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氣候變化是當(dāng)今全球面臨的重大挑戰(zhàn)。近年來(lái)，我國(guó)經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，伴隨經(jīng)濟(jì)的發(fā)展必然帶來(lái)能量的消耗以及碳的排放。因此經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來(lái)了大量的二氧化碳排放，所以我國(guó)近些年一直在考慮“碳達(dá)峰”、“碳中和”的問(wèn)題，因此，我國(guó)提出了“雙碳”目標(biāo)，中國(guó)二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)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(huì)、首屆中國(guó)（山東）氫產(chǎn)業(yè)大會(huì)上，中國(guó)科學(xué)院院士、山東石油化工學(xué)院院長(zhǎng)徐春明分享了《雙碳戰(zhàn)略下綠電技術(shù)發(fā)展思考與實(shí)踐》的主題報(bào)告。
一、雙碳戰(zhàn)略下的機(jī)遇與挑戰(zhàn)
報(bào)告首先通過(guò)下表中的數(shù)據(jù)，分析了“雙碳”戰(zhàn)略下的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。
1、雙碳的重要前提是經(jīng)濟(jì)發(fā)展
近幾年，我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，未來(lái)一段時(shí)間還會(huì)保持一個(gè)高位增長(zhǎng)。但是，經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)必然帶來(lái)能量的消耗，這是一個(gè)剛性關(guān)系。所以近年來(lái)我國(guó)基本上是以每年1億噸左右的標(biāo)煤能量消耗總量增加。按照這樣一個(gè)預(yù)測(cè)，到“50·60”實(shí)現(xiàn)碳中和的時(shí)候，我們的能源消費(fèi)總量將達(dá)到80-90億噸。能量消耗約等于帶來(lái)排放，因此二氧化碳排放也成為我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展必須考慮的因素之一。
作為發(fā)展中國(guó)家，經(jīng)濟(jì)發(fā)展中怎樣才能在消耗能量的同時(shí)減少二氧化碳排放？所以經(jīng)濟(jì)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(jìn)。
近年來(lái)已經(jīng)從簡(jiǎn)單的能耗雙控慢慢過(guò)渡到二氧化碳排放雙控，既要實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，也要追求經(jīng)濟(jì)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(jì)還需發(fā)展，在這個(gè)過(guò)程中首先能做的就是節(jié)能減排。這里有一個(gè)重要的參數(shù)就是能量消費(fèi)強(qiáng)度的下降，也就是說(shuō)我們同樣的GDP盡量少消耗能量，而這個(gè)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(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，要實(shí)現(xiàn)碳中和、碳達(dá)峰必須要進(jìn)行能源結(jié)構(gòu)基本調(diào)整。我國(guó)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(fèi)比例已經(jīng)在逐漸降低，但是絕對(duì)值仍處于峰值，擺脫對(duì)煤的依賴還需要時(shí)間。
然而石油這么多年基本上在能源消費(fèi)中占17%-18%，從絕對(duì)值來(lái)看還未達(dá)到峰值。天然氣和非化石能源作為低碳無(wú)碳的能源會(huì)得到快速發(fā)展。
目前排放100多億噸二氧化碳，并且還未達(dá)到峰值，有預(yù)測(cè)表示到2030年會(huì)達(dá)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(shí)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(xué)的方法把二氧化碳作為化學(xué)品材料轉(zhuǎn)化成高附加值的精細(xì)化工品和材料。
從大規(guī)模消納二氧化碳角度來(lái)看，還是以物理方法為主，化學(xué)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(gè)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(lái)。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(dāng)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(qiáng)度降低
最后還有一個(gè)重要的數(shù)據(jù)是二氧化碳排放強(qiáng)度，上面已經(jīng)提到經(jīng)濟(jì)要發(fā)展能量要消耗，怎樣才能在消耗能量的同時(shí)少排放二氧化碳？這也是一個(gè)單位能耗二氧化碳排放強(qiáng)度的問(wèn)題。要從根本上解決這個(gè)問(wèn)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(guò)程中并不排放二氧化碳，這樣可以達(dá)到提供綠色能源的同時(shí)，又可以不排放二氧化碳，既保證經(jīng)濟(jì)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(yù)見(jiàn)未來(lái)會(huì)有很多的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。
二、氫能：未來(lái)能源的雙重屬性
其次，報(bào)告也指出氫能將在未來(lái)能源生產(chǎn)消費(fèi)中扮演重要角色，氫能作為一個(gè)能源的屬性，可以與電進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換，約等于利用電解水制氫間接把電儲(chǔ)存起來(lái)，因此氫還具有一個(gè)儲(chǔ)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(chǔ)能屬性。
根據(jù)上圖，可以看出氫能的產(chǎn)業(yè)鏈相當(dāng)復(fù)雜，因此氫能很重要，但要形成一個(gè)穩(wěn)定且規(guī)模化、有價(jià)值的產(chǎn)業(yè)鏈還需要一段時(shí)間的積累，這個(gè)過(guò)程既需要政府的支持，也需要各個(gè)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(gè)重要的過(guò)程，就是生產(chǎn)烯烴，因?yàn)橐蚁?、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(jī)化工原料，這個(gè)常規(guī)的過(guò)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(gè)過(guò)程能不能用電來(lái)替代呢？
用電來(lái)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(xiàn)，同時(shí)在成本上也有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，基于上述的一些思考，徐春明院士的團(tuán)隊(duì)發(fā)明了一種以電加熱的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)烯烴的生產(chǎn)，根據(jù)實(shí)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(lái)替代常規(guī)石油加工過(guò)程。
這里面有兩個(gè)重要的過(guò)程，一個(gè)是丙烷脫氫，這也是生產(chǎn)丙烯的主要過(guò)程，常規(guī)都是靠加熱爐加熱等方式進(jìn)行生產(chǎn)，如果利用380V的電，通過(guò)空間供能的方式，不通過(guò)輻射傳導(dǎo)，這樣就改變了熱傳導(dǎo)的方式，能夠帶來(lái)一些新的變化，這個(gè)過(guò)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(gè)過(guò)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(guò)空間供能的方式提供相應(yīng)熱量，實(shí)際上這個(gè)過(guò)程中的能耗非常關(guān)鍵，突破在電磁強(qiáng)化供能的核心裝備以及控制系統(tǒng)，怎么能夠快速的實(shí)現(xiàn)加熱，同時(shí)還要穩(wěn)定控制反應(yīng)度，這個(gè)過(guò)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(guò)程進(jìn)行變革，未來(lái)希望用簡(jiǎn)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(jià)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(guò)程中只消耗綠電，通過(guò)前期的初步研究，通過(guò)測(cè)算用綠電替代傳統(tǒng)的加熱方式可以使整個(gè)投資減少三分之二。同時(shí)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(gè)重要的過(guò)程就是合成氨，合成氨為多產(chǎn)糧食帶來(lái)了重要貢獻(xiàn)，利用煤、石油、天然氣作為原料，通過(guò)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(gè)高能耗、高排放的過(guò)程。
那能否利用綠電、水以及一些副產(chǎn)的煙氣來(lái)替代這些原料，甚至改變這個(gè)過(guò)程？
根據(jù)上圖可以看出，利用水通過(guò)電解水制氫得到氫氣，再把一些煙氣通過(guò)變壓吸附得到氮?dú)夂投趸?，氫氣跟氮?dú)饩褪呛铣砂?，而氨與二氧化碳可以做尿素，這個(gè)過(guò)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(guò)程也可以用電加熱的方式，原來(lái)一個(gè)高能耗、高排放的過(guò)程就變成低能耗甚至沒(méi)有排放的綠色過(guò)程。
另外合成氨本身也可以作為一個(gè)儲(chǔ)氫的介質(zhì)，把氨作為儲(chǔ)氫運(yùn)到各個(gè)地方，當(dāng)然氨本身也可以長(zhǎng)時(shí)間直接燃燒，作為液體的綠色燃料。這個(gè)過(guò)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(gè)新的變革性技術(shù)，
這個(gè)綠電應(yīng)用有一個(gè)很大的問(wèn)題就是不穩(wěn)定性，不論是太陽(yáng)能還是風(fēng)電，其最大的屬性就是間歇式、波動(dòng)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(gè)需要長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行的過(guò)程。因此，怎樣才能把這種波動(dòng)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(gè)新的課題。解決這個(gè)問(wèn)題一個(gè)重要的手段就是大規(guī)模儲(chǔ)能。
目前大規(guī)模儲(chǔ)能最多的還是物理方法，也就是利用機(jī)械儲(chǔ)能，比方說(shuō)抽水儲(chǔ)能或者壓縮空氣儲(chǔ)能，但是這類儲(chǔ)能方式受應(yīng)用地點(diǎn)等各種限制，因此電化學(xué)儲(chǔ)能還是一個(gè)很有發(fā)展?jié)摿Φ目臻g，這里除了熟悉的動(dòng)力電池以外，需要一個(gè)大規(guī)模長(zhǎng)時(shí)間低成本的儲(chǔ)能，這也就是我們經(jīng)常提到的液流電池。
四、大規(guī)模長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能：液流電池
徐春明所在團(tuán)隊(duì)與中海儲(chǔ)能公司開發(fā)了一種新的儲(chǔ)能路線——鐵鉻液流電池大規(guī)模長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能，其原理是通過(guò)電解液中不同價(jià)態(tài)鐵鉻離子的電化學(xué)反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)電能與化學(xué)能的轉(zhuǎn)變，完成充電與放電。
同時(shí)這個(gè)液流電池最大的優(yōu)點(diǎn)就是與常規(guī)電化學(xué)儲(chǔ)能設(shè)備對(duì)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(zhǎng)、環(huán)保性能更好，循環(huán)次數(shù)達(dá)到2萬(wàn)次以上，初步實(shí)現(xiàn)了低成本大規(guī)模長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)能。
通過(guò)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(yùn)行所需要的化工過(guò)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(qiáng)調(diào)綠電綠氫發(fā)展任重道遠(yuǎn)，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(huì)發(fā)揮重要作用。
