清洁能源也有Bug？多了存不下！技术耦合或可“修复”

9月，中国能源研究会携常州市政府主办的“碳达峰碳中和国际论坛（2024）暨国际新能源博览会”在常州璀璨启幕。

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实现“3060双碳”目标，能源领域是主战场。煤电作为我国电力供应的主体，未来较长一段时期内不会改变，但煤电会排放大量二氧化碳。充分利用风能、太阳能等新能源是电力低碳转型的一条重要路径。然而，这些新能源有着不容忽视的“Bug”存在。

01 清洁能源有“Bug”？

风能、太阳能等能绿色能源虽然具有清洁、低碳的优点，但是转化为电能后与煤电一样，也具有不可大规模存储的缺点，需要进一步转化为其他化学能或势能、机械能。

太阳能电池面板（图库版权图片，转载使用可能引发版权纠纷）

为了解决这一问题，科学家提出了将氢气转化为氨、甲醇的想法——将绿电电解水产生的氢气与空气中的氮气或火电厂产生的二氧化碳按比例混合，加压压缩后在催化条件下反应生成氨或甲醇。

氨和甲醇中氢含量高，性质稳定、易储运，是重要的化工产品和燃料，加热裂解后可迅速脱氢，是良好的储氢载体。

这便是“电-氢-碳耦合”的原理，即利用风能太阳能等发的电与电解水产生的氢气，以及火电厂排放的二氧化碳通过跨界耦合与物料重整，生成化学性质稳定、易储运的氨和甲醇，以实现风能太阳能-电能-氢能的能量储运闭合链条。

风力发电机（图库版权图片，转载使用可能引发版权纠纷）

02 第一步：电解水制氢

电解水制氢技术主要包括3条路径：碱性电解水制氢、质子交换膜电解水制氢、固体氧化物电解水制氢。实际路线中，碱性电解水制氢占比近60%，质子交换膜电解水制氢占比为30%。

（1）碱性电解水制氢

♦转化效率：碱性电解水制氢的转化效率在70%~80%，每标方氢气耗电约5 kWh[1]

♦优点：20世纪中期就实现了工业化，商业成熟度高，运行时间长。

♦缺点：使用强碱做电解质具有腐蚀性，电解槽使用的石棉隔膜也具有一定的环境危害性。研究发现，目前技术条件下，只有当新能源电价降低至0.1元/kWh时，电解水制氢才具有优势[2]。因此，能效水平低且能耗水平较高仍是其发展需要解决的问题。

（2）质子交换膜电解水制氢

♦转化效率：质子交换膜电解水制氢的转化效率在75%~85%，每标方氢气耗电约4.5-5.5 kWh。

♦优点：使用纯水作为原料，具有电流密度大、氢气纯度高、响应速度快、电解槽体积小、运行灵活、可快速变载，与风电、光伏适配性强等优点

♦缺点：需要使用贵金属（铂、铱）催化和特殊膜材料，成本约为相同规模碱性电解槽的3-5倍[1]。

（3）高温固体氧化物电解水制氢

使用固态陶瓷作为电解质，在500~1000 ℃的高温下反应，理论可以达到或接近100%的转换效率，催化剂也不依赖于贵重金属，但目前还处于技术示范和系统测试阶段。

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03 第二步：

（1）绿氢+氮气→绿氨

绿氢和氮气在高温高压催化剂作用下合成为绿氨的工艺主要为氢气氮气压缩、氨合成及冷凝分离、氨压缩冷冻。

理论上，0.18吨氢气可出生产1吨氨，制备绿氨的成本中电费和设备投资成本占比较大，需在10-15 MPa、350 ~ 500℃条件下，常用催化剂为铁系或钌[1]。因此，目前绿氢制绿氨的主要难题是如何开发出更安全经济高效的绿氢制氨工艺，进一步提升系统灵活性与综合转换效率。

绿色氢气生产（图库版权图片，转载使用可能引发版权纠纷）

（2）绿氢+二氧化碳→甲醇

绿氢耦合二氧化碳制甲醇的步骤为氢气制备、二氧化碳捕集、甲醇合成和精馏。反应过程为高温高压条件下，二氧化碳和氢气在催化剂作用下生成甲醇和水。

反应的难点就是催化剂的选择，目前使用的催化剂主要是铜基催化剂、钯基催化剂、铟基催化剂和氧化物固溶体催化剂。其中铜基催化剂因其制备简便、原料经济，已实现工业化广泛应用。未来二氧化碳加氢制甲醇，需要解决的技术难题是开发出高活性、高选择性、高稳定性的催化剂。

氢气厂（图库版权图片，转载使用可能引发版权纠纷）

04我国的技术突破

目前，我国碱性电解水制氢的一些关键设备主要性能指标均接近于国际先进水平，单槽电解制氢量大，非常适用于电网电解制氢。

合成氨方面，国内大型合成氨工业中基本处于国际先进水平，合成氨技术已进入3.0时代，如中科院大连化物所首次将配位氢化物材料应用于催化合成氨反应中，开发了一类新型碱（土）金属钌基三元氢化物催化剂，实现了温和条件下氨的催化合成，达到国际领先水平[3]。

合成甲醇方面，中国科学院上海高等研究院和海洋石油富岛公司完成了5000吨/年的二氧化碳加氢制甲醇示范装置；中国科学院大连化学物理研究在兰州新区绿色化工院建成千吨级液态太阳燃料合成示范工程；西南化工研究设计院有限公司与鲁西化工集团公司研发了5000吨/年的二氧化碳加氢制甲醇生产试验中试装置，二氧化碳转化率和甲醇选择性达到同类技术先进水平，通过热耦合工艺甲醇单位能耗大幅降低[4]。

05 未来展望

2024年7月，在中国科协发布的2024中国十大前沿科学问题中，就提到了以电-氢-碳耦合方式协同推进新能源大规模开发与煤电绿色转型。

电-氢-碳耦合技术工艺，实现了可再生能源的大规模利用和氢能的长距离运输和存储以及煤电厂二氧化碳资源化利用，在助推煤电绿色低碳转型的同时，合成了绿氨、绿色甲醇等可再生绿色原料与燃料，具有重要的环保和生态价值以及一定的经济效益。

未来，随着科技的持续进步，光伏板、电解水槽等关键设备成本的降低，催化剂性能的大幅提升，电-氢-碳跨界耦合的成本将不断降级，技术的产业链集成效应和规模效应将持续显现，耦合产业链也将继续延伸，更多的绿色产品和绿色能源将会涌现出来！

作者：刘汉斌 山西省煤炭地质局 高级工程师

审核：黄伟 太原理工大学煤化工研究所教授、博士生导师

出品：科普中国

参考文献：

[1] 林光平,刘兆川,聂立,等. 煤与可再生能源深度耦合的典型零碳综合能源系统构建 [J]. 洁净煤技术, 2022, 28 (11): 90-104.

[2] 李彬，潘雨情,文华杰,等. 基于碳减排的氢电资源耦合发展现状及展望 [J]. 供用电, 2023, 40 (10): 106-113.

[3] 卜叶. 中外团队开发新型催化剂实现“绿色”合成氨[N]中国科学报. 2021-11-30第1版.

[4] 彭生江,杨淑霞. 基于系统动力学的风氢煤耦合系统容量优化配置模型构建及验证分析 [J]. 科技管理研究, 2023, 43 (16): 203-214.