碳中和期刊

兰生幽荣

2小时前发布

欢迎来到《能源前沿报告》。这一讲我带你关注一个重要的技术突破，就是二氧化碳加氢制汽油。这项技术关注度很高，主要是因为2022年3月，第一个二氧化碳加氢制汽油的中试装置试产成功。意思就是，它已经从实验室走出来，进入生产试验阶段。它生产出来的汽油符合国六标准，也就是说，我们的汽车能直接加着使用。早在2017年，这项研究成果就发表在了顶级学术期刊《自然-通讯》杂志上，发明者是我们国家的中国科学院大连化学物理研究所。从论文到实验生产走了长达5年，这项技术之所以能从实验室走出来，主要突破在于，它提高了汽油的生成率。我们知道，天然汽油提炼自石油，石油是含碳的有机物，是地球上的动植物吸收二氧化碳后，经过亿万年的地壳运动形成的。如果我们想人工合成汽油，理论上，把二氧化碳和氢反应一下就能实现。此前有不少人做过这方面的研究。但是，二氧化碳和氢反应后，非常容易生成小分子的有机物，例如甲烷，而汽油这种分子较大的有机物，生成率并不高。研究这项技术的科学家们，设计出了一种多功能复合催化剂。在它的作用下，二氧化碳和氢气反应后生成的有机物中，汽油的比例能达到85%以上。要知道，以前的技术普遍超不过50%。汽油生成率高了，商业化才有可能。现在，这一套设备一年生产的汽油有1000吨，要知道，我国汽油的消费量可是在亿吨级别，相比之下，只是九牛一毛。那为什么这项技术产油不多，还这么值得关注呢？这就是我要带你看的重点。这项技术真正令人兴奋的地方，不在于产油，而是它能帮助风光发电解决存储难题。这是怎么一回事呢？下面我就来讲讲。我们都知道，光电、风电清洁环保，但发电量非常不稳定。为了保障电力供应，电网对入网的电力要求稳定在一定范围，发电一旦出现不连续、不稳定的情况，光电、风电可能就入不了电网。为了解决这个问题，风光电站会配套储能装置，可以把入不了网的风光电暂时存储起来，等需要的时候再释放出来，起到调峰作用。我们讲到过，以前我国调峰主要靠抽水蓄能和煤电，现在有了新型储能，比如电池储能。其实，抽水蓄能一个很大的限制就是受地理条件限制，我国大型风光电站多是在西部地区，水资源少，很难能用上。而电池储能也有局限，就是电池原材料，比如主流的锂、镍、钴等生产原料，价格并不便宜，在地球上的储量也有限。如果大规模发展电池储能，未来还会面临来自供应链方面的风险。比如在2021年，锂电池的原料碳酸锂，价格就暴涨了近10倍，一些电池储能项目的建设被迫延迟。加上之前讲到的储能市场机制不完善等问题，我国风光电的储能装机量普遍偏低，这是新能源产业要努力攻克的难题。除了在市场机制上要让储能有自己的盈利模式，寻找新的储能方案也很重要。这次二氧化碳加氢制汽油的重大突破，就为储能提供了一种新方案。因为，制汽油的重要原料——氢气，是一种很好的储能介质。我们知道，氢气能通过电解水生成。这个过程就把风光电的能量，转换成氢气中的化学能。现在制氢的技术已经相对成熟。根据我了解到的情况，国内主流的电解水制氢技术，转化效率能达到70%到90%，还是很高的。并且，每千克氢气存储的能量，相当于33度电。它储存的电，要比同样质量的锂电池高出上百倍。这也是为什么氢能这几年特别火的原因。研究二氧化碳加氢制汽油的科学家也说过，这项技术用到的氢气，主要会用弃风、弃光的电，进行电解水制成的氢气。这就能把弃风、弃光电给利用起来。那么，有了氢气后，还有一个问题，就是氢的储存是一个公认难题。因为氢在常温下是气体，密度小，想存储就必须加压，加上氢气又易燃。所以，装氢气的储罐，要有非常强的抗高压性和密封性。这种储罐生产成本很高，运输起来风险也很大。储氢罐压力要达到70MPa（兆帕），内外的压力差相当于一头九吨重的大象踩在一个乒乓球上，一旦爆炸后果不堪设想。另一种方式是把氢气变为液体，怎么做呢？要把温度降低到零下253℃，氢才能变成液体，条件十分苛刻。除此以外，固体储氢也是一种方式。就是用金属材料吸附氢气，有点像活性炭吸附有毒气体。但固体储氢的程序复杂，成本也很高。那有没有更简便、更安全的储氢方式呢？有，就是我们前面说的，把氢气变成汽油。通过氢气和二氧化碳反应生成汽油，汽油使用起来就很方便，存储上不需要超高压和超低温，成本还比储氢低很多，运输过程也更安全。而且汽油省去了建储氢装置存放的环节，也不需要昂贵的运氢车辆去运输。如果你的工作和制氢有关，你可能会有疑问，把氢转换为汽油是更方便了，但要经历电解水制氢，再把氢和二氧化碳制成汽油，这两次转换，能量损耗会很多。那这个储能技术到底划不划算，值不值得投入呢？我们知道，任何能量在转化过程中都有损耗，这是不可避免的。就拿燃油汽车的发动机来说，经过这么多年的发展，它将化学能转化成机械能的效率，最高也只有40%左右，通常只有35%，但这并没有影响燃油汽车的普及。而这次二氧化碳加氢制汽油的技术突破，把汽油生成率从之前的50%提高到85%，其实已经实现了很大的能效提高，作为新技术，未来它的进步空间还很大。除了看转化效率之外，我们还要看储能物质的能量密度。能量密度越高，则意味着在一定的质量或体积范围内，储能物质能存储的能量更多，我们用起来效率就更高。比起锂电池，汽油的能量密度是更高的，能达到40倍以上。即使把使用时的能量折损也算上，也要比电池高。也就是说，同样是30升体积的汽油和锂电池，前者可让汽车跑300公里，后者只有60公里。所以，即使二氧化碳加氢制汽油会产生损耗，但它相比电池能存储更多的能量。这是储能技术的一大突破。好，讲到这里，关心碳中和的人可能会想到，这项技术生成的是汽油，燃烧肯定会有碳排放，并不符合碳中和大战略啊？不用担心，生成的汽油其实已经不属于传统燃料了。讲这个问题之前，我要先明确一点，我们常规用的汽油在燃烧后排放的二氧化碳，实际上是来自于地下的石油，也就是把地下的二氧化碳激活了。但二氧化碳加氢制汽油的原料，可以是大气中的二氧化碳，即使燃烧之后有碳排放，也只是把原来空气中的碳再排回来。也就是说，二氧化碳加氢制成的汽油是一种能量转化介质。它的能量来自天然的风能、光能。用这种技术制成的液体燃料，除了汽油之外，还可以是甲醇、乙醇等，都是符合低碳目标的。所以，有的科学家会把这类液态有机燃料，称为“液体阳光”。可以想象一下，未来你开的燃油车加的汽油，可能就是绿色的有机燃料。不管你现在是做储能的，还是做风光电站的，甚至化石能源的，都应该关注这个技术。因为它正处于应用转化阶段，需要风光电站去制氢，也需要有人去做碳捕集，把空气中的二氧化碳提取、存储下来，还需要有人投资去建制油厂。这中间会创造很多市场需求，谁能更早发现这些需求，谁就能越早把握机遇。我们可以想象一下，以前氢利用效率不高，电解水制氢赚不到钱，但是现在氢成为汽油的原料了，这个赛道就值得关注了。而且，这还是一个产业链联动效应。举个例子，比如中国石化就在2021年，在新疆库车投建了一个太阳能发电制绿氢的项目。因为附近的塔河炼化公司需要氢气。以前这家公司用的氢气是灰氢，就是从化石能源提炼出来的氢气。但是，现在这家公司要发展低碳转型，需要绿氢。正是这个需求，中国石化才有了这个项目。所以，氢气能变汽油了，用风光电制氢也就有了新的应用场景。这样一来，风光电的存储难题也就顺带解决了。好，这一讲结束了。我总结一下，二氧化碳加氢制汽油技术，除了解决氢在储存、成本、运输上的问题，在能量密度、普及可行性上也有优势。二氧化碳加氢制成的汽油作为储能介质，是名副其实的“液体阳光”。这项技术在未来商业化过程中会涌现很多机遇，值得我们关注。最后，给你留个问题，你觉得随着二氧化碳加氢制汽油技术的推广，会催生出哪些商机呢？