2020年中国电机工程学会年会 2020. 11. 11. 北京 可再生能源规模化储能 绿色氢能和液态阳光甲醇 李 灿 (Can Li) 催化基础国家重点实验室 中国科学院大连化学物理研究所 洁净能源国家实验室（筹） http://www.canli.dicp.ac.cn State Key Laboratory of Catalysis 新冠肺炎病毒 新冠肺炎病毒 Covid-19 遍布210多个国家和地区 全世界感染累计超过 4200万人 死亡累计超过 110万人 气候变化 全球生态受到严重破环，导致全球气候恶化， 2 极端天气频发。2019年是有记录116年以来 最干热的一年。2020年更是灾难最多的年份。 病毒疫情的发生和流行与生态环境恶化也有一定的关系 中国经济发展面临的能源 和坏境生态问题 ·化石能源资源（煤、石油、天然气，87%） 排放二氧化碳的主要源头 ·煤化工、石油化工，二氧化碳排放的大户 ·能源需求增长迅速，能源安全问题 ·二氧化碳排放，气候变化，生态环境恶化 全世界每年排放CO2超过400亿吨；我国已经接近100亿吨，排世界第一 这也是造成我国大面积雾霾天气的主要原因。 如何破解这个难题？ 发展可再生能源 人类可持续生存发展的重大而长期的课题： ● ● 实现规模化低碳乃至无碳能源 回归全球生态平衡 “…保护地球家园，需要各国必须迈出决定性步伐。中国将提高国家自主 贡献力度，采取国家有利的政策和措施，二氧化碳排放力争于2030年前达 到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。”---习近平主席在联合国大会上讲话: 4 太阳能和可再生能源     清洁 丰富 可再生 潜力巨大 照到地球表面1小时的太阳能可满足一 年的全球能源需求。 太阳能是其他可再生能源的根源 如：风能、水能、生物质能等 万物生长靠太阳 太阳能科学利用 太阳电能 • 满足固定能源需求； • 光伏、光热发电，已商业化应用 我国是生产和装配光伏组件最多的国家 电能供应基本满足我国需求 化学能（太阳燃料） • 太阳能集中储存，满足移动能源需求； • 实现低碳和无碳燃料； 我国短缺液体燃料，能源安全问题 跨越化石能源到清洁可再生能源： 能源革命(需要变革性科技) +H2O Courtesy to Bert M. Weckhuysen (Utrecht University) 从自然光合作用到人工光合成 Nature photosynthesis Artificial photosynthesis [光(电)催化] Inspired from 道法自然 Biomass + Oxygen 发展高效、规模化光电催化技术 Solar fuels CO2 + H2O CO2 + H2O nature 太阳燃料合成: 基本化学反应 Semiconductor + hν → e- + h+ 2H2O + 4hν → O2 + 4e- +4 H+ 4H+ + 4e- → 2H2 6H+ + 6e- + CO2 →→ CH3OH + H2O 2H2O H2O + CO2 光(电)催化剂 光(电)催化剂 2H2 + O2 化学燃料 + O2 (e.g., CH4, CH3OH, CO, HCOOH, CnH2n+2,…) 9 分解水制绿氢主要技术途径 H 2O 光催化分解水 光电催化分解水 H2 电解水 电解水制氢技术 液体碱性水电解 固体聚合物SPE水电解 固体高温氧化物水电解 碱性 固体聚合物 固体氧化物 单槽规模 < 1000 Nm3H2/h < 100 Nm3H2/h 实验室研究 电解效率 60~75% 75~90% 85~100% 能耗 4.8~5.5 kWh/Nm3 3.7~4.6 kWh/Nm3 2.6~3.6 kWh/Nm3 稳定性 10~20年 10000小时 11 可再生能源规模化电解水制氢生产 “大规模”、“低能耗”、“高稳定性”三者的统一 低能耗（高效率，60-70%→ 80-90%） 能效提升10-20%，成本降低30-50%，规模化后效益巨大 高稳定性（苛刻条件） 强酸，强碱，10年以上，降低电解槽成本 规模化（ > 1000 m3-H2/h) 可与下游规模化应用市场匹配，降低制造成本和工业化用地 中国科协：2020年十大重大工程技术难题之一 由中国可再生能源学会和中国化学会推荐 电解槽核心结构及技术 先进电解槽结构及组件 匹配先进电催化剂、新型隔膜和优化的工艺。 13 碱性电解水催化剂：实验室研究到工业化 电解水电极催化剂的中试评价（d=600 mm, ~ 2400 cm2） 新型电解水技术--中试实验 电流密度 平均能耗 最低能耗 400mA/cm2 4.3 kWh/m3 4.0 kWh/m3 现工业最优—中试对照 400mA/cm2 工况条件、高电流密度 ① 能效提升10-15%（4.3度电/方氢） ② 高稳定性（高温冶铸技术） ③ 实现大规模化（催化剂制备，电解槽产氢） ~4.8 kWh/m3 在兰州新区进行工业电解槽装置的验证，电催化剂表现优 异的性能，可实现超过千方氢/小时以上的产氢规模。 CN201910520816.X，CN202010373979.2，CN202010375494.7， CN202010651097.8，PCTCN2019094802 Unpublished results 电解槽产氢随光伏功率波动曲线 晴朗 电解产氢量 多云 适应光伏发电间歇性、波动性特点，解决可再生能源储能、及弃电（弃光、弃风、弃水）问题。 太阳能化学储能：氢能和甲醇 太阳能化学储能： 2H2O → 2H2 + O 2 ∆Go (298) = 237 kj/mol， (~33,000 kWh/t-H2) CO2+ 3H2→CH3OH + H2O ∆Go (298) = 3.8 kj/mol ~0 (~8,000 kWh/t-CH3OH) ∆Ho (298) = 50 kj/mol 氢能可基本储存在甲醇分子中，是理想的太阳能储能反应，故由此合成的甲醇为 太阳燃料,甲醇是优良的燃料，可应用作汽车汽油替代燃料。 液态太阳燃料合成工业化技术路线 Solat-to-H2 > 16% 全球第一套直接太阳能液态阳光千吨级示范工程 自主知识产权技术，全部设备国产化 电解水制氢 (电催化剂） 10兆瓦光 伏电站 H2 二氧化碳加氢 （催化剂） H2 > 20% CO2捕集 O2 1000 m3/h > 80% ZnZrO CO2 Sel. > 90% CH3OH 每吨甲醇需转化1.375吨二氧化碳，8000万吨甲醇，则转化上亿吨二氧化碳 利用可再生能源发电,光伏，风电，水电等。合成1吨甲醇储存8000多度电，可规模化化学储能 10兆瓦光伏发电可生产1500-3000吨甲醇， 100万吨甲醇可储存大约5GW光伏发电 千吨级规模太阳燃料合成工业示范工程 全球首套直接液态太阳燃料规模化合成于2020年1月在兰州新区试车成功 2020年10月，石化联合会组织专家验收鉴定。 18 液态太阳燃料合成示范项目简介 总反应过程：水+二氧化碳+太阳能 → 甲醇（液态太阳燃料） 总目标：实现千吨级规模液态太阳燃料 核心技术：规模化碱性电解水制氢电催化剂技术（独创技术）； 二氧化碳加氢合成甲醇ZnZrO固溶体催化剂技术（独创技术） 10兆瓦光伏发电技术（19%，晶澳，商业化技术） 技术自主创新、设备全部国产化（集成技术） 示范效果：全面超过预定设计指标： >1000方氢/小时；>1000吨甲醇/年；甲醇选择性>98%, 19 太阳燃料与二氧化碳资源化循环转化 H2 CCS CxHy , CxHyOz + O2 CO2 + H2O CCU Electric Photocatalysis CO2 + H2 CxHy , CxHyOz 碳循环和甲醇经济 G. A. Olah, et al., Chem. Soc. Rev. 2015