绿色甲醇：碳中和的另一条道路

如果能广泛推广以绿色甲醇为原料的能源系统，其碳排放量可达到当今煤炭和石油经济的不到五分之一，并解决中国的电力、交通、供暖和制冷问题。

Text｜Liu Ke

风能和太阳能现在很便宜。然而，在2019年底新冠肺炎疫情爆发前，中国发展了40多年的风能和太阳能只能向东输电，相当于1.92亿吨标准煤发电量，约占煤炭发电量的12.5。 %。

受电网稳定性要求的限制，电网只能传输一定量的不稳定能量。每年太阳能发电时间仅为20%左右（视地区而定）。剩下的 80% 的时间怎么办？需要找到一种经济上可行、可以在全球推广的大规模储能技术。

电池储能从1859年至今研究数百年，研发投入超过万亿元。但是，100多年前就存在的抽水蓄能技术仍然是当今最成熟、最经济的大规模蓄能技术。能技术。抽水蓄能项目选址对自然地理位置要求较高。我国抽水蓄能电站主要分布在华东和华北地区，占总规模的60%。电池储能技术已经研究了 100 多年。迄今为止，“全球一年的电池产量不足以储存东京一天的电力”。在储能领域，应该考虑其他方向。

目前，中国每年的碳排放量为103亿吨。除以14亿人口，人均约7.4吨。一家三口大约22吨，每天开车和用电。只要大家有节能意识，就可以减少大量的碳排放。

在碳减排的大背景下，从理论上讲，将二氧化碳转化为产品是可能的。世界上87%的石油用于燃烧，而人类使用的所有石化产品中只有13.3%是生产出来的。依靠二氧化碳转化为其他物质，如果有利可图，可以推，但对于整个碳排放量来说，却是杯水车薪。

碳捕集与封存（CCS）和碳捕集、利用与封存（CCUS）技术也备受关注，但目前全球运营的CCS设施每年只能捕集和永久封存约400万吨二氧化碳。如图1所示，传统CCS技术对地质条件要求高，需要盐水层来储存二氧化碳，应用范围窄，成本高。

与CCS技术相比，我国CCUS技术发展迅速，年捕集二氧化碳量约170万吨。但在数亿吨的碳排放之前，CCS和CCUS的作用是有限的。十多年前，笔者所在的美国通用电气公司斥资28亿美元建设了630MW净零排放综合煤气化联合循环发电系统（IGCC火力发电厂）。最终，福岛核电站事故还没有发生。根据原始资料，与其做IGCC或火电厂CCS/CCUS路线，不如直接做核电。

提高能源效率是减少碳排放的真正可行的方式，也是减少碳排放成本最低、优先的方式。如图 2 所示，经过 100 多年的工业化，到 2001 年，中国的煤炭产量仅为 13 亿吨。到 2013 年，仅用 13 年时间就增加到 39 亿吨。中国的能源消耗量在 12 年内翻了三倍。这个数字是惊人的；主要原因是2001年中国加入WTO，世界市场向中国开放，中国成为世界工厂，能源消耗猛增。同时，这一时期大量的房地产和基础设施建设也刺激了煤炭的消费，增强水泥需要大量的煤炭。

一大误区：电动车减碳

电动汽车可以减少碳排放，但前提是电网中的大部分电力应由非化石能源产生。如果能源结构不改变，电网中的大部分电力仍然来自煤​​炭。从表面上看，它是以电力为动力的，但从整个生命周期来看，它实际上是以煤为动力的。电动汽车对碳减排的贡献非常有限。

对于汽车、轮船等交通工具，如图3所示，对于汽车、轮船、飞机等移动交通工具，储能最重要的是油箱不能无限大。如果是1立方米的储能空间，每立方米氢气的能量密度最小，3.2千瓦时/立方米，天然气只有10千瓦时/立方米，铅酸电池90千瓦时/立方米。

人类花了数百年的时间进行研究和开发。现在特斯拉和比亚迪的电池是300千瓦时/立方米-600千瓦时/立方米，而汽油是8600千瓦时/立方米，后面会提到。绿色甲醇为 4300 kWh/m3。

为什么人类第一条装配线是1913年的福特汽车生产线？生产一台内燃机是非常昂贵的，但是福特的生产线建成后，如果一条线全部生产出来，每辆车的成本就会大大降低。 1913 年福特的装配线投产后，汽车的价格从 4300 美元下降到 300 多美元，让当时美国每个蓝领工人都买得起。

然而，电动汽车不同。核心部件是电池。生产过程需要多种制造材料。一些材料，如有色金属和稀有贵金属，储量和开采量有限。生产 10,000 件和 100,000 件将花费每件。降低，但每个电池的单价大部分是由材质决定的，不是数量越大越便宜；反之，量大到一定程度，当市场上材料供需关系不平衡时，部分金属材料价格就会飙升。近期，由于电动汽车工厂的扩张，电池制造中使用的所有金属的价格都在飙升，这也说明了这一点。

此外，电池回收问题也没有完全解决。电动汽车的大规模使用，未来数以百万计的电池将分布在中国大地上。如果电池不回收，电池被随意丢弃，电池中的一些剧毒化学物质会污染土壤和地下水。

也有人提出可以通过回收电池作为储能电站来解决废电池的问题。近期，由于多起安全事故，国家发改委叫停了多个废电池储能电站项目，废电池储能电站规模化应用还存在不少问题。

有鉴于此，可以发展电动汽车，但必须从生产之日起考虑电池回收问题。电动汽车是一项非常好的技术，对于城市中的每个人开车上下班都是非常好的。当电动汽车发展到一定规模时，各种金属的价格还是合理的才更科学。其增长速度必须与材料价格和能源结构的改善相匹配，才能健康发展。

中国目前的年汽车产能约为2900万辆。今年，电动汽车的产能已达到近300万辆。这导致近期各种金属的价格飞涨；电动汽车产能的持续盲目扩张，对整个行业来说未必是好事。

笔者认为，除非短期内有重大技术突破，否则电动汽车的第一个制约因素是各种金属材料的价格；第二个制约因素是，发展到一定规模后，包括社区电网在内的电网改造需要与电力相结合。车辆的发展速度相匹配；目前资本市场对电动汽车行业的估值可能偏高。

煤制甲醇，另一种方式

我国煤化工发展迅速。煤制甲醇产能已达9000万吨/年，主要集中在西北地区，约占汽油产能的四分之一。甲醇是氢含量高达12.5%的液体，通过成熟的重整技术可以制氢。甲醇在常温常压下为液体，其安全等级与汽油相近，在-93摄氏度下不会结冰。

由于其优势，甲醇可以通过油轮和管道高效运输。中国西气东输工程建成后，占成本比重较大的土地成本已经支付。在能量密度相同的情况下，甲醇只需一根直径为天然气管道六分之一的管道即可长距离输送。在相同管径下，甲醇的总能量输入是天然气的36倍，运输成本远低于天然气运输。

如图4所示，我国现有甲醇生产主要依赖煤炭，生产1吨产品需要排放3.5-4.0吨二氧化碳。排放的主要来源是用于制氧的高能耗空分装置和调节CO和氢气比例的水煤气变换装置。

综合上面说的，因为风能和太阳能的成本已经很低了，很多人认为可以利用西方的可再生电能电解水制氢制氧，排掉氧气，把氢气拉到东开车。这个愿景是美好的，但氢气既不容易储存，也不容易运输。罐车运输超过一定量的氢气，有些隧道无法通过。

甲醇是一种很好的储氢载体，以液态绿色甲醇的形式储存风能和太阳能可以解决储氢问题。如果利用西部地区已建成的煤化工厂从可再生能源中获取氧气和氢气，甲醇的生产可以向绿色倾斜。

如图5所示，我们团队提出的绿色甲醇制备路线的主要特点是利用太阳能和风能电解水生产绿色氢气和绿色氧气，精简空分和水气变换工艺装置，传统甲醇生产设施只需改造即可生产绿色甲醇。这里的绿色甲醇是指在生产过程中以甲醇化学能的形式储存太阳能、风能等绿色电能，甲醇生产过程和公共工程基本不排放二氧化碳。

西部大部分有煤、有阳光、有风的地区位于海拔1500米以上。西气东输管道已经建成，管道中最昂贵的部分是征地和立项。如果西气东输管道已经存在，根据图3所示的质量能量密度与体积能量密度的关系。每立方米甲醇的体积能量密度为4300千瓦时/立方米，而天然气每立方米仅为10千瓦时。小管道可以输送与西气东输一样的能源。

此外，由于东西部海拔的差异，液体可以自动流向东部沿海城市。在“双碳”要求下，由于未来蓄电成本仍然较高，仍存在一定的瓶颈。有可能使用过剩且廉价的风能从太阳能水电解中产生氢气以产生氧气。只有一点点的碳可以用来将太阳能转化为风能。利用成绿色液体，是人类最好的能量载体。

无论在任何场景下，绿色甲醇应用到哪里，都是绿色无碳的。如图 6 所示，甲醇车辆使用甲醇路线。一是甲醇内燃机成为绿色能源。吉利等公司生产的甲醇内燃机车技术已经相当成熟。如今，西安、贵阳等十几个城市的公交车和商用车都使用甲醇作为燃料。他们已经驾驶了几年没有任何问题。二是可以使用绿色甲醇电混合动力。与比亚迪的唐DM-i一样，油电混合动力百公里耗电量约为5升。使用绿色甲醇-电动混合动力将大大减少汽车的碳排放。第三，当燃料电池的成本足够便宜时，在车上安装绿色甲醇，通过车载甲醇在线制氢。氢由燃料电池产生，电力用于为车辆提供动力。 1升甲醇产生的氢气是1升液态氢产生的氢气的两倍。

如图7所示，为甲醇加气站示意图。通过将现有的液态基础设施加气站改造为绿色甲醇加气站，支持内燃机车、电动汽车、氢燃料电池汽车的发展。

人类不要急于扔掉已经建成的液体设施。加氢站面积比中石化的加油站面积大。使用甲醇作为运输燃料，可以很好地利用现有的燃料加注设备。例如，现有加油站的一罐可以先改造为绿色甲醇储罐，其余五罐仍为汽油。几年后，相关油罐可根据需求逐步更换为绿色甲醇储罐。基础设施很慢。发展，同样的甲醇装置现在可以使用内燃机等成熟技术，并且可以进一步发展为插电式混合动力模式，也可以支持氢能源、燃料电池等三代汽车的发展。未来。

甲醇制氢用于燃料电池发电，不仅可用于汽车，也是一种分布式能源技术。我们的团队也开发分布式发电多年。如图8所示，是分布式能源技术的主要应用场景。广东山顶有很多5G基站，利用甲醇水重整制氢作为能源供应系统。它们已经为基站供电好几年了，非常稳定。

因为在山顶，从市电拉电缆到基站的成本很高。 4套2.5千瓦绿色甲醇分布式供能系统，足以满足一个5G基站的用电需求。每隔几个月，半卡车甲醇就可以满足其电力需求。

该设备只需要甲醇和水即可发电。工作原理是甲醇和水在200摄氏度以上产生氢气，氢气和空气在80摄氏度时通过燃料电池发电。其发电效率比内燃机燃烧发电效率高2～3倍，反应堆内200多摄氏度的余热可用于冬季采暖，夏季热泵制冷。一台2.5千瓦的机器就可以满足普通别墅的供电、采暖和制冷需求。

将这种分布式能源系统的碳排放量与当今中国的煤炭经济进行比较。目前，西部正在建设一座火力发电厂，发电率约为40%。 100万大卡的煤只能产生40万多大卡的电力。在传输过程中丢失了更多。仅向东部沿海城市的用户终端输送了30万多大卡的电力，其中60万多大卡以热能的形式散失。

电力可以通过电网长距离传输，但热量不能长距离传输。绿色甲醇液体可以通过管道高效输送。在房屋侧边使用燃料电池分布式发电，不仅发电效率高，而且甲醇制氢的290度余热可用于冬季采暖，夏季热泵制冷。

因此，假设绿色甲醇分布式能源系统的碳排放量不到当今煤/油经济的五分之一，就可以解决中国的电力、交通、供暖和制冷问题。尤其是用绿色甲醇替代石油有助于解决中国的能源安全问题。

美元与黄金早已脱钩，美元的支撑是石油。今天，由风能和太阳能等可再生能源生产的甲醇可能比煤基甲醇价格略高，但并没有贵多少。此外，可使用劣质煤作为相关原料，进一步降低成本。

因此，每百万大卡绿色甲醇的成本不会超过汽油。利用中国已经廉价的太阳能和大量的生物质、城市垃圾（约80%是生物质）和劣质煤制成的绿色甲醇，不仅可以大大减少碳排放，而且无需进口，可以打破石油美元垄断。

图8 分布式能源技术主要应用场景

为了使绿色甲醇的生产负担得起，需要在现有技术条件下降低成本。近年来，我们的团队开发了如图9所示的微矿分离技术。煤在燃烧前先在水中磨碎，以分离可燃物和不可燃物。煤中的可燃物是通过光合作用形成的，不可燃物是源自古老土地的矿物，可用于处理硬化土地、盐碱地和沙漠。

因此，我们提出了煤炭行业的第一个碳中和概念。在传统的燃煤发电中，煤炭直接燃烧后会排放大量的灰分和二氧化碳。因此，火力发电厂的煤灰在今天是一场灾难。工业革命以来，人类似乎用错了300多年的煤炭；不管是哪种煤，它都是在火中燃烧的。正确的做法应该是在燃烧前将煤中的可燃和不可燃成分分开。古代地球的矿物质应该分离出来，应该回归地面的矿物质与有机物和农业细菌一起制成。转化为有机肥和土壤改良剂。

如果显示10，则是该团队开发的微量矿物质土壤改良剂及其应用作物图。微量矿物质土壤改良剂可用于硬化土壤、盐碱地和沙漠的治理，并通过促进植物生长恢复燃煤排放的二氧化碳，也可减少碳排放。

在西部，通过太阳能和沙漠治理相结合，在太阳能板下种植固沙植物，太阳能板发电，同时太阳能板下的植物可以生长良好，变绿。由此可见，碳中和是能源结构调整的重大课题。当原材料成本降低时，加入可再生能源后的甲醇生产可以变得具有竞争力。

零碳概念不科学

全国各地纷纷提出建设“零碳产业园”。这个世界上不可能有太多的二氧化碳，但没有二氧化碳就不行。我们呼吸的氧气和我们吃的食物需要通过光合作用产生二氧化碳。因此，生态环境需要一定量的二氧化碳。将今天的煤/油经济转变为绿色甲醇经济，可以减少近80%的碳排放，这样中国的碳中和问题基本可以得到解决，而且成本可控，不像储电那么贵。

即使制备绿色甲醇需要在生物质、城市垃圾或煤炭中添加一点碳，但总体上可以实现碳中和。因此，即使用这种方法制备的甲醇中有一点点碳，也可以称为绿色能源。减碳的目的是防止全球变暖。是将二氧化碳排放量减少到一定水平，而不是追求“零碳”。零碳是不可能实现的，也是没有必要的。

碳中和需要各种清洁能源技术，尤其是各种储能技术齐头并进。太阳能和风能更便宜，应该大力发展，但实现碳中和的核心是各种储能技术，以确保在没有太阳或风的情况下也有电力供应。除了发展核电、水电等稳定的非碳能源外，凡是有抽水蓄水地理条件或有岩洞蓄压缩空气的都是不错的选择。在没有这些地理条件的情况下，太阳能和风能等非碳排放电力以绿色甲醇液体的形式储存。

因此，绿色甲醇可作为绿色能源，减少对国外石油进口的依赖；可通过分布式绿色甲醇燃料电池发电，不仅发电效率高，而且大大提高了热电联产的整体能效，充分利用了我国低成本的太阳能。风能为人们提供绿色交通燃料；还可以保证人们在无风无日照的情况下长时间的供电、供暖和空调需求。

推进碳中和是全社会的共同事业。它需要社会制度的创新和变革。同时，也需要政、产、学、研的良性互动，真正将政、产、学、研联动起来。在这个过程中，最缺乏两类人：创业型科学家和有科学素养的创业者。我们希望与有创业精神的科学家和有科学素养的企业家一起，共同推动碳中和的进步，实现我们的碳中和。

作者是南方科技大学清洁能源研究所所长，澳大利亚国家工程院外籍院士。编辑：马克