节能减排和碳中和是全人类的发展目标,为了达到这个目标,我国努力发展太阳能风能水利能源等清洁能源和可再生能源,提倡绿色出行低碳环保生活,大力推广新能源电动力汽车和氢能源。
以上措施都能大量改善能源状况但发展过程也会有不少的问题。
比如说太阳能发电和风力发电,受光照周期和风力变化影响,不稳定和峰谷用电的不可控性,储能手段发展严重跟不上能源需求。
新能源电动汽车目前受限于电池技术的瓶颈,充电周期相对于加油时间长,电池能量密度进一步提升缓慢,电池生产耗费大量稀有金属资源,使用中有安全隐患,大量即将报废的电池环保回收处理也是一个严问题。
而号称环境友好的氢能源汽车,也有氢制取成本偏高,运输存储使用都有安全问题,因此目前主要进行一些技术探索,适用于一些固定线路的公共交通和运输行业。
碳中和是指二氧化碳排放减少到平衡状态,那么有没有办法把环境中的二氧化碳直接减少?有研究者提出过收集空气中的二氧化碳,加压注入深海海底封藏,这是个好主意,但并非一劳永逸,万一环境变化释放了封藏的气体,那就麻烦大了。
能否将空气中那些二氧化碳,转化成无害或有用的东西吗?
年,诺贝尔奖得主乔治·欧拉的团队,首次采用了基于金属钌的催化剂,将从空气中捕获的二氧化碳直接转化为甲醇,转化率高达79%。甲醇是一种重要的化工原料,也可以用作燃料。这个转换过程无疑开发了一条碳中和的新思路。甲醇虽然也能做燃料,但现有的燃油汽车还不能直接使用。
到了年,中科院大连化学物理研究所的孙剑、葛庆杰、位健等人组成的研究团队,使用新型的Na-Fe3O4/HZSM-5多功能复合催化剂,首次实现了实验室二氧化碳直接加氢制取高辛烷值汽油。
而就在今年2月,斯坦福大学的马泰奥·卡涅罗团队,将二氧化碳加氢制取丁烷的转化效率提高了倍,丁烷是一种有4个碳原子的烷烃,是石油液化气的主要成分之一,我们平时用的打火机大多数装的就是丁烷,所以丁烷还不是汽油。他们采用的催化剂仍是金属钌,但在钌的表面涂上了一层多孔塑料层,成功地延长了转化产物的碳链长度,使丁烷的产量大大提高,为工业化量产打下良好基础。
而就在前天,中新网大连年3月4日电(记者杨毅)中国科学院大连化学物理研究所(以下简称“大连化物所”)4日发布消息称,由大连化物所和珠海市福沺能源科技有限公司,联合开发的全球首套年产吨,二氧化碳加氢制汽油中试装置,近日在山东邹城工业园区开车成功,生产出符合国六标准的清洁汽油产品。
据大连化物所的孙剑研究员表示,该技术可实现二氧化碳和氢的转化率达到95%,整体工艺能耗较低,生成的汽油产品环保清洁。经第三方检测,辛烷值超过了90,且符合国六标准。继千吨级装置之后,接下来还会有更大产能的万吨级工业装置。
目前,该技术已形成具有自主知识产权的,二氧化碳加氢制汽油生产成套技术,这为后续万吨级工业装置的运行提供了有力支撑。
这个成就可是非同小可:年产吨,意味着当其他人还在实验室里小打小闹时,我国已经要实现二氧化碳变汽油的大规模工业化生产了!想想都让人兴奋,这相当于凭空从空气里开发出了个大油田呀,如果顺利的话,下一步就是万吨、十万吨、百万吨。如果人类能够实现如此大规模地将二氧化碳转化为汽油,岂不是一举解决能源和环境问题,并且终止全球变暖的过程吗?
这么好的事,是否让人想起多少年前的“水变油”事件,会不会是个资本骗局?
事情当然没那么简单,二氧化碳凭空变油显然是违反能量守恒定律的。用二氧化碳不管是制丁烷还是制汽油,都需要加氢和相应化学环境催化,也就是说:除了二氧化碳之外,还要有氢气作原料,才能生成碳氢化合物。
二氧化碳可以从空气中提取,氢气却需要耗费能源来生产,例如电解水制氢需要消耗电能,热解水或热化学制氢也都需要热量,或者是用煤制氢,因此整个的反应过程是消耗能源的,只是将能源转化成更方便运输储存和使用的介质而已。
制氢过程就相当于能量的存储,氢和二氧化碳反应生成汽油,当汽车消耗汽油时释放存储的能量。完成一个能量循环,同时释放二氧化碳和水,过程中二氧化碳排放和吸收是平衡的。
这项技术巨大的意义在于,目前世界上的清洁能源主要是风能和太阳能。风力和太阳能发电虽然无排放无污染,但却有不少问题。
风电和太阳能发电都不稳定,靠天吃饭。以风电为例,风大的时候电多的用不了,不得不弃风,而风小的时候又不够用。那么能不能在电能富余的时候存储起来,不够时再释放到电网?可以,但目前只能满足小范围或者短时间电网电能平抑需求。还没有特别好的方法,解决超过几小时电网需求的可行又经济的办法,蓄电池或抽水蓄能电站的成本都很高,其他蓄能手段也都还在探索中。
而且风能和太阳能大多蕴藏在偏远地区,那里并不缺电,需要将电力远距离输送到经济发达的地方,电力输送损耗较大且成本很高。
用电高峰时风电和太阳能发电可能供不上电,用电低谷时又大量富余,风电和太阳能发电的不稳定性,给电网的运行调度造成了困扰,所以一般情况电网公司比较排斥接受这类电能入网。因此国外有很多国家称风能和太阳能为垃圾能源,并大量拆除已有的发电装置。
针对这一困境,人们想到的办法,是利用这些不好并网使用的风能和太阳能制取氢储能。氢气是可以储存的,将产生的氢气输往需求地,可以直接驱动燃料电池汽车,也可以用来再次发电,相比直接输电要便利得多。
但氢能源已经开发几十年,有很多问题也阻碍氢能源进一步市场化,一大问题就是安全性。氢气很容易爆炸,当空气中氢气比例超过4%时,就已经达到了爆炸阈值,危险性极高,储运、加氢等过程都需要特别小心。
氢能源车辆也需要储氢罐、加气站,每一个步骤都伴随着不安全因素,虽然可以从技术上解决,但从本质上讲,氢能源危险性高于传统燃油车是不争的事实。
而如果将这些氢气与二氧化碳结合制成汽油后,以上问题就都迎刃而解。
汽油的安全性比氢气高得多,无论是运输还是使用,技术都很成熟。现有的汽车不经任何改造就可以使用,公众接受起来也非常容易。这样,汽油就成了风能和太阳能等清洁能源的载体,间接地减少了碳排放,有利于减缓温室效应和全球变暖的趋势。
如果在核动力的航母上投入该装置,飞机不必依靠靠岸补充燃料,延长了航母的巡航时间。
并且如果不久的将来核聚变发电投入商用,用聚变能制氢与二氧化碳量产合成汽油,能源危机基本也就成为昨日话题了。
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