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氣候變化是當今全球面臨的重大挑戰(zhàn)。近年來，我國經(jīng)濟飛速發(fā)展，伴隨經(jīng)濟的發(fā)展必然帶來能量的消耗以及碳的排放。因此經(jīng)濟發(fā)展帶來了大量的二氧化碳排放，所以我國近些年一直在考慮“碳達峰”、“碳中和”的問題，因此，我國提出了“雙碳”目標，中國二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和。
基于上述背景，在第二屆中日韓氫能產(chǎn)業(yè)高峰論壇、第二屆世界綠氫產(chǎn)業(yè)發(fā)展大會、首屆中國（山東）氫產(chǎn)業(yè)大會上，中國科學院院士、山東石油化工學院院長徐春明分享了《雙碳戰(zhàn)略下綠電技術發(fā)展思考與實踐》的主題報告。
一、雙碳戰(zhàn)略下的機遇與挑戰(zhàn)
報告首先通過下表中的數(shù)據(jù)，分析了“雙碳”戰(zhàn)略下的機遇和挑戰(zhàn)。
1、雙碳的重要前提是經(jīng)濟發(fā)展
近幾年，我國經(jīng)濟快速發(fā)展，未來一段時間還會保持一個高位增長。但是，經(jīng)濟發(fā)展的同時必然帶來能量的消耗，這是一個剛性關系。所以近年來我國基本上是以每年1億噸左右的標煤能量消耗總量增加。按照這樣一個預測，到“50·60”實現(xiàn)碳中和的時候，我們的能源消費總量將達到80-90億噸。能量消耗約等于帶來排放，因此二氧化碳排放也成為我國經(jīng)濟發(fā)展必須考慮的因素之一。
作為發(fā)展中國家，經(jīng)濟發(fā)展中怎樣才能在消耗能量的同時減少二氧化碳排放？所以經(jīng)濟發(fā)展雖然重要，但是在能量消耗和二氧化碳排放方面也要均衡，切記冒進。
近年來已經(jīng)從簡單的能耗雙控慢慢過渡到二氧化碳排放雙控，既要實現(xiàn)經(jīng)濟發(fā)展，也要追求經(jīng)濟環(huán)境生態(tài)綠色。
2、節(jié)能減排是第一選擇
既然能量消耗是必然的，但經(jīng)濟還需發(fā)展，在這個過程中首先能做的就是節(jié)能減排。這里有一個重要的參數(shù)就是能量消費強度的下降，也就是說我們同樣的GDP盡量少消耗能量，而這個節(jié)約能量就是直接的減排結果。各行各業(yè)不管利用什么手段，只要能夠節(jié)能，就是首選。
3、能源結構調整是根本
從長遠來看，要實現(xiàn)碳中和、碳達峰必須要進行能源結構基本調整。我國能源稟賦非常清晰，煤為主，石油和天然氣為輔。
從上表中可以看到，煤炭的消費比例已經(jīng)在逐漸降低，但是絕對值仍處于峰值，擺脫對煤的依賴還需要時間。
然而石油這么多年基本上在能源消費中占17%-18%，從絕對值來看還未達到峰值。天然氣和非化石能源作為低碳無碳的能源會得到快速發(fā)展。
目前排放100多億噸二氧化碳，并且還未達到峰值，有預測表示到2030年會達到105億噸甚至更高的二氧化碳排放。
4、二氧化碳的處理利用
在一段時間內(nèi)如何處置二氧化碳，不論是采用物理方法采取地下封存或者二氧化碳驅油，還是采用化學的方法把二氧化碳作為化學品材料轉化成高附加值的精細化工品和材料。
從大規(guī)模消納二氧化碳角度來看，還是以物理方法為主，化學方法盡管附加值高，但是消納二氧化碳數(shù)量有限。這里就有一個新的展望，將二氧化碳的消納與農(nóng)業(yè)發(fā)展聯(lián)系起來。例如在種植大棚蔬菜的地方，人為在大棚里增加一定的二氧化碳濃度提高光合反應的速度，即相當于消納了二氧化碳又提高了植物水果的收率。
5、二氧化碳排放強度降低
最后還有一個重要的數(shù)據(jù)是二氧化碳排放強度，上面已經(jīng)提到經(jīng)濟要發(fā)展能量要消耗，怎樣才能在消耗能量的同時少排放二氧化碳？這也是一個單位能耗二氧化碳排放強度的問題。要從根本上解決這個問題，就是要利用零碳的綠電和綠氫。
綠電綠氫雖然也是能源，但是在使用過程中并不排放二氧化碳，這樣可以達到提供綠色能源的同時，又可以不排放二氧化碳，既保證經(jīng)濟發(fā)展又能夠少排放二氧化碳。
基于上述的分析和判斷，可以預見未來會有很多的機遇和挑戰(zhàn)。
二、氫能：未來能源的雙重屬性
其次，報告也指出氫能將在未來能源生產(chǎn)消費中扮演重要角色，氫能作為一個能源的屬性，可以與電進行相互轉換，約等于利用電解水制氫間接把電儲存起來，因此氫還具有一個儲能的屬性，這也是氫能備受關注的原因，除了能源屬性還具備儲能屬性。
根據(jù)上圖，可以看出氫能的產(chǎn)業(yè)鏈相當復雜，因此氫能很重要，但要形成一個穩(wěn)定且規(guī)模化、有價值的產(chǎn)業(yè)鏈還需要一段時間的積累，這個過程既需要政府的支持，也需要各個企業(yè)的參與，更離不開技術的創(chuàng)新。
三、綠電重構傳統(tǒng)化工
1、電重構石油化工
在石油化工里有一個重要的過程，就是生產(chǎn)烯烴，因為乙烯、丙烯、丁烯，這三烯是生產(chǎn)高附加值、高分子材料的基本有機化工原料，這個常規(guī)的過程是需要消耗大量的化石燃料，比方每生產(chǎn)一噸乙烯，需要消耗500到600公斤的燃料油，而燃料油燒掉以后都變成二氧化碳排放，那么這個過程能不能用電來替代呢？
用電來替代化石燃料作為能量的輸入方式，雖然消耗了能量但減少了二氧化碳排放，況且隨著大規(guī)模綠電的消納需求以及成本的降低，不但有減碳的貢獻，同時在成本上也有競爭優(yōu)勢，基于上述的一些思考，徐春明院士的團隊發(fā)明了一種以電加熱的方式來實現(xiàn)烯烴的生產(chǎn)，根據(jù)實踐得到的結果，可以利用電加熱的方式替代傳統(tǒng)的加熱爐燒燃料或者燒燃料供蒸汽加熱方式來替代常規(guī)石油加工過程。
這里面有兩個重要的過程，一個是丙烷脫氫，這也是生產(chǎn)丙烯的主要過程，常規(guī)都是靠加熱爐加熱等方式進行生產(chǎn)，如果利用380V的電，通過空間供能的方式，不通過輻射傳導，這樣就改變了熱傳導的方式，能夠帶來一些新的變化，這個過程可以使能耗降低，不產(chǎn)生二氧化碳排放。
值得一提的是，這個過程也嘗試代替高溫的蒸汽裂解，那么高溫蒸汽裂解反應溫度850℃左右，也是靠高溫燃燒的加熱爐提供能量，同樣也是用380V的電通過空間供能的方式提供相應熱量，實際上這個過程中的能耗非常關鍵，突破在電磁強化供能的核心裝備以及控制系統(tǒng)，怎么能夠快速的實現(xiàn)加熱，同時還要穩(wěn)定控制反應度，這個過程中如果有催化劑，還要研究帶電磁響應催化劑的性能，期盼能夠對傳統(tǒng)石油化工的過程進行變革，未來希望用簡便的快速電加熱方式替代常規(guī)加熱爐帶著供熱的方式，可以非常靈活的把很多低價值的副產(chǎn)品，例如丙烷、低碳烴、芳烴都轉化成丙烯、乙烯、丁二烯等三烯，過程中只消耗綠電，通過前期的初步研究，通過測算用綠電替代傳統(tǒng)的加熱方式可以使整個投資減少三分之二。同時如果綠電的成本降至0.2元以下，那么每噸產(chǎn)品消耗1000多度電的成本也可以得到降低。
另外一個重要的過程就是合成氨，合成氨為多產(chǎn)糧食帶來了重要貢獻，利用煤、石油、天然氣作為原料，通過高溫的氣化變成一氧化碳和氫，其中氫再跟氮變成氨，也是一個高能耗、高排放的過程。
那能否利用綠電、水以及一些副產(chǎn)的煙氣來替代這些原料，甚至改變這個過程？
根據(jù)上圖可以看出，利用水通過電解水制氫得到氫氣，再把一些煙氣通過變壓吸附得到氮氣和二氧化碳，氫氣跟氮氣就是合成氨，而氨與二氧化碳可以做尿素，這個過程可以不消耗任何的化石能源，完全利用綠電，包括合成氨的反應過程也可以用電加熱的方式，原來一個高能耗、高排放的過程就變成低能耗甚至沒有排放的綠色過程。
另外合成氨本身也可以作為一個儲氫的介質，把氨作為儲氫運到各個地方，當然氨本身也可以長時間直接燃燒，作為液體的綠色燃料。這個過程如果打通等于為綠電的大規(guī)模消納以及綠電氨的生產(chǎn)提供一個新的變革性技術，
這個綠電應用有一個很大的問題就是不穩(wěn)定性，不論是太陽能還是風電，其最大的屬性就是間歇式、波動式的，然而大規(guī)模消納綠電像上述提及到的電烯和電氨，又是一個需要長周期穩(wěn)定運行的過程。因此，怎樣才能把這種波動的可再生電力用于穩(wěn)定連續(xù)的生產(chǎn)，又產(chǎn)生了一個新的課題。解決這個問題一個重要的手段就是大規(guī)模儲能。
目前大規(guī)模儲能最多的還是物理方法，也就是利用機械儲能，比方說抽水儲能或者壓縮空氣儲能，但是這類儲能方式受應用地點等各種限制，因此電化學儲能還是一個很有發(fā)展?jié)摿Φ目臻g，這里除了熟悉的動力電池以外，需要一個大規(guī)模長時間低成本的儲能，這也就是我們經(jīng)常提到的液流電池。
四、大規(guī)模長時儲能：液流電池
徐春明所在團隊與中海儲能公司開發(fā)了一種新的儲能路線——鐵鉻液流電池大規(guī)模長時儲能，其原理是通過電解液中不同價態(tài)鐵鉻離子的電化學反應，實現(xiàn)電能與化學能的轉變，完成充電與放電。
同時這個液流電池最大的優(yōu)點就是與常規(guī)電化學儲能設備對比，鐵鉻液流電池成本下降40%-60%，循環(huán)次數(shù)更多、電池壽命更長、環(huán)保性能更好，循環(huán)次數(shù)達到2萬次以上，初步實現(xiàn)了低成本大規(guī)模長時間儲能。
通過這種液流電池技術就可以把大規(guī)模消納可再生電力和安全穩(wěn)定運行所需要的化工過程耦合到一起，也就有可能消納大規(guī)模的綠電。
最后，徐春明院士強調綠電綠氫發(fā)展任重道遠，目前既有政府的支持，又有企業(yè)的積極參與，還有科研人員的不斷創(chuàng)新，相信在“雙碳”背景下，綠電綠氫將會發(fā)揮重要作用。
