如何實(shí)現(xiàn)能源低碳？我總結(jié)為三步：第一，化石能源的高效、清潔轉(zhuǎn)化，輔之以節(jié)能。通過綠色發(fā)展，小幅減排二氧化碳，但這并不能根本上解決碳排放的問題；第二，化石能源與可再生能源優(yōu)化互補(bǔ)。不能一次性完全切斷化石能源，而是一步步與可再生能源互補(bǔ)優(yōu)化，大幅減排二氧化碳；第三，完全使用可再生能源，實(shí)現(xiàn)綠色、零碳排放，從根本上解決問題。這其中存在兩個(gè)技術(shù)層面的問題：可再生能源儲(chǔ)能和轉(zhuǎn)化問題、液體燃料合成問題。
越來越受到國際重視
太陽燃料的實(shí)質(zhì)就是利用太陽能等可再生能源將水和二氧化碳轉(zhuǎn)化為甲醇燃料，我們也稱其為液體陽光。這一思路現(xiàn)在越來越受到國際上的重視，我國也有很多科學(xué)家和企業(yè)致力于這方面的研究。
其實(shí)，從廣義上講，風(fēng)能、水能、生物質(zhì)能等很多可再生能源形式本質(zhì)上都是太陽能。太陽能清潔、豐富、可再生而且潛力巨大，照到地球表面1-3小時(shí)的太陽能可滿足全球一年的能源需求。問題就在于我們能不能將其轉(zhuǎn)換成我們可用的太陽燃料。
生產(chǎn)太陽燃料的關(guān)鍵技術(shù)就是將水分解成氫氣（氫能）和氧氣，氫氣再和二氧化碳反應(yīng)就可以產(chǎn)生甲醇和水，這就是我們所說的液體燃料。
提到甲醇，目前有多種制備方式。但就甲醇合成過程中的碳排放來看，煤炭合成甲醇過程中的碳排放量最高，石油會(huì)低一些，天然氣更低。如果用煤和可再生能源共同制備，可以將碳排放進(jìn)一步降低。如果通過太陽燃料的制備方式合成甲醇則可以實(shí)現(xiàn)零碳排放。 但目前煤制甲醇的成本最低，石油制備的成本比較高，太陽燃料制甲醇的成本則處在中間狀態(tài)。從生態(tài)效應(yīng)考慮，煤制甲醇最糟糕，石油次之，而太陽燃料的方式最理想。
目前，甲醇燃料越來越受到政府層面和企業(yè)的關(guān)注。今年3月，8部委發(fā)布的指導(dǎo)意見對(duì)甲醇燃料的發(fā)展具有重要意義。我國的甲醇制備原料來源廣泛，煤炭、石油、天然氣、生物質(zhì)都可合成甲醇，但由于我國相對(duì)富煤，所以煤制甲醇在中國具有優(yōu)勢(shì)，我們必須認(rèn)識(shí)到煤制甲醇解決了煤燃燒的清潔化問題，但并沒有解決碳排放問題；煤制甲醇可以有效利用低品質(zhì)煤，但沒有從根本上改變依賴化石資源的現(xiàn)狀。那么，凡是利用化石資源生產(chǎn)的甲醇都不是太陽燃料；只有利用太陽燃料，在低碳生態(tài)方面，甲醇燃料才具有優(yōu)勢(shì)。
在太陽燃料合成過程中，有兩個(gè)關(guān)鍵催化技術(shù)，一是高效、廉價(jià)、穩(wěn)定的分解水（光）電催化劑，能量轉(zhuǎn)換效率可達(dá)80%以上，二是廉價(jià)、高選擇性二氧化碳加氫制甲醇催化劑。這兩個(gè)都是我們自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的技術(shù)，也是實(shí)現(xiàn)太陽燃料合成的關(guān)鍵。
2018年7月，我國在西部啟動(dòng)了太陽燃料年千噸級(jí)甲醇工業(yè)化示范，目前已完成前期中試。這是全球范圍內(nèi)第一次直接太陽燃料規(guī)?；铣傻膰L試。
作為一種化學(xué)儲(chǔ)能的形式，它解決了可再生能源間歇性問題和能源使用的隨機(jī)性問題。太陽燃料合成可以將分散的太陽能收集、長期儲(chǔ)存，適應(yīng)隨機(jī)的能源應(yīng)用市場(chǎng)需求。每噸太陽燃料甲醇相當(dāng)于儲(chǔ)存約10000度電，100萬噸甲醇就相當(dāng)于100億度電。
理想的儲(chǔ)氫模式
此外，太陽燃料甲醇也是一個(gè)理想的儲(chǔ)氫模式。太陽燃料CH3OH有助于解決氫燃料電池氫源的制、儲(chǔ)、運(yùn)、加技術(shù)，使燃料電池技術(shù)成為真正意義上的可持續(xù)清潔能源技術(shù)。有了這樣的思路就可以借助太陽燃料建設(shè)液態(tài)陽光加氫站。解決加氫站建設(shè)中氫的儲(chǔ)存、運(yùn)輸安全問題。同時(shí)，氫作為可再生能源，可以實(shí)現(xiàn)燃料電池全流程綠色清潔，減少二氧化碳排放。此外，還可擴(kuò)展為其它化學(xué)儲(chǔ)氫路線（甲苯、氨），并且與加油站、甲醇站等并存，適合社區(qū)和現(xiàn)行加油站，這將是未來加氫站最具優(yōu)勢(shì)的發(fā)展方向。
制備太陽燃料主要依靠可再生能源。長期以來，大家有一個(gè)誤區(qū)——太陽能、風(fēng)能價(jià)格偏高，但事實(shí)上隨著可再生能源的快速發(fā)展，光伏發(fā)電等可再生能源的成本已經(jīng)逐步降低，2018年在沙特大規(guī)模光伏發(fā)電招標(biāo)價(jià)格已經(jīng)降到3美分/度，2019年上半年在巴西光伏發(fā)電國際招標(biāo)不足2美分/度（折合人民幣0.12元/度）。
國網(wǎng)能源研究院發(fā)布的報(bào)告顯示，2010 年，我國非化石能源發(fā)電裝機(jī)約占總裝機(jī)的6% ，2017 年，這一比重已經(jīng)達(dá)到約14%，到2050年將達(dá)到50% 。同時(shí)，我國可再生能源資源豐富，僅棄風(fēng)、棄光和棄水的量就可以和三峽電站的發(fā)電量相當(dāng)，合理利用這部分電就可滿足當(dāng)下中國燃料電池的用氫需求。
此外，我國可再生能源資源分布廣，適宜分布式布局制氫和合成太陽燃料，從而建設(shè)分布式液體陽光加氫站，結(jié)合智能互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)可再生能源制氫的優(yōu)化調(diào)配利用。
可再生能源與煤化工結(jié)合是未來方向
除將太陽能等可再生能源轉(zhuǎn)化為甲醇外，另一種發(fā)展思路是可再生能源與化石資源優(yōu)化互補(bǔ)，即零碳排放煤化工制甲醇，這也是適合煤炭大省山西的一種發(fā)展策略。
低碳或零碳排放是煤化工發(fā)展的最理想境界。如何實(shí)現(xiàn)是長期以來各國關(guān)注的問題。在富煤地區(qū)進(jìn)行新能源革命，必須直面煤和煤化工，做好“低碳能源”意義重大。而發(fā)展零排放煤化工一定離不開太陽能等可再生能源，新舊動(dòng)能互補(bǔ)，可再生能源與煤化工的結(jié)合將是未來的方向；將可再生能源的無碳制氫代替煤化工的煤制氫，則有望實(shí)現(xiàn)零碳排放煤化工。
利用各種可再生能源特別是風(fēng)電和光伏電解水制氫，來替代煤化工制氫，其技術(shù)關(guān)鍵是：可再生能源發(fā)電成本以及電解水效率和成本。近年來，光伏等可再生能源成本顯著降低，光伏發(fā)電成本已經(jīng)逼近煤電成本；同時(shí)，電解水裝置成本大幅下降，規(guī)模化電解水已經(jīng)可行，能量效率也從傳統(tǒng)的50%-60% 提升到80%以上，甚至達(dá)到87%。
在低碳發(fā)展要求日益強(qiáng)烈的今天，到底如何實(shí)現(xiàn)低碳？希望太陽燃料及其與化石燃料優(yōu)化結(jié)合，能夠?yàn)榇蠹姨峁┮粋€(gè)新思路，這也將是實(shí)現(xiàn)低碳能源的主要途徑。
?。?a >原載于《中國能源報(bào)》2019-10-28 第02版）
