绿色甲醇是新型能源系统的推进剂

甲醇在我国的应用已经有四十多年的历史，目前甲醇年产能8000多万吨，相关基础设施累计投入上万亿，围绕甲醇的制、储、运、用，在制度建设以及应用管理等方面已经形成了完整的体系，在我国的经济建设过程中发挥着独一无二的作用。随着双碳目标的实施，甲醇的制备过程逐渐走向“清洁化”，丰富的风、光资源，为绿色甲醇制备提供了源源不断的绿氢原料，通过完全技术自主的“液态阳光工程”技术，将绿氢与二氧化碳经过催化重整产生绿色甲醇，将可再生能源储存在常温常压的绿色甲醇里，为规模化绿色能源应用、实现双碳目标，提供了具备中国特色的解决方案。

 

以绿色发展为目的的“双碳目标”，从根本上来说是传统资源的重组、能源结构的调整。这个调整将淘汰落后技术和产能，产生新的“不平衡”状态，形成新的技术与产能的“空缺”，需要通过制度创新、技术创新来实现能源系统的重构，创建新型能源系统，以适应绿色发展的要求。就如何创建新型能源系统，笔者结合工作学习体会，谈一点认识，抛砖引玉。

 

1、碳排放结构反映出工作重点

 

从我国的碳排放结构看，根据研究成果表明，2020年，中国二氧化碳排放量为139亿吨，在全球占比30％。排放主体上，工业占38％，电力占比33％。从行业大类来看，工业排放了最多的二氧化碳，排放量为51.63亿吨，占比50％；电力位列第二，排放了36.66亿吨二氧化碳，占比35％；移动源（汽油车、燃油车和非道路机械）排放了9.08亿吨二氧化碳，占比9％；最后是民用行业排放了6.4亿吨二氧化碳，占比6％。

 

从碳排放结构可以看出，尽管碳排放总量不小，但排放源分布存在不一致性，呈现发散特性，说明碳排放是经济社会的伴生体，只要有人类活动，就会有碳排放。但是通过行业分析，碳排放又表现出行业集中性，即在工业、电力两大领域，贡献了碳排放的绝大部分，他们是“碳老虎”，因此，减排的重点突破口就在于工业、电力领域的发力，相关的减排技术创新与投资活动，也应聚焦这两大领域。新型能源系统的一个主要任务就是实现“减排”，为绿色发展保驾护航。通过技术创新，置换掉重点领域的二氧化碳，在实现二氧化碳资源化利用的同时实现绿色发展。

 

2、氢电协同是绿色发展的重要手段

 

目前，我国年用氢量约3700万吨，以“灰氢”为主，依赖化石能源为原料的传统制氢工艺过程是碳排放的主要根源。因此，用绿氢替代灰氢，从而减少碳排放，是一种现实选择。以碳排放龙头－－工业领域为例，其中的化工行业是碳排放大户，化工是主要的碳排放行业，也是脱碳难度最高的行业之一。我国石油炼化、合成氨、合成甲醇等化工行业每年消费的氢气量高达2000多万吨，其上游原料几乎全部源于煤炭、天然气（部分石脑油）等化石能源。在“双碳”目标背景下，化工行业减碳压力巨大，用可再生能源制氢替代传统化石能源制氢是实现低碳化工的关键之举。在这个过程中，基于氢能兼备能源载体（电氢）和工业原料（料氢）的两重性，通过“电氢协同”，可实现可再生能源发电制备绿氢（电氢），绿氢再以原料身份（料氢）进入化工领域，实现绿氢替代灰氢，减少化石能源制氢过程，从而实现化工减碳，打造基于可再生能源的绿氢化工体系。

 

2022年3月，国家发改委、国家能源局印发《氢能产业发展中长期规划（2021－2035年）》，指出“探索开展可再生能源制氢在合成氨、甲醇、炼化、煤制油气等行业替代化石能源示范”。2022年4月，工信部联合六部委印发了《“十四五”推动石化化工行业高质量发展的指导意见》，提出“鼓励石化化工企业因地制宜、合理有序开发‘绿氢'，推进炼化、煤化工与’绿电‘’绿氢'等产业融合示范”。中石化新疆库车利用光伏发电制氢，供应塔河石化的实践值得研究。塔河石化案例表明，由于炼厂的连续性生产要求，所有緑氢都必须能够连续性供应并且不可中断（停检除外），但可再生能源的间歇性特点又是现实存在。如何解决这一连续性需求与间歇性生产之间的矛盾，既是大工业用户的生产要求，也是保证氢能产业能够多元化发展的关键，这个案例充分展示了“氢电协同”在实现通过规模化绿氢生产来推动化工低碳转型方面的积极意义，具有很好的示范效应。

 

3、甲醇是氢能多元化发展的有效支撑

 

在国家大力推动下，我国氢能产业进入快速发展期。基于电解水技术制取的緑氢具备“电、氢二象性”，如何发挥好这个“二象性”，满足多元化应用场景的需求，是氢能产业发展的目的，也是技术创新的关键。

 

（1）氢电协同是必然要求

 

毋庸置疑，能源供给与能源消费和电力供应一样存在“相差”，这个“相差”是能源的积累，本质上也是高品质能源，如果不能加以有效利用而是废弃掉或低品位利用（如谷电），是一种资源的浪费。绿氢的“二象性”可实现电力、热力、燃料等能源品种之间的转化，是解决能源供给和能源消费在空间与时间上的结构性矛盾的重要手段。解决方案之一就是“氢电协同”。

 

（2）源网荷储需要氢电协同发力

 

目前我国用氢约80％来自化石能源制氢。数据表明，天然气生产1吨氢气产生10吨二氧化碳；石油生产1吨氢气产生12吨二氧化碳；煤炭制1吨的氢，同时产生19吨二氧化碳。如果能够实现緑氢替代，可直接减排二氧化碳2亿吨－4.8亿吨。在“源网荷储”中，作为用户端的“荷”是其中重要一环，在新型能源体系中，这个“荷”具有“不用即是储”的特性，在这里，“储”体现的是“荷端”的消纳能力与调节能力，是通过“氢电协同”来实现的。因此推动以“氢电协同”为技术支撑的新型能源体系建立，在化工、电力、冶金等行业大有可为。

 

（3）氢电互补是氢电协同的基本方式

 

新型能源系统的主力是新型电力系统，长周期调节功能是其主要特征之一，由于绿色甲醇的存在，氢能的大规模长周期储存成为现实，能够充分发挥储存氢对于“峰谷电”的调节功能。在氢电协同条件下，通过氢电互补，平抑可再生能源发电的间歇性、波动性，为促进可再生能源规模化发展的提供技术保障，通过'风光氢储‘一体化发展，在实现可再生电力消纳的同时，保证电网平稳运行，发挥协同效能。

 

（4）推动扩大氢电协同的应用

 

氢电协同需要做好制氢端（源）、应用端（荷）和电网端（网、储）的协同，由于应用场景多样化，对电力需求也是要求不一，因此需要电网侧具备强大的适应性协同能力，对于传统供电模式无疑是一个挑战，这也是创建新型能源社会的必经之路，新能源输配电的建设与运营将会更加灵活，以便满足不同区域、不同行业的多元化需求，电网侧将由“坐商”变成“营商”，其中制氢端（源）的灵活性体现在平抑可再生能源波动的并网型电制氢、集中式可再生能源自发自用制氢＋余电上网、可再生能源离网型电制氢、传统火电与可再生能源耦合制氢、海上风电制氢、核电制氢、生物质发电制氢等；电网端（网、储）的灵活性主要体现在局域电网建设（负荷相对稳定用户）、孤网系统建设（负荷变化频率高的用户）、氢储能电站配套建设等，通过对不同负荷端的精准化电力匹配，提高电力系统安全性、可靠性和灵活性；应用端（荷）的灵活性体现在分布式技术应用，包括分布式网电制氢、分布式可再生能源自发自用与网电联合制氢、分布式氢能热电联供、分布式电氢制充注一体站等；通过解剖整合这些“灵活性”，构成以氢能为轴，与电、热、冷实现互联互通的智能化交互系统，实时动态响应，实现“源、荷、储互动”，提高综合能效，保障新型能源系统运行安全可靠。

 

（5）甲醇是实现“电氢协同”“的最佳载体

 

在氢能得多元化发展过程中，氢能必须具备可大规模长周期储存的能力，以便于在氢电协同中担当好氢能”蓄水池“、电力”稳定器“，由于氢的特性，目前无论从气态、液态、固态等形式储存都存在效率、成本、氢的提取等等各种不均衡的矛盾，科技工作者也从不同角度寻找替代方案，其中绿色甲醇（液态阳光）由于可以实现常温常压储存且运输成本低，成为重要替代方案。在绿色甲醇的加持下，氢能的规模化发展有了依托。

 

中科院大连化物所李灿院士团队的”液态阳光技术“（绿色甲醇技术）利用二氧化碳加氢重整合成甲醇的循环模式已经在多方面实现了突破，是我国独立自主的技术密钥，为緑氢的大规模发展提供了绿色甲醇解决方案。

 

绿色甲醇（液态阳光）作为一种新型能源形态，立足我国国情，实现技术独立自主，充分发挥我国资源禀赋优势。由于绿色甲醇可以常温常压储存，在业内已被视为液态的”氢“，移动的”电“，实现了氢能的大规模储存，突破了氢能运输瓶颈，解决了”氢电协同“的时间性、空间性要求，绿色甲醇通过重整分离储存的氢，做为氢燃料电池原料，以氢燃料电池为能源体，向用户提供冷、热、电等能源。从这个角度看，绿色甲醇是成熟的”储能“方式。同时，绿色甲醇还可以直接作为燃料，用于交通、海运领域。实现技术、资源自主可控，实现部分原油替代，缓解原油进口压力。

 

事实上合成甲醇、合成氨由于可实现长时储存，已经形成共识作为可再生能源制氢的有效载体，带动了氢能产业的规模化发展。据不完全统计，截至2022年底，国内已规划绿醇项目产能接近450万吨，绿氨项目产能达到340万吨，合计每年绿氢需求接近120万吨。

 

4、新型能源系统下的甲醇地位

 

新型电力系统是新型能源系统的主力军，这个新型电力系统以高比例收纳新能源接入为特征，具备消纳新能源不稳定性的能力，因此，大容量、智能化、可存储、平峰谷、多向性、强响应性成为新型能源系统下氢电协同技术创新的主要任务，与之相应的制氢端、输配端、存储端、负荷端的投资将逾万亿，在资本推动下，成本及效率的约束也将推动科技进步，为以绿色发展为基调、以减排为目标的新能源大规模应用提供相应的科技手段。

 

根据我国氢能产业发展目标，以统是实现双碳目标的前提，也是新型能源系统赖以建立的基础。及双碳目标的要求，规模化的绿氢制备系制氢端的发力，是实现双碳目标的重中之重。目前，国家通过政策导入，示范引领，引导推动氢能产业的科技创新，这个阶段还没有形成有效的市场。分析其根本原因就在于由于技术手段不足导致绿氢成本不足以抵消投入，对于资本来说没有吸引力。随着政策导入的推进以及科技创新的快速迭代，预计到2027年，将开启市场窗口，也就是说在政策及技术创新加持下，绿氢成本基本可以达到市场成本线，绿氢替代投入与收益基本持平，同时还可以实现绿色生产，享受碳汇收益。预计到2030年，随着氢电协同的细化完善、电氢耦合技术攻关及示范工程产业链日益健全，做为緑氢制备”龙头“的宽频、高效、低成本、模块化电解水制氢装备及其緑氢市场应用等进入最佳投资节点，大规模绿氢制备进入商业化阶段。这个时期，新型能源系统就要发挥作用，以满足双碳目标下可再生电制氢、氢发电及分布式应用、工业场景、交通、民用等多角度多领域的广泛应用。

 

绿氢规模化发展时期表现出如下特征：一是根据”不用即是储“的特点，可再生能源电解水制氢成为重要的可调节负荷；二是结合大规模可再生电解水制氢项目、电网配套及输氢管道建设，绿氢制备端与电网协同互动成为常态；三是为了支撑新型电力系统区域性、季节性、行业性等电力平衡，大规模、长周期、跨季节的氢储能工程成为重要支点，考虑到各地各行业对于可再生能源的获取差异性以及资源禀赋的多少，这个氢储存将呈现点、线、面结合的特点，依靠智能化管理系统，实现储存互联互通，提高存储容量的使用效率，发挥社会效益。

 

通过上述分析可以看出，新型能源系统的建立必须依靠新型储能的创新，绿色甲醇由于其自身优良特性，在新型能源系统长周期调节过程中，能够以”液态储氢“的身份参与大规模、长周期存储，克服了距离障碍，可以充分发挥调节作用，有力推动氢能产业的大规模发展，平抑可再生能源发电的间歇性、波动性，保证电网稳定，实现氢电互补，发挥氢电协同的效能。

 

新型能源体系的建立，不仅仅是能源结构调整和能源形态创新，同时也必将带动能源产业革命，形成新的能源体系，组合出新的产业链、供应链，所有这些投入都是围绕”绿色发展“这个国策大目标，在形成新的投资产能的同时，会推动实现”双碳目标“，促进国民经济健康长足发展。仅以储能为例，多达十余种储能技术都在各自发挥技术优势，都有自己的”绝招“，在氢能产业发展过程中，都将发挥不可或缺的作用。绿色甲醇的特点，在于能够满足大规模的制氢端的”储氢“需求，也具备分布式应用的优势，中石化北方能源全国首台套分布式甲醇制氢装置的应用示范就是一个成功的案例。

 

在新型能源系统的创建过程中，需要各种力量的助推，绿色甲醇可以起到推进剂的作用。涉及到具体需求，方案的制定应该因地制宜，结合自身资源禀赋及产业特点，选择最佳方式来组合绿氢的”制、储、用“，做到既能满足本地区、本行业的”减排“需求，又能取得很好的经济效益，拉动经济增长。

 

 

作者简介：

 

大连氢能协会特聘专家

 

深圳氢醇研究院学术委员会专家

 

世界低碳城市联盟特聘专家

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