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减排降碳多管齐下探新路 新技术助能源更清洁更低碳

2021-09-27 08:02 来源: 人民日报
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减排降碳多管齐下探新路
新技术助力能源更清洁更低碳

碳中和,是指人类活动排放的二氧化碳被人为作用和自然过程所吸收。研究显示,当前全球每年排放约400亿吨二氧化碳,其中14%来自土地利用,86%源于化石燃料利用。这意味着,实现碳中和,必须变革以化石能源为主导的能源体系,构建以风、光、水、核等为主体的非碳能源新结构。

碳中和硬约束下,并非摒弃化石能源。为降低化石能源使用过程中的碳排放,科研人员正在探索清洁化利用技术。同时,在交通、工业等领域,研究用氢能、电能等替代化石能源,多管齐下,支撑减排降碳。

化石能源清洁利用

既获得化学品,又尽量少排放二氧化碳

据统计,我国一次能源消费中,非碳能源只占15%,另外85%主要是煤、油、气。其中,煤炭在一次能源消费中占比接近60%。

近年来,煤炭占我国一次能源消费的比重持续下降,但未来一段时间内,煤炭在能源结构中依旧重要。在此情况下,有必要研究煤炭清洁利用,减少二氧化碳排放,煤化工被认为是一条路径。

中科院院士、中国科技大学校长包信和介绍,现阶段,我国煤炭有两种主流利用方式,一是大量作为能源,直接燃烧发电;二是作为原料,通过煤化工等手段,制备化学品。我国对化学品需求量很大,又不可能像国外一样,完全依赖石油化工来生产,因此,利用煤炭转化制备化学品比较现实、可靠。

以煤为原料制备化学品,离不开碳、氢、氧三个元素的反应变换。因此,煤的结构及反应过程,决定其燃烧一定会产生二氧化碳。据测算,燃烧1吨煤大约排放3吨二氧化碳,且煤化工项目往往又是用水大户,煤气化、合成及后续产品纯化、分离等环节,均离不开水。

有没有一种方法,既能实现煤转化的目的,又不用排放大量二氧化碳?朝着这个方向,科学家正在探索新的化学反应方式。

包信和解释,石油化工通过催化、蒸馏、裂解等方式,把大分子变成小分子,从而得到烯烃、芳烃等产品。这一过程就不需要很多水,也不会过多排放二氧化碳,即可将油分子“吃干榨净”。从分子式结构来看,煤和油的差别不大,区别主要在反应过程。如果能换一种方式实现煤转化,即将煤中的大分子像石油炼制一样直接“剪开”,也可以在少用水、少排放碳的同时,拿到所需的产品。

化石能源对一个国家来说,是珍贵的资源,但直接燃烧,二氧化碳的排放量比较大。科学家正在努力,把化石能源更多当原材料来利用,从而加工成产品。

比如,“吃干榨净”石油,科研人员创新了比较精准的炼油方法,一些“分子炼油”技术大大提高了石油资源的利用效率。有专家设想,未来80%的原油可以变成烯烃、芳烃,进而生产合成塑料、橡胶、纤维等材料,作为工业生产化学原料,减少石油的直接燃烧。

推动氢能规模应用

研究高效、便利、低成本获取“绿氢”的途径

“精准剪接”煤分子,完成煤炭清洁利用,实现这一构想离不开先进、高效的催化剂,同时还要摒弃传统的氧助气化过程,有“绿氢”的帮助才能做到。

氢气在自然界不存在,需要人工获取,还要储存、转换和应用。所谓“绿氢”,是指通过风能、光能等可再生能源发电,再用清洁的电力分解水制备出的氢气。这被认为是未来获取氢能的主要方式。但电解水制氢的成本比较高,全球每年消耗的5000万吨左右氢气中,仅有4%来自电解水,而且所用电能也非全部来自可再生能源。大多数氢气来自化石能源,其中又以煤制氢价格最便宜。但以煤制氢,又免不了排放二氧化碳。

科研人员正在开发高效、便利、低成本获取“绿氢”的途径。比如,发展大规模、低能耗、高稳定性的电解水制氢新技术,通过材料和过程的创新降低能耗和成本等。专家认为,如果人们能够比较经济地获得“绿氢”,未来就能形成一条比较完善的氢能产业链,推动氢能在各个行业的应用,最终甚至会形成一套独立于石油天然气和电力的新体系。

氢气的价值远不止助力煤炭清洁利用。包信和认为,氢能利用效率高、无污染,还能与多种能源耦合,可以说是实现碳中和目标的关键。当今能源体系是由化石能源产生电力、液体燃料,再到达最终用户。在未来能源构架中,氢能将与电力一起居于核心位置,为终端用户供能。

在能量释放效率上,氢燃料电池技术比内燃机更高,氢气有潜力取代汽油,在交通领域有广阔的应用前景。又如,传统的炼钢方式,主要通过焦炭燃烧提供还原反应所需要的热量,并产生还原剂一氧化碳,将铁矿石还原得到铁,再把铁炼成钢,整个过程会产生大量的二氧化碳;氢能炼钢则利用氢气替代一氧化碳做还原剂,其还原产物为水,从而极大降低炼钢的二氧化碳排放。“以氢代煤”有望引领钢铁行业绿色转型。

氢能要想大规模使用,除了需降低制备成本外,储存和输运也是必须克服的难题。针对这一痛点,我国科研人员探索“液态阳光甲醇”技术路线,即将“绿氢”与二氧化碳结合制成液态甲醇。将太阳能等可再生能源储存在甲醇中,提供了一条可再生能源储存和输运的新模式。这样不仅可以解决氢气储运问题,还能中和二氧化碳。此外,甲醇使用后分解得到的二氧化碳和水,又是下一轮循环的载体。

中科院院士、中国科学院大连化学物理研究所太阳能研究部部长李灿介绍,经过多年攻关,我国完成了全球首套直接利用太阳能“液态阳光甲醇”合成技术的规模化示范工程,正在推广10万吨级“液态阳光甲醇”合成技术的工业化应用。

支撑可再生能源并网

探索大容量、安全、稳定的储能技术

我国太阳能资源十分丰富。据专家测算,在我国有条件的农村屋顶都装上光伏,初步估计将有20亿千瓦的安装容量。这意味着一年能发电3万亿千瓦时,占到未来全国总电力需求的20%左右。

实现碳中和,必须构建以风、光、水等为主体的非碳能源新结构。然而,风、光等为代表的可再生能源,有发电波动性和间歇性等短板,如果规模化并网,会影响电网稳定运行。为支撑大规模并网,可再生能源必须与有效的储能结合起来。作为能源存储转换的关键,储能系统能够提高多元能源系统的安全性、灵活性和可调性。

专家介绍,在电源侧,储能技术可联合火电机组调峰调频、平抑新能源出力波动;在电网侧,储能技术可支撑电网调峰调频,在系统发生故障或异常时,保障电网运行安全;在用户侧,储能技术可实现用户冷热电气等方面综合供应。

目前,大规模储能技术也存在一些缺陷。除了成本比较高之外,安全也是储能产业的瓶颈。针对这些痛点,科技界和产业界正在探索大容量、安全、稳定的储能技术。比如,在储能材料上,朝着低成本、高储能密度、高循环稳定性、长周期存储的方向发展;在储能装置上,正从关注单体设备效率、成本,转向满足差异性需求的高品质供能、储用协调方向。

业内专家表示,近年来,各种新型储能技术不断有突破,且尝试了一些场景实现示范应用,包括氢储能技术、电磁储能和飞轮储能等等。储能技术路线不同,适合的场景也不一样,未来还需进一步研究,综合考虑技术成熟度与场景匹配度。

中国工程院院士杜祥琬表示,从碳达峰走向碳中和,发达国家一般要用45年至70年,我国仅预留了30年时间,困难更大,富有挑战性,但也是一个发展的机遇。

“‘碳中和’将是一次经济社会的大转型,是一场涉及广泛领域的大变革,谁在技术上走在前面,谁将在未来国际竞争中取得优势。”中科院院士丁仲礼表示,我国需要积极研究与谋划,谋定而动,系统布局,力争以技术上的先进性获得产业上的主导权。(记者 喻思南 吴月辉)

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