天天快资讯丨专论 || 杨裕生：电-氢-醇转化与交通运输低碳化

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当前，各行各业都在为实现“双碳”目标而努力。笔者认为，可充分利用太阳光能，逐步减少化石能源的使用量，降低CO₂（二氧化碳）的排放。太阳光能成为可再生能源，主要通过光伏发电、风力发电、水力发电、光合作用实现。前三者可以直接向电网提供电能，与裂变反应堆和将来的聚变反应堆提供的核能一起，逐步替代现在电网中主要来自煤、油及天然气等化石能源的发电量；光合作用可生成能源生物质，目前主要有陈粮和秸秆，将来还可能有甜高粱，或将油料作物类和藻类等纳入进来，这些生物质经过提取或转化成为可用的含能材料，主要是乙醇。它将与由电能通过氢气还原CO₂转化来的甲醇、乙醇和油料等形成新的液态能源体系，较氢能便于储存、运输和使用，有望逐步替代汽油和柴油。　　交通运输工具是移动的孤立系统，必须携带能源载体（蓄电池，氢及储罐，油、气、醇及容器）和相应的动力转换装置；交通运输的低碳化取决于能量载体和动力转换装置的技术进步和优选。所谓优选，就是依据交通运输工具的重量和行驶速度、里程等基本要素，对能量载体和动力转换装置的排放量、安全性、经济性做综合比较。本文想重点探讨交通运输领域实现“双碳”目标过程中，绿色电能、氢能、醇能的合理使用及转化必要性；动力电池技术快速进展如何影响氢气和燃料电池电动车在实现“双碳”目标中的作用；醇能技术的发展对汽车等交通运输工具动力技术的影响。氢能和燃料电池汽车有其局限性几十小时以上的储能需将能量转化并存储于性能稳定的含能化学物质中，早年有不少人曾考虑将氢气作为储能材料，因为氢气是最容易转化成电能的含能物质，且水是取之不尽的原料。美国学者杰瑞米·里夫金在2002年出版的《氢经济》一书中，认为氢是化石能源的最佳替代品。2003年，时任美国总统布什提出氢燃料倡议，认为“氢能是21世纪的终极能源”。于是，质子交换膜燃料电池用于电动汽车的研发在西方国家风靡一时。　　不过，对氢能和燃料电池电动汽车的看法向来有分歧。笔者是2000年我国973计划第一个氢能项目《大规模氢能制备、储运及其相关燃料电池的基础研究》的5位发起人之一，全程参与该项目的研究。5年的实践使笔者感到氢气并不是理想的储能材料，质子交换膜燃料电池不是在所有地方都可以经济使用的动力电源。在2005年武汉氢能大会上，笔者曾指出，氢气是二次能源，而且难以储存、运输、分发，储运也费钱，并非理想的储能物质；质子交换膜燃料电池诸多弱点令其装车的电动汽车难以大规模发展。2005年，布什改口称氢能“是未来的解决方案”，美国车企对此开始低调。2019年，日本和德国的部分车企也持保留态度。不过，我国近两年对燃料电池汽车的发展保持了较高热度。　　氢气储能的安全性和能量转换效率不高电解水制氢是为了储能，储能应该坚持“安全第一，效益根本”的原则。笔者认为，燃料电池车的安全问题远高于使用氢气为原料的化工行业，这是由于后者的氢气从制备到制成化工产品的全过程是在密封系统中运行，不存在汽车使用氢气多次转接、压缩、运输等“活动环节”。　　电解水制氢相当于其他储能方法的充电过程，这一步的能量转换效率约80％（实验室为83％），其“放能”——将氢气的化学能转成电能，是在质子交换膜燃料电池中完成，能量转换效率约50％。三北地区（东北、华北、西北）风电、光电丰富，大规模生产的氢气要运到异地使用，氢气储存运输中需要压缩，而压缩氢气时耗能会产生大量废热。如果算总账，原本从电网取来10度电，最终驱动电动机的只有3度左右，效率是抽水蓄能的一半、电池储能的1/3。如此低的转换效率，实际是浪费了能源，经济效益不高，这是氢能发电的致命弱点。有试验证明，将钢铁行业富含CO（一氧化碳）的副产氢气纯化至质子交换膜燃料电池所需CO含量低于0.2ppm，是十分耗能和费钱的工程。因此，只有在有大量易纯化副产氢气（如氯碱工业）排空的地区，通过废物利用发展氢燃料电池车，才是可持续的。但是，我国很多并不具备这一条件和资源的地区也跟风发展，并特意为之搞电解水制氢，即“网电-氢气-车上发电”的模式，是浪费能源和财政的不智之举。　　相比之下，纯电动汽车使用电池既直接又简单，能效高达90％以上。过去因锂离子电池的安全性、比能量、寿命等性能欠佳，氢燃料电池电动车有其竞争优势。但近些年锂离子电池技术进步很快，性能不断提高。如我国半固态锂离子电池技术已有突破，安全性大为提高，比能量可达360瓦时／公斤，充电一次汽车可行驶1000公里，今年将量产上市。而氢燃料电池结构复杂、制作繁难、价格昂贵、启动缓慢等弱点还很难克服，加上氢气价格居高不下、加氢站贵且少等不利因素，导致燃料电池车发展缓慢。　　氢气转化为甲醇是储能观念和技术的进步当前，将氢气转化为体积小、安全性高又容易输运的液体甲醇具有优势，而且甲醇含氢比例高达12.6％，用于储氢可以缓解氢气储运的安全、成本等难题。　　甲醇是化工原料，我国煤制甲醇年产量为7000万～8000万吨，工艺成熟，价格低廉，只是生产每吨甲醇要排放约3.5吨CO₂。早在2004年，成都益盛环境工程科技公司李琼玖等人就提出将水电解制得的氢加到粉煤气化的合成气中，在不改动工艺设备的前提下用等量的煤可使甲醇产量加倍，且不像原工艺那样大量排放CO₂。这是氢气低碳转化中的创新思想，经济价值和社会效益高，值得推广。　　诺贝尔化学奖得主乔治·奥拉曾提出“甲醇经济”是解决能源问题的新概念，即从大气采集CO₂或利用工业废气中的CO₂为原料，合成甲醇作为替代化石燃料的能源，实现CO₂-甲醇-CO₂的循环，可减缓全球变暖。他还指出，应该将氢气转化为更有实用价值的甲醇。其团队在2016年首次从空气中采集CO₂转化为甲醇燃料，转化率高达79％。　　据悉，冰岛用丰富的地热发电制氢，用热催化法以氢还原CO₂，2015年建成世界上第一座年产4000吨甲醇的装置，不仅储存了氢气，而且实现CO₂负排放。2020年1月，中科院大连化物所李灿院士团队在甘肃建成了我国第一座用绿氢制备甲醇年产1000吨的示范工厂，并将此甲醇称作“液态阳光”。2020年7月，中科院上海高等研究院孙予罕团队与两家企业合作建成CO₂加氢制甲醇每年5000吨的工业试验装置，能量转换效率达62％。　　吉利集团从2005年开始研发甲醇内燃机汽车，之后在西安、贵阳等十几个城市运营甲醇公交车、出租车，用的是“灰氢甲醇”。由此可见，电解水制氢-氢气转化为绿色甲醇-甲醇内燃机驱动车辆，这条路线是绿色、可行的。相应的，内燃机技术也将继续发展，提高热效率。那些认为燃油车停产后内燃机没有前途的观点，显然是错误的。　　氢气转化为甲醇虽然也有能量转换效率问题，但是甲醇储运耗能少、使用方便，可以抵偿。尽管现在成本还高于煤制甲醇，但随着技术进步和规模发展，成本将不断下降，而且随着碳税的开征，绿色氢气转化不排放CO₂的优越性会显现出来。　绿氢可使冶金、化工等产业“绿色化”目前已有煤加氢制油技术和装置，如果以绿氢替代煤制氢，可减少CO₂排放。同样，煤制甲醇如果用绿氢补充合成气的含氢量，同等用煤量可使甲醇产量翻一番。此外，其他工业部门也有类似用煤、灰氢的产业，都可改用绿氢。例如，国内外已开始研究用绿氢取代煤炼铁。笔者认为，氢气能在化工、冶金等领域“绿色化”中大显身手，“氢经济”这块招牌可以继续高挂，但其重点并不限于燃料电池车。　　绿色乙醇是具有优势的储能材料用绿氢的热催化法还原CO₂也能产出乙醇，差别仅在所用催化剂不同。乙醇的体积能量密度为23.28GJ/m³，比甲醇高出30％，作为能源，其使用价值更高。此外，能从植物中制取乙醇。例如巴西盛产甘蔗，多年前便用蔗糖及渣制取工业乙醇，替代当地50％的车用汽油。　　我国每年用替换出的仓储陈粮酿制乙醇，制成掺入10％乙醇的“乙醇汽油”，年用乙醇逐步增加到几百万吨。我国年产秸秆7亿～8亿吨，每6吨秸秆可转化1吨乙醇，可得乙醇1亿多吨。另外，甜高粱不与粮争地，可在盐碱地、沙荒地种植，如果发展得好也可年产乙醇几千万吨。秸秆和甜高粱秆发酵制取乙醇后，蛋白质等营养成分全保留于酒糟，作为饲料发展畜牧业，既可满足人民日益增长的奶、肉需求，又能增加农民收入。多年前曾经有人算过，运程超过10公里，收集秸秆在经济上不划算。现在，打捆机可以成倍压缩秸秆体积，这笔运输账就要重新计算，还要统筹计算饲料运输路程和乙醇消费距离，不一定要建大而少的制酒厂。大量农用机械消耗的柴油改用就近生产的绿色乙醇，可能更合理。　　在此基础上，要发展燃用乙醇发动机。乙醇汽油要求乙醇纯度必须在99.5％以上，否则会发生分层；而乙醇内燃机所需乙醇的纯度要求应该放宽（含水5％，恒沸点），以省却脱水所耗大量的能源。相应的，研制的内燃机应能够高热效地使用95％的乙醇。　　生物乙醇与热催化法转化CO₂获得的乙醇及其下游产业，年产值或不下万亿元，可称之为“绿色乙醇经济”。近几年，国内外都在研究电催化还原CO₂制备甲醇、乙醇及类似汽油的多碳原子碳氢化合物，已开发了一些高选择性的催化剂和工艺。这种工艺虽然不与绿氢关联，但实际上是将热催化合成法中“电解制氢-氢还原CO₂”两步生产在一道工序中完成，简化了流程，也同样能消解CO₂，值得关注。　燃醇发动机与增程式车船有利于节能减排增程式电动车（船）的动力是发电系统与电池的并联，通过两者优势互补，在城市工况下可比同等燃油车节油50％；可以不充电长距离行驶，减少建设充电桩成本；如有充电条件，城市百公里节油率80％以上。但是因其烧油，被人认为是“过渡车种”。未来，发动机用绿色甲醇、乙醇，电池充入可再生能源的电能，既零排放又节能——可再生能源也要节约，这才有利于实现碳中和。而且，车内发动机可为电网或住宅提供电能，即VG-2-G。以每车30千瓦计，动用1000万辆车和储备的甲醇、乙醇，就可长时间补电3亿千瓦，能让新型电网少建大量的备用应急电站。未来的混合动力车也可使用绿色醇类，且是“节醇车”，只是不具备VG-2-G功能。　　燃料电池难以按照行驶速度的变化及时调整发电功率，而必须并联一个电池组，所以燃料电池实际上是“增程器”。在这个意义上，燃料电池车可以说是增程式电动车的一个亚种。因而，燃料电池必须与其他增程器在价格、动力性能、使用和维护方便性、使用寿命等进行全方位竞争，且加氢站占地面积大、花费高。而甲醇、乙醇的容器，只要将现有加油站中油罐按需改装使用，花费少。因此，燃料电池车必须接受市场竞争的考验，笔者认为适当规模的示范就可以，不必遍地开花。相关部门和地区既要算经济账，还要算能效账，企业不应过分看重一时的奖励。　　小功率涡轮轴发电机是将微型涡轮轴发动机与发电机联成一体的车用增程器，体积小、重量轻，结构简单，易于操作和维护，燃用甲醇、乙醇的热效率比汽油还高。此外，因其“不挑食”，可用油井残气发电、农村沼气发电等，是一个随用随启动的分布式好电源。　车用能源或呈“三宽一窄”趋势总的来说，随着科学技术的进步和“双碳”目标的落实，各领域的能源消耗和生产工艺正在发生且还将继续发生深刻变革，相关观念和理论等也要随之改变。　　笔者认为，绿氢的主要用途将是在工业中替代煤等化石原料作为还原剂或氢化剂，以减少CO₂排放，而不仅是单纯的车用能源载体；“氢经济”一词仍有意义，但内涵变了。甲醇和乙醇将是交通运输领域优良的能源载体，今后有望通过采用绿色生产工艺，发展成规模的能源产业。绿色甲醇和绿色乙醇既可由绿电通过氢气还原CO₂产生，也能通过生物质为原料进行转化。当然，生物乙醇的生产要坚持三原则：不与人争粮；不与粮争地；大力提高生物化工技术，增加乙醇收率，降低能耗和成本。随着未来的发展，“氢经济”、“甲醇经济”和“乙醇经济”三者原有独立的定义和范畴，发生了交叉和关联，或许今后可以统属于“氢醇经济”范畴。　　从汽车及交通运输领域来看，绿色甲醇、乙醇开辟了“燃醇内燃机汽车”（含节省醇耗的混合动力车）替代传统燃油车的宽广新天地，应大力发展高热效率的燃醇内燃机；随着动力电池技术的进步，纯电动车的发展空间将会不断拓宽；新型电池与燃醇内燃机发电并联的增程式电动车摆脱了燃油的羁绊，且可大幅节省绿电和绿醇的消耗，发展道路宽阔。相比之下，通过燃料电池车来减少交通运输领域排放的竞争力还不强，适合在有易纯化副产氢气的局部地区发展，范围相对较窄。以上“三宽一窄”的汽车发展趋势，可能会通向碳中和的实现。　　另外，绿色甲醇和乙醇的发展，也将为农用机械提供绿色能源，应大力发展热效率高达60％甚至更高的燃醇发动机。绿色油料可以满足飞机高能量密度的需求，电动飞机未必是最有利的低碳化方向。　　（作者杨裕生系中国工程院院士）