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        产业政策

        碳达峰、碳中和大多数人都搞错了(2)

        文字:[大][中][小] 2021-11-17    浏览次数:56    

        为什么甲醇可能成为最好的储氢载体?


        如果今后真正想实现碳中和,并且太阳能、风能可以卖碳税的时候,可以把风能、太阳能和煤结合制出比较便宜的甲醇,通过车载甲醇制氢并与燃料电池系统集成,这就比直接燃烧的发动机效率高。这条路线未来是有可能的。我只说有可能,不能保证,主要取决于各种政策的调整和碳税。如果碳税上去了,这条线路就有经济性。

         

        1L甲醇和水反应可以放出143克的氢。储氢要么压缩,要么冷凝。即使冷凝,1L的液氢也就72克,而1L甲醇的产氢量是1L液氢的2倍。

         

        为什么这个技术有可能这样做?二十年前,全世界第一辆汽油转化制氢的燃料电池汽车,是我领着尼桑和壳牌的一些工程师造出来的。

         

        这有一个小故事,那时丰田、本田、GM的高压氢燃料电池已经造出来了,尼桑发现落后了,于是找到壳牌,又找到我们,说能不能造一辆车,加的是汽油,汽油在车上和水、空气反应造氢,然后推动燃料电池,这样燃料电池的效率高,同时也可以不用加氢站。

         

        当时为什么没有做甲醇?因为美国还没有大规??梢逞移?,国外的甲醇成本太高。2005年,如果我们预测到会发生页岩气革命,就不会花28亿美元建零污染火电厂。但技术是不可预测的。页岩气革命让世界上突然发现了上百年用不完的天然气,也使得天然气从17美元/百万英热单位狂降到1.5美元,现在平盘到3美元左右。

         

        在天然气价格那么高的时候,甲醇没有经济性。所以,当时我们公司考虑用油,说能不能在车上汽油制氢。老板找我的时候,我说这个项目肯定不挣钱。他跟我说,我做阿波罗登月的时候根本没有想到挣钱,但事实上我们阿波罗登月开发的技术后来在各个领域用上了,现在有尼桑给我们钱,只要把技术做到极限,最后也能在其他领域有用。我说,只要别拿挣钱衡量我,你给我钱我来玩技术。后来,几年之内我们就把第一辆汽油转化制氢的燃料电池汽车造出来了。

         

        有了这个技术做积累,甲醇制氢比汽油转化容易很多,因为一方面甲醇干净得多,没有硫;另一方面汽油转化需要850度以上,甲醇200度就可以了。

         

        为什么我提甲醇这条线路?甲醇可以用煤、天然气来制,未来可以用太阳能催化二氧化碳和水来制甲醇,就变成绿色的甲醇。中国科学院大连化物所的李灿院士以及我们南方科技大学都在做绿色甲醇的研发,中科院在兰州已经建设了1000吨的论证示范工厂。现在中国甲醇产能全世界最高,大概8000多万吨。另外,页岩气革命让世界发现了100多年用不完的天然气。有100多年用不完的天然气,就有100多年用不完的甲醇。未来如果碳税真正上去了,我们也可以用风能和太阳能制氢,这样生产的甲醇就完全是绿色甲醇了。

         

        但是这个世界不需要追求绝对的“零碳”?!疤贾泻汀庇幸桓龈拍?,就是这个世界碳太多不好。但是任何人追求零碳是不科学的,因为我们吃的食品、植物生长和光合作用都需要二氧化碳。如果把中国的经济从煤经济转到天然气经济或者是甲醇经济就可以减碳67%,那么基本上就可以做到碳平衡了。因此中国讲的是“碳中和”,国外讲的是“净零排放”,也就是要排放的同时也要有别的技术平衡排放。

         

        我个人觉得,从中国的天然禀赋来看,中国有很成熟的煤制甲醇技术,只是要产生很多的二氧化碳,因为要补氢。如果那部分的氢可以在西部用太阳能和风能制,这样煤转成甲醇就不用排放二氧化碳,再用甲醇作为能源的载体就可以减碳67%,这可能是比较现实的一条碳中和路线。

         

        这样风能、太阳能虽然贵一点,但煤很便宜,这两个一中和,成本就可控了。氢气和二氧化碳做绿色甲醇目前还有一定的成本障碍,如今直接用现有的煤甚至劣质煤制甲醇就可以了。甲醇是一个载体,液体的载体比气和电载体科学多了。因为,电虽然好输送但是不好存储,氢既不好输送,也不好存储,只有液体比较方便。

         

        今天氢气制造很便宜,可一旦压缩到几百公斤大气压的时候成本就上去了。张家口冬奥会做氢能示范,国家补贴了大量资金,并且目标在未来几年达到30元/kg的氢气价格。但是如果在车上用甲醇,就按今天的市场价格买甲醇,每公斤氢气的成本只有15元。

         

        所以一方面是甲醇制氢的成本低了;另一方面,甲醇常温常压下是液体,甲醇站可以用已有的液体加油站改装。对于一般的加油站,近年可能是6个罐,前期替换成1个甲醇罐、5个汽柴油罐,再过十年,替换成2个甲醇罐,4个汽油罐。这样整个能源转型就不需要再花多少万亿去建加氢站和充电桩了。

         

        简单估算一下布局成本,按照加油站450辆车/天的加注能力,充电站24辆车/天充电能力,小型氢气加注30辆车/天的能力来测算,假设都建一万座,甲醇大约需要20亿美元,充电站大约需要830亿美元,加氢站大约1.4万亿美元,而且这个1.4万亿还没有考虑地价的因素。

         

        我不认为我们会把花了几万亿建起来的液体燃料基础设施毁掉再重新建加氢站和充电桩,没有必要。石油如果排碳太高可以用绿色的液体取代,而且我们可以把太阳能和风能转成液体储存下来,这就改变了储能的概念,原来大家多少年花了多少万亿就是研究储电,但是储电干了一百年都干不过一个抽水储电,这条线上再给十亿的研发经费,成功的概率也就是万分之十、千分之一。

         

        电池对小型设备比如说手机非常重要,但是靠电池做大型的储能要非常谨慎。最近国家也非常注意,把梯级利用的大电站停下来了,因为安全性是一个问题。

         

        电动车和燃料电池最大的问题在于基础设施的土地成本问题和冬天续航问题。现在我们城市里土地很贵,好多人为了拿国家补贴就在郊外搞一个充电站,但是买一辆车如果开车一个小时才能到充电站,你会买吗?现在,中国已建成的公共充电桩利用率平均只有4%左右,其中充电桩铺设最多的北京、上海,使用率仅为1.8%、1.5%。电动车存在里程焦虑且冬天无法满足供暖,到冬天一遇冷可能会趴窝,要知道全世界80%主要发达城市位于北纬25度以上,纽约、伦敦、巴黎、莫斯科、东京、北京、多伦多,这些城市都是有冬天的地方,如果一辆汽车只能夏天开冬天开不了,你会买吗?原来我在北京,为了研究这个,专门找电动出租车坐,上车后我发现司机大冬天穿着军大衣、棉靴子,不敢开暖气。我说把暖气打开,司机说他不敢。因为不开暖气,只能跑100多公里,如果开了暖气,马上就没电了,他根本赚不了钱。

         

        如果风能、太阳能和煤炭结合转成甲醇,我车上永远装50升的甲醇就好办了。今天,在深圳买一辆电动车,连广州都不敢跑一趟。跑到那里没电了不知道到哪充,即使能找到充电桩,可能也要等一个小时,而快充对电池的破坏很大。怎么办?我们现在想办法给电动车赋能。反正晚上回家停车,你在停车位边安一个比较小的慢充装置,几百块钱就行了。你把它充满,但是车上永远装50L的甲醇,就相当于你晚上睡觉把手机充满,同时还带了一个充电宝。没电的时候,就可以用车上的甲醇和水制氢,用氢发电。这样根本不需要再建那么多充电站和加氢站,而且甲醇和水反应只需要200多度,它的余热就可以把电池维持在最佳的温度。

        雾霾的元凶在哪里?

         

        还有一个碳中和的路线,是跟雾霾相关的。

         

        这些年,我一直在研究雾霾。我对雾霾有亲身体会。如果一直在北京生活我们可能感觉不到,但我家在南加州,早些年回国后,每次从洛杉矶到北京以后,那种强烈的对比让我觉得一定要把中国的雾霾给治理好。

         

        雾霾包括一次颗粒和二次颗粒?;剂先绮裼腿忌帐蔽财兄苯优欧诺目帕J恰耙淮慰帕#≒rimary Particulates)”,占雾霾总量的24%左右。对雾霾贡献最大的是 “二次颗粒(Secondary Particulates)” 占到其总量的约50%左右?!岸慰帕!笔腔剂先忌瘴财械钠廴疚铮ㄈ鏝Ox、SOx)和挥发性有机物(VOC)进入大气后,在一定的水雾状态下与空气中的氨及VOC等物质发生气溶胶反应形成的颗粒。氮氧化物在天空遇水就变成硝酸,硫氧化物氧化遇水就是硫酸。如果我们不使用化肥就只能形成酸雨形不成雾霾。大量使用化肥所以天上有氨,氨是碱,酸碱反应然后形成颗粒PM2.5。肉眼的分辨率只有60微米,头发丝大概是70微米,一个PM2.5的颗粒是看不见摸不着,但是当无数个PM2.5悬浮在天空中就可以遮天蔽日。

         

        这两年国家在脱硫脱硝上花了上万亿,取得非常大的进展,但是到冬天还有雾霾,一个重要因素是使用化肥以及氨排放没有得到足够的重视?;实呐欧啪褪前钡呐欧?。

         

        化肥有它的问题和弊性,使用一年、两年、三年、五年没问题,但是用了三十年、五十年以后,问题来了。早些年硝酸铵、磷酸铵强酸弱碱,氨被吸收,酸流到土壤里面,把土壤中的细菌杀死,引起大面积的土地板结。

         

        另外,用了化肥三十年、五十年后的东西看着个大皮厚,但吃着没有味道了。什么原因?因为决定食品营养和味道的是生长作物的半米左右深的土壤中微量元素和矿物质的含量。土壤中有很多矿物质不溶于水,但是一遇到酸,会发生酸浸,浸三五十年以后,当半米深的土壤中这些微量的矿物质都没有了的时候,食品不可能不变。中国淮河两岸吃的东西不一样是因为两岸的土壤组成不一样。

         

        对比1960年的玉米和2013年的玉米情况。1960年是纯粹自然生长的,2013年的是化肥催大的,看着个大饱满,但是每100克里面钙含量下降了78%。人类大量使用化肥和农药,导致土壤中的微量元素不断下降,并伴随着哮喘、心脏病、癌症等疾病的增加。

         

        中国自1978年改革开放之后,开始大量开始使用化肥,到大概2011年化肥产能接近峰值。这期间全中国粮食增产了87%,但化肥使用量增加到682%。每吨粮食产量需要0.1吨的化肥。2017年全国农作物总播种面积1.6亿公顷,平均化肥施用强度为352公斤/公顷,福建、海南、北京、广东等省市分别为751公斤/公顷、724公斤/公顷、707公斤/公顷、611公斤/公顷;而国际警戒线值为225公斤/公顷(世界平均水平为120公斤/公顷)。

         

        其实随经数百万至数千万年,物质不灭,土壤中宝贵的微量元素及矿物质是以煤炭的形式保留至今的。煤炭中可燃的部分,基本是通过光合作用二氧化碳形成的;不可燃的部分从哪里来的?就是远古时期树根吸收的宝贵的矿物质、微量元素。但这些东西不能用火烧掉,一千多度以后它们就形成了玻璃状的琉璃瓦。

         


        微矿分离技术


        现在我们有一个核心技术(见上图)就是在水中把煤里面可燃的和不可燃的分开进行磨细,底下浅色的就是土壤中最宝贵的东西,但是不能直接加,要经过一系列微生物的过程,最后形成最好的土壤改良剂。上层的劣质煤就可以制甲醇,这样甲醇的成本也可以降下来。这是环环相扣的。

         

        为什么要从雾霾开始讲?因为这种小颗粒像雾霾,过滤下来以后比重比空气重得多,它以2.5微米悬浮在空中不会落下来,除非下雨,因为当粒度到这么小的时候,重力就起不了作用,而是表面力在起作用。

         

        那么既然它悬浮到空气中下不来,我们就让它悬浮到水里面造成类似“黑色牛奶”的燃料。牛奶表面上看是液体,在显微镜底下其实是几十微米的氮颗粒悬浮在水里的。我们将微米级的煤炭颗粒、纯碳颗粒悬浮在水里,然后设计一个锅炉,让它燃烧起来比天然气都干净。我们甚至可以直接用汽化炉制甲醇,得到的燃料比现在的船油还干净、还便宜,同时还可以解决中国的煤炭运输问题。

         

        现在到鄂尔多斯、吕梁高速公路上,很多大卡车拉煤,污染很重。目前,我们储煤的地方海拔大约1500-2000米,运煤的地方比如深圳只有几十米的海拔,这样建一个管路自己就流过来了。

         

        十年前,我说中国的雾霾汽车有贡献但是绝对不是主要的,要治理雾霾首先要把煤搞干净以后再烧;当时推动电动车的一批人,说要治理雾霾就要把汽车变成电动车。但是去年疫情防控期间很多地方封城,让我有机会做一个大实验,当时,全中国的汽车,包括电动车都停了两个多月,可北京、太原、西安、哈尔滨、郑州雾霾的天还是很多。原因在哪里?主要还是抗疫的时候大冬天家里供暖的问题,中国的天然气不够,还得烧煤。

         

        当时,我以治理雾霾的心态做这个技术,现在已经产业化了,工厂已经开始运转了,而且做了大量的农田实验,效果比我们想象的要好。

         


        碳中和的现实路径

         

        第一是通过现有煤化工与可再生能源结合实现低碳能源系统。一方面可以让现有的煤化工实现净零碳排放,另一方面是通过太阳能、风能、核能电解水制备绿氢和氧气,合成气不经水汽变换,大大降低煤制甲醇的二氧化碳排放。

         

        第二是利用煤炭领域的碳中和技术——微矿分离技术。在煤燃烧前,把可燃物及含污染物的矿物质分离开,制备低成本类液体燃料+土壤改良剂,源头解决煤污染、滥用化肥及土壤生态问题,同时低成本生产甲醇、氢气等高附加值化学品。

         

        因为传统的煤炭使用方式燃烧二氧化碳排放产生的灰渣有10%的碳,不光是浪费能源而且现在变成了固废,整个内蒙古的电厂粉煤灰成灾。通过分离之后,该做燃料就做燃料,该做土壤做土壤,分流以后,这边释放二氧化碳,更多的森林长起来把二氧化碳吸回来,这样做了完全可以达到碳中和。(见下图)

         

        图片

        微矿分离技术效果示意

         

        当清洁固体燃料CSF产量达到25万吨时,我们每年碳排放大约69.5万吨,根据治理的面积大约可以吸回来20.8万吨,在施用土壤矿物改良剂SRA条件下,可以吸回来48.7万吨、61.9万吨,甚至74.9万吨。

         

        这是比较现实的碳中和的路径,而且不需要那么高的成本,适当花一点钱就可以做到的。

         

        第三,实现光伏与农业的综合发展,将光伏与农业、畜牧业、水资源利用及沙漠治理并举,实现光伏和沙漠治理结合,及光伏和农业联合减碳。

         

        西部缺水,水一浇就漏下去了,因此,我们可以采用非常保水的材料。但是西部再保水,大太阳晒还是长不出来,怎么办?有了太阳能板,底下的挥发减少了,就可以种东西。太阳能有一个最大的好处,就是要定期冲这个板,有了发电,大家可以花一点钱拿PVC管接点黄河水过去,每几周给光伏板冲水,同时,水资源宝贵,冲过的水我们还可以用来给农作物做滴灌。这样,发电的同时还可以把底下全部变成绿色,变好了再把太阳能板搬个几百米,一片片土地可以治理出来。

         

        第四,峰谷电与热储能综合利用?;鸬绯前胍挂膊荒芡5?。现在中国的火电厂在半夜12点到早上的6点电这个区间,尽管还在排放大量二氧化碳,但发的电没人用,是浪费掉的。怎么办?电不好储存,可以用热的形式储存下来,利用分布式储热???,在谷电时段把电以热的形式储下来,再在需要时用于供热或空调,这样可以让1/4甚至是1/3的时间的电不至被浪费,可大大降低二氧化碳排放,实现真正的煤改电,再配合屋顶光伏战略及县域经济,进一步减少电能消耗。能量不仅仅是电能,国内储能领域对于储电关注较多,但实际上大多数的能量从消费端来看都是用在了热能领域,储热技术也是需要我们去关注和发展的。

         

        第五,利用可再生能源制甲醇,然后做分布式的发电??梢允褂眉状记饽芊植际侥茉刺娲磺惺褂貌裼突某【?,和光伏、风能等不稳定可再生能源多能互补。

         

        谢谢大家!

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