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                元宇宙 碳中和 区块链 快讯 正文
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                中矿资源有碳中和概念吗(碳中和煤炭)

                绿色的甲醇如果作为原材料的能源系统能够大规模推广,它可以解决中国的电力、交通、供暖和制冷等问题,而碳排放量不到当今煤炭和石油经济的五分之一



                文|与刘科

                目前中国新型冠状病毒肺炎较便宜,但到2019年底,新发冠肺炎爆发前40年已发展的风能和太阳能的发电量达到192万吨标准煤,占煤和电的12.5%。

                受电网稳定性要求的限制,电网只能传输一定量的不稳定能量。每年太阳能发电时间仅为20%左右(取决于地区)。80%的时间怎么办?有必要找到一种经济上可行的、可在整个地区推广的大规模太阳能储能技术

                从1859年到现在,电池储能已经研究了数百年,并花费了数万亿元用于研究和开发。然而,已有100多年历史的抽水蓄能技术仍然是技术成熟度最高、经济性最好的大型蓄能技术。抽水蓄能工程的选址对自然地理位置有很高的要求。我国抽水蓄能电站主要分布在华东和华北地区,占总规模的60%。电池储能技术的研究已有100多年的历史。到目前为止,“全世界每年的电池产量还不足以在东京储存一天的电力”。如果一项技术已经研究了100多年,但仍在与多年前存在的抽水蓄能竞争,那么在大规模蓄能领域还应考虑其他方向。

                目前,中国年碳排放量为103亿吨。除以14亿人,每人平均约有7.4吨。一个三口之家大约有22吨重。它每天驱动和使用电力。只要每个人都有节能意识,就可以减少大量的碳排放。

                在碳减排的背景下,二氧化碳可以从理论角度转化为产品。全世界87%的石油用于燃烧,只有13.3%生产人类使用的所有石化产品。如果可以盈利的话,依靠将二氧化碳转化为其他物质是可以推动的,但对于整个碳排放量来说,这只是杯水车薪。

                碳捕获与封存(CCS)和碳捕获利用与封存(CCUs)技术也备受关注。然而,目前,全世界正在运行的CCS设施每年只能捕获和永久储存的约400万吨二氧化碳。如图1号表明,传统CCS技术对地质条件要求高,需要在盐层中储存二氧化碳,适用范围窄,成本高。


                图1碳捕获和储存(CCS)示意图

                与CCS技术相比,CCUs技术在中国发展迅速,年二氧化碳捕获量约为170万吨。但是在数亿吨碳排放之前,CCS和CCU的作用是有限的。十多年前,作者的美国通用电气公司(generalelectriccompany)斥资28亿美元建造了一个630MW净零排放集成煤气化联合循环发电系统(IGCC热电厂),被称为自爱迪生100年前创建通用电气以来,通用电气建立的最复杂的工业系统,但最终未能掩埋二氧化碳;起初的福岛核电站事故这还没有发生。根据原始数据,直接进行核能发电比火力发电厂的IGCC或CCS/CCUs路线更好。

                提高能源效率不仅是减少碳排放的可行途径,也是降低碳排放的最低成本和优先途径。如图2号显示,经过100多年的工业化,到2001年,中国的煤炭产量只有13亿吨。到2013年,仅13年时间就增加到39亿吨。在12年中,中国的能源消耗增加了三倍,这是惊人的;主要原因是中国于2001年加入世贸组织世界贸易组织,世界市场已经向中国开放,中国已经成为世界工厂,能源消耗也在飙升。与此同时,大量房地产和基础设施建设也刺激了这一时期的煤炭消费,钢筋水泥需要消耗大量煤炭。


                图2中国工业化进程与原煤产量的关系

                电动汽车碳减排纠纷

                电动汽车可以减少碳排放,但前提是电网中的大部分电力应该由非化石能源产生。如果能源结构没有改变,电网中的大部分电力仍然由煤炭产生。从表面上看,它是由电驱动的。从整个生命周期来看,它实际上是由煤炭驱动的。电动汽车对碳减排的贡献非常有限。

                对于汽车和船舶等车辆,如如图3所示,对于汽车、船舶和飞机等移动车辆,储能最重要的是油箱不能无限大。如果储能空间为1立方米,氢的每立方米能量密度最小,为3.2千瓦时/立方米,天然气的每立方米能量密度仅为10千瓦时/立方米,铅酸蓄电池90千瓦时/立方米。

                人类已经花了数百年的时间来开发它,现在特斯拉比亚迪电池为300kwh/m3-600kwh/m3,而汽油为8600kwh/m3,我们后面要提到的绿色甲醇为4300kwh/m3。

                为什么人类的第一条装配线是在1913年福特你的汽车线?生产内燃机非常昂贵,但福特的生产线建成后,如果一条生产线全部投产,每辆车的成本就会大大降低。1913年福特的装配线投产后,汽车价格从4300美元降到了300多美元,使当时美国的每个蓝领工人都能买得起汽车。

                然而,与电动汽车不同,其核心部件是电池,其生产过程需要各种制造材料,有色金属和稀有贵金属等一些材料的储量和开采能力有限。1万和10万块电池的生产成本有所降低,但每块电池的制备单价大部分是由材料决定的,不是数量越大越便宜;相反,当数量大到一定程度,市场上材料的供求关系不平衡时,一些金属材料的价格就会飙升。最近,由于电动汽车工厂的扩张,用于制造电池的所有金属的价格都大幅上涨,这表明了这一点。

                此外,电池回收问题尚未完全解决。随着电动汽车的大规模使用,未来将有数以百万计的电池在中国销售。如果电池不回收,它将被随意丢弃。电池中的一些剧毒化学物质会污染土壤和地下水。

                有人还建议,通过将电池回收用作储能电站,可以解决废电池的问题。最近,由于几起安全事故,国家发改委停止了许多废电池储能电站项目,废电池储能电站的大规模应用还存在许多问题。

                有鉴于此,可以开发电动汽车,但从生产之日起必须考虑电池回收。电动汽车是非常好的技术。在城市里,人们只是开车上下班,这很好。当电动汽车发展到一定规模时,更科学的是各种金属的价格仍然合理。其增长速度应与材料价格和能源结构的改善相匹配,才能健康发展。

                目前,我国汽车年生产能力约为2900万辆,电动汽车今年生产能力近300万辆,导致近期各种金属价格飞涨;;电动汽车继续盲目扩大产能,这对整个行业来说未必是好事。

                作者认为,除非在短期内有重大技术突破,否则电动汽车的第一个限制因素是各种金属材料的价格;第二个制约因素是,在发展到一定规模后,电网(包括住宅电网)的改造需要与电动汽车的发展速度相匹配;目前,电动汽车行业在资本市场的估值可能过高。



                绿色甲醇,另一种方式

                中国煤化工随着工业的快速发展,煤制甲醇的生产能力已达到9000万吨/年,主要集中在西北地区,它约占汽油生产能力的四分之一。甲醇是一种含氢量高达12.5%的液体,可以通过成熟的重整技术制取氢气。甲醇是常温常压下的液体。它的安全水平与汽油相似,在零下93℃时不会结冰。

                由于上述优点,甲醇可以通过罐车和管道高效运输。我国西气东输管道已经建成,并支付了很大一部分土地成本。在相同的能量密度下,甲醇只能通过直径为天然气输送管道六分之一的管道进行远距离输送。在相同管径下,甲醇的总能量输入是天然气的36倍,输送成本远低于天然气输送。

                如图4日表示,中国现有甲醇生产主要依靠煤炭,生产1吨产品需要排放3.5-4.0吨二氧化碳。主要的排放源是制氧的高能耗空气分离装置以及用于调节CO和氢气比率的水-气转换单元。

                图4传统煤制甲醇工艺路线

                综上所述,由于风能和太阳能的成本已经相当低,许多人认为西方的可再生电能可以用来电解水生产氢气和氧气氧气清空它,把氢拉到东边去开车。这一愿景是美好的,然而,氢既不容易储存也不容易运输。如果罐车运输的氢气超过一定量,一些隧道将无法通过。

                甲醇是一种良好的储氢载体。以液态绿色甲醇的形式储存风能和太阳能可以解决氢气的储存和运输问题。如果西部地区建设的煤化工厂用于从可再生能源中获取氧气和氢气,甲醇生产可以向绿色倾斜。

                如如图5所示,我们团队提出的绿色甲醇制备路线主要是利用太阳能和风能电解水它产生绿色氢和绿色氧,并被还原空气分离而水煤气转化工艺装置,传统的甲醇生产设施只有通过改造改造才能用于生产绿色甲醇。这里,绿色甲醇是指太阳能、风能等绿色电力在生产过程中以甲醇化学能的形式储存,甲醇生产过程和公用事业基本不排放二氧化碳。

                图5绿色甲醇工艺路线

                拥有煤炭、阳光和风力的西部地区大部分位于海拔1500米的地方。西气东输管道已经完工,最昂贵的管道维修是征地和立项;如果有西气东输管道,根据图3中质量能量密度与体积能量密度的关系,甲醇每立方米的体积能量密度为4300kwh/立方米,天然气每立方米的体积能量密度仅为10kwh;使用直径为西气东输管道直径六分之一的小管可以传输与西气东输相同的能量。

                此外,由于东西方的海拔差异,液体可以自动流向东部沿海城市。在“双碳”的要求下,由于储能成本仍然很高,未来还存在一定的瓶颈,多余的廉价风能可用于太阳能电解水制氢制氧,只有少量的碳可以用来将太阳能和风能转化为绿色液体加以利用。液体是人类最好的能量载体。

                绿色甲醇在任何情况下都将是绿色和无碳的。如如图6所示,甲醇车使用甲醇路线。首先,甲醇内燃机已成为一种绿色能源。吉利的西安、贵阳生产的甲醇内燃机车技术已经相当成熟。如今,西安和贵阳等十多个城市的公交车和运营车辆使用甲醇作为燃料。他们已经开车好几年了,没有任何问题。第二,我们可以制造绿色甲醇电力混合的,像比亚迪的唐DM一世油电混合动力每100公里的燃油消耗量约为5升。采用绿色甲醇电混合动力,汽车的碳排放量将大大降低。第三,当燃料电池的成本足够便宜时,绿色甲醇被安装在汽车上,氢气通过车载甲醇在线生产。氢是通过燃料电池产生的,电力为汽车提供动力。1升甲醇制氢等于1升液氢两倍。


                图6车上甲醇使用路线

                如图7展示了甲醇加气站的示意图,可通过将现有液体基础设施加气站改造为绿色甲醇加气站来提供支持内燃机、电动汽车氢燃料电池汽车三代汽车的发展。

                人类不应急于扔掉已建成的液体设施。加氢站的占地面积比现在大中石化我们的加油站占地面积很大。使用甲醇作为运输工具的燃料,可以充分利用现有的燃料加注设备。例如,现有加油站的一个储罐可以改造为绿色甲醇储罐,其他五个储罐仍然是汽油。几年后,可根据需求逐步将相关储罐更换为绿色甲醇储罐。基础设施发展缓慢。同样的甲醇装置现在可以使用内燃机等成熟技术,并可以进一步发展为插入式混合模式,未来也可以支持氢能随着燃料电池等三代汽车的发展。


                图7甲醇加气站示意图

                甲醇制氢燃料电池发电不仅可以用于汽车,而且是一种分布式能源技术。我们的团队还开发了分布式发电多年。如图8展示了分布式能源技术的主要应用场景。广东山顶有多个5g基站,采用甲醇水重整制氢发电作为能源供应系统,为基站供电多年,非常稳定。

                因为在山顶上,从电源到基站的电缆很昂贵。四个2.5千瓦的绿色甲醇分布式能源供应系统足以满足5g基站的电力需求。每隔几个月,就有半卡车甲醇可以满足其电力需求。

                该设备仅需甲醇和水即可发电。其工作原理是甲醇和水在200摄氏度以上产生氢气,氢气和空气在80摄氏度通过燃料电池发电。它的发电效率是内燃机的2-3倍,反应器中200℃以上的余热可在冬季加热,夏季可通过热泵冷却。一台2.5千瓦的单机可以满足普通别墅的供电、供暖和制冷需求。

                将这种分布式能源系统与当今中国煤炭经济的碳排放进行比较。目前,西部已建成一座火力发电厂,发电率约为40%。100万千卡的煤炭只能产生40多万千卡的电力。还有一些在传输过程中丢失。只有300000千卡的电力被输送到东部沿海城市的用户端,其中超过600000千卡以热量的形式被消耗。

                电力可以通过电网远距离传输,但热量不能远距离传输。绿色甲醇液体可通过管道高效输送。在住宅附近采用燃料电池分布式发电,不仅发电效率高,而且甲醇制氢的290度余热可以实现冬季供暖、夏季热泵制冷。

                因此,如果采用绿色甲醇分布式能源系统,且碳排放量不到当今煤炭/石油经济的五分之一,则可以解决中国的电力、交通、供暖和制冷问题。特别是,用绿色甲醇替代石油有助于解决中国的能源安全问题。

                长期以来,美元一直与黄金脱钩,美元的支撑力量是石油。如今,由风能和太阳能等可再生能源制成的甲醇可能比煤制甲醇稍微贵一些,但也不贵多少,煤可以用作相关原材料以进一步降低成本。

                因此,每百万千卡绿色甲醇的成本不会超过汽油。利用中国已经很便宜的太阳能和大量的生物质,城市垃圾(约80%是生物质)和由劣质煤制成的绿色甲醇不仅可以大大减少碳排放,而且不需要进口,这可以打破石油美元的垄断。


                图8分布式能源技术主要应用场景

                为了使绿色甲醇的生产价格合理,有必要在现有技术条件下降低成本。近年来,我们的团队开发了如图9号所示的微型矿物分离技术。燃烧前,煤在水中被磨碎,以分离可燃物和不可燃物。煤中的可燃物是通过光合作用形成的,不可燃物是来自古代陆地的矿物,可用于控制硬化土地、盐碱地和沙漠。

                因此,我们首先提出了煤炭工业碳中和概念传统的燃煤发电直接燃烧煤炭,产生大量的灰分和二氧化碳。因此,火力发电厂中的飞灰在今天是一场灾难。目前,自工业革命以来,人类错误地使用煤炭已有300多年;无论什么煤,都要用火燃烧。正确的方法应该是在燃烧前分离煤的可燃和不可燃成分。古代土地上的矿物应与有机质和农业细菌一起分离并返回土地,以制造有机肥料和土壤改良剂。


                图9微选矿技术及产品

                如图10所示,该团队开发的微矿物土壤改良剂及其应用作物如图所示。微矿物土壤改良剂可用于控制硬化土、盐碱地和沙漠。它可以通过促进植物生长,重新储存燃煤排放的二氧化碳,从而减少碳排放。

                在西方,通过太阳能和沙漠治理相结合,在太阳能电池板下种植固沙植物,然后太阳能电池板发电。同时,太阳能电池板下的植物可以长得很好,而且是绿色的。因此,碳中和是能源结构调整的主要问题。当原材料成本降低时,添加可再生能源后的甲醇生产具有竞争力。


                图10微量矿物土壤改良剂及其应用作物

                零碳的概念是不科学的

                中国各地纷纷提出建设“零碳产业园”。我们不能有太多的二氧化碳在世界上,但我们不能没有二氧化碳。我们呼吸的氧气和我们吃的食物需要通过光合作用产生二氧化碳。因此,生态环境需要一定量的二氧化碳。将当今的煤炭/石油经济转变为绿色甲醇经济,可以减少近80%的碳排放,从而基本解决中国的碳中和问题,成本可控,不像电力储存那么昂贵。

                即使绿色甲醇的制备需要生物质、城市垃圾或煤炭中的少量碳,但通常也可以实现碳中和。因此,即使用这种方法制备的甲醇中含有少量的碳,也可以称之为绿色能源。碳减排的目的是防止全球变暖,有必要将二氧化碳排放量减少到一定水平,而不是追求“零碳”。零碳是不可能的,也是不必要的。

                碳中和需要各种清洁能源技术,特别是各种储能技术齐头并进。太阳能和风能价格低廉,应该大力发展,但碳中和的核心是各种储能技术,以确保在没有太阳或风能的情况下供电。除了发展稳定的非碳能源,如核能和水电,那里有抽水和储能或岩洞的地理条件压缩空气储能是的,它们都是不错的选择。在没有这些地理条件的情况下,太阳能和风能等非碳排放电力可以以绿色甲醇液体的形式储存。

                因此,绿色甲醇可以作为绿色能源,减少对国外石油进口的依赖;分布式绿色甲醇燃料电池发电不仅发电效率高,而且热电联产大大提高了综合能效,充分利用我国廉价的太阳能和风能,为人们提供绿色交通燃料;在没有风和太阳的情况下,它还可以保证人们对供电、供暖和空调的长期需求。

                推进碳中和是全社会的共同事业,需要社会制度的创新和改革。同时,也需要政府、产业、大学和科研之间的良性互动,才能真正把政府、产业、大学和科研联系在一起。在这个过程中,有两种类型的人最缺乏:有创业有科学素养的科学家和企业家,我们希望与有创业精神的科学家和有科学素养的企业家共同推动碳中和的进程,实现我们的碳中和。

                作者是南方科技大学清洁能源研究所院长、澳大利亚国家工程院院士。编辑:马克


                澳大利亚国家工程院外籍院士,编辑:马克

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