-20年坚持创新 “液态阳光”变现实——我国建成千吨级液态太阳燃料合成示范装置
作者:韩扬眉
发布时间:2020-10-16
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-20年坚持创新 “液态阳光”变现实——我国建成千吨级液态太阳燃料合成示范装置

千吨级液态太阳燃料合成示范装置(中科院大连化学物理研究所供图)

10月15日,由中国科学院大连化学物理研究所主导研发的“千吨级液态太阳燃料合成示范项目”(以下简称项目)在兰州新区通过了中国石油和化学工业联合会组织的科技成果鉴定。

鉴定委员会专家一致认为:该项目集成创新了液态太阳燃料合成全流程工艺装置,具有完全自主知识产权,整体技术处于国际领先。

筑梦:“道法自然”造福人类

长期以来,人类以煤炭、石油等化石能源占主导的能源结构排放出大量的二氧化碳,由此带来的气候变化和生态破坏问题又给人类带来了严重的影响。

当下,二氧化碳减排已成为世界各国关注的热点问题。科学家们也在二氧化碳捕集、封存,以及资源化利用方面作出了大量探索。

20年前,中科院院士、中科院大连化学物理研究所研究员李灿从大自然的“光合作用”中获得启发。“自然界的植物能把空气中的水和二氧化碳转化成生物质、每天吃的蔬菜等,那我们人类能不能学一学自然,也对它们进行‘转化’呢?通过人工合成过程加速光合作用效率,把二氧化碳和水变成人类需要的燃料。”李灿说。

答案是肯定的。李灿告诉《中国科学报》,从科学认识自然光合作用的角度来看,二氧化碳加氢制甲醇暗合了光合作用中暗反应的功效,是太阳能制液体燃料的重要途径。“具体而言,就是利用太阳能等可再生能源产生的电力电解水生产‘绿色’氢能、并将二氧化碳加氢转化为‘绿色’甲醇等液体燃料,这也是液态太阳燃料合成的技术路线。”

把太阳能变成液体燃料,科学家们形象地称其为“液态阳光”。

规模化发展“液态阳光”优势显著,李灿算了一笔“生态经济账”,每吨甲醇需转化1.375吨二氧化碳,而我国每年的甲醇产能约为8000万吨,若全部应用“液态阳光”技术路线,则可转化上亿吨二氧化碳。同时,合成1吨甲醇可储存8000多度电,这意味着该路线也可作为规模化化学储能的技术手段。

“液态太阳燃料合成提供了一条减排二氧化碳,以及可再生能源到绿色液体燃料生产的全新途径。”李灿总结。

圆梦:迈出重要一步

自2001年以来,李灿带领团队坚持不懈地致力于太阳能的综合利用和水分解制氢的基础研究,在太阳能光催化、电解水和二氧化碳转化方面取得了重要进展。

经过近20年攻坚克难,终于在2017年10月,李灿团队取得了二氧化碳加氢制甲醇技术突破,开发了一种二元金属氧化物ZnO-ZrO2固溶体催化剂,实现了二氧化碳高选择性高稳定性加氢合成甲醇。

当时的研究测试表明,在接近实际工业化条件下,二氧化碳单程转化率超过10%时,甲醇选择性仍保持在90%左右,是迄今二氧化碳加氢制甲醇综合水平最高的结果, 该成果发表在国际高水平学术杂志《科学进展》上,引发了国内外同行的高度关注。

很快,该成果便从实验室迈向了工厂。2018年8月,在兰州新区的支持下,发电装机容量为10兆瓦光伏发电站的全球首套规模化太阳燃料合成示范装置正式落地兰州新区。该项目装置该项目由中国科学院大连化学物理研究所(以下简称“大连化物所”)研发、兰州新区石化产业投资集团有限公司建设和运营、华陆工程科技有限责任公司设计。

2020年1月,该项目试车成功,标志着太阳能等可再生能源转化为液体燃料迈出了工业化生产的第一步。

液态太阳燃料合成包含三个重要环节:太阳能光伏发电、电解水制氢和二氧化碳加氢合成甲醇。李灿团队在电解水制氢和二氧化碳加氢制甲醇两项关键核心技术取得创新突破。

在电解水制氢方面,实现了高效、低成本、长寿命规模化电催化分解水制氢技术,经测试验证,该技术在单套工业电解槽上实现大于1000标方氢/小时规模化产氢,单位氢能耗降低至4.3度电/方氢以内,是目前全球规模化碱性电解水制氢的最高效率。

在二氧化碳加氢制甲醇方面,实现了廉价、高选择性、高稳定性二氧化碳加氢制甲醇催化技术。团队开发的固溶体双金属氧化物催化剂在工业化装置上实现每年千吨级绿色甲醇合成,甲醇选择性达到98%,甲醇在有机相中含量达到99.5%,催化剂抗中毒和抗烧结。

现场考核组组长、北京大学教授刘海超说,液态太阳燃料合成示范装置实现了从太阳能、水和二氧化碳直接合成甲醇的绿色规模化生产,同时也为解决可再生能源间歇性问题和“弃光、弃风、弃水”问题提供了新的策略。

逐梦:发展“液态阳光”经济

实验室成果的迅速落地转化,离不开“政产学研”的紧密合作与彼此欣赏。兰州新区管委会主任李东新表示,这是在西部地区先行先试的国内首个规模化液态太阳燃料合成示范工程,将助推兰州新区实现更高质量、更高水平发展。

“人类最终利用的绿色能源是太阳能,液态太阳燃料合成是我们在太阳能利用上迈出了重要一步。”中科院院士、华东师范大学教授何鸣元给予了高度评价。

随着可再生能源发电成本和电解水制氢成本的进一步降低,绿色氢能和太阳燃料生产成本将大幅降低,通过规模化二氧化碳捕获及资源化利用,促进可再生能源更大规模的发展,将有望从根本上改善我国生态环境,助力解决全球碳排放及气候变化问题。

“事业未竟,下一步还要不断改进技术工艺。”李灿还有更大的梦想——实现更大规模的‘液态阳光’工程,推动‘液态阳光经济’的发展。



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