲醇制氢气是1升液氢的两倍。



    如图7所示,为甲醇加注站的示意图,通过把现有液体基础设施加油站改造成绿色甲醇加注站,可以支持内燃机车、电动车、氢燃料电池车三代汽车的发展。


    人类不应该急于把已建成的液体设施扔掉,加氢站的占地面积比现在中石化的加油站占地面积大。而使用甲醇作为运输工具的燃料,可很好地利用现有的燃料加注设备。举个例子,现有加油站一个罐可先改造为是绿色甲醇储罐,其他五个罐仍是汽油,再过几年根据需求可以逐渐替代相关油罐为绿色甲醇储罐,基础设施得到缓慢发展,同一套甲醇装置在现在可以使用内燃机等成熟技术,并且可以进一步发展为插电式混动模式,在未来还能够支撑氢能与燃料电池等三代汽车的发展。


    甲醇制氢给燃料电池发电不仅能够用于车辆,还是一种分布式能源技术,我们团队在分布式发电上也已经开发了多年。如图8所示,为分布式能源技术的主要应用场景。广东有多个山顶的5G基站就是以甲醇-水重整制氢发电作为供能系统,给基站供电了好几年,非常稳定。


    因为在山顶上,通过市电拉线到基站成本高昂。四台2.5千瓦的绿色甲醇分布式供能系统就足够满足一座5G基站的用电需求。每隔几个月拉半车甲醇就可满足其用电需求。

    这个设备发电只要甲醇和水。工作原理是甲醇和水在200多摄氏度产生氢气,氢气在80摄氏度和空气通过燃料电池发电。它的发电效率就比内燃机燃烧发电效率高2倍-3倍,而且反应器中200多摄氏度的余热冬天可以供暖,夏天通过热泵可以制冷。一个2.5千瓦的单台机器就可以满足一个普通的别墅的供电、供暖、制冷需要。


    比较一下,这种分布式能源系统和今天中国的煤炭经济的碳排放,目前西部建一个火电厂,发电率约为40%,100万大卡的煤只发40多万大卡的电,在输送的过程中再损失一些,只有30多万大卡电送到东部沿海城市的用户端,其中60多万大卡以热的形式耗散掉。


    电可以通过电网远距离输送,热不可能远距离输送。而绿色甲醇液体可以通过管道运输的方式,高效地运输过来。在房子边上用燃料电池分布式发电,不仅发电效率高,而且甲醇制氢290度的余热能够实现冬天供暖、夏天通过热泵制冷。


    因此,假设采用绿色甲醇分布式能源系统,排放不到今天煤炭/石油经济五分之一的碳,就可能解决中国的电力、交通和供暖供冷等问题。尤其是用绿色甲醇取代石油的话,可有利于解决中国能源安全问题。


    美元和黄金早就脱钩,美元的支撑就是石油。今天用风能、太阳能等可再生能源制的甲醇可能略微比煤制甲醇贵一点,但也贵不到哪儿去,且煤炭可用劣质煤来做作为相关原料,进一步的降低成本。


    因此,绿色甲醇每百万大卡的成本不会超过汽油,利用中国已经便宜的太阳能和大量的生物质、城市垃圾(约80%是生物质)及劣质煤制成的绿色甲醇,不仅可以大大减低碳排放,而且不需要进口,可打破石油美元的垄断。


    为了使得绿色甲醇的生产变得可承受,在已有技术条件下需要降低成本。近几年我团队开发了如图9所示的微矿分离技术,在燃烧前把煤在水里磨细,把可燃的不可燃的分开,煤里可燃的就是光合作用形成的,不可燃的是来源于远古大地的矿物质,可用于治理板结的土地、盐碱地及沙漠。


    因此,我们提出煤炭工业的第一个碳中和概念。传统的燃煤发电,将煤炭直接烧后产生大量的灰渣及排放二氧化碳,因此今天火电厂粉煤灰成灾。目前看来,人类自工业革命300多年来,使用煤炭的方式是错误的;不管什么煤,一把火烧掉。正确的方式应该是把煤中可燃与不可燃的组分在燃烧前先分开,来自于远古大地的矿物质应该把它分离出来后,该还回土地的矿物质部分与有机质及农业菌一起制成有机肥及土壤改良剂。


    如果10所示,为团队研发的微矿土壤改良剂及其施用作物图。微矿土壤改良剂可用于治理板结的土壤,盐碱地及沙漠,可以通过促进植物生长的方式将燃煤排放的二氧化碳重新存储回来,这样也可以做到降低碳排放。


    在西部,通过太阳能和沙漠治理结合形式,在太阳能板下种植固沙植物,进而太阳能板发了电,而同时太阳能板底下的植物也能良好地生长起来、绿了起来。由此可知,碳中和是整个大的能源结构调整问题。原料成本降低时,能够让加入可再生能源后的甲醇生产变得具有竞争力。


    国内不同地方都提出要建“零碳产业园”。这个世界上的二氧化碳不能太多,但没有二氧化碳也不行,我们呼吸的氧气和吃的食品都需要二氧化碳光合作用生成。因此,生态环境需要有一定量的二氧化碳。把今天的煤炭/石油经济改为绿色甲醇经济,可减碳近80%,这样中国的碳中和问题就基本可以解决了,而且成本是可控的,不像储电那么贵。


    即使绿色甲醇的制备需要生物质、城市垃圾或煤中的一点碳,但总体可实现碳中和,因此即使这样制备的甲醇中有点碳,也可以称之为绿色能源。减碳的目的是为了阻止全球气候变暖,是要把二氧化碳排放降低到一定水平而不是追求“零碳”,零碳做不到,也没必要。


    碳中和需要各种清洁能源技术尤其是各种储能技术齐头并进。太阳能、风能便宜了,应大力发展,但实现碳中和的核心是各种储能技术保证在没太阳、没风时也有电力供应。除过发展核能及水电等稳定的非碳电力,凡有地理条件做抽水储能或有岩洞做压缩空气储能的,都是很好的选项。在没有这些地理条件时,把太阳能、风能等非碳排放电力以绿色甲醇液体的形式储存下来。


    由此,绿色甲醇可以作为绿色能源降低对外石油进口依赖度;可通过分布式绿色甲醇燃料电池发电,不仅发电效率高,而且热电联供使得综合能效大幅度提高,充分利用中国低成本的太阳能、风能为人们提供绿色的交通燃料;也可在没风、没太阳时长期保证人们的供电、供暖及空调等需求。


    推动碳中和是全社会共同的事业,需要社会体系进行创新与变革,同时更需要政产学研良性互动,真正把政产学研链接到一起的。在这个过程中最缺两类人:具有企业家精神的科学家和具有科学素养的企业家,我们希望与具有企业家精神的科学家和具有科学素养的企业家,共同推动碳中和的进步,实现我们的碳中和。


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