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中国科学院院士李灿:风光制氢已具备商业价值,可替代“新能源+储能”模式

   日期:2020-12-04     来源:风芒能源    浏览:15527    评论:0    
12月1日,张家口长城·国际可再生能源论坛在张家口举办。会上,中国科学院大连化学物理研究所研究员,中国科学院院士李灿,做了题为《可再生能源规模化储能——绿色氢能与液态阳光甲醇》的演讲。从生产成本、盈利模式等角度提出了风电、光伏等可再生能源制氢替代“新能源+储能”的发展构思。

目前,最可再生能源制氢最关键等问题是转化效率,技术的稳定性,以及能不能规模化。

“现在看上去转化效率做的非常好,现在我们国家光电转化20%以上,电解水的技术,现在超过了80%。这个是世界上最好的技术,这样下来太阳能到制氢已经达到16%以上,以前DOE等等做很多经济评估提到,无论是风、光还是水,能够到10%以上的制氢效率就有商业化价值,长远看很有价值。”李灿表示。

以下为演讲全文:

李灿:我今天讲可再生资源规模化储能,大家都非常关心可再生资源很重要的卡脖子问题——储能问题。今天提到的绿色氢能液态阳光甲醇,储能技术很多,方方面面。

电解水制氢这个技术,已经很老了,不是现在就有,但是问题是效率和规模化还是一个大问题,现在能够流行的,能够可能未来在规模化应用的大概有三个技术,一个是碱性水电解,还有高温固体氧化物技术,还有固体聚合物水电解。

碱性水电解目前已经有能耗高,效率低,但是廉价,从原料上可以做的很大,稳定性比较好。留下的问题是能不能把效率做高,规模做大;酸性电解水体系也是相对趋于成熟,但是单套规模比较小,寿命目前来看也还不是那么长;继续在努力之中,固体氧化物电解水技术放大尚不成熟,尚在实验室阶段,也是非常有希望的,特别配核电,可以把核电的余热很好的利用起来。

总结起来要发展一个好的电解水制氢需要大规模低能耗,高稳定性,光解决一个低能耗,稳定性不高不行,要把这三个大规模的点能耗相关的,一般规模大了能耗不容易上去,高稳定性,因为工作条件比较苛刻,因为在强酸要么在强碱里面,要求比较高,规模化要跟大规模的市场匹配,最起码每方一千以上,越大越好。

这三个要求是我们学术界和工业界共同提出来,2020年十大重大工程难题之一。最近这些年来一直在攻克,光催化电催化,光电催化的技术,这些技术不光要满足刚才讲的三点,而且要满足可再生资源的特征,间歇性不稳定性,特别是光伏白天有,晚上没有。

我们的技术最近在小室中室到放大实验室基本解决了问题,我们可以通过制氢,能够可再生资源的波动,能够适应条件。大家可以看到,在多云的时候,光伏发电的效率是波动非常大的,下面的是电解水的槽子,制氢的能力也是跟着它波动。

这个非常好,不需要储能,为什么要储能?因为电要输送出去,一定要上高压线和特高压线,一定要稳定,这个要求必须要用储能的技术来把波动的电能稳定下来,但是这个不需要,这个就是直接发电多,就产氢多,发电少就少产氢,存储便利。

这个技术克服以后,对整个解决波动的间歇性的可再生资源意义重大。晴天的时候,从早上八点开始,到下午日落,可再生资源发电的规律是看的很清楚。下面的制氢的规律也是一样的,吻合的非常好。所以基本上用这样的技术可以解决可再生资源的储能问题,弃光弃风弃电的问题。

制氢很重要,可再生资源制氢就是绿氢。它有优点,缺点也很明显,体积密度很小,不得不有液氢和高压来做,能耗很大,而且安全性问题也非常大。

这个过程里面,两个关键技术,所有的重大战略都要有非常好的技术支撑,第一解决了大规模的高效的光伏、风电的电解水制氢的过程。第二个发展了一种高效高选择性的二氧化碳加氢制甲醇,单程一次过去是90%的甲醇,如果用循环反应,最后所有的二氧化碳都99%的转化率到了甲醇,这就是我们技术的先进性。

这个工作是我们应该是第一个在中国也是全世界第一套直接利用太阳能来生产液态阳光的千吨级的示范工程,整个关键技术都是我们自主知识产权的技术,全部设备是国产化的。这个千吨级示范工程以后,我们要做更大规模的往下走,千吨级只是做技术的示范,这是现场的合成甲醇的塔的示意图,2020年1月我们就成功了,2020年10月份,我们受到石化联合会光学和光学两个领域的专家的认可。

大家一讲储能,传统把电能变成一种形式的化学,比如离子电池等等,这种东西储存起来,最终还是电能的形式要放出去,比如白天光伏多余的储存起来,到晚上还是电能的形式输出出去,这样是好的。但是带来的问题是要规模化低成本还是有一定的困难,问题是要输出去的还是电能,刚才我们讲我们国家的电能不缺,慢慢达到饱和。

但是我们国家还有能源需求,可再生资源还要发展,就要有化学能,所以我们这条路线,电能的化学能,化学能输出化学能,输出甲醇,氢能,这是一个新的思路,用化学能作为一个储能,而且这个储能是一个更加大规模的,可以长期储能的。

上面有一个数字,如果生产一吨甲醇,会有六千到八千度电,如果生产百万吨甲醇,就有60到80亿度电,规模很大,百万吨甲醇在化工过程来讲是完全可以实现的,不是很大的工程。这样我们就可以解决可再生资源长期以来的问题,可再生资源是供给端是随机的,需求端也是随机的,把这两端随机解决了,把随机产生的电能变成太阳燃料,长期储存起来,这个缓冲体系解决下游能源需求。有的今天用的多就多用甲醇,有的地方不用就先放在这,价格低的时候放在这,这个对商家来讲最喜欢的事情,所以解决了两端的问题。

这个成本价格怎么样?有三个方面,一个是转化效率,技术的稳定性,能不能规模化,现在看上去转化效率做的非常好,现在我们国家光电转化20%以上一点问题没有,电解水的技术,现在超过了80%。这个是世界上最好的技术,这样下来太阳能到制氢已经达到16%以上,以前DOE等等做很多经济评估,无论是风、光还是水,能够到10%以上的制氢效率就有商业化价值,长远看很有价值。现在我们已经超过16%,稳定性,现在讲我们两个催化剂都可以做到5到10年,规模到千方级别,正努力到万方,还有一个是可再生资源自己发电的成本,现在可再生资源发电,刚才杜院长也提到了,发电成本直线往下走,因为风电或者光伏,原料是不花钱的,就是技术,只要技术不断的改进,成本就一直往下走。现在光伏发电,在过去的十几年里面降了90%,还在往下走,另外电解槽,我们也做了很大的降价的空间,效率上去了,规模上去了,单套产能上去了,制备成本就降下来了。

整个电解水制氢是60%是可再生资源发电的成本,再加上35%的电解水成本,这两个成本都往下降,整个电解水制氢的成本肯定往下降。现在实际上刚性成本告诉大家一个情况,光伏发电已经接近到我们国家接近了一毛多钱一度,现在上网还在四毛五毛,在局部地区已经到两毛五到三毛,在国际上的招标价格在一毛钱以下,1.3美分,就是一毛钱左右,非常低。

还要解决另外一个问题,现在氢能非常热,氢能可再生资源技术,氢能储存运输是很大问题,液态阳光甲醇就是一个非常好的来解决氢的安全性问题,把甲醇用水重整,这个路线是通的,把氢气放出来,这个放出来以后,储氢的效率至少是12%,如果是运输里面不要加水,到现场加水,算甲醇18.75%,每吨甲醇可以放出187公斤的氢气,这个量不得了,因为商业化有一个目标,储氢的目标有7%就可以用了,现在远远超过7%。

所以太阳燃料甲醇,就可以解决氢燃料制储运安全问题,甲醇来自于太阳原料,从原料就是一个清洁绿色的技术。至于这样的思路,我们马上进行加氢站的构思,我们先看一个现行的加氢站,运到加氢站,然后用高压储存罐储存。

我们把液态阳光的甲醇用车拉到加氢站,没有安全性问题,相当于汽油柴油拉的过程,我们跟加油站是一样的,放在那里储存起来,然后运的时候,我们把甲醇储存的时候,经过催化过程,把氢气放出来,用多少产多少,不用在加氢站储存很高压的大量的氢气罐,解决第一个安全问题,最重要是把运输的安全问题解决,运输甲醇大家知道是很方便的,车可以拉几十吨甲醇,但是要拉几百公斤的氢气麻烦大了,氢气罐高压气罐在很多地方有限制,现在加氢站的成本,除了制氢的原料成本以外,很大一块是运输,运输成本可以加一倍,这样还有一个好处就是我们把氢气二氧化碳分离出来以后,液化二氧化碳,再运回去,再运到液态阳光厂里面去,又把它变成甲醇,二氧化碳成了载能分子,整个循环,二氧化碳的运输也是没有什么安全性问题,很靠谱的事情。

最后把清洁氢可以运到我们的氢燃料电池里面去。这样一个技术路线,我们很快行动,很快进行工业化示范,大家也看到这样的优点,就是它解决了高压加氢站的安全性问题,储存运输的安全性问题,可再生资源变成液态阳光的全过程,二氧化碳可以回收作为低碳零碳甚至负碳过程,二氧化碳不断循环就是负碳过程,这个技术的关键技术已经解决了,这个技术还可以扩展到其他的制氢,比如甲苯合成氨,这样的加氢站可以到社区里面去,很安全。

最后总结一下,我们今天讲的氢能和液态阳光甲醇是新的储能形式,解决可再生资源间歇性的问题。这样可以解决一些边远地区不能上网难以上网的可再生资源,解决弃风、弃光弃水的问题,还可以除特高压输电之外的另外一种规模化输送能源的途径,我们西气东运的管道和火车可以把甲醇拉过去,不用建特高压线,这样的过程把二氧化碳温室气体,一种废气资源化利用,通过CCSU碳捕获转化使用这样的过程,还可以用现代化工过程耦合起来,不光是自身,是化学品和精细化学品绿色化学合成。实现规模化减排二氧化碳,使亿吨级减碳成为可能,作为绿色燃料,部分替代汽油储油,缓解我们国家固体能源安全,作为绿色氢能的载体,可以缓解制、储、运、加安全性和成本问题,并使燃料电池碳足迹是绿色的。我做绿色氢能,做液态阳光工作做了将近20年,2001年我们国家加入WTO年代,没有人提可再生资源绿色氢能,就像杜院长讲的,微不足道的时候,我们就开始做这个工作,这个照片是我们的博士后,已经毕业上百个了,基础研究得到了国家基金委,中国科学院国家九四三,国际上公司,国内的公司等给予了很多支持,没有他们的支持,没有年轻人的努力,我们是不能取得这些成绩的,在这里也是一并感谢他们。 
 

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