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零碳研究院碳报11期:清洁能源的甲醇之路

9月初,甲醇经济发展论坛在山西省晋中市举办。此举也是这座有着30多年甲醇发展史的城市,在经历诸多产业波折,牵手吉利汽车后,第一次直面甲醇产业的核心问题。 在纯电和燃料电池成为舆论主流的今天,连“新能源”身份都没有明确的甲醇燃料,为何重新进入大众视野?被期待补足重载领域清洁发展短板的甲醇重卡可否托付明天? …

9月初,甲醇经济发展论坛在山西省晋中市举办。此举也是这座有着30多年甲醇发展史的城市,在经历诸多产业波折,牵手吉利汽车后,第一次直面甲醇产业的核心问题。

在纯电和燃料电池成为舆论主流的今天,连“新能源”身份都没有明确的甲醇燃料,为何重新进入大众视野?被期待补足重载领域清洁发展短板的甲醇重卡可否托付明天?

困境:60%以上的汽车氮氧化物排放来自占比不到7%的重卡

近年来,乘用车新能源化发展趋势明显,2011年时新能源汽车销量不足万辆(8159辆),2018年新能源汽车销量首次突破100万辆,2021年直接升至352万辆。然而,一个基本事实是,公路交通运输领域温室气体的排放主要来自重载运输。

天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室姚春德教授发表演讲。新京报贝壳财经记者 白华兵 摄

天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室姚春德教授表示:“柴油动力承担几乎100%物流运输和工程建设及农业生产。到2022年7月,机动车保有量达到3亿辆,其中柴油车保有量大约2100万辆左右,仅占机动车保有量的6.6%。加上工农业机械、船舶、内燃机车等各类柴油动力,消耗商品油占总量的三分之二,排放了总量63.4%的NOx(氮氧化物)和95.9%的颗粒物。”

事实上,让我们担忧的不仅仅是排放,还有能源安全。

我国是一个多煤、贫油、少气的国家,石油严重依赖海外进口。我国自1993年成为石油净进口国,石油进口对外依存度超过70%,这对国家能源安全造成极大压力。

据中国海关总署统计数据显示,2021年中国原油累计进口量达到了51298万吨。而据国家统计局统计数据显示,2021年中国原油累计产量仅达到19897.6万吨。在大约7亿吨的原油需求中,有超过5亿吨需要进口。

因此,重载运输领域的清洁化、低碳化发展已经迫不及待。

近年来,我国在这方面的探索也一直在进行,并且细分出纯电、油电混动汽车、氢燃料电池等多个赛道。然而,长距离重载运输的难题一直没有得到有效解决。纯电面临低温、续航、动力不足等问题,而氢燃料电池又面临成本过高、储存运输有限等瓶颈。

优势:多煤、贫油国情下,甲醇以优越性能获重新认识

晋中市市长常书铭在论坛中说,“甲醇被喻为清洁的‘煤’、便宜的‘油’、简装的‘气’、移动的‘电’、液态的‘氢’。”

常书铭表示,甲醇是清洁的。“双碳”目标的核心是降碳,1个甲醇分子仅含一个碳原子(汽油约6—12个,柴油约10—22个),低碳含氧富氢,是世界公认的清洁能源。甲醇是经济的。以重卡为例,相比柴油,甲醇运行成本更低,每公里省5毛,一年运行15万公里,就能省7.5万元,运行越多越省钱,如果人歇车不歇,按照每台车6到7年的生命周期,可节省约50万元。甲醇是安全的。常温常压下呈液态,性能稳定,安全系数高(燃料相对危险度,即包括毒性、引烧、引火在内的综合指数:汽油41、柴油34、甲醇28)。据预测,如果甲醇燃料应用3.5亿吨以上,我国原油对外依存度可降到约30%,最大化保障我们能源安全。

姚春德表示,甲醇的体积能量密度,是氢气的1446.5倍,是液体氢的1.84倍;甲醇的储电能力1.0kg为5.48kWh(度)。此外,甲醇还有运输、储存和加注方便,价格低廉,常温条件贮存等特点。

南方科技大学创新创业学院院长刘科表示,“今后用劣质煤和便宜的风能、太阳能结合,制成绿色甲醇,取之不尽,这是实现今后碳中和的重要路径,同时也是解决中国石油不够的重要战略路径。它是在碳中和方面有一箭三雕功能,第一,它可以资源化转化二氧化碳,解决工业刚性排放的二氧化碳,规模化生产甲醇,并可缓解我们国家液态燃料短缺局面;第二方面可以成为氢能的载体,解决氢能制备储存和运输的安全性和成本性问题;第三,可以解决间歇性能源,风、光规模化储能和调峰问题。”

突破:甲醇汽车已经突破腐蚀、积碳等技术瓶颈

值得注意的是,我国在甲醇的研究和应用上,起步很早。目前,晋中市已经走过30多年的发展之路。早在十多年前,该市就开始在出租车、公交车等领域推动甲醇的应用。然而,随着电动化浪潮的来临,发展并不顺利。曾经的龙头企业不得已开发甲醇锅炉,推动甲醇在其他领域的小规模应用。

晋中基地生产的新一代吉利远程甲醇重卡亮相。新京报贝壳财经记者 白华兵 摄

分析者认为,原因是多方面的,除了政策因素外,还因为甲醇燃料自身的问题得不到很好解决,比如低温启动的问题,腐蚀性问题,以及燃烧积碳问题。

在太原能源低碳发展论坛上,吉利控股集团董事长李书福表示,吉利已经深耕甲醇领域17年,成功地解决了甲醇发动机零部件耐醇、耐久性能等行业难题,掌握了甲醇汽车的核心技术,形成专利200余件,开发甲醇燃料车型20余款,累计行驶里程接近100亿公里,最高单车运行里程超过150万公里,耐久性可靠性得到实践验证,成为全球首个实现甲醇汽车量产的主机厂。

姚春德介绍,工信部自2012年开始,在山西、陕西、上海两省一市启动了甲醇汽车试点,后试点扩展到贵州、甘肃。2013年,国务院办公厅《关于加强内燃机工业节能减排的意见》提出,用甲醇替代柴油解决重型柴油机替代燃料问题。2019年3月,工信部等八部委发布《关于在部分地区开展甲醇汽车应用的指导意见》,开启了在全国有条件地区推广应用甲醇汽车的先河。

姚春德表示,甲醇燃料曾经面临的问题,已经被一些科研院所和企业攻克。比如甲醇添加剂使得甲醇成为车用级燃料;甲醇专用润滑油解决了运动件系统的异常损害问题;新型耐甲醇低摩擦的合金材料,解决了金属件材料的异常腐蚀、磨损问题;新型耐甲醇的橡胶材料,解决了橡胶急速老化问题。而进气道的喷燃技术,也使得发动机积碳得以燃烧。

现实:煤炭清洁化利用的甲醇路径已经成型

中国科学院副院长张涛表示,中国能源安全主要是指油气供应安全,如果能够通过甲醇跨越油气时代,中国的能源安全就会得到极大的保障。

1月27日,习近平总书记在山西考察时强调,推进碳达峰碳中和,不是别人让我们做,而是我们自己必须要做,但这不是轻轻松松就能实现的,等不得,也急不得。必须尊重客观规律,把握步骤节奏,先立后破、稳中求进。富煤贫油少气是我国国情,要夯实国内能源生产基础,保障煤炭供应安全,统筹抓好煤炭清洁低碳发展、多元化利用、综合储运这篇大文章,加快绿色低碳技术攻关,持续推动产业结构优化升级。

中共中央政治局常委、国务院副总理韩正6月28日到山西太原调研时指出,推进煤炭清洁高效利用,是推动能源绿色低碳转型、实现碳达峰碳中和目标的重要途径。

据了解,山西省的煤炭储量、可开采量居全国前列,同时有弃采煤约900多亿吨。此外,山西省还拥有全国最大的焦化产能,约1.5亿吨。这些不同的丰富的资源类型,恰好可以采用不同的低碳绿色发展路线,实现甲醇低碳化、零碳化乃至负碳化生产。

常书铭介绍,现阶段,甲醇消费重头在重卡领域。1台甲醇重卡每年跑10万公里,需消耗甲醇约100吨,10万台需1000万吨。山西每年焦化产能约1.4亿吨,每10吨焦化产能可产1吨甲醇,仅这一项每年可制备1400万吨,满足14万台重卡需求。现阶段利用煤、焦炉煤气、天然气三种传统方式制甲醇的基础上,晋中把“绿醇”生产作为未来的发展方向,也就是运用碳中和方式和生物质循环利用制备绿色甲醇。利用捕集工厂排放的CO₂,与绿氢、焦炉气制甲醇,实现“化腐朽为神奇”,就是把CO₂的“腐朽”变为甲醇能源的“神奇”;通过把农作物秸秆、生活垃圾等生物质生产绿色甲醇,“变荒地为油田”。

甲醇经济“晋中宣言”将从绿色发展、技术创新、产业布局、示范区建设等方面推动甲醇经济的全面发展。新京报贝壳财经记者 白华兵 摄

未来:多方式制醇比单纯的碳捕集、利用与封存更经济高效

CCUS就是碳捕集、利用与封存,通过碳捕集、利用与封存可以显著减少电厂和工业的煤炭燃烧排放量。

然而,《中国石油石化》杂志就撰文指出,“双碳”背景下,CCUS作为一种大规模的温室气体减排技术被寄予了厚望。联合国政府间气候变化专门委员会指出,如果没有CCUS,几乎所有气候模式都不能实现《巴黎协定》目标,且全球碳减排成本将会成倍增加。包括中国在内的许多国家以及众多企业,已经将CCUS定位为实现“双碳”目标的关键技术,着重布局,着力发展。

文章表示:“CCUS大发展的机遇就在眼前。但是,现在还不得不泼一盆冷水。澳大利亚Gorgon项目,最初计划每年捕获并向地下注入400万吨二氧化碳。尽管其拥有雪佛龙、埃克森美孚、壳牌等强大的股东背景,项目2016年开始运营至今仍未能实现埋存目标,表现比目标低了约50%。”

刘科教授就认为,与其花大价钱把二氧化碳气体压入地层,以此来获取更多的油气资源来增加碳排放,倒不如直接把工业生产过程中不得已的二氧化碳排放给搜集起来,制成甲醇,从而降低最终排放量。如果有足够的廉价绿电,还可以直接从空气中捕集二氧化碳。这样,既压短了二氧化碳的循环流程,又降低了排量,还很经济实惠。

中国科学院副院长张涛介绍,早在2017年,中国科学院就提出了液态阳光概念,之后在国际著名能源期刊上发表了相关论文。这里液态阳光,指的是生产过程中碳排放极低,或为临时制的甲醇等液体燃料。中国科学院大连化学物理研究所于2020年在兰州建设了千吨级液态阳光中试装置,该装置利用太阳能发电、电解水产氢、氢气与二氧化碳反应生成甲醇,从而把可再生能源能量存储在液体燃料甲醇中,该技术不仅能够将二氧化碳转化为与人们生活息息相关的化工品,拓展二氧化碳利用途径,减少煤炭、石油等传统化石资源的消耗,还能耦合可再生能源技术,通过把可再生能源制取的绿氢合成化工品,将可再生能源转化为化学能,储存于便于运输的物质之中,例如甲醇、氨、汽油,是电能高品位延伸,可解决一些特定领域的需求,是未来解决二氧化碳排放的重要途径之一,对全球绿色发展,我国能源经济结构调整,化工行业储能行业发展都具有深远的意义。

张涛表示:“积极推进甲醇产业化应用,是开发低碳能源、发展循环经济最重要的举措之一,国家‘十四五’工业绿色发展规划中,首次将甲醇汽车列入绿色产品,绿色甲醇被列入绿色低碳技术推广应用工程。”

新京报零碳研究院研究员 白华兵

原标题:专题|清洁能源的甲醇之路 零碳研究院碳报(第十一期)

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