利用可再生能源制氢、将二氧化碳加氢转化为绿色甲醇,是实现碳中和目标的重要技术路径。该甲醇由太阳能转化而来,又被形象地称为“液态阳光”。
全球第一个液态阳光技术大规模工业化示范项目——二氧化碳加绿氢制甲醇技术示范项目已于2024年11月在内蒙古鄂尔多斯开工建设,预计2026年9月建成投产。
该项目由中煤集团联合中国科学院大连化学物理研究所启动,总投资约40亿元,投产后预计每年可生产10万吨液态阳光甲醇。
绿色甲醇作为清洁能源潜力巨大
二氧化碳加绿氢制甲醇技术是水泥、钢铁、化工等行业实现碳减排的有力手段,也是二氧化碳资源化利用的典型过程,同时是一种长周期、大规模的储能技术。
首先,随着可再生能源发电装机量的增加,电网的稳定性受到前所未有的挑战,将可再生能源制氢进而合成为甲醇的思路得到了政府和企业的大力支持,被认为是就地消纳的良好途径。
其次,液体燃料甲醇的使用在节约煤炭、石油等不可再生能源的同时,也缓解了能源危机,促进了能源领域的可持续发展。
再次,对于水泥、钢铁等行业的二氧化碳减排,按照目前技术只有依靠碳捕获和封存来实现,而二氧化碳加绿氢制甲醇技术提供了新的资源化利用路径,因此在今后较长一段时间内,可催生水泥-化工联产、钢铁-化工联产等新发展模式。未来,随着生物质碳资源的开发、直接空气捕获二氧化碳技术的进步,以及海运领域等自回收二氧化碳技术的进步,液态阳光甲醇将更具生命力。
数据显示,2024年,我国甲醇表观消费量超过1亿吨/年,但绝大多数来源于煤制甲醇。据预测,若当前甲醇合成全部由液态阳光甲醇替代,则每年可实现3亿吨至4亿吨的二氧化碳减排。
在燃料领域,绿色甲醇正逐渐被视为一种具有巨大潜力的低碳清洁能源。在道路交通领域,绿色甲醇可与汽油混合或直接用于传统内燃机汽车,也可用于混合动力与燃料电池汽车。在海运行业,由于绿色甲醇不含硫分且氮氧化物排放低,它有潜力替代现有的高碳排放船用燃料。在航空业,绿色甲醇通过转化,能够作为可持续的航空燃料,为航空领域提供环保的能源解决方案。
政策方面,2023年12月31日,工业和信息化部等三部门关于印发《加快工业领域清洁低碳氢应用实施方案》的通知,提出“大力发展氢碳耦合制绿色甲醇”;2024年7月15日,国家发展改革委、国家能源局印发的《煤电低碳化改造建设行动方案(2024-2027年)》,提出“二氧化碳加氢制甲醇等化工利用技术”;2024年8月21日,国家能源局印发《关于组织开展绿色液体燃料技术攻关和产业化试点的通知》,提出“以捕集的二氧化碳、可再生能源制氢为原料,通过催化合成生产绿色甲醇”;2024年10月30日,国家发展改革委等六部门印发《关于大力实施可再生能源替代行动的指导意见》,提出“探索建设风光氢氨醇一体化基地”。
液态阳光全流程突破三大关键技术
二氧化碳加绿氢制甲醇技术示范项目主要包括,可再生能源风光发电、电解水制储氢和二氧化碳加绿氢制绿色甲醇(含二氧化碳捕集精制)三个部分,针对液态阳光全流程系统的三个关键技术,开展研究和示范。
一是高效碱性电解水制氢装置的大型化研究与示范。当前,碱性电解水制氢单槽规模约1000 Nm3H2/h,单位制氢能耗约4.7至6.0 kWh/Nm3H2,该项目拟示范全球最领先碱性电解水制氢技术,要求单槽规模不低于1200 Nm3H2/h(其中2台规模达到1500 Nm3H2/h),通过开展低能耗、高稳定性新一代电解水催化剂的研发及电解水系统的优化集成设计,突破制约高效碱性电解水制氢的材料和技术瓶颈,研发了镍基底上原子级分散的过渡金属电解水制氢催化剂,实现单槽千立方/小时以上规模化制氢生产,能量转化效率超过82%,单位制氢能耗降低至4.3 kWh/Nm3H2以内。此外,在光伏制氢或风电制氢中,由于风光发电的间歇性、波动性等特点,常规可再生能源配套电解槽有效制氢小时数约2000小时,经济制氢波动范围约50%至110%,该项目创新性地组合风光发电、电化学储能及制储氢设施,并采用“削峰填谷”策略,使电解槽有效制氢小时数达到5055小时,并通过多台套制氢装置切换运行方式保持制氢装置经济运行范围,极大地提高了电解槽的利用率和稳定性。
二是大规模二氧化碳加绿氢制甲醇关键技术研究与示范。二氧化碳加绿氢制甲醇技术,目前在全球范围内均处于千吨级中试阶段,该项目拟示范全球首套10万吨/年二氧化碳加绿氢制甲醇工业化项目,针对二氧化碳加绿氢制甲醇技术,发明新型锌锆氧化物固溶体催化剂,提高了优异的甲醇选择性和稳定性;开发二氧化碳加绿氢制绿色甲醇成套工艺技术和核心反应器,实现二氧化碳转化率大于98.5%,甲醇选择性大于99.5%,催化剂稳定性超过5000小时。
三是电-氢-醇一体化智能化管控技术研究与示范。从风光资源分析入手,通过具有自主知识产权的多因素综合寻优策略方法实现风光资源、制氢和储氢的合理配置,充分发挥风光互补特性和储氢装置储能能力,在实现低成本供氢的同时提升供氢稳定度至60%-110%,克服风光不稳定性对化工生产的影响。该项目制氢装置的配置容量为平均需求供氢量的1.6倍,利用风光制氢一体化调控平台充分发挥可再生能源发电能力、储氢装置强大的储氢能力、电化学储能设施灵活性运行能力和现有化工装置强大的氢气消纳能力,在制氢装置富余时段,制氢装置可为电网提供调峰辅助服务,为地区可再生能源的上网消纳提供强大的调峰支持。 (作者单位:中国科学院大连化学物理研究所)
