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    液態太陽能燃料合成示范工程基本情況

    來源:院士專家工作站 作者:李春新 時間:2021年10月26日 09時瀏覽 0

    2020年10月15日,由中國科學院大連化學物理研究所、蘭州新區石化產業投資集團有限公司和華陸工程科技有限責任公司聯合開發的千噸級液態太陽燃料合成示范項目(“液態陽光”)成功技術鑒定。該項目發明了兩項先進催化技術,電解水制氫和二氧化碳催化合成綠色甲醇,集成創新了液態太陽燃料合成全流程工藝裝置,具有完全自主知識產權,整體技術處于國際領先。該項目將二氧化碳作為碳資源進行轉化,首次將太陽能規模轉化為液體燃料,提供了高壓輸電之外的太陽能利用新途徑,為我國實現碳中和目標提供了切實可行的全新技術。

    一、項目背景

    (一)項目是降低溫室效應的技術支撐

    研究表面:二氧化碳排放大量排放是造成溫室效應和氣候變化異常的主要因素。2020年,全球排放二氧化碳400億噸,中國約占30%,位居世界第一。2020年9月22日,習近平在第七十五屆聯合國大會一般性辯論上、黨的十九屆五中全會、十四五規劃、2021年全國兩會等多個會議上,強調中國二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值,努力爭取2060年前實現碳中和。如何實現二氧化碳的減排既是一個社會環境問題,更是更多的科學技術問題,本項目就是具體的碳中和技術支撐。

    (二)項目的實施是國家能源安全的技術保障

    2018年以來,我國對外原油對外依存度超過70%,國際形勢的復雜變化對我國能源安全存在較大的風險。同時, 2019年底,全國發電裝機容量20億千瓦,其中可再生能源總裝機容量的40.8%,成為全球可再生能源利用規模最大的國家。如何利用可再生能源以替代化石資源,已成為關系我國能源安全與綠色發展的重要課題,而清潔能源又被認為是后疫情時期世界經濟新的增長點。當前,一方面氫能產業在全世界范圍引起了高度重視,在2020年4月國家能源局公布的能源法征求意見稿中,氫能被正式列為能源范疇,作為低碳和零碳能源被視為極具發展潛力的清潔能源。另一方面,甲醇經濟正悄然興起,甲醇作為一種可代替汽油的液體燃料和基礎化工原料,越來越受到重視。2019年,工信部等八個部委聯合發布了甲醇汽車應用的指導意見,進一步推進甲醇經濟的發展。

    (三)項目是西部地區可再生能源的高附加值轉化

    近十幾年來,我國充分利用風能和光能優勢,在風電、光伏發電和光熱發電等可再生能源開發利用方面,進行了大量的技術和資金投入。在西部地區的內蒙古、新疆、甘肅及青海等地區,投資幾百億元建設了大量的風電場、光伏發電場和光熱發電場,趟出一條“追風逐日”新路,給企業和地方帶來了巨大的經濟效益。截止2020年11月底,甘肅省電力總裝機容量超過5500萬千瓦,其中可再生能源總裝機容量的超過60%。由于甘肅及西部地區經濟欠發達,就地消納能力有限,主要靠專用特高壓電網進行外送,受到外部發展的制約因素較多,造成“棄風棄光棄水”現象較為嚴重。如何解決可再生能源的利用率,提高可再生能源的附加值和應用領域是當前西部地區亟待解決的技術問題、經濟問題和社會問題。

    二、項目技術介紹

    (一)可再生能源包括:風電、水電、光伏和光熱、核能及生物質發電等。

    (二)項目先進技術核心

    本項目利用10MW的光伏發電,采用中國也是世界上最大的電解槽1000Nm3/h,選用李燦院士團隊研制的先進催化劑,使得每標方氫氣能耗由5度點降低到4.3度,降低能耗14%以上。

    然后將電解水制得氫氣與捕集的二氧化碳按1:3(摩爾比)進行混合,經2級壓縮后,在固定床合成塔中再利用高性能的ZnO/ZrO催化劑合成液態的60%粗甲醇。二氧化碳加氫合成甲醇單元采用較為廉價的耐候性先進催化劑(耐硫化物和氮氧化物等),單程轉化率達到14%,甲醇的選擇性達到98.5%,顯著提高了二氧化碳加氫合成甲醇的收率。

    本項目總投資1.41億元,于2018年7月啟動立項,2019年3月開工建設,2019年12月初步建成1000噸/年甲醇規?;痉堆b置,2021年1月17日第一次試車,生產出60%的粗甲醇,項目初步成果于2020年4 月列入中科院2020年一季度“科技成果轉移轉化亮點工作”名單。經過6至7個月的完善工作,確定了最近的工藝路線和技術參數,穩定運行1個多月(超過1000小時), 2020年10月8日裝置順利通過72小時現場考核,2020年10月15日通過了中國石化聯合會組織的鑒定驗收,鑒定專家包括何鳴元院士、韓布興院士、丁奎嶺院士等12名行業技術專家,項目取得了(電解水制氫催化劑、二氧化碳加氫合成甲醇催化劑和利用不穩定的光伏發電-堿性電解水制氫-二氧化碳催化加氫制甲醇耦合)3項完全知識產權的國際領先的先進技術,建成了全球首套規?;ㄇ嵓墸┖铣删G色甲醇示范裝置,為大規模儲存可再生能源、規?;枚趸继峁┝饲袑嵖尚械男录夹g,對催生清潔能源新興產業,推動綠色、生態發展,實現碳中和,具有重要意義。

    三、項目前景

    (一)綠氫的應用前景

    利用可再生能源發電、電解水制氫俗稱“綠氫”,綠氫可用于氫燃料電池作為車用動力,可用于氫氣冶金,可在天然氣中加入15—17%,作為民用燃料等作為清潔能源。

    光伏發電成本較大,盡管該示范項目采用了先進的催化劑,能耗由常規的5.0kwh/Nm3降低到4.3kwh/Nm3,以上網電價0.3元/ kwh計,單位制氫成本約為1.30元,高于天然氣制氫的0.6元(藍氫)和煤制氫的0.8元(灰氫)。隨著光伏發電技術的進步,現階段光伏發電成本估計為0.15元/ kwh,到2030年中國光伏發電成本可降低至0.1元/ kwh,這樣綠氫的成本將低于藍氫,其應用前景將更加廣闊。

    電解水制氫的銷售價格為4.2元/標方,一標方氫氣等于89.3g,綠氫的成本即47元/kg,全國加氫站的標準是35元/kg,故加氣站加注的氫氣需要政府補貼。

    在目前技術條件下,1kg氫氣可供小汽車行駛100公里,一般燃油車跑相同的里程大約耗費7升油,以目前油價計算,花費40元至50元。也就是說,氫能使用成本與汽油已相當接近了。

    (二)二氧化碳合成甲醇產業化前景

    二氧化碳加氫合成甲醇的生產成本較高,以10萬噸/年二氧化碳加氫合成綠色甲醇項目投資5億元進行產業化運行成本估算如下:

    生產1噸綠色甲醇需消耗氫氣2200m3和二氧化碳1.4噸,采用先進的電解水制氫裝置及最優的光伏、風電及水電等可再生能源以0.15元/KWh供電,氫氣Nm3/ H2的成本4.3*0.15=0.645(元),每噸甲醇消耗氫氣的成本2200*0.645=1419(元),二氧化碳最佳的捕集成本及運費約350元,每噸甲醇消耗二氧化碳的成本1.4*350=490(元)。兩項合計:每噸綠色甲醇原材料成本1419+490=1909(元),再加上人工成本、生產成本、設備折舊及資金成本等,每噸綠色甲醇的價格約3000元。

    采用本項科技成果開發生產綠色甲醇,較煤制甲醇和天然氣制甲醇成本大約高800—1000元?,F階段,項目不具備產業化和市場化的條件,若近期國家有關部門出臺碳中和碳交易等優惠政策,消納二氧化碳不僅不計成本,還有收入。同時,有支持綠色甲醇產業、利用光伏及風電等可再生能源等措施和稅收優惠等,以市場價銷售綠色甲醇有一定補助等,可推進本項科技成果的產業化落地,促進可再生能源的利用,為碳達峰碳中和提供良好的技術支撐。

    我國煤制甲醇項目存在大量的二氧化碳排放問題,每生產1噸甲醇將排放約3噸的二氧化碳,該行業如不采取碳中和技術,其將受到極大地限制。

    甲醇是多種有機產品的基本原料和重要的溶劑,我國甲醇產業鏈上游生產原料主要包括煤、焦爐氣和天然氣等。甲醇下游應用廣泛,主要為能源與化工品。從原料上來看,甲醇的制備工藝主要包括天然氣制甲醇、煤制甲醇和焦爐氣制甲醇,目前國內主要以煤制甲醇為主,占比高達76%。此外,焦爐氣制甲醇和天然氣甲醇分別占比17%、7%。2019年我國甲醇產能約為8812萬噸,同比增長6.1%,產量約為6216萬噸,同比增長11.5%。

    近年來,車用甲醇汽油(M30—M100)正在推廣示范,民用及工業用醇基燃料也再技術推廣試用;鑒于大連化物所的MTO(甲醇制烯烴技術)進一步推廣和相關合成技術的完善,在不遠的未來,液態陽光甲醇可替代石油和煤炭等化石能源,在合成所有人類所需的化工產品同時,達到碳中和及碳循環,實現碳的零排放,減少溫室效應,構建幸福美好和諧人類地球家園的愿景。

    四、意見建議

    (一)將綠色低碳發展模式納入甘肅省“十四五”“十五五”規劃,借助2020年12月生態環境部出臺《碳排放權交易管理辦法(試行)》,盡快制定2030年前碳排放達峰行動方案,推動碳達峰碳中和技術產業,建立碳排放“雙控”制度、專門的法律法規標準、激勵和約束機制等政策措施,持續推動二氧化碳排放達峰行動,確保碳達峰、碳中和目標如期實現,成為碳達峰碳中和示范區。

    (二)推進氫能產業示范區建設,借助“液態陽光”先進技術,利用我省豐富的可再生能源電解水制氫,實施“壓縮氫氣”或“液氫”項目產業化,推廣清潔能源的適用范圍:(1)氫燃料電池車輛改裝和加氫站建設,將我省的公共服務車輛等改裝為氫燃料電池車輛,使用氫能實現零排放,加大液氫使用量。(2)軍工企業衛星發射及火箭試驗、中國航天試驗中心、酒泉衛星發射中心等采購液氫產品。(3)機場氫燃料電池叉車、擺渡車等應用,為蘭州中川國際機場等省內外周邊機場提供氫燃料,以此構建氫能產業集群。

    (三)在國家相關政策的支持下,推進“液態陽光”高端科技成果產業化落地,支持60—100萬噸/年綠色甲醇項目落地,最高可實現140萬噸二氧化碳的減排。一是將我省范圍內的熱源廠排放的二氧化碳捕集循環利用;二是出臺約束性制度或條例,將綠色化工園區等園區有組織排放的二氧化碳捕集循環利用等;三是推廣甲醇汽油車的普及應用,并立項開展車輛排放二氧化碳捕集技術攻關等,這將有利于我省化工行業及先進制造業等產業不斷發展壯大的同時,排放的二氧化碳的總量沒有增加,反而有較大幅度的減少,尤其為精細化工產業科技成果的轉化轉移提供更多的發展空間。

    為促進“液態陽光”項目的高端科技成果不僅要在省外產業化落地,更需要在我省產業化推廣示范,產生更多的經濟效益、生態環境效益和社會效益。懇請盡快出臺相關的支持政策,并給予配套資金支持,在我省可再生能源富集地區開展10萬噸/年(30萬噸)的綠色甲醇項目,10萬噸/年綠色甲醇項目總投資約5億元,可實現2億元的經濟收入,解決50人的就業,達到14萬噸的二氧化碳的減排;30萬噸/年綠色甲醇項目總投資約9億元,可實現6億元的經濟收入,解決100人的就業,達到42萬噸的二氧化碳的減排。

      地址:蘭州新區綜合保稅區D區

      電話:0931-8252565

      郵箱:lzxqsh@163.com

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