“液态阳光”与甲醇经济

 1 简介

2021年12月，以如期实现碳达标、碳中和为目标导向《“十四五”工业绿色发展规划》中提到，把“大力发展和推动新能源汽车，促进甲醇汽车等替代燃料汽车推广”纳入“绿色产品和节能环保装备供给工程”专栏，把“二氧化碳耦合制甲醇”列入“绿色低碳技术推广应用工程”专栏。

甲醇不仅是塑料、胶水、油漆、建筑材料等的重要化学原料，全球每年的生产规模超过 7500 万吨，目前约占工业原料的30%。而且针对我国缺油、少气、富煤的能源结构而言，大规模应用甲醇燃料将大大降低我国原油对外的依赖度，更好地保障我国能源安全，优化能源结构和需求，进一步实现能源转型。

由诺贝尔奖获得者 George A. Olah首次提出“甲醇经济”概念[1]，Olah 声称，以甲醇 (CH3OH) 的形式储存能量可以减轻全球对化石燃料的依赖，同时减少二氧化碳排放。主要的可再生能源如风能和太阳能等，由于其依赖于天气条件和特定时段，存在间歇性。

为了克服这一问题，实现可再生能源的大规模应用，就需要更大规模的储能方案。电解水从多余的可再生电力中生产氢气，以供以后在更高需求时使用，是最受欢迎的选择之一，具有非常高的容量和快速的响应时间，可用于电网平衡。

在这种情况下，产生的氢气根据 power-to-X 概念转化为所谓的电燃料，从而将可再生电能存储在气体或液体燃料的化学键中，利于长期储存，可直接运输到需要的地方，作为运输燃料或用于工业应用。当通过电解得到氢气和来自大气、生物质或工业过程废气的二氧化碳合成生产时，甲醇便可作为碳中性的电燃料之一。

相比氢气，甲醇是化学合成工业中石油的更直接替代品，其在环境温度下呈液态，可将当下以石油为基础的经济的习惯和基础设施与未来的可再生能源系统联系起来，并在燃料电池应用中发挥重要作用。例如，甲醇可通过现场重整过程转化成氢气，所得气体混合物既可直接用于高温质子交换膜燃料电池（HT-PEMFC），也可以经过一些纯化后用于低温PEM燃料电池。

综上，甲醇可作为一种能源储存介质、地面运输燃料和合成碳氢化合物及其产品的原材料。与传统方法不同，“黑色”甲醇由天然气、煤和石油生产；可再生甲醇，也称为“绿色”甲醇，由可再生氢气和二氧化碳来源生产，二氧化碳净排放量为零，例如利用可再生电力中的氢气和沼气或大气中的二氧化碳。

如图一所示，绿色甲醇生产通常涉及氢气生产、二氧化碳捕获、气体储存和净化、甲醇合成和蒸馏等过程。2018年“液态阳光”的概念由中国科学院白春礼院士等人提出[2]，是指利用太阳能、风能等可再生能源制取氢气、耦合“二氧化碳+氢”技术，制备易储存的液态太阳燃料甲醇及其他化学燃料。

图1. 绿色甲醇的生产与基于间歇性可再生能源的电网集成[3]。

2 国内外发展情况

2012 年，冰岛一家名为 Carbon Recycling International (CRI) 的公司，通过从附近地热发电厂工业排放中提取和净化 CO2 ，使用可再生的电网电力进行碱性水电解产生的H2，合成可再生甲醇，年产可达4000吨[4]。此外，德国的 Carbon2Chem 项目，致力于从钢厂气体生产燃料甲醇[5]，以及丹麦的 Power2Met 项目，该项目专注于利用沼气生产生物甲醇[6]。

在比利时法兰德斯，North-C-Methanol项目可实现年产甲醇45000吨[7]，由以下几个部分组成，一个功率为 63 兆瓦的电解厂，利用海上风能的可再生能源将水分解成绿色的氢和氧，氧气将在当地用于钢铁工业，绿色氢气再与来自工业点源的捕获的二氧化碳催化合成甲醇。

2020年10月，Statkraft AS、Finnfjord AS 和 Carbon Recycling International宣布在挪威联合开发商业规模的绿色甲醇（e-Methanol） 工厂，以建造首个能够每年生产 10 万吨绿色甲醇的商业规模设施[8]。该工厂将使用从 Finnfjord 硅铁工厂排放的二氧化碳和使用可再生电力电解水产生的氢气作为原材料。

图2. North-C-Methanol 项目[8]

2020年1月17日，在中国兰州，全球首个太阳能燃料直接合成示范项目开工运营[9]。该项目标志着中国在太阳能液体燃料工业化生产方面迈出了世界第一步。总体而言，该项目利用三个技术单元将二氧化碳、水和太阳能转化为甲醇等可运输液体燃料：太阳能光伏发电、电解槽分解水产生氢气和最后用二氧化碳加氢生产甲醇。该项目基于中科院大连化学物理研究所李灿教授团队开发的电催化水分解和二氧化碳加氢先进技术。

其关键创新技术之一是高效、低成本、长寿命的碱性水电解制氢电催化剂，该设施单套工业电解槽每小时可生产1000多标准立方米氢气，单位氢气能耗降至每立方米4.3千瓦时以下。二是用于甲醇生产的低成本、高选择性、高稳定性的二氧化碳加氢催化剂。氧化锌/氧化锆双金属氧化物固溶体催化剂实现1000吨/年绿色甲醇合成。甲醇选择性达到98%，甲醇含量达到99.5%。更重要的是，该催化剂具有抗毒化和抗烧结性。

图3. 液态太阳能燃料生产示范项目[9]

下游的实际应用中，10月28日，博氢新能源公司与广西北投能源投资集团有限公司、南宁市良庆区人民政府共同签署了《12GW甲醇重整氢燃料电池产业化项目战略合作框架意向协议》，项目总投资约90亿元，致力于打造国内首个甲醇重整氢燃料电池终端产品的全产业链[10]。早在2004年，博氢新能源公司董事长沈建跃博士就已经开始研究甲醇重整制氢的技术和设备，研发生产的甲醇重整制氢燃料电池发电系统产品，将有希望广泛应用于移动能源和分布式能源领域。

图4.甲醇重整制氢燃料电池系统的物流车（图源自网络）

2021年11月30日， ABB Marine & Ports 与 Maritime Partners LLC、Elliott Bay Design Group和 e1 Marine 决定共同开发氢动力内陆拖船“Hydrogen One”号。定位为超低排放长航程拖船，只需加注一次燃料即可连续运营数天，假如以6英里/小时的航速运行，则可在4天内，行驶550英里， 

这艘创新性的拖船配备了e1 Marine提供的制氢设备，可直接在船上实现甲醇现场制氢，即先将甲醇-水混合物重整转化为高纯度氢，再将氢送入燃料电池用于发电。现场制氢将克服氢气储存系统的复杂性，利用甲醇不需要建造全新的配送和储存基础设施。且与使用源自化石燃料的电力的电解槽解决方案相比，这种方法不会产生颗粒物排放，二氧化碳排放量低于 80%。另外，如果甲醇来自可再生能源，则能源链可以是碳中和的。ABB Marine & Ports则负责提供全套电力推进系统，包括电力和能源管理、自动化、燃料电池和蓄电池的电力集成等。该系统比柴油发电机消耗的能源少 35%，目前的功率输出范围为 50 kW 至 2 MW。

图5.“Hydrogen One”号[11]

3 展望

在寻找化石燃料的合适替代品，实现快速的能源转型的征程中，可再生清洁能源技术均迅速发展。在这些方案中，甲醇经济在竞争中脱颖而出。考虑到二氧化碳在大气中的产生和释放是不可避免的，以具有成本效益的方式将其捕获并转化为甲醇可能是生产可再生甲醇的最可持续的方法。而对于绿色甲醇的商业化，生产成本仍然是主要障碍，需降低制氢、二氧化碳捕集技术成本，并更大程度地提升能源利用效率。不过，未来总是挑战与机遇并存，我们拭目以待！