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  • 李燦:發展人工光合成產業是“一石三鳥”之舉

    日期:2023-05-25

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    自然界的光合作用給了我們啟發。光合作用的本質是能量固定的過程。以人工方法實現光合作用的研究持續了很多年,有光催化、電催化、熱催化、酶催化等技術路線。這些研究正朝著不斷提高人工光合作用的效率、實現規?;a的方向前進。

    黨的二十大報告指出,推動經濟社會發展綠色化、低碳化是實現高質量發展的關鍵環節。

    實現綠色化、低碳化發展,自然界本身就蘊藏著可借鑒的路徑。比如,光合作用不僅消耗二氧化碳,還將光能固定,為生命活動提供必需的能量。光合作用與能源利用過程可構成一個完整的生態循環。如果讓光合作用規模與能源利用規模實現平衡,則可同時實現碳減排與經濟發展。

    然而,自然界光合作用在短時間內消納的二氧化碳數量有限。那么,是否可以用工業化的方法,將光能固定,為生產生活提供能量,同時實現二氧化碳的消化或者利用呢?

    答案是肯定的。在“雙碳”目標的引領下,我國科研人員正在不斷完善人工光合成技術?!八囊幠;瘧貌粌H可以充分利用可再生能源,大規模消納二氧化碳,還能解決能源的多樣化問題,以多種方式儲存能源便于不同行業產業的利用,實現‘一石三鳥’的創新路徑?!苯?,中國科學院院士、中國科學院大連化學物理研究所研究員李燦就此接受了科技日報記者專訪。

    光伏發電能量利用率大幅提升

    記者:當前光伏發電技術已經相對成熟并且應用廣泛,還需要對太陽能進行更進一步的利用嗎?

    李燦:光伏發電是大家最熟悉的太陽能利用方式,其能量利用率近年來大幅提升,提升速度是10年前難以想象的。過去晶硅電池的太陽能利用率只有百分之十幾,而今,太陽能的工業化利用效率平均可達22%,在實驗室能達到26%。理論物理學家估算,太陽能單晶硅電池的太陽能利用率的極限值為31%,因此可以說,以光伏發電的方式利用太陽能,其能量利用率已經非常接近極限值。

    如今,能量利用率不再是關鍵制約問題,并網利用的問題隨之凸顯。目前在我國新疆、青海、內蒙古、甘肅等西部地區,光伏發電量巨大。受資源分布限制,光伏、風電等的發電量大多來自偏遠地區,這些地區很難鋪設規?;娋W或者特高壓電網,發出的電難以并網使用。正因為如此,這些年出現了“棄風棄光”現象。

    到2030年,我國光伏發電、風電裝機容量要達到12億千瓦的目標。目前看,這個目標可以超額完成,當前更大的挑戰在于如何實現巨量風、光發電的有效利用。

    為了解決這些問題,我們提出將太陽能轉化為燃料或化學品加以利用(Power-to-X),從而通過適宜技術高效、便捷地使用大量已經發出來的電。

    記者:您提到的適宜技術具體指什么?目前有哪些適宜的技術,應用后可達到怎樣的效果?

    李燦:這些技術是指在不修建輸電網的基礎上,將可再生能源產生的電能轉化為其他能源形式,例如可運輸的液體燃料。

    自然界的光合作用給了我們啟發。光合作用的本質是能量固定的過程。以人工方法實現光合作用的研究持續了很多年,有光催化、電催化、熱催化、酶催化等技術路線。這些研究正朝著不斷提高人工光合作用的效率、實現規?;a的方向前進。

    實現人工光合作用的規?;?,將給生產生活帶來很大變化。比如工信部正在倡導甲醇燃料汽車,以綠色甲醇代替汽油將大大降低污染物排放,并實現碳中和。另外,甲醇、甲醛等是材料合成、生物醫藥等工業的原材料,通過二氧化碳轉化的方式獲得這些原料將大大降低相關產業對化石資源的依賴。在人工合成淀粉的研究中,我們團隊參與了前端環節。這項研究通過把二氧化碳轉化成甲醇,再進一步合成碳水化合物,有望帶來人類獲取食物模式的變革。

    人工光合成產業發展迎來新契機

    記者:以人工方法實現光合作用的優勢是什么?

    李燦:發展人工光合成產業,初衷是把取之不盡的太陽能有效利用起來。10年前,中國科學院開啟了一個太陽能利用行動計劃,由我和褚君浩院士領銜推進。計劃啟動之初,我們對中國太陽能利用水平、技術路徑、產業規模等做過全面的戰略分析,認為發展人工光合成產業是極具潛力的方向之一。

    隨著我國“雙碳”目標的確定,人工光合成產業迎來發展契機。光合作用的主要原料是二氧化碳和水,可以把二氧化碳從“廢氣”變為“資源”。

    當前人類已經發展了一些消納二氧化碳的技術,比如碳捕捉、碳封存,把工業排放的二氧化碳捕捉下來注入到深井里封存起來,但這種方式是凈投入的,后續沒有產出。人工光合成方法卻可以“變廢為寶”,在消納二氧化碳的同時,生產出原料。因此我認為,人工光合成是可持續發展的“碳捕捉”方式。

    記者:這樣看來,二氧化碳也是一種資源,應如何利用這種資源呢?

    李燦:二氧化碳的資源化利用研究由來已久,但由于二氧化碳的強惰性,需要足夠的能源來激活,不像氫氣、氧氣活潑易利用,因此相關研究進展緩慢。

    現在情況不同了,我前面說到光伏發電量大且成本降低,但并網困難。人工光合成技術可以將這些能源利用起來,比如一步法電解二氧化碳制備烯烴和含氧化合物等。另一種規?;D化二氧化碳的技術是兩步法,即通過光伏發電電解水制氫,然后加入二氧化碳制甲醇、汽油,再制成各種化學品。目前,通過這種方法制備甲醇已經進入工業示范階段,制備汽油處于中試階段,其他產品的制備還處于基礎研究階段。據估算,這種方法可為市場提供約1億噸甲醇,減排空間達3.5億噸;如制備汽油,減排空間達到6億噸以上;其他制備路徑也可在提供工業原材料的同時,實現數億噸的碳減排。

    推進技術的工業化落地是系統工程

    記者:既然二氧化碳的資源化利用能帶來多方面的收益,那為什么它的發展沒有我們想象的順利?

    李燦:隨著技術的進步,很多以前認為不可能的或艱難的工作,已經具備了條件。比如,制氫曾被定義為一項非常困難、非常耗能的技術,但實際上目前其成本已經非??煽亓?。當離網電價在每度0.3元時,電解水制氫成本是每公斤18元,比煤化工制氫的每公斤10元貴不少;但當離網電價降到每度0.1元時,制氫成本降到大約每公斤7元,在此基礎上制備工業原料甲醇成本僅每噸1700元,比煤化工制甲醇每噸2500元的成本低很多。而光伏國際招標價已經降到每度0.14元??梢?,太陽能發電電力成本的大幅降低,為人工光合成過程中的氫氣、甲醇制備等問題“松了綁”。

    記者:應如何推動人工光合成的產業化發展?

    李燦:從最開始的基礎研究、催化劑篩選到最終落地、規?;a,甚至帶動產業鏈的延伸,整個鏈條非常長,也面臨一系列困難。

    首先是成本問題。很多研究在實驗室表現非常好,發的論文也很漂亮。但能不能轉化落地、在市場中生存下來,成本是決定性因素。這要求研究團隊在進行基礎研究時就考量生產過程的反應條件、工程造價等問題,在成果轉化過程中與企業合作攻關、不斷調整優化方案,并與地方政府通力合作,促成項目落地。

    其次是協同攻關問題。人工光合成的技術鏈條很長,一個企業很難在各類技術中都處于最優狀態,需要多家企業合作。目前,以我們團隊的研發成果為核心,在蘭州新區已經建起了液態陽光甲醇合成示范項目。這一項目從零起步,沒有任何可借鑒的樣板,必須開展協同創新。目前這一項目正在與中煤集團合作推進十萬噸級的工業化生產。

    當前更多的人工光合成技術路線正在邁向產業化,例如冰島利用地熱能發電的二氧化碳制備甲醇技術已實現中試,智利進行了用空氣中捕獲的二氧化碳制備綠色汽油的百噸級示范;我國也進行了二氧化碳加氫制甲醇的工業化示范。未來,期待各方力量轉變現有的碳減排思路,形成合力,挖掘二氧化碳資源化利用的潛力,從而在解決能源問題的同時實現低碳發展。

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