9月，中國能源研究會攜常州市政府主辦的“碳達峰碳中和國際論壇（2024）暨國際新能源博覽會”在常州璀璨啟幕。

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圖片來源：央視網

實現“3060雙碳”目標，能源領域是主戰場。煤電作為我國電力供應的主體，未來較長一段時期內不會改變，但煤電會排放大量二氧化碳。充分利用風能、太陽能等新能源是電力低碳轉型的一條重要路徑。然而，這些新能源有著不容忽視的“Bug”存在。

01 清潔能源有“Bug”？

風能、太陽能等能綠色能源雖然具有清潔、低碳的優點，但是轉化為電能后與煤電一樣，也具有不可大規模存儲的缺點，需要進一步轉化為其他化學能或勢能、機械能。

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太陽能電池面板（圖庫版權圖片，轉載使用可能引發版權糾紛）

為了解決這一問題，科學家提出了將氫氣轉化為氨、甲醇的想法——將綠電電解水產生的氫氣與空氣中的氮氣或火電廠產生的二氧化碳按比例混合，加壓壓縮后在催化條件下反應生成氨或甲醇。

氨和甲醇中氫含量高，性質穩定、易儲運，是重要的化工產品和燃料，加熱裂解后可迅速脫氫，是良好的儲氫載體。

這便是“電-氫-碳耦合”的原理，即利用風能太陽能等發的電與電解水產生的氫氣，以及火電廠排放的二氧化碳通過跨界耦合與物料重整，生成化學性質穩定、易儲運的氨和甲醇，以實現風能太陽能-電能-氫能的能量儲運閉合鏈條。

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風力發電機（圖庫版權圖片，轉載使用可能引發版權糾紛）

02 第一步：電解水制氫

電解水制氫技術主要包括3條路徑：堿性電解水制氫、質子交換膜電解水制氫、固體氧化物電解水制氫。實際路線中，堿性電解水制氫占比近60%，質子交換膜電解水制氫占比為30%。

（1）堿性電解水制氫

?轉化效率：堿性電解水制氫的轉化效率在70%~80%，每標方氫氣耗電約5 kWh[1]

?優點：20世紀中期就實現了工業化，商業成熟度高，運行時間長。

?缺點：使用強堿做電解質具有腐蝕性，電解槽使用的石棉隔膜也具有一定的環境危害性。研究發現，目前技術條件下，只有當新能源電價降低至0.1元/kWh時，電解水制氫才具有優勢[2]。因此，能效水平低且能耗水平較高仍是其發展需要解決的問題。

（2）質子交換膜電解水制氫

?轉化效率：質子交換膜電解水制氫的轉化效率在75%~85%，每標方氫氣耗電約4.5-5.5 kWh。

?優點：使用純水作為原料，具有電流密度大、氫氣純度高、響應速度快、電解槽體積小、運行靈活、可快速變載，與風電、光伏適配性強等優點

?缺點：需要使用貴金屬（鉑、銥）催化和特殊膜材料，成本約為相同規模堿性電解槽的3-5倍[1]。

（3）高溫固體氧化物電解水制氫

使用固態陶瓷作為電解質，在500~1000 ℃的高溫下反應，理論可以達到或接近100%的轉換效率，催化劑也不依賴于貴重金屬，但目前還處于技術示范和系統測試階段。

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03 第二步：

（1）綠氫+氮氣→綠氨

綠氫和氮氣在高溫高壓催化劑作用下合成為綠氨的工藝主要為氫氣氮氣壓縮、氨合成及冷凝分離、氨壓縮冷凍。

理論上，0.18噸氫氣可出生產1噸氨，制備綠氨的成本中電費和設備投資成本占比較大，需在10-15 MPa、350 ~ 500℃條件下，常用催化劑為鐵系或釕[1]。因此，目前綠氫制綠氨的主要難題是如何開發出更安全經濟高效的綠氫制氨工藝，進一步提升系統靈活性與綜合轉換效率。

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綠色氫氣生產（圖庫版權圖片，轉載使用可能引發版權糾紛）

（2）綠氫+二氧化碳→甲醇

綠氫耦合二氧化碳制甲醇的步驟為氫氣制備、二氧化碳捕集、甲醇合成和精餾。反應過程為高溫高壓條件下，二氧化碳和氫氣在催化劑作用下生成甲醇和水。

反應的難點就是催化劑的選擇，目前使用的催化劑主要是銅基催化劑、鈀基催化劑、銦基催化劑和氧化物固溶體催化劑。其中銅基催化劑因其制備簡便、原料經濟，已實現工業化廣泛應用。未來二氧化碳加氫制甲醇，需要解決的技術難題是開發出高活性、高選擇性、高穩定性的催化劑。

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氫氣廠（圖庫版權圖片，轉載使用可能引發版權糾紛）

04我國的技術突破

目前，我國堿性電解水制氫的一些關鍵設備主要性能指標均接近于國際先進水平，單槽電解制氫量大，非常適用于電網電解制氫。

合成氨方面，國內大型合成氨工業中基本處于國際先進水平，合成氨技術已進入3.0時代，如中科院大連化物所首次將配位氫化物材料應用于催化合成氨反應中，開發了一類新型堿（土）金屬釕基三元氫化物催化劑，實現了溫和條件下氨的催化合成，達到國際領先水平[3]。

合成甲醇方面，中國科學院上海高等研究院和海洋石油富島公司完成了5000噸/年的二氧化碳加氫制甲醇示范裝置；中國科學院大連化學物理研究在蘭州新區綠色化工院建成千噸級液態太陽燃料合成示范工程；西南化工研究設計院有限公司與魯西化工集團公司研發了5000噸/年的二氧化碳加氫制甲醇生產試驗中試裝置，二氧化碳轉化率和甲醇選擇性達到同類技術先進水平，通過熱耦合工藝甲醇單位能耗大幅降低[4]。

05 未來展望

2024年7月，在中國科協發布的2024中國十大前沿科學問題中，就提到了以電-氫-碳耦合方式協同推進新能源大規模開發與煤電綠色轉型。

電-氫-碳耦合技術工藝，實現了可再生能源的大規模利用和氫能的長距離運輸和存儲以及煤電廠二氧化碳資源化利用，在助推煤電綠色低碳轉型的同時，合成了綠氨、綠色甲醇等可再生綠色原料與燃料，具有重要的環保和生態價值以及一定的經濟效益。

未來，隨著科技的持續進步，光伏板、電解水槽等關鍵設備成本的降低，催化劑性能的大幅提升，電-氫-碳跨界耦合的成本將不斷降級，技術的產業鏈集成效應和規模效應將持續顯現，耦合產業鏈也將繼續延伸，更多的綠色產品和綠色能源將會涌現出來！

作者：劉漢斌 山西省煤炭地質局 高級工程師

審核：黃偉 太原理工大學煤化工研究所教授、博士生導師

出品：科普中國

參考文獻：

[1] 林光平,劉兆川,聶立,等. 煤與可再生能源深度耦合的典型零碳綜合能源系統構建 [J]. 潔凈煤技術, 2022, 28 (11): 90-104.

[2] 李彬，潘雨情,文華杰,等. 基于碳減排的氫電資源耦合發展現狀及展望 [J]. 供用電, 2023, 40 (10): 106-113.

[3] 卜葉. 中外團隊開發新型催化劑實現“綠色”合成氨[N]中國科學報. 2021-11-30第1版.

[4] 彭生江,楊淑霞. 基于系統動力學的風氫煤耦合系統容量優化配置模型構建及驗證分析 [J]. 科技管理研究, 2023, 43 (16): 203-214.

來源: 科普中國

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