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李燦:發(fā)展人工光合成產(chǎn)業(yè)是“一石三鳥(niǎo)”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(fā)。光合作用的本質(zhì)是能量固定的過(guò)程。以人工方法實(shí)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(shù)路線(xiàn)。這些研究正朝著(zhù)不斷提高人工光合作用的效率、實(shí)現規?;a(chǎn)的方向前進(jìn)。

黨的二十大報告指出,推動(dòng)經(jīng)濟社會(huì )發(fā)展綠色化、低碳化是實(shí)現高質(zhì)量發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節。

實(shí)現綠色化、低碳化發(fā)展,自然界本身就蘊藏著(zhù)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(dòng)提供必需的能量。光合作用與能源利用過(guò)程可構成一個(gè)完整的生態(tài)循環(huán)。如果讓光合作用規模與能源利用規模實(shí)現平衡,則可同時(shí)實(shí)現碳減排與經(jīng)濟發(fā)展。

然而,自然界光合作用在短時(shí)間內消納的二氧化碳數量有限。那么,是否可以用工業(yè)化的方法,將光能固定,為生產(chǎn)生活提供能量,同時(shí)實(shí)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(lǐng)下,我國科研人員正在不斷完善人工光合成技術(shù)?!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(wèn)題,以多種方式儲存能源便于不同行業(yè)產(chǎn)業(yè)的利用,實(shí)現‘一石三鳥(niǎo)’的創(chuàng )新路徑?!苯?,中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所研究員李燦就此接受了科技日報記者專(zhuān)訪(fǎng)。

光伏發(fā)電能量利用率大幅提升

記者:當前光伏發(fā)電技術(shù)已經(jīng)相對成熟并且應用廣泛,還需要對太陽(yáng)能進(jìn)行更進(jìn)一步的利用嗎?

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

如今,能量利用率不再是關(guān)鍵制約問(wèn)題,并網(wǎng)利用的問(wèn)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(fā)電量巨大。受資源分布限制,光伏、風(fēng)電等的發(fā)電量大多來(lái)自偏遠地區,這些地區很難鋪設規?;娋W(wǎng)或者特高壓電網(wǎng),發(fā)出的電難以并網(wǎng)使用。正因為如此,這些年出現了“棄風(fēng)棄光”現象。

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

為了解決這些問(wèn)題,我們提出將太陽(yáng)能轉化為燃料或化學(xué)品加以利用(Power-to-X),從而通過(guò)適宜技術(shù)高效、便捷地使用大量已經(jīng)發(fā)出來(lái)的電。

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

李燦:這些技術(shù)是指在不修建輸電網(wǎng)的基礎上,將可再生能源產(chǎn)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(fā)。光合作用的本質(zhì)是能量固定的過(guò)程。以人工方法實(shí)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(shù)路線(xiàn)。這些研究正朝著(zhù)不斷提高人工光合作用的效率、實(shí)現規?;a(chǎn)的方向前進(jìn)。

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

人工光合成產(chǎn)業(yè)發(fā)展迎來(lái)新契機

記者:以人工方法實(shí)現光合作用的優(yōu)勢是什么?

李燦:發(fā)展人工光合成產(chǎn)業(yè),初衷是把取之不盡的太陽(yáng)能有效利用起來(lái)。10年前,中國科學(xué)院開(kāi)啟了一個(gè)太陽(yáng)能利用行動(dòng)計劃,由我和褚君浩院士領(lǐng)銜推進(jìn)。計劃啟動(dòng)之初,我們對中國太陽(yáng)能利用水平、技術(shù)路徑、產(chǎn)業(yè)規模等做過(guò)全面的戰略分析,認為發(fā)展人工光合成產(chǎn)業(yè)是極具潛力的方向之一。

隨著(zhù)我國“雙碳”目標的確定,人工光合成產(chǎn)業(yè)迎來(lái)發(fā)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?yōu)椤百Y源”。

當前人類(lèi)已經(jīng)發(fā)展了一些消納二氧化碳的技術(shù),比如碳捕捉、碳封存,把工業(yè)排放的二氧化碳捕捉下來(lái)注入到深井里封存起來(lái),但這種方式是凈投入的,后續沒(méi)有產(chǎn)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(shí),生產(chǎn)出原料。因此我認為,人工光合成是可持續發(fā)展的“碳捕捉”方式。

記者:這樣看來(lái),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(lái)已久,但由于二氧化碳的強惰性,需要足夠的能源來(lái)激活,不像氫氣、氧氣活潑易利用,因此相關(guān)研究進(jìn)展緩慢。

現在情況不同了,我前面說(shuō)到光伏發(fā)電量大且成本降低,但并網(wǎng)困難。人工光合成技術(shù)可以將這些能源利用起來(lái),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(shù)是兩步法,即通過(guò)光伏發(fā)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(xué)品。目前,通過(guò)這種方法制備甲醇已經(jīng)進(jìn)入工業(yè)示范階段,制備汽油處于中試階段,其他產(chǎn)品的制備還處于基礎研究階段。據估算,這種方法可為市場(chǎng)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(yè)原材料的同時(shí),實(shí)現數億噸的碳減排。

推進(jìn)技術(shù)的工業(yè)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(lái)多方面的收益,那為什么它的發(fā)展沒(méi)有我們想象的順利?

李燦:隨著(zhù)技術(shù)的進(jìn)步,很多以前認為不可能的或艱難的工作,已經(jīng)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(shù),但實(shí)際上目前其成本已經(jīng)非??煽亓?。當離網(wǎng)電價(jià)在每度0.3元時(shí),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(wǎng)電價(jià)降到每度0.1元時(shí),制氫成本降到大約每公斤7元,在此基礎上制備工業(yè)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(jià)已經(jīng)降到每度0.14元??梢?jiàn),太陽(yáng)能發(fā)電電力成本的大幅降低,為人工光合成過(guò)程中的氫氣、甲醇制備等問(wèn)題“松了綁”。

記者:應如何推動(dòng)人工光合成的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展?

李燦:從最開(kāi)始的基礎研究、催化劑篩選到最終落地、規?;a(chǎn),甚至帶動(dòng)產(chǎn)業(yè)鏈的延伸,整個(gè)鏈條非常長(cháng),也面臨一系列困難。

首先是成本問(wèn)題。很多研究在實(shí)驗室表現非常好,發(fā)的論文也很漂亮。但能不能轉化落地、在市場(chǎng)中生存下來(lái),成本是決定性因素。這要求研究團隊在進(jìn)行基礎研究時(shí)就考量生產(chǎn)過(guò)程的反應條件、工程造價(jià)等問(wèn)題,在成果轉化過(guò)程中與企業(yè)合作攻關(guān)、不斷調整優(yōu)化方案,并與地方政府通力合作,促成項目落地。

其次是協(xié)同攻關(guān)問(wèn)題。人工光合成的技術(shù)鏈條很長(cháng),一個(gè)企業(yè)很難在各類(lèi)技術(shù)中都處于最優(yōu)狀態(tài),需要多家企業(yè)合作。目前,以我們團隊的研發(fā)成果為核心,在蘭州新區已經(jīng)建起了液態(tài)陽(yáng)光甲醇合成示范項目。這一項目從零起步,沒(méi)有任何可借鑒的樣板,必須開(kāi)展協(xié)同創(chuàng )新。目前這一項目正在與中煤集團合作推進(jìn)十萬(wàn)噸級的工業(yè)化生產(chǎn)。

當前更多的人工光合成技術(shù)路線(xiàn)正在邁向產(chǎn)業(yè)化,例如冰島利用地熱能發(fā)電的二氧化碳制備甲醇技術(shù)已實(shí)現中試,智利進(jìn)行了用空氣中捕獲的二氧化碳制備綠色汽油的百?lài)嵓壥痉?;我國也進(jìn)行了二氧化碳加氫制甲醇的工業(yè)化示范。未來(lái),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(wèn)題的同時(shí)實(shí)現低碳發(fā)展。

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