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氣候變化是當今全球面臨的重大挑戰(zhàn)。近年來，我國經(jīng)濟飛速發(fā)展，伴隨經(jīng)濟的發(fā)展必然帶來能量的消耗以及碳的排放。因此經(jīng)濟發(fā)展帶來了大量的二氧化碳排放，所以我國近些年一直在考慮“碳達峰”、“碳中和”的問題，因此，我國提出了“雙碳”目標，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(xiàn)碳中和。
基于上述背景，在第二屆中日韓氫能產(chǎn)業(yè)高峰論壇、第二屆世界綠氫產(chǎn)業(yè)發(fā)展大會、首屆中國（山東）氫產(chǎn)業(yè)大會上，中國科學院院士、山東石油化工學院院長徐春明分享了《雙碳戰(zhàn)略下綠電技術(shù)發(fā)展思考與實踐》的主題報告。
一、雙碳戰(zhàn)略下的機遇與挑戰(zhàn)
報告首先通過下表中的數(shù)據(jù)，分析了“雙碳”戰(zhàn)略下的機遇和挑戰(zhàn)。
1、雙碳的重要前提是經(jīng)濟發(fā)展
近幾年，我國經(jīng)濟快速發(fā)展，未來一段時間還會保持一個高位增長。但是，經(jīng)濟發(fā)展的同時必然帶來能量的消耗，這是一個剛性關(guān)系。所以近年來我國基本上是以每年1億噸左右的標煤能量消耗總量增加。按照這樣一個預測，到“50·60”實現(xiàn)碳中和的時候，我們的能源消費總量將達到80-90億噸。能量消耗約等于帶來排放，因此二氧化碳排放也成為我國經(jīng)濟發(fā)展必須考慮的因素之一。
作為發(fā)展中國家，經(jīng)濟發(fā)展中怎樣才能在消耗能量的同時減少二氧化碳排放？所以經(jīng)濟發(fā)展雖然重要，但是在能量消耗和二氧化碳排放方面也要均衡，切記冒進。
近年來已經(jīng)從簡單的能耗雙控慢慢過渡到二氧化碳排放雙控，既要實現(xiàn)經(jīng)濟發(fā)展，也要追求經(jīng)濟環(huán)境生態(tài)綠色。
2、節(jié)能減排是第一選擇
既然能量消耗是必然的，但經(jīng)濟還需發(fā)展，在這個過程中首先能做的就是節(jié)能減排。這里有一個重要的參數(shù)就是能量消費強度的下降，也就是說我們同樣的GDP盡量少消耗能量，而這個節(jié)約能量就是直接的減排結(jié)果。各行各業(yè)不管利用什么手段，只要能夠節(jié)能，就是首選。
3、能源結(jié)構(gòu)調(diào)整是根本
從長遠來看，要實現(xiàn)碳中和、碳達峰必須要進行能源結(jié)構(gòu)基本調(diào)整。我國能源稟賦非常清晰，煤為主，石油和天然氣為輔。
從上表中可以看到，煤炭的消費比例已經(jīng)在逐漸降低，但是絕對值仍處于峰值，擺脫對煤的依賴還需要時間。
然而石油這么多年基本上在能源消費中占17%-18%，從絕對值來看還未達到峰值。天然氣和非化石能源作為低碳無碳的能源會得到快速發(fā)展。
目前排放100多億噸二氧化碳，并且還未達到峰值，有預測表示到2030年會達到105億噸甚至更高的二氧化碳排放。
4、二氧化碳的處理利用
在一段時間內(nèi)如何處置二氧化碳，不論是采用物理方法采取地下封存或者二氧化碳驅(qū)油，還是采用化學的方法把二氧化碳作為化學品材料轉(zhuǎn)化成高附加值的精細化工品和材料。
從大規(guī)模消納二氧化碳角度來看，還是以物理方法為主，化學方法盡管附加值高，但是消納二氧化碳數(shù)量有限。這里就有一個新的展望，將二氧化碳的消納與農(nóng)業(yè)發(fā)展聯(lián)系起來。例如在種植大棚蔬菜的地方，人為在大棚里增加一定的二氧化碳濃度提高光合反應(yīng)的速度，即相當于消納了二氧化碳又提高了植物水果的收率。
5、二氧化碳排放強度降低
最后還有一個重要的數(shù)據(jù)是二氧化碳排放強度，上面已經(jīng)提到經(jīng)濟要發(fā)展能量要消耗，怎樣才能在消耗能量的同時少排放二氧化碳？這也是一個單位能耗二氧化碳排放強度的問題。要從根本上解決這個問題，就是要利用零碳的綠電和綠氫。
綠電綠氫雖然也是能源，但是在使用過程中并不排放二氧化碳，這樣可以達到提供綠色能源的同時，又可以不排放二氧化碳，既保證經(jīng)濟發(fā)展又能夠少排放二氧化碳。
基于上述的分析和判斷，可以預見未來會有很多的機遇和挑戰(zhàn)。
二、氫能：未來能源的雙重屬性
其次，報告也指出氫能將在未來能源生產(chǎn)消費中扮演重要角色，氫能作為一個能源的屬性，可以與電進行相互轉(zhuǎn)換，約等于利用電解水制氫間接把電儲存起來，因此氫還具有一個儲能的屬性，這也是氫能備受關(guān)注的原因，除了能源屬性還具備儲能屬性。
根據(jù)上圖，可以看出氫能的產(chǎn)業(yè)鏈相當復雜，因此氫能很重要，但要形成一個穩(wěn)定且規(guī)模化、有價值的產(chǎn)業(yè)鏈還需要一段時間的積累，這個過程既需要政府的支持，也需要各個企業(yè)的參與，更離不開技術(shù)的創(chuàng)新。
三、綠電重構(gòu)傳統(tǒng)化工
1、電重構(gòu)石油化工
在石油化工里有一個重要的過程，就是生產(chǎn)烯烴，因為乙烯、丙烯、丁烯，這三烯是生產(chǎn)高附加值、高分子材料的基本有機化工原料，這個常規(guī)的過程是需要消耗大量的化石燃料，比方每生產(chǎn)一噸乙烯，需要消耗500到600公斤的燃料油，而燃料油燒掉以后都變成二氧化碳排放，那么這個過程能不能用電來替代呢？
用電來替代化石燃料作為能量的輸入方式，雖然消耗了能量但減少了二氧化碳排放，況且隨著大規(guī)模綠電的消納需求以及成本的降低，不但有減碳的貢獻，同時在成本上也有競爭優(yōu)勢，基于上述的一些思考，徐春明院士的團隊發(fā)明了一種以電加熱的方式來實現(xiàn)烯烴的生產(chǎn)，根據(jù)實踐得到的結(jié)果，可以利用電加熱的方式替代傳統(tǒng)的加熱爐燒燃料或者燒燃料供蒸汽加熱方式來替代常規(guī)石油加工過程。
這里面有兩個重要的過程，一個是丙烷脫氫，這也是生產(chǎn)丙烯的主要過程，常規(guī)都是靠加熱爐加熱等方式進行生產(chǎn)，如果利用380V的電，通過空間供能的方式，不通過輻射傳導，這樣就改變了熱傳導的方式，能夠帶來一些新的變化，這個過程可以使能耗降低，不產(chǎn)生二氧化碳排放。
值得一提的是，這個過程也嘗試代替高溫的蒸汽裂解，那么高溫蒸汽裂解反應(yīng)溫度850℃左右，也是靠高溫燃燒的加熱爐提供能量，同樣也是用380V的電通過空間供能的方式提供相應(yīng)熱量，實際上這個過程中的能耗非常關(guān)鍵，突破在電磁強化供能的核心裝備以及控制系統(tǒng)，怎么能夠快速的實現(xiàn)加熱，同時還要穩(wěn)定控制反應(yīng)度，這個過程中如果有催化劑，還要研究帶電磁響應(yīng)催化劑的性能，期盼能夠?qū)鹘y(tǒng)石油化工的過程進行變革，未來希望用簡便的快速電加熱方式替代常規(guī)加熱爐帶著供熱的方式，可以非常靈活的把很多低價值的副產(chǎn)品，例如丙烷、低碳烴、芳烴都轉(zhuǎn)化成丙烯、乙烯、丁二烯等三烯，過程中只消耗綠電，通過前期的初步研究，通過測算用綠電替代傳統(tǒng)的加熱方式可以使整個投資減少三分之二。同時如果綠電的成本降至0.2元以下，那么每噸產(chǎn)品消耗1000多度電的成本也可以得到降低。
另外一個重要的過程就是合成氨，合成氨為多產(chǎn)糧食帶來了重要貢獻，利用煤、石油、天然氣作為原料，通過高溫的氣化變成一氧化碳和氫，其中氫再跟氮變成氨，也是一個高能耗、高排放的過程。
那能否利用綠電、水以及一些副產(chǎn)的煙氣來替代這些原料，甚至改變這個過程？
根據(jù)上圖可以看出，利用水通過電解水制氫得到氫氣，再把一些煙氣通過變壓吸附得到氮氣和二氧化碳，氫氣跟氮氣就是合成氨，而氨與二氧化碳可以做尿素，這個過程可以不消耗任何的化石能源，完全利用綠電，包括合成氨的反應(yīng)過程也可以用電加熱的方式，原來一個高能耗、高排放的過程就變成低能耗甚至沒有排放的綠色過程。
另外合成氨本身也可以作為一個儲氫的介質(zhì)，把氨作為儲氫運到各個地方，當然氨本身也可以長時間直接燃燒，作為液體的綠色燃料。這個過程如果打通等于為綠電的大規(guī)模消納以及綠電氨的生產(chǎn)提供一個新的變革性技術(shù)，
這個綠電應(yīng)用有一個很大的問題就是不穩(wěn)定性，不論是太陽能還是風電，其最大的屬性就是間歇式、波動式的，然而大規(guī)模消納綠電像上述提及到的電烯和電氨，又是一個需要長周期穩(wěn)定運行的過程。因此，怎樣才能把這種波動的可再生電力用于穩(wěn)定連續(xù)的生產(chǎn)，又產(chǎn)生了一個新的課題。解決這個問題一個重要的手段就是大規(guī)模儲能。
目前大規(guī)模儲能最多的還是物理方法，也就是利用機械儲能，比方說抽水儲能或者壓縮空氣儲能，但是這類儲能方式受應(yīng)用地點等各種限制，因此電化學儲能還是一個很有發(fā)展?jié)摿Φ目臻g，這里除了熟悉的動力電池以外，需要一個大規(guī)模長時間低成本的儲能，這也就是我們經(jīng)常提到的液流電池。
四、大規(guī)模長時儲能：液流電池
徐春明所在團隊與中海儲能公司開發(fā)了一種新的儲能路線——鐵鉻液流電池大規(guī)模長時儲能，其原理是通過電解液中不同價態(tài)鐵鉻離子的電化學反應(yīng)，實現(xiàn)電能與化學能的轉(zhuǎn)變，完成充電與放電。
同時這個液流電池最大的優(yōu)點就是與常規(guī)電化學儲能設(shè)備對比，鐵鉻液流電池成本下降40%-60%，循環(huán)次數(shù)更多、電池壽命更長、環(huán)保性能更好，循環(huán)次數(shù)達到2萬次以上，初步實現(xiàn)了低成本大規(guī)模長時間儲能。
通過這種液流電池技術(shù)就可以把大規(guī)模消納可再生電力和安全穩(wěn)定運行所需要的化工過程耦合到一起，也就有可能消納大規(guī)模的綠電。
最后，徐春明院士強調(diào)綠電綠氫發(fā)展任重道遠，目前既有政府的支持，又有企業(yè)的積極參與，還有科研人員的不斷創(chuàng)新，相信在“雙碳”背景下，綠電綠氫將會發(fā)揮重要作用。
