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      新技術助力能源更清潔更低碳

      http://www.socialmobiledevices.com   更新時間: 2021-09-27 09:49:09   人民日報

        碳中和,是指人類活動排放的二氧化碳被人為作用和自然過程所吸收。研究顯示,當前全球每年排放約400億噸二氧化碳,其中14%來自土地利用,86%源于化石燃料利用。這意味著,實現碳中和,必須變革以化石能源為主導的能源體系,構建以風、光、水、核等為主體的非碳能源新結構。

        碳中和硬約束下,并非摒棄化石能源。為降低化石能源使用過程中的碳排放,科研人員正在探索清潔化利用技術。同時,在交通、工業等領域,研究用氫能、電能等替代化石能源,多管齊下,支撐減排降碳。

        化石能源清潔利用

        既獲得化學品,又盡量少排放二氧化碳

        據統計,我國一次能源消費中,非碳能源只占15%,另外85%主要是煤、油、氣。其中,煤炭在一次能源消費中占比接近60%。

        近年來,煤炭占我國一次能源消費的比重持續下降,但未來一段時間內,煤炭在能源結構中依舊重要。在此情況下,有必要研究煤炭清潔利用,減少二氧化碳排放,煤化工被認為是一條路徑。

        中科院院士、中國科技大學校長包信和介紹,現階段,我國煤炭有兩種主流利用方式,一是大量作為能源,直接燃燒發電;二是作為原料,通過煤化工等手段,制備化學品。我國對化學品需求量很大,又不可能像國外一樣,完全依賴石油化工來生產,因此,利用煤炭轉化制備化學品比較現實、可靠。

        以煤為原料制備化學品,離不開碳、氫、氧三個元素的反應變換。因此,煤的結構及反應過程,決定其燃燒一定會產生二氧化碳。據測算,燃燒1噸煤大約排放3噸二氧化碳,且煤化工項目往往又是用水大戶,煤氣化、合成及后續產品純化、分離等環節,均離不開水。

        有沒有一種方法,既能實現煤轉化的目的,又不用排放大量二氧化碳?朝著這個方向,科學家正在探索新的化學反應方式。


        包信和解釋,石油化工通過催化、蒸餾、裂解等方式,把大分子變成小分子,從而得到烯烴、芳烴等產品。這一過程就不需要很多水,也不會過多排放二氧化碳,即可將油分子“吃干榨凈”。從分子式結構來看,煤和油的差別不大,區別主要在反應過程。如果能換一種方式實現煤轉化,即將煤中的大分子像石油煉制一樣直接“剪開”,也可以在少用水、少排放碳的同時,拿到所需的產品。

        化石能源對一個國家來說,是珍貴的資源,但直接燃燒,二氧化碳的排放量比較大??茖W家正在努力,把化石能源更多當原材料來利用,從而加工成產品。

        比如,“吃干榨凈”石油,科研人員創新了比較精準的煉油方法,一些“分子煉油”技術大大提高了石油資源的利用效率。有專家設想,未來80%的原油可以變成烯烴、芳烴,進而生產合成塑料、橡膠、纖維等材料,作為工業生產化學原料,減少石油的直接燃燒。

        推動氫能規模應用

        研究高效、便利、低成本獲取“綠氫”的途徑

        “精準剪接”煤分子,完成煤炭清潔利用,實現這一構想離不開先進、高效的催化劑,同時還要摒棄傳統的氧助氣化過程,有“綠氫”的幫助才能做到。

        氫氣在自然界不存在,需要人工獲取,還要儲存、轉換和應用。所謂“綠氫”,是指通過風能、光能等可再生能源發電,再用清潔的電力分解水制備出的氫氣。這被認為是未來獲取氫能的主要方式。但電解水制氫的成本比較高,全球每年消耗的5000萬噸左右氫氣中,僅有4%來自電解水,而且所用電能也非全部來自可再生能源。大多數氫氣來自化石能源,其中又以煤制氫價格最便宜。但以煤制氫,又免不了排放二氧化碳。

        科研人員正在開發高效、便利、低成本獲取“綠氫”的途徑。比如,發展大規模、低能耗、高穩定性的電解水制氫新技術,通過材料和過程的創新降低能耗和成本等。專家認為,如果人們能夠比較經濟地獲得“綠氫”,未來就能形成一條比較完善的氫能產業鏈,推動氫能在各個行業的應用,最終甚至會形成一套獨立于石油天然氣和電力的新體系。

        氫氣的價值遠不止助力煤炭清潔利用。包信和認為,氫能利用效率高、無污染,還能與多種能源耦合,可以說是實現碳中和目標的關鍵。當今能源體系是由化石能源產生電力、液體燃料,再到達最終用戶。在未來能源構架中,氫能將與電力一起居于核心位置,為終端用戶供能。

        在能量釋放效率上,氫燃料電池技術比內燃機更高,氫氣有潛力取代汽油,在交通領域有廣闊的應用前景。又如,傳統的煉鋼方式,主要通過焦炭燃燒提供還原反應所需要的熱量,并產生還原劑一氧化碳,將鐵礦石還原得到鐵,再把鐵煉成鋼,整個過程會產生大量的二氧化碳;氫能煉鋼則利用氫氣替代一氧化碳做還原劑,其還原產物為水,從而極大降低煉鋼的二氧化碳排放?!耙詺浯骸庇型I鋼鐵行業綠色轉型。

        氫能要想大規模使用,除了需降低制備成本外,儲存和輸運也是必須克服的難題。針對這一痛點,我國科研人員探索“液態陽光甲醇”技術路線,即將“綠氫”與二氧化碳結合制成液態甲醇。將太陽能等可再生能源儲存在甲醇中,提供了一條可再生能源儲存和輸運的新模式。這樣不僅可以解決氫氣儲運問題,還能中和二氧化碳。此外,甲醇使用后分解得到的二氧化碳和水,又是下一輪循環的載體。

        中科院院士、中國科學院大連化學物理研究所太陽能研究部部長李燦介紹,經過多年攻關,我國完成了全球首套直接利用太陽能“液態陽光甲醇”合成技術的規?;痉豆こ?,正在推廣10萬噸級“液態陽光甲醇”合成技術的工業化應用。

        支撐可再生能源并網

        探索大容量、安全、穩定的儲能技術

        我國太陽能資源十分豐富。據專家測算,在我國有條件的農村屋頂都裝上光伏,初步估計將有20億千瓦的安裝容量。這意味著一年能發電3萬億千瓦時,占到未來全國總電力需求的20%左右。

        實現碳中和,必須構建以風、光、水等為主體的非碳能源新結構。然而,風、光等為代表的可再生能源,有發電波動性和間歇性等短板,如果規?;⒕W,會影響電網穩定運行。為支撐大規模并網,可再生能源必須與有效的儲能結合起來。作為能源存儲轉換的關鍵,儲能系統能夠提高多元能源系統的安全性、靈活性和可調性。

        專家介紹,在電源側,儲能技術可聯合火電機組調峰調頻、平抑新能源出力波動;在電網側,儲能技術可支撐電網調峰調頻,在系統發生故障或異常時,保障電網運行安全;在用戶側,儲能技術可實現用戶冷熱電氣等方面綜合供應。

        目前,大規模儲能技術也存在一些缺陷。除了成本比較高之外,安全也是儲能產業的瓶頸。針對這些痛點,科技界和產業界正在探索大容量、安全、穩定的儲能技術。比如,在儲能材料上,朝著低成本、高儲能密度、高循環穩定性、長周期存儲的方向發展;在儲能裝置上,正從關注單體設備效率、成本,轉向滿足差異性需求的高品質供能、儲用協調方向。

        業內專家表示,近年來,各種新型儲能技術不斷有突破,且嘗試了一些場景實現示范應用,包括氫儲能技術、電磁儲能和飛輪儲能等等。儲能技術路線不同,適合的場景也不一樣,未來還需進一步研究,綜合考慮技術成熟度與場景匹配度。

        中國工程院院士杜祥琬表示,從碳達峰走向碳中和,發達國家一般要用45年至70年,我國僅預留了30年時間,困難更大,富有挑戰性,但也是一個發展的機遇。

        “‘碳中和’將是一次經濟社會的大轉型,是一場涉及廣泛領域的大變革,誰在技術上走在前面,誰將在未來國際競爭中取得優勢?!敝锌圃涸菏慷≈俣Y表示,我國需要積極研究與謀劃,謀定而動,系統布局,力爭以技術上的先進性獲得產業上的主導權。


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      文章關鍵詞: 碳中和能源
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