雙碳目標(biāo)下中國新能源技術(shù)發(fā)展

• 袁靜美 2023年3月16日 來源：中研網(wǎng) 377 17
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根據(jù)中研普華研究院撰寫的《2023-2028年中國新能源行業(yè)發(fā)展前景及投資戰(zhàn)略分析報告》顯示：

當(dāng)前我國正處于實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)、構(gòu)建“清潔低碳、安全高效”能源體系的關(guān)鍵時期，2020年中央經(jīng)濟(jì)工作會議明確提出，“碳達(dá)峰、碳中和”工作要加快調(diào)整優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、能源結(jié)構(gòu)，推動煤炭消費(fèi)盡早達(dá)峰，大力發(fā)展新能源的決議，由此可見走能源轉(zhuǎn)型和低碳技術(shù)創(chuàng)新之路勢在必行。

光伏和風(fēng)力發(fā)電及制氫、城市生活垃圾制氫和CO2加氫制甲醇和乙醇技術(shù)，可以克服傳統(tǒng)的資源利用手段，使資源再生或綠色循環(huán)利用，達(dá)到保護(hù)生態(tài)環(huán)境的目的。通過光伏和風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)生的電能清潔無污染，利用產(chǎn)生的電能電解水，可以產(chǎn)生綠色能量氫能，氫能是清潔綠色能源，是實(shí)現(xiàn)能源變革的重要媒介。將煤化工等企業(yè)排放的CO2和城市生活垃圾綜合利用，既可以變廢為寶，又達(dá)到碳減排的目的，具有重要的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益，同時對于實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)有重要的意義。本文對3種新能源技術(shù)進(jìn)行了淺析和展望。

碳減排新途徑

1.光伏和風(fēng)力發(fā)電及制氫

當(dāng)前我國工業(yè)建設(shè)電力主要來自于煤炭燃燒，環(huán)境污染嚴(yán)重，同時也對能源行業(yè)帶來危機(jī)，面對生態(tài)環(huán)保要求及“碳達(dá)峰，碳中和”對CO2排放的巨大壓力，全球正在考慮采取新的方式進(jìn)行電力供應(yīng)。光伏和風(fēng)力發(fā)電與煤炭發(fā)電相比，原料利用可再生資源太陽能和風(fēng)能，具有清潔無污染、投資和維護(hù)費(fèi)用低的特點(diǎn)，越來越顯示巨大的潛力。截至2021年6月，煤炭價格的大幅上漲導(dǎo)致火力發(fā)電成本大幅上漲，我國光伏市場相關(guān)報道顯示，國內(nèi)的火力發(fā)電廠每度電的成本已接近3.5元，甚至有的發(fā)電廠還要更高一些，相比之下國內(nèi)風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電的成本約為1.8元，已開始明顯優(yōu)于火力發(fā)電。通過以上量化的數(shù)據(jù)，結(jié)合光伏和風(fēng)力發(fā)電的成本優(yōu)勢以及對CO2減排的優(yōu)勢，傳統(tǒng)的石化能源未來將逐漸失去優(yōu)勢，取而代之的光伏和風(fēng)力發(fā)電必將有巨大發(fā)展空間。

通過光伏和風(fēng)力產(chǎn)生的電能，除一部分儲存可作為電網(wǎng)使用外，主要部分通過電解水制氫裝置，生產(chǎn)出綠色能源氫能，近年來有許多學(xué)者對此進(jìn)行了相關(guān)的研究。與化石能源制氫相比，光伏與風(fēng)力發(fā)電制氫更能有效降低化石能源的消耗，降低污染物排放，同時實(shí)現(xiàn)與煤化工、石油化工、新能源汽車，燃料電池、CO2加氫制甲醇乙醇等行業(yè)的多聯(lián)產(chǎn)。氫的運(yùn)輸和新型儲存材料是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)問題。

風(fēng)力和光伏發(fā)電與地域有關(guān)。我國風(fēng)資源集中，大多分布在西北、華北、東北及東南沿海地區(qū)，這些地區(qū)適合風(fēng)力發(fā)電及制氫產(chǎn)業(yè)。Shell公司利用河北張家口地區(qū)的地理優(yōu)勢，于2020年11月13日在張家口市投資建設(shè)20000kW可再生能源電解水制氫和加氫項目，支持張家口市和京津冀地區(qū)氫能等清潔能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，顯示了優(yōu)越的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益。在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，風(fēng)力機(jī)向著變漿距調(diào)節(jié)技術(shù)發(fā)展、發(fā)電機(jī)向著變速恒頻發(fā)電技術(shù)發(fā)展，這是風(fēng)力發(fā)電技術(shù)發(fā)展的趨勢，也是當(dāng)今風(fēng)力發(fā)電的核心技術(shù)。

光伏發(fā)電和太陽光有關(guān)，由于南方不如北方太陽充足，日照不及北方的1/3，光伏成本約是北方3倍，因此光伏發(fā)電適合我國北方大部分地區(qū)。新型環(huán)保光伏材料的研究及制備工藝開發(fā)是當(dāng)前的熱點(diǎn)。

2.開發(fā)CO2利用新技術(shù)，制備甲醇和乙醇

CO2是大氣主要污染物之一，尤其煤化工行業(yè)尤為突出，當(dāng)前全球?qū)μ寂欧盘岢隽溯^嚴(yán)格的要求。傳統(tǒng)的碳封存技術(shù)投資大，利用價值不高，在當(dāng)前“碳達(dá)峰、碳中和”背景下，實(shí)現(xiàn)高效轉(zhuǎn)化制高值化學(xué)品具有重要的戰(zhàn)略意義。將CO2轉(zhuǎn)化為甲醇和乙醇等綠色清潔能源，形成低碳運(yùn)輸燃料，醇類燃燒后又變成CO2，又可以重復(fù)利用，實(shí)現(xiàn)了資源的再生循環(huán)利用。Wang等研究了CO2加氫制甲醇的反應(yīng)路徑以及水在CO2加氫過程中的重要作用，用原位紅外和瞬態(tài)同位素示蹤方法對Cu-ZnO-ZrO2催化劑上CO2加氫制甲醇過程中水的作用機(jī)制進(jìn)行了深入研究。研究闡明了H2O在CO2加氫過程的關(guān)鍵作用，發(fā)現(xiàn)解離脫附水是與甲氧基反應(yīng)生成甲醇的活性物種，催化劑的三維有序大孔結(jié)構(gòu)可有效促進(jìn)水在催化劑顆粒間的擴(kuò)散速率，從而獲得高的甲醇選擇性。此外，在反應(yīng)氣中加入少量的水能夠提升甲醇收率，該研究為CO2的利用途經(jīng)提供了方向。

Hu等研究了富含硫空位的二維硫化鉬催化劑低溫、高效、長壽命的CO2加氫制甲醇過程，研究結(jié)果表明在180℃下，催化劑穩(wěn)定性可達(dá)3000h，CO2單程轉(zhuǎn)化率可達(dá)12.5%，同時甲醇選擇性可達(dá)94.3%，顯著優(yōu)于商品Cu/ZnO/Al2O3催化劑以及此前報道的催化劑，該法具有工業(yè)化應(yīng)用潛力，有望為CO2轉(zhuǎn)化利用開辟新途徑。

中科院大連化物所Wang等研究了CO2在雙金屬ZnO和ZrO2固溶體氧化劑上加氫高選擇性和穩(wěn)定性合成甲醇過程，研究結(jié)果表明，CO2單程轉(zhuǎn)化率超過10%時，甲醇選擇性可達(dá)86%～91%，具有較好的工業(yè)化前景。2020年10月，運(yùn)用李燦院士團(tuán)隊開發(fā)的CO2制甲醇技術(shù)在蘭州新區(qū)綠色化工園建成全球首個千噸級液態(tài)太陽燃料合成示范工程項目，并順利通過連續(xù)72h現(xiàn)場考核，達(dá)成既定的目標(biāo)，這表明中國在CO2制甲醇技術(shù)方面取得了里程碑式成就。

Li等通過光熱協(xié)同催化作用，采用種子晶體介導(dǎo)法和熱縮聚法，研究了CO2碳碳耦合制備乙醇的過程。采用AuCu合金納米粒子修飾的超薄多孔石墨氮化碳[1](g-C3N4)納米片，金表面的正電荷改善了CO2分子的吸附，合金中從金到銅的電荷轉(zhuǎn)移使銅富集了過量的負(fù)電荷，促進(jìn)了中間產(chǎn)物*CO2-和*CO[2]在銅表面的形成。研究發(fā)現(xiàn)溫度升高使分子的熱運(yùn)動增強(qiáng)，導(dǎo)致光催化和熱催化的協(xié)同作用，通過共聚合促進(jìn)C-C偶聯(lián)的形成，從而提高乙醇的收率。研究結(jié)果表明在120℃下，乙醇的產(chǎn)率和選擇性為0.89mmol/g·h和93.1%，是光催化的4.2倍和熱催化的7.6倍，突破了CO2還原制備多碳產(chǎn)物過程中C-C耦合的瓶頸。該方法僅以水提供氫源，將熱催化加氫的反應(yīng)溫度從300℃左右降低至120℃，突破了催化還原CO2產(chǎn)物集中在碳一產(chǎn)品的問題，為CO2還原制備高附加值化學(xué)品提供了新思路。

Bai等Pd-Cu納米材料催化劑研究了CO2加氫制備乙醇的過程，通過調(diào)整Pd-Cu納米材料的組成和催化劑支撐材料，優(yōu)化出能夠高效地將CO2加氫轉(zhuǎn)化成乙醇的納米材料Pd2CuNPs/P25[3]，該材料具有高達(dá)92%的選擇性加氫轉(zhuǎn)化甲醇，轉(zhuǎn)化頻率為359h-1。通過漫反射傅里葉變換紅外光譜(DRIFTS)，研究了CO2加氫制備乙醇過程中的速率控制步驟，結(jié)果表明Pd2CuNPs/P25[4]能夠促進(jìn)*CO(吸附CO)加氫轉(zhuǎn)化成*HCO，該工作結(jié)果為催化CO2加氫轉(zhuǎn)化C2H5OH納米材料的研發(fā)起到了很好的指導(dǎo)作用。

由中國科學(xué)院上海高等研究院Li等研究了氮摻雜的介孔碳(N-carbon)材料用于電催化CO2轉(zhuǎn)化過程，通過調(diào)控優(yōu)化N-carbon的孔道結(jié)構(gòu)和表面活性位構(gòu)型，發(fā)現(xiàn)在-0.56V(vs.RHE)電壓下電催化CO2轉(zhuǎn)化生成乙醇的電流效率達(dá)到77。此項研究工作為設(shè)計創(chuàng)制高活性和高選擇性生成多碳產(chǎn)物的電催化體系提供了新思路，隨后中國科學(xué)院上海高等研究院與中國海洋石油青島公司、中國成達(dá)工程有限公司合作開發(fā)了CO2加氫制甲醇關(guān)鍵技術(shù)。并進(jìn)行了中試放大研究，于2020年7月建成5000t/a規(guī)模工業(yè)試驗裝置，通過了中國石化聯(lián)合會組織的現(xiàn)場72h考核。評估專家組認(rèn)為該項目率先建成了全球最大規(guī)模CO2加氫制甲醇工業(yè)試驗裝置，與國內(nèi)外同類技術(shù)相比，主要技術(shù)指標(biāo)先進(jìn)，對于我國CO2資源化利用、減少溫室氣體排放具有重要意義。

當(dāng)前利用CO2加氫制已醇和乙醇工業(yè)化核心問題是開發(fā)高選擇性和轉(zhuǎn)化率的催化劑及配套的工藝技術(shù)。國際上許多技術(shù)專利商如托普索(Topse)和魯奇公司(Lurgi)等均在攻關(guān)高效催化劑并進(jìn)行相應(yīng)的工藝技術(shù)開發(fā)工作。

3.城市生活垃圾制氫

目前我國城市垃圾處理方式主要是填埋或者焚燒，垃圾焚燒的主要設(shè)備循環(huán)流化床具有投資大和運(yùn)行成本高的特點(diǎn)，同時焚燒過程中產(chǎn)生飛灰，對環(huán)境污染嚴(yán)重，因此開發(fā)新型的生活垃圾處理技術(shù)勢在必行。熱解氣化技術(shù)作為一種新型的生活垃圾處理技術(shù)，可以有效降低化合物生成量并減少飛灰排放量，有機(jī)物分解為簡單的氣體分子形成CO和H2，通過用PSA或膜分離后作燃料或化工原料使用，實(shí)現(xiàn)生活垃圾處理的無害化和資源化處理，在碳達(dá)峰碳中和背景下，伴隨著我國低碳清潔能源大規(guī)模應(yīng)用需求，生活垃圾處理制氫經(jīng)濟(jì)環(huán)保效益顯著。

某工程公司承接的400t/d城市垃圾制氫工程項目采用高環(huán)保超高溫垃圾轉(zhuǎn)化熱解制氫技術(shù)，這個技術(shù)是在純氧下燃燒，實(shí)現(xiàn)垃圾在1600℃以上的高溫下燃燒，相比傳統(tǒng)垃圾焚燒，發(fā)電廠在800℃左右的燃燒更徹底，幾乎所有的有機(jī)物都已分解完全沒有飛灰。在合理的原材料價格和電價的前提下，煤制氫約11元/kg，天然氣和甲醇制氫約18元/kg，形成規(guī)模效應(yīng)后，垃圾熱解氣化制氫的成本有望降到20元/kg以下，與天然氣等化石能源制氫技術(shù)成本相當(dāng)，由此可見城市生活垃圾熱解氣化制氫技術(shù)很有應(yīng)用潛力。較化石能源制氫相比，每1tH2減少的CO2排放量約為30t，環(huán)保效益顯著。

目前在德國、日本、美國等國家，生活垃圾熱解氣化技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)從中溫氣化發(fā)展到了環(huán)保性更好的高溫氣化，國內(nèi)目前處于起步階段，高效的垃圾焚燒制氫工藝技術(shù)及焚燒設(shè)備的開發(fā)設(shè)計，有望為城市生活垃圾處理開拓一條新的路徑，也將成為垃圾綜合治理的關(guān)鍵核心技術(shù)之一。

在全球“碳達(dá)峰碳中和”目標(biāo)的影響下，實(shí)現(xiàn)低碳能源轉(zhuǎn)型和現(xiàn)代能源體系重構(gòu)是實(shí)現(xiàn)此目標(biāo)的重要保證，新能源技術(shù)是應(yīng)對全球氣候變化、推動后疫情時代全球經(jīng)濟(jì)“綠色復(fù)蘇”的必然選擇。面對全球越來越嚴(yán)格的碳減排和環(huán)保要求，光伏風(fēng)力發(fā)電及制氫、CO2加氫制備甲醇和乙醇、城市生活垃圾制氫技術(shù)，其經(jīng)濟(jì)和環(huán)保效益顯著，在碳中和方面必將得到大力發(fā)展和應(yīng)用。

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