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        產業政策

        碳達峰、碳中和大多數人都搞錯了(2)

        文字:[大][中][小] 2021-11-17    瀏覽次數:631    

        為什么甲醇可能成為最好的儲氫載體?


        如果今后真正想實現碳中和,并且太陽能、風能可以賣碳稅的時候,可以把風能、太陽能和煤結合制出比較便宜的甲醇,通過車載甲醇制氫并與燃料電池系統集成,這就比直接燃燒的發動機效率高。這條路線未來是有可能的。我只說有可能,不能保證,主要取決于各種政策的調整和碳稅。如果碳稅上去了,這條線路就有經濟性。

         

        1L甲醇和水反應可以放出143克的氫。儲氫要么壓縮,要么冷凝。即使冷凝,1L的液氫也就72克,而1L甲醇的產氫量是1L液氫的2倍。

         

        為什么這個技術有可能這樣做?二十年前,全世界第一輛汽油轉化制氫的燃料電池汽車,是我領著尼桑和殼牌的一些工程師造出來的。

         

        這有一個小故事,那時豐田、本田、GM的高壓氫燃料電池已經造出來了,尼桑發現落后了,于是找到殼牌,又找到我們,說能不能造一輛車,加的是汽油,汽油在車上和水、空氣反應造氫,然后推動燃料電池,這樣燃料電池的效率高,同時也可以不用加氫站。

         

        當時為什么沒有做甲醇?因為美國還沒有大規模開采頁巖氣,國外的甲醇成本太高。2005年,如果我們預測到會發生頁巖氣革命,就不會花28億美元建零污染火電廠。但技術是不可預測的。頁巖氣革命讓世界上突然發現了上百年用不完的天然氣,也使得天然氣從17美元/百萬英熱單位狂降到1.5美元,現在平盤到3美元左右。

         

        在天然氣價格那么高的時候,甲醇沒有經濟性。所以,當時我們公司考慮用油,說能不能在車上汽油制氫。老板找我的時候,我說這個項目肯定不掙錢。他跟我說,我做阿波羅登月的時候根本沒有想到掙錢,但事實上我們阿波羅登月開發的技術后來在各個領域用上了,現在有尼桑給我們錢,只要把技術做到極限,最后也能在其他領域有用。我說,只要別拿掙錢衡量我,你給我錢我來玩技術。后來,幾年之內我們就把第一輛汽油轉化制氫的燃料電池汽車造出來了。

         

        有了這個技術做積累,甲醇制氫比汽油轉化容易很多,因為一方面甲醇干凈得多,沒有硫;另一方面汽油轉化需要850度以上,甲醇200度就可以了。

         

        為什么我提甲醇這條線路?甲醇可以用煤、天然氣來制,未來可以用太陽能催化二氧化碳和水來制甲醇,就變成綠色的甲醇。中國科學院大連化物所的李燦院士以及我們南方科技大學都在做綠色甲醇的研發,中科院在蘭州已經建設了1000噸的論證示范工廠?,F在中國甲醇產能全世界最高,大概8000多萬噸。另外,頁巖氣革命讓世界發現了100多年用不完的天然氣。有100多年用不完的天然氣,就有100多年用不完的甲醇。未來如果碳稅真正上去了,我們也可以用風能和太陽能制氫,這樣生產的甲醇就完全是綠色甲醇了。

         

        但是這個世界不需要追求絕對的“零碳”?!疤贾泻汀庇幸粋€概念,就是這個世界碳太多不好。但是任何人追求零碳是不科學的,因為我們吃的食品、植物生長和光合作用都需要二氧化碳。如果把中國的經濟從煤經濟轉到天然氣經濟或者是甲醇經濟就可以減碳67%,那么基本上就可以做到碳平衡了。因此中國講的是“碳中和”,國外講的是“凈零排放”,也就是要排放的同時也要有別的技術平衡排放。

         

        我個人覺得,從中國的天然稟賦來看,中國有很成熟的煤制甲醇技術,只是要產生很多的二氧化碳,因為要補氫。如果那部分的氫可以在西部用太陽能和風能制,這樣煤轉成甲醇就不用排放二氧化碳,再用甲醇作為能源的載體就可以減碳67%,這可能是比較現實的一條碳中和路線。

         

        這樣風能、太陽能雖然貴一點,但煤很便宜,這兩個一中和,成本就可控了。氫氣和二氧化碳做綠色甲醇目前還有一定的成本障礙,如今直接用現有的煤甚至劣質煤制甲醇就可以了。甲醇是一個載體,液體的載體比氣和電載體科學多了。因為,電雖然好輸送但是不好存儲,氫既不好輸送,也不好存儲,只有液體比較方便。

         

        今天氫氣制造很便宜,可一旦壓縮到幾百公斤大氣壓的時候成本就上去了。張家口冬奧會做氫能示范,國家補貼了大量資金,并且目標在未來幾年達到30元/kg的氫氣價格。但是如果在車上用甲醇,就按今天的市場價格買甲醇,每公斤氫氣的成本只有15元。

         

        所以一方面是甲醇制氫的成本低了;另一方面,甲醇常溫常壓下是液體,甲醇站可以用已有的液體加油站改裝。對于一般的加油站,近年可能是6個罐,前期替換成1個甲醇罐、5個汽柴油罐,再過十年,替換成2個甲醇罐,4個汽油罐。這樣整個能源轉型就不需要再花多少萬億去建加氫站和充電樁了。

         

        簡單估算一下布局成本,按照加油站450輛車/天的加注能力,充電站24輛車/天充電能力,小型氫氣加注30輛車/天的能力來測算,假設都建一萬座,甲醇大約需要20億美元,充電站大約需要830億美元,加氫站大約1.4萬億美元,而且這個1.4萬億還沒有考慮地價的因素。

         

        我不認為我們會把花了幾萬億建起來的液體燃料基礎設施毀掉再重新建加氫站和充電樁,沒有必要。石油如果排碳太高可以用綠色的液體取代,而且我們可以把太陽能和風能轉成液體儲存下來,這就改變了儲能的概念,原來大家多少年花了多少萬億就是研究儲電,但是儲電干了一百年都干不過一個抽水儲電,這條線上再給十億的研發經費,成功的概率也就是萬分之十、千分之一。

         

        電池對小型設備比如說手機非常重要,但是靠電池做大型的儲能要非常謹慎。最近國家也非常注意,把梯級利用的大電站停下來了,因為安全性是一個問題。

         

        電動車和燃料電池最大的問題在于基礎設施的土地成本問題和冬天續航問題?,F在我們城市里土地很貴,好多人為了拿國家補貼就在郊外搞一個充電站,但是買一輛車如果開車一個小時才能到充電站,你會買嗎?現在,中國已建成的公共充電樁利用率平均只有4%左右,其中充電樁鋪設最多的北京、上海,使用率僅為1.8%、1.5%。電動車存在里程焦慮且冬天無法滿足供暖,到冬天一遇冷可能會趴窩,要知道全世界80%主要發達城市位于北緯25度以上,紐約、倫敦、巴黎、莫斯科、東京、北京、多倫多,這些城市都是有冬天的地方,如果一輛汽車只能夏天開冬天開不了,你會買嗎?原來我在北京,為了研究這個,專門找電動出租車坐,上車后我發現司機大冬天穿著軍大衣、棉靴子,不敢開暖氣。我說把暖氣打開,司機說他不敢。因為不開暖氣,只能跑100多公里,如果開了暖氣,馬上就沒電了,他根本賺不了錢。

         

        如果風能、太陽能和煤炭結合轉成甲醇,我車上永遠裝50升的甲醇就好辦了。今天,在深圳買一輛電動車,連廣州都不敢跑一趟。跑到那里沒電了不知道到哪充,即使能找到充電樁,可能也要等一個小時,而快充對電池的破壞很大。怎么辦?我們現在想辦法給電動車賦能。反正晚上回家停車,你在停車位邊安一個比較小的慢充裝置,幾百塊錢就行了。你把它充滿,但是車上永遠裝50L的甲醇,就相當于你晚上睡覺把手機充滿,同時還帶了一個充電寶。沒電的時候,就可以用車上的甲醇和水制氫,用氫發電。這樣根本不需要再建那么多充電站和加氫站,而且甲醇和水反應只需要200多度,它的余熱就可以把電池維持在最佳的溫度。

        霧霾的元兇在哪里?

         

        還有一個碳中和的路線,是跟霧霾相關的。

         

        這些年,我一直在研究霧霾。我對霧霾有親身體會。如果一直在北京生活我們可能感覺不到,但我家在南加州,早些年回國后,每次從洛杉磯到北京以后,那種強烈的對比讓我覺得一定要把中國的霧霾給治理好。

         

        霧霾包括一次顆粒和二次顆粒?;剂先绮裼腿紵龝r尾氣中直接排放的顆粒是“一次顆粒(Primary Particulates)”,占霧霾總量的24%左右。對霧霾貢獻最大的是 “二次顆粒(Secondary Particulates)” 占到其總量的約50%左右?!岸晤w?!笔腔剂先紵矚庵械臍鈶B污染物(如NOx、SOx)和揮發性有機物(VOC)進入大氣后,在一定的水霧狀態下與空氣中的氨及VOC等物質發生氣溶膠反應形成的顆粒。氮氧化物在天空遇水就變成硝酸,硫氧化物氧化遇水就是硫酸。如果我們不使用化肥就只能形成酸雨形不成霧霾。大量使用化肥所以天上有氨,氨是堿,酸堿反應然后形成顆粒PM2.5。肉眼的分辨率只有60微米,頭發絲大概是70微米,一個PM2.5的顆粒是看不見摸不著,但是當無數個PM2.5懸浮在天空中就可以遮天蔽日。

         

        這兩年國家在脫硫脫硝上花了上萬億,取得非常大的進展,但是到冬天還有霧霾,一個重要因素是使用化肥以及氨排放沒有得到足夠的重視?;实呐欧啪褪前钡呐欧?。

         

        化肥有它的問題和弊性,使用一年、兩年、三年、五年沒問題,但是用了三十年、五十年以后,問題來了。早些年硝酸銨、磷酸銨強酸弱堿,氨被吸收,酸流到土壤里面,把土壤中的細菌殺死,引起大面積的土地板結。

         

        另外,用了化肥三十年、五十年后的東西看著個大皮厚,但吃著沒有味道了。什么原因?因為決定食品營養和味道的是生長作物的半米左右深的土壤中微量元素和礦物質的含量。土壤中有很多礦物質不溶于水,但是一遇到酸,會發生酸浸,浸三五十年以后,當半米深的土壤中這些微量的礦物質都沒有了的時候,食品不可能不變。中國淮河兩岸吃的東西不一樣是因為兩岸的土壤組成不一樣。

         

        對比1960年的玉米和2013年的玉米情況。1960年是純粹自然生長的,2013年的是化肥催大的,看著個大飽滿,但是每100克里面鈣含量下降了78%。人類大量使用化肥和農藥,導致土壤中的微量元素不斷下降,并伴隨著哮喘、心臟病、癌癥等疾病的增加。

         

        中國自1978年改革開放之后,開始大量開始使用化肥,到大概2011年化肥產能接近峰值。這期間全中國糧食增產了87%,但化肥使用量增加到682%。每噸糧食產量需要0.1噸的化肥。2017年全國農作物總播種面積1.6億公頃,平均化肥施用強度為352公斤/公頃,福建、海南、北京、廣東等省市分別為751公斤/公頃、724公斤/公頃、707公斤/公頃、611公斤/公頃;而國際警戒線值為225公斤/公頃(世界平均水平為120公斤/公頃)。

         

        其實隨經數百萬至數千萬年,物質不滅,土壤中寶貴的微量元素及礦物質是以煤炭的形式保留至今的。煤炭中可燃的部分,基本是通過光合作用二氧化碳形成的;不可燃的部分從哪里來的?就是遠古時期樹根吸收的寶貴的礦物質、微量元素。但這些東西不能用火燒掉,一千多度以后它們就形成了玻璃狀的琉璃瓦。

         


        微礦分離技術


        現在我們有一個核心技術(見上圖)就是在水中把煤里面可燃的和不可燃的分開進行磨細,底下淺色的就是土壤中最寶貴的東西,但是不能直接加,要經過一系列微生物的過程,最后形成最好的土壤改良劑。上層的劣質煤就可以制甲醇,這樣甲醇的成本也可以降下來。這是環環相扣的。

         

        為什么要從霧霾開始講?因為這種小顆粒像霧霾,過濾下來以后比重比空氣重得多,它以2.5微米懸浮在空中不會落下來,除非下雨,因為當粒度到這么小的時候,重力就起不了作用,而是表面力在起作用。

         

        那么既然它懸浮到空氣中下不來,我們就讓它懸浮到水里面造成類似“黑色牛奶”的燃料。牛奶表面上看是液體,在顯微鏡底下其實是幾十微米的氮顆粒懸浮在水里的。我們將微米級的煤炭顆粒、純碳顆粒懸浮在水里,然后設計一個鍋爐,讓它燃燒起來比天然氣都干凈。我們甚至可以直接用汽化爐制甲醇,得到的燃料比現在的船油還干凈、還便宜,同時還可以解決中國的煤炭運輸問題。

         

        現在到鄂爾多斯、呂梁高速公路上,很多大卡車拉煤,污染很重。目前,我們儲煤的地方海拔大約1500-2000米,運煤的地方比如深圳只有幾十米的海拔,這樣建一個管路自己就流過來了。

         

        十年前,我說中國的霧霾汽車有貢獻但是絕對不是主要的,要治理霧霾首先要把煤搞干凈以后再燒;當時推動電動車的一批人,說要治理霧霾就要把汽車變成電動車。但是去年疫情防控期間很多地方封城,讓我有機會做一個大實驗,當時,全中國的汽車,包括電動車都停了兩個多月,可北京、太原、西安、哈爾濱、鄭州霧霾的天還是很多。原因在哪里?主要還是抗疫的時候大冬天家里供暖的問題,中國的天然氣不夠,還得燒煤。

         

        當時,我以治理霧霾的心態做這個技術,現在已經產業化了,工廠已經開始運轉了,而且做了大量的農田實驗,效果比我們想象的要好。

         


        碳中和的現實路徑

         

        第一是通過現有煤化工與可再生能源結合實現低碳能源系統。一方面可以讓現有的煤化工實現凈零碳排放,另一方面是通過太陽能、風能、核能電解水制備綠氫和氧氣,合成氣不經水汽變換,大大降低煤制甲醇的二氧化碳排放。

         

        第二是利用煤炭領域的碳中和技術——微礦分離技術。在煤燃燒前,把可燃物及含污染物的礦物質分離開,制備低成本類液體燃料+土壤改良劑,源頭解決煤污染、濫用化肥及土壤生態問題,同時低成本生產甲醇、氫氣等高附加值化學品。

         

        因為傳統的煤炭使用方式燃燒二氧化碳排放產生的灰渣有10%的碳,不光是浪費能源而且現在變成了固廢,整個內蒙古的電廠粉煤灰成災。通過分離之后,該做燃料就做燃料,該做土壤做土壤,分流以后,這邊釋放二氧化碳,更多的森林長起來把二氧化碳吸回來,這樣做了完全可以達到碳中和。(見下圖)

         

        圖片

        微礦分離技術效果示意

         

        當清潔固體燃料CSF產量達到25萬噸時,我們每年碳排放大約69.5萬噸,根據治理的面積大約可以吸回來20.8萬噸,在施用土壤礦物改良劑SRA條件下,可以吸回來48.7萬噸、61.9萬噸,甚至74.9萬噸。

         

        這是比較現實的碳中和的路徑,而且不需要那么高的成本,適當花一點錢就可以做到的。

         

        第三,實現光伏與農業的綜合發展,將光伏與農業、畜牧業、水資源利用及沙漠治理并舉,實現光伏和沙漠治理結合,及光伏和農業聯合減碳。

         

        西部缺水,水一澆就漏下去了,因此,我們可以采用非常保水的材料。但是西部再保水,大太陽曬還是長不出來,怎么辦?有了太陽能板,底下的揮發減少了,就可以種東西。太陽能有一個最大的好處,就是要定期沖這個板,有了發電,大家可以花一點錢拿PVC管接點黃河水過去,每幾周給光伏板沖水,同時,水資源寶貴,沖過的水我們還可以用來給農作物做滴灌。這樣,發電的同時還可以把底下全部變成綠色,變好了再把太陽能板搬個幾百米,一片片土地可以治理出來。

         

        第四,峰谷電與熱儲能綜合利用?;痣姀S是半夜也不能停的?,F在中國的火電廠在半夜12點到早上的6點電這個區間,盡管還在排放大量二氧化碳,但發的電沒人用,是浪費掉的。怎么辦?電不好儲存,可以用熱的形式儲存下來,利用分布式儲熱模塊,在谷電時段把電以熱的形式儲下來,再在需要時用于供熱或空調,這樣可以讓1/4甚至是1/3的時間的電不至被浪費,可大大降低二氧化碳排放,實現真正的煤改電,再配合屋頂光伏戰略及縣域經濟,進一步減少電能消耗。能量不僅僅是電能,國內儲能領域對于儲電關注較多,但實際上大多數的能量從消費端來看都是用在了熱能領域,儲熱技術也是需要我們去關注和發展的。

         

        第五,利用可再生能源制甲醇,然后做分布式的發電??梢允褂眉状細淠芊植际侥茉刺娲磺惺褂貌裼蜋C的場景,和光伏、風能等不穩定可再生能源多能互補。

         

        謝謝大家!

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