中國科學院院士李燦：液態陽光甲醇——實現“雙碳”的全新路徑

李燦院士在第三屆中國能源·化工30人論壇上作報告。 (閆俊榮 攝)

　　利用太陽能、風能等可再生能源分解水制綠氫，再由綠氫加二氧化碳在催化劑作用下合成出甲醇，用以替代化石能源，實現碳的循環利用——中國科學院院士、中科院大連化學物理研究所研究員李燦及其團隊歷時20載攻克的液態陽光甲醇技術，將這一夢想變為現實。隨著該技術工業化驗證的完成，早日實現“碳達峰、碳中和”有了一條全新路徑。目前，采用該技術的10萬噸級工業化生產項目正在推進。

　　據李燦介紹，該技術以甲醇為載體實現太陽能等清潔能源的儲存、運輸及利用，具有規?；瘍δ?、儲氫以及直接資源化轉化利用二氧化碳3方面碳中和效果。

　　生產1噸液態陽光甲醇可消納6000多千瓦時電，一個規模百萬噸級的甲醇合成企業，相當于可存儲60億千瓦時電，儲能潛力巨大。李燦說，作為理想的低碳清潔燃料，液態陽光甲醇可替代油氣，有助于解決交通碳排放問題；作為中間體廣泛應用于化學工業、材料合成等基礎工業，可推動綠色制造;作為性能優異的儲氫材料，使用甲醇儲氫還能緩解氫能儲運安全、成本等難題。

　　碳中和切實可行的技術路徑

　　李燦指出，2020年我國在提出“雙碳”目標時，煤炭發電占一次能源的58%，目標是到2030年、2060年分別降到40%、20%～30%，短短40年要降下來是非常困難的;可再生能源占17%，目標是到2030年、2060年要分別上升到25%、80%，在短短40年內提升63%，也是極具挑戰性的。然而，碳達峰與碳中和不是一蹴而就的事情。中央要求要保障能源安全，立足煤炭為能源主體的國情，實現煤炭的清潔高效綠色利用，深入推動能源革命。這就需要處理好4對關系，先立后破、有序推進、錨定目標、抓鐵有痕地來做。要做到化石能源逐步退出，新能源安全替代，煤炭與新能源優化組合，綠色低碳碳排放量和強度雙控。而液態陽光甲醇技術是解決規?；假Y源優化利用和實現碳中和的切實可行的技術路徑。

　　據悉，中國排放的二氧化碳中，火電(煤、天然氣)約50億噸，占比45%。工業剛性排放約60億噸，占比55%，其中交通(燃油)11億噸，占比10%;煤化工14.3億噸，占比13%；冶金13.2億噸，占比12%；水泥13.2億噸，占比12%；石油化工6.6億噸，占比6%；其他2.2億噸，占比2%。

　　李燦指出，從能耗和碳排放看，我國工業還是粗放式的，高質量發展任務艱巨;而從另一個角度看，達到全球平均水平，可挖掘的潛力、因節約資源而帶來的財富也將會是巨大的。

　　李燦介紹，針對以上排碳結構，火電可用非化石能源、可再生能源、核電替代;交通領域可用電動車、氫燃料電池，通過綠氫在源頭上阻斷二氧化碳排放，使用液態陽光甲醇燃料。解決工業剛性排放的任務更艱巨，急需發展兼顧經濟發展和實現碳中和的技術路徑，可以考慮通過CCS(碳捕獲與封存)、CCU(碳捕集與利用)技術解決，特別是CCU技術可以在減碳的同時獲得一定的經濟效益。液態陽光甲醇技術就是一種CCU技術，其主要過程通過風、光、水等可再生能源產生綠電，綠電電解水生產綠氫，綠氫和二氧化碳生產綠甲醇，綠甲醇燃燒可實現碳中和。甲醇是化學工業的基礎平臺原料，由甲醇可以生產各種化學品，如烯烴、芳烴，實現永久儲碳。

　　規?；瘻p碳的有效手段

　　液態陽光甲醇技術可謂一箭三雕之舉：既可將快速發展的可再生能源電力消納轉化為可儲存運輸的甲醇，又可以緩解我國液體燃料短缺的能源安全問題，還可以助力實現碳中和目標。

　　李燦告訴記者，傳統煤制甲醇排放二氧化碳，而液態陽光甲醇則是資源化利用二氧化碳?！半p碳”目標下，液態陽光甲醇迎來更大的發展前景。目前，我國傳統煤制甲醇產能約8000萬噸/年，每生產1噸甲醇排放約3噸二氧化碳，而每噸液態陽光甲醇可轉化1.375噸二氧化碳。如果用液態陽光甲醇代替傳統的8000萬噸甲醇，則可直接轉化1.1億噸二氧化碳，同時減少煤制甲醇排放的2.4億噸二氧化碳。生產10萬噸液態陽光甲醇可消納700MW級光伏發電，若利用GW級以上電力合成液態陽光甲醇，代替汽/柴油燃料，則可減排10億噸級以上二氧化碳。

　　他介紹，液態陽光甲醇的合成需要綠氫，而綠氫的生產需要綠電。我國能源稟賦是缺氣、貧油、富煤，風、光、水、生物質、海上風力資源等可再生能源非常豐富。在我國近三分之二的國土上，太陽能資源可以商業化開發利用，若開發60%的戈壁的風光發電資源，可滿足全國能源需求。目前，我國各大電力公司加大了可再生能源發電力度，到2030年前，僅光伏、風電裝機量就將達到甚至超過12億千瓦。

　　綠氫由可再生能源發電并電解水制備(也可通過光催化分解水制備)，其制備過程不排放二氧化碳。旦氫能利用的過程產物是水，也不排放二氧化碳。因此，綠氫在實現“雙碳”目標過程中將發揮重要作用。李燦介紹，制備綠氫的過程非常具有挑戰性。他的團隊這些年探索了多種路子，一直致力于太陽能分解水制氫的基礎研究，包括光催化分解水、光電催化分解水、熱化學循環分解水、光伏發電然后電解水制氫。目前，前3種技術仍處在基礎研究和應用基礎研究階段，光伏發電然后電解水制氫技術已達到工業化應用階段。用綠電分解水制氫，1噸氫氣約等于33000千瓦時電能，是最有效的化學儲能及能源轉化反應，實現電能到氫能的轉換。雖然綠氫可以從源頭阻斷二氧化碳的生成，是實現工業碳中和的根本路徑。但是，氫能大規模儲存及運輸的安全和成本問題非常突出，限制了其發展。而甲醇是理想的化學儲氫分子，可解決氫能大規模儲存及運輸的安全和成本問題。1噸甲醇經水汽重整可釋放187.5千克的氫氣，儲氫密度高于液態氫，也比其他化學儲氫的儲氫量高，因此越來越受到關注。目前高壓氫氣的成本非常高，原因之一是運輸儲存成本高，通過高壓氣瓶輸運氫氣，大約100千米就把氫氣的成本翻一倍。但甲醇容易儲存和運輸，成本也較低，容易被消費者接受。因此，甲醇作為優異的綠氫載體，可作為車載供氫、企業規?；浼凹託湔緝?、供氫的技術，可解決氫能大規模儲存及運輸的安全和成本問題。

　　李燦介紹，液態太陽燃料合成示范項目集成了液態太陽燃料合成全流程工藝技術，具有完全自主知識產權，整體技術國際領先。該技術有3個創新：一是研發了鎳基地上原子級分散的過渡金屬電解水制氫催化劑，實現單槽千立方/小時以上規?；茪渖a，能量轉化效率超過82%；二是針對二氧化碳加氫制甲醇，發明了新型鋅鋯氧化物固溶體催化劑，表現出了優異的甲醇選擇性和穩定性；三是成功耦合了光伏-堿性電解水制氫-二氧化碳加氫制甲醇三個單元，解決了各單元之間的匹配和連續化運行問題，可適應光伏發電間歇性、波動性的特點。

位于蘭州新區的液態陽光甲醇合成示范項目現場全景。(周小勇 攝)

　　綠色甲醇應用大勢所趨

　　據李燦介紹，在交通領域，甲醇作為低碳清潔燃料替代汽油，可緩解石油對外依存度，實現環境友好。而“液態陽光”甲醇(綠色甲醇)的推廣應用，不僅可解決傳統化石燃料燃燒污染排放問題，更是該領域實現“碳中和”目標的有效技術路徑。在我國，甲醇燃料目前已經在動力燃燒和熱力燃燒領域被廣泛應用，且在部分行業的應用技術走在世界前沿。

　　從具體領域來看，甲醇作為動力燃料，主要用于交通運輸車輛和船舶、固定發電裝備等，基于道路車輛管理許可的放開、船舶技術法規的出臺，產業化應用的技術推廣和產品投放正在全面加速鋪開。2019年，甲醇汽車在我國實現了政策許可、管理許可、技術標準許可、市場準入、后市場維保全面貫通。我國在全球汽車產業率先實現甲醇汽車產業化建設和市場化規模應用，并開展了甲醇汽車與國際同行的多邊合作。

　　上述情況表明，從社會公眾認知和產業界接受層面看，我國甲醇燃料行業已完成了前期探索和試點應用工作，正在進入全面產業化和規模應用階段。但目前消耗的甲醇大多來自化石能源制備(主要是煤制甲醇)，不能有效解決二氧化碳排放問題。每噸煤制甲醇排放2～3噸二氧化碳，再考慮到作為燃料燃燒排放，總計排放3～4噸二氧化碳。

　　在保障能源安全、推進甲醇燃料規模應用的進程中，應特別鼓勵甲醇能源制備產業逐步由化石燃料甲醇技術向可再生能源綠色甲醇技術轉變。這意味著，需要從甲醇能源生產的源頭開展 “液態陽光”甲醇規?；a，以此提高我國綠色甲醇產能占比。

　　此前，交通運輸部、鐵路局、民運航空局、郵政局聯合印發《積極發展新能源和清潔能源運輸工具實施意見》中指出，將依托交通強國建設試點，有序開展氫燃料電池、可再生合成燃料車輛、船舶的試點。車輛交通和船運領域開始推廣使用綠色甲醇。

　　國際海運組織開始要求船運使用低碳綠色(甲醇)燃料。馬士基已經開始在全球部署船舶綠色甲醇燃料生產、供應體系，它提出的目標是到2030年使用500萬噸。近日，法國達飛輪船的6艘15000TEU甲醇雙燃料集裝箱船訂單“花落”大船集團，將在2025年下半年予以交付。由此可見，綠色甲醇在船運領域的應用勢頭很猛，業內應予以高度關注。

　　據介紹，液態陽光甲醇加氫站已在今年初被選作張家口冬奧會新能源示范技術。目前，液態陽光甲醇制氫的成本可低于30元/千克，有一定競爭力，能實現油、醇、氫共站新局面。

　　建議設置甲醇制造準入條件

　　李燦強調，液態陽光甲醇不僅是交通領域、更是工業領域實現綠色低碳乃至零碳的路徑。通過CCS和CCU，規?；a液態陽光甲醇，與化工、冶金、建材及其高端裝備業等工業過程結合，可發展綠色低碳新興產業，理性平衡減碳和經濟發展的關系，創新科技范式，促進新興能源產業的發展。液態陽光甲醇可推進綠色生物制造，諸如生產氨基酸、多肽，蛋白質、淀粉，可降解高分子聚合物單體和藥物中間體等綠色產品。

　　對于液態陽光甲醇技術的發展，李燦提出如下建議：

　　一是宜盡快研究和組織編制并頒發《甲醇燃料制造企業準入條件》，對甲醇制造企業提出相應的基本要求，如生產原料、生產綱領(規模)、生產效率、水資源消耗、碳回收等，進行科學規范和規定。對應編制和出臺《甲醇燃料制造企業規范管理辦法》，對制造企業碳回收、“液態陽光”甲醇制造項目建設、綠色甲醇占比階段目標等提出要求和規定?！稖嗜霔l件》為產業剛性要求，《管理辦法》為達到規定階段占比目標要求給予鼓勵支持的相應條款。

　　二是最好能建立綠色甲醇燃料制備企業名單發布機制，按生產“液態陽光”甲醇占比排名，引導甲醇燃料消費企業和行業優先采購名單企業和排名靠前企業制造的甲醇。政府則通過階梯碳稅補貼的方式，鼓勵名單企業和排名靠前的企業。

　　三是希望盡快開通“液態陽光”甲醇產業建設綠色通道。通過國家綠色金融框架激勵機制、綠色金融和財稅配套政策，對符合《準入條件》《管理辦法》而獲得綠色甲醇燃料制備名單的企業，優先給予可再生能源資源，開通可再生能源建設項目審批綠色通道;鼓勵和支持企業利用自有資金和社會資金，建設“液態陽光”甲醇項目。

全球首套直接液態太陽燃料規?；铣稍囓嚦晒ΜF場裝置區。(王集杰 攝)

二十載踔厲奮發夢想成真

　　一直以來，許多國家的發展依賴煤、石油、天然氣等化石資源，過去的催化研究主要解決化石資源作為能源和材料的轉化問題。然而，化石能源帶來的環境、生態以及可持續發展問題日益凸顯。

　　站在世紀之交，全球氣候變化喚起李燦院士作為科技工作者的責任。他開始持續關注不斷惡化的環境問題和未來人類生存的生態問題。他篤信，太陽能是地球上其他眾多可再生能源形式如生物質、風力、水力的本質來源，發展利用太陽能及以太陽能為源頭的各種可再生能源是人類修復地球生態平衡的根本出路。

　　2001年，在全國幾乎已無人堅持太陽能光解水制氫研究之時，他毅然啟動研究。同年，李燦團隊裝配了第一套光催化分解水實驗裝置，獲得中石化風險資助第一筆研究資金。

　　2012年，他提出光催化分解水制氫技術的“三大戰役”：高效捕光材料、光生電荷分離機制和高效助催化劑，為太陽燃料合成打下理論基礎。同時，他圍繞太陽能人工光合成先后提出太陽能光催化制氫的“氫農場”HFP 1.0、HFP 2.0和HFP 3.0策略。

　　2013年，他提出實現太陽燃料合成的“兩步法”，即利用太陽能等可再生能源實現分解水制氫，然后解決二氧化碳加氫制甲醇等燃料的兩步法合成太陽燃料。

　　2018年，團隊在蘭州新區開始驗證碳循環和甲醇經濟的歷程，同年，全球首套千噸級直接液態太陽燃料規?；铣身椖吭谔m洽會與蘭州新區石投公司簽署合作協議。

　　2018年8月，示范項目進入設計階段。

　　2020年1月，項目在蘭州新區試車成功，完成了全球首套千噸級規模太陽燃料合成示范，邁出了將太陽能等可再生能源轉化為液體燃料工業化生產的關鍵一步。

　　2020年，經專家評審，李燦團隊獲得國家基金委“人工光合成基礎科學中心”項目支持。

　　2020年10月，石化聯合會組織專家驗收鑒定并舉行高端論壇，18位兩院院士齊聚蘭州新區，建議盡快推進10萬噸級以上工業化。

　　李燦團隊在太陽能人工光合成研究方向取得多項標志性成果，引起國際學術界重視。他先后于2008年、2016年兩次參與和主持編制太陽能研究國際白皮書，并在全世界發布，推動國際太陽能人工光合成研究。

　　在2021年度中國可再生能源學會科學技術獎頒獎典禮上，“液態太陽燃料合成”技術因在可再生能源制備氫能及液態陽光甲醇方面取得的科技成就，榮獲中國可再生能源學會技術發明獎一等獎。

　　目前，李燦院士團隊正在推進10萬噸級以上工業化。他堅信，在不久的將來，可再生能源大規模轉化為液體燃料的工業化生產就會成功，將開創我國“雙碳”戰略推進和生態文明建設的嶄新一頁。