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康殷
2025-11-01 07:53
利用可再生能源制氫、將二氧化碳加氫轉(zhuǎn)化為綠色甲醇，是實現(xiàn)碳中和目標(biāo)的重要技術(shù)路徑。該甲醇由太陽能轉(zhuǎn)化而來，又被形象地稱為“液態(tài)陽光”。
全球第一個液態(tài)陽光技術(shù)大規(guī)模工業(yè)化示范項目——二氧化碳加綠氫制甲醇技術(shù)示范項目已于2024年11月在內(nèi)蒙古鄂爾多斯開工建設(shè)，預(yù)計2026年9月建成投產(chǎn)。
該項目由中煤集團(tuán)聯(lián)合中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所啟動，總投資約40億元，投產(chǎn)后預(yù)計每年可生產(chǎn)10萬噸液態(tài)陽光甲醇。
綠色甲醇作為清潔能源潛力巨大
二氧化碳加綠氫制甲醇技術(shù)是水泥、鋼鐵、化工等行業(yè)實現(xiàn)碳減排的有力手段，也是二氧化碳資源化利用的典型過程，同時是一種長周期、大規(guī)模的儲能技術(shù)。
首先，隨著可再生能源發(fā)電裝機(jī)量的增加，電網(wǎng)的穩(wěn)定性受到前所未有的挑戰(zhàn)，將可再生能源制氫進(jìn)而合成為甲醇的思路得到了政府和企業(yè)的大力支持，被認(rèn)為是就地消納的良好途徑。
其次，液體燃料甲醇的使用在節(jié)約煤炭、石油等不可再生能源的同時，也緩解了能源危機(jī)，促進(jìn)了能源領(lǐng)域的可持續(xù)發(fā)展。
再次，對于水泥、鋼鐵等行業(yè)的二氧化碳減排，按照目前技術(shù)只有依靠碳捕獲和封存來實現(xiàn)，而二氧化碳加綠氫制甲醇技術(shù)提供了新的資源化利用路徑，因此在今后較長一段時間內(nèi)，可催生水泥-化工聯(lián)產(chǎn)、鋼鐵-化工聯(lián)產(chǎn)等新發(fā)展模式。未來，隨著生物質(zhì)碳資源的開發(fā)、直接空氣捕獲二氧化碳技術(shù)的進(jìn)步，以及海運領(lǐng)域等自回收二氧化碳技術(shù)的進(jìn)步，液態(tài)陽光甲醇將更具生命力。
數(shù)據(jù)顯示，2024年，我國甲醇表觀消費量超過1億噸/年，但絕大多數(shù)來源于煤制甲醇。據(jù)預(yù)測，若當(dāng)前甲醇合成全部由液態(tài)陽光甲醇替代，則每年可實現(xiàn)3億噸至4億噸的二氧化碳減排。
在燃料領(lǐng)域，綠色甲醇正逐漸被視為一種具有巨大潛力的低碳清潔能源。在道路交通領(lǐng)域，綠色甲醇可與汽油混合或直接用于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車，也可用于混合動力與燃料電池汽車。在海運行業(yè)，由于綠色甲醇不含硫分且氮氧化物排放低，它有潛力替代現(xiàn)有的高碳排放船用燃料。在航空業(yè)，綠色甲醇通過轉(zhuǎn)化，能夠作為可持續(xù)的航空燃料，為航空領(lǐng)域提供環(huán)保的能源解決方案。
政策方面，2023年12月31日，工業(yè)和信息化部等三部門關(guān)于印發(fā)《加快工業(yè)領(lǐng)域清潔低碳?xì)鋺?yīng)用實施方案》的通知，提出“大力發(fā)展氫碳耦合制綠色甲醇”；2024年7月15日，國家發(fā)展改革委、國家能源局印發(fā)的《煤電低碳化改造建設(shè)行動方案（2024-2027年）》，提出“二氧化碳加氫制甲醇等化工利用技術(shù)”；2024年8月21日，國家能源局印發(fā)《關(guān)于組織開展綠色液體燃料技術(shù)攻關(guān)和產(chǎn)業(yè)化試點的通知》，提出“以捕集的二氧化碳、可再生能源制氫為原料，通過催化合成生產(chǎn)綠色甲醇”；2024年10月30日，國家發(fā)展改革委等六部門印發(fā)《關(guān)于大力實施可再生能源替代行動的指導(dǎo)意見》，提出“探索建設(shè)風(fēng)光氫氨醇一體化基地”。
液態(tài)陽光全流程突破三大關(guān)鍵技術(shù)
二氧化碳加綠氫制甲醇技術(shù)示范項目主要包括，可再生能源風(fēng)光發(fā)電、電解水制儲氫和二氧化碳加綠氫制綠色甲醇（含二氧化碳捕集精制）三個部分，針對液態(tài)陽光全流程系統(tǒng)的三個關(guān)鍵技術(shù)，開展研究和示范。
一是高效堿性電解水制氫裝置的大型化研究與示范。當(dāng)前，堿性電解水制氫單槽規(guī)模約1000 Nm3H2/h，單位制氫能耗約4.7至6.0 kWh/Nm3H2，該項目擬示范全球最領(lǐng)先堿性電解水制氫技術(shù)，要求單槽規(guī)模不低于1200 Nm3H2/h（其中2臺規(guī)模達(dá)到1500 Nm3H2/h），通過開展低能耗、高穩(wěn)定性新一代電解水催化劑的研發(fā)及電解水系統(tǒng)的優(yōu)化集成設(shè)計，突破制約高效堿性電解水制氫的材料和技術(shù)瓶頸，研發(fā)了鎳基底上原子級分散的過渡金屬電解水制氫催化劑，實現(xiàn)單槽千立方/小時以上規(guī)模化制氫生產(chǎn)，能量轉(zhuǎn)化效率超過82%，單位制氫能耗降低至4.3 kWh/Nm3H2以內(nèi)。此外，在光伏制氫或風(fēng)電制氫中，由于風(fēng)光發(fā)電的間歇性、波動性等特點，常規(guī)可再生能源配套電解槽有效制氫小時數(shù)約2000小時，經(jīng)濟(jì)制氫波動范圍約50%至110%，該項目創(chuàng)新性地組合風(fēng)光發(fā)電、電化學(xué)儲能及制儲氫設(shè)施，并采用“削峰填谷”策略，使電解槽有效制氫小時數(shù)達(dá)到5055小時，并通過多臺套制氫裝置切換運行方式保持制氫裝置經(jīng)濟(jì)運行范圍，極大地提高了電解槽的利用率和穩(wěn)定性。
二是大規(guī)模二氧化碳加綠氫制甲醇關(guān)鍵技術(shù)研究與示范。二氧化碳加綠氫制甲醇技術(shù)，目前在全球范圍內(nèi)均處于千噸級中試階段，該項目擬示范全球首套10萬噸/年二氧化碳加綠氫制甲醇工業(yè)化項目，針對二氧化碳加綠氫制甲醇技術(shù)，發(fā)明新型鋅鋯氧化物固溶體催化劑，提高了優(yōu)異的甲醇選擇性和穩(wěn)定性；開發(fā)二氧化碳加綠氫制綠色甲醇成套工藝技術(shù)和核心反應(yīng)器，實現(xiàn)二氧化碳轉(zhuǎn)化率大于98.5%，甲醇選擇性大于99.5%，催化劑穩(wěn)定性超過5000小時。
三是電-氫-醇一體化智能化管控技術(shù)研究與示范。從風(fēng)光資源分析入手，通過具有自主知識產(chǎn)權(quán)的多因素綜合尋優(yōu)策略方法實現(xiàn)風(fēng)光資源、制氫和儲氫的合理配置，充分發(fā)揮風(fēng)光互補特性和儲氫裝置儲能能力，在實現(xiàn)低成本供氫的同時提升供氫穩(wěn)定度至60%-110%，克服風(fēng)光不穩(wěn)定性對化工生產(chǎn)的影響。該項目制氫裝置的配置容量為平均需求供氫量的1.6倍，利用風(fēng)光制氫一體化調(diào)控平臺充分發(fā)揮可再生能源發(fā)電能力、儲氫裝置強(qiáng)大的儲氫能力、電化學(xué)儲能設(shè)施靈活性運行能力和現(xiàn)有化工裝置強(qiáng)大的氫氣消納能力，在制氫裝置富余時段，制氫裝置可為電網(wǎng)提供調(diào)峰輔助服務(wù)，為地區(qū)可再生能源的上網(wǎng)消納提供強(qiáng)大的調(diào)峰支持。
（作者單位：中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所）
