雙碳目標下中國新能源技術發展

• 袁靜美 2023年3月16日 來源：中研網 377 17
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根據中研普華研究院撰寫的《2023-2028年中國新能源行業發展前景及投資戰略分析報告》顯示：

當前我國正處于實現“雙碳”目標、構建“清潔低碳、安全高效”能源體系的關鍵時期，2020年中央經濟工作會議明確提出，“碳達峰、碳中和”工作要加快調整優化產業結構、能源結構，推動煤炭消費盡早達峰，大力發展新能源的決議，由此可見走能源轉型和低碳技術創新之路勢在必行。

光伏和風力發電及制氫、城市生活垃圾制氫和CO2加氫制甲醇和乙醇技術，可以克服傳統的資源利用手段，使資源再生或綠色循環利用，達到保護生態環境的目的。通過光伏和風力發電產生的電能清潔無污染，利用產生的電能電解水，可以產生綠色能量氫能，氫能是清潔綠色能源，是實現能源變革的重要媒介。將煤化工等企業排放的CO2和城市生活垃圾綜合利用，既可以變廢為寶，又達到碳減排的目的，具有重要的經濟和環境效益，同時對于實現“雙碳”目標有重要的意義。本文對3種新能源技術進行了淺析和展望。

碳減排新途徑

1.光伏和風力發電及制氫

當前我國工業建設電力主要來自于煤炭燃燒，環境污染嚴重，同時也對能源行業帶來危機，面對生態環保要求及“碳達峰，碳中和”對CO2排放的巨大壓力，全球正在考慮采取新的方式進行電力供應。光伏和風力發電與煤炭發電相比，原料利用可再生資源太陽能和風能，具有清潔無污染、投資和維護費用低的特點，越來越顯示巨大的潛力。截至2021年6月，煤炭價格的大幅上漲導致火力發電成本大幅上漲，我國光伏市場相關報道顯示，國內的火力發電廠每度電的成本已接近3.5元，甚至有的發電廠還要更高一些，相比之下國內風力發電和光伏發電的成本約為1.8元，已開始明顯優于火力發電。通過以上量化的數據，結合光伏和風力發電的成本優勢以及對CO2減排的優勢，傳統的石化能源未來將逐漸失去優勢，取而代之的光伏和風力發電必將有巨大發展空間。

通過光伏和風力產生的電能，除一部分儲存可作為電網使用外，主要部分通過電解水制氫裝置，生產出綠色能源氫能，近年來有許多學者對此進行了相關的研究。與化石能源制氫相比，光伏與風力發電制氫更能有效降低化石能源的消耗，降低污染物排放，同時實現與煤化工、石油化工、新能源汽車，燃料電池、CO2加氫制甲醇乙醇等行業的多聯產。氫的運輸和新型儲存材料是當前研究的熱點問題。

風力和光伏發電與地域有關。我國風資源集中，大多分布在西北、華北、東北及東南沿海地區，這些地區適合風力發電及制氫產業。Shell公司利用河北張家口地區的地理優勢，于2020年11月13日在張家口市投資建設20000kW可再生能源電解水制氫和加氫項目，支持張家口市和京津冀地區氫能等清潔能源產業的發展，顯示了優越的經濟效益和環保效益。在風力發電系統中，風力機向著變漿距調節技術發展、發電機向著變速恒頻發電技術發展，這是風力發電技術發展的趨勢，也是當今風力發電的核心技術。

光伏發電和太陽光有關，由于南方不如北方太陽充足，日照不及北方的1/3，光伏成本約是北方3倍，因此光伏發電適合我國北方大部分地區。新型環保光伏材料的研究及制備工藝開發是當前的熱點。

2.開發CO2利用新技術，制備甲醇和乙醇

CO2是大氣主要污染物之一，尤其煤化工行業尤為突出，當前全球對碳排放提出了較嚴格的要求。傳統的碳封存技術投資大，利用價值不高，在當前“碳達峰、碳中和”背景下，實現高效轉化制高值化學品具有重要的戰略意義。將CO2轉化為甲醇和乙醇等綠色清潔能源，形成低碳運輸燃料，醇類燃燒后又變成CO2，又可以重復利用，實現了資源的再生循環利用。Wang等研究了CO2加氫制甲醇的反應路徑以及水在CO2加氫過程中的重要作用，用原位紅外和瞬態同位素示蹤方法對Cu-ZnO-ZrO2催化劑上CO2加氫制甲醇過程中水的作用機制進行了深入研究。研究闡明了H2O在CO2加氫過程的關鍵作用，發現解離脫附水是與甲氧基反應生成甲醇的活性物種，催化劑的三維有序大孔結構可有效促進水在催化劑顆粒間的擴散速率，從而獲得高的甲醇選擇性。此外，在反應氣中加入少量的水能夠提升甲醇收率，該研究為CO2的利用途經提供了方向。

Hu等研究了富含硫空位的二維硫化鉬催化劑低溫、高效、長壽命的CO2加氫制甲醇過程，研究結果表明在180℃下，催化劑穩定性可達3000h，CO2單程轉化率可達12.5%，同時甲醇選擇性可達94.3%，顯著優于商品Cu/ZnO/Al2O3催化劑以及此前報道的催化劑，該法具有工業化應用潛力，有望為CO2轉化利用開辟新途徑。

中科院大連化物所Wang等研究了CO2在雙金屬ZnO和ZrO2固溶體氧化劑上加氫高選擇性和穩定性合成甲醇過程，研究結果表明，CO2單程轉化率超過10%時，甲醇選擇性可達86%～91%，具有較好的工業化前景。2020年10月，運用李燦院士團隊開發的CO2制甲醇技術在蘭州新區綠色化工園建成全球首個千噸級液態太陽燃料合成示范工程項目，并順利通過連續72h現場考核，達成既定的目標，這表明中國在CO2制甲醇技術方面取得了里程碑式成就。

Li等通過光熱協同催化作用，采用種子晶體介導法和熱縮聚法，研究了CO2碳碳耦合制備乙醇的過程。采用AuCu合金納米粒子修飾的超薄多孔石墨氮化碳[1](g-C3N4)納米片，金表面的正電荷改善了CO2分子的吸附，合金中從金到銅的電荷轉移使銅富集了過量的負電荷，促進了中間產物*CO2-和*CO[2]在銅表面的形成。研究發現溫度升高使分子的熱運動增強，導致光催化和熱催化的協同作用，通過共聚合促進C-C偶聯的形成，從而提高乙醇的收率。研究結果表明在120℃下，乙醇的產率和選擇性為0.89mmol/g·h和93.1%，是光催化的4.2倍和熱催化的7.6倍，突破了CO2還原制備多碳產物過程中C-C耦合的瓶頸。該方法僅以水提供氫源，將熱催化加氫的反應溫度從300℃左右降低至120℃，突破了催化還原CO2產物集中在碳一產品的問題，為CO2還原制備高附加值化學品提供了新思路。

Bai等Pd-Cu納米材料催化劑研究了CO2加氫制備乙醇的過程，通過調整Pd-Cu納米材料的組成和催化劑支撐材料，優化出能夠高效地將CO2加氫轉化成乙醇的納米材料Pd2CuNPs/P25[3]，該材料具有高達92%的選擇性加氫轉化甲醇，轉化頻率為359h-1。通過漫反射傅里葉變換紅外光譜(DRIFTS)，研究了CO2加氫制備乙醇過程中的速率控制步驟，結果表明Pd2CuNPs/P25[4]能夠促進*CO(吸附CO)加氫轉化成*HCO，該工作結果為催化CO2加氫轉化C2H5OH納米材料的研發起到了很好的指導作用。

由中國科學院上海高等研究院Li等研究了氮摻雜的介孔碳(N-carbon)材料用于電催化CO2轉化過程，通過調控優化N-carbon的孔道結構和表面活性位構型，發現在-0.56V(vs.RHE)電壓下電催化CO2轉化生成乙醇的電流效率達到77。此項研究工作為設計創制高活性和高選擇性生成多碳產物的電催化體系提供了新思路，隨后中國科學院上海高等研究院與中國海洋石油青島公司、中國成達工程有限公司合作開發了CO2加氫制甲醇關鍵技術。并進行了中試放大研究，于2020年7月建成5000t/a規模工業試驗裝置，通過了中國石化聯合會組織的現場72h考核。評估專家組認為該項目率先建成了全球最大規模CO2加氫制甲醇工業試驗裝置，與國內外同類技術相比，主要技術指標先進，對于我國CO2資源化利用、減少溫室氣體排放具有重要意義。

當前利用CO2加氫制已醇和乙醇工業化核心問題是開發高選擇性和轉化率的催化劑及配套的工藝技術。國際上許多技術專利商如托普索(Topse)和魯奇公司(Lurgi)等均在攻關高效催化劑并進行相應的工藝技術開發工作。

3.城市生活垃圾制氫

目前我國城市垃圾處理方式主要是填埋或者焚燒，垃圾焚燒的主要設備循環流化床具有投資大和運行成本高的特點，同時焚燒過程中產生飛灰，對環境污染嚴重，因此開發新型的生活垃圾處理技術勢在必行。熱解氣化技術作為一種新型的生活垃圾處理技術，可以有效降低化合物生成量并減少飛灰排放量，有機物分解為簡單的氣體分子形成CO和H2，通過用PSA或膜分離后作燃料或化工原料使用，實現生活垃圾處理的無害化和資源化處理，在碳達峰碳中和背景下，伴隨著我國低碳清潔能源大規模應用需求，生活垃圾處理制氫經濟環保效益顯著。

某工程公司承接的400t/d城市垃圾制氫工程項目采用高環保超高溫垃圾轉化熱解制氫技術，這個技術是在純氧下燃燒，實現垃圾在1600℃以上的高溫下燃燒，相比傳統垃圾焚燒，發電廠在800℃左右的燃燒更徹底，幾乎所有的有機物都已分解完全沒有飛灰。在合理的原材料價格和電價的前提下，煤制氫約11元/kg，天然氣和甲醇制氫約18元/kg，形成規模效應后，垃圾熱解氣化制氫的成本有望降到20元/kg以下，與天然氣等化石能源制氫技術成本相當，由此可見城市生活垃圾熱解氣化制氫技術很有應用潛力。較化石能源制氫相比，每1tH2減少的CO2排放量約為30t，環保效益顯著。

目前在德國、日本、美國等國家，生活垃圾熱解氣化技術的應用已經從中溫氣化發展到了環保性更好的高溫氣化，國內目前處于起步階段，高效的垃圾焚燒制氫工藝技術及焚燒設備的開發設計，有望為城市生活垃圾處理開拓一條新的路徑，也將成為垃圾綜合治理的關鍵核心技術之一。

在全球“碳達峰碳中和”目標的影響下，實現低碳能源轉型和現代能源體系重構是實現此目標的重要保證，新能源技術是應對全球氣候變化、推動后疫情時代全球經濟“綠色復蘇”的必然選擇。面對全球越來越嚴格的碳減排和環保要求，光伏風力發電及制氫、CO2加氫制備甲醇和乙醇、城市生活垃圾制氫技術，其經濟和環保效益顯著，在碳中和方面必將得到大力發展和應用。

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