中科院院士李燦:發(fā)展人工光合成產(chǎn)業(yè)是“一石三鳥”之舉
中國科學(xué)院院士李燦:
發(fā)展人工光合成產(chǎn)業(yè)是“一石三鳥”之舉
【院士訪談】
◎本報(bào)記者 張佳星
自然界的光合作用給了我們啟發(fā)。光合作用的本質(zhì)是能量固定的過程。以人工方法實(shí)現(xiàn)光合作用的研究持續(xù)了很多年,有光催化、電催化、熱催化、酶催化等技術(shù)路線。這些研究正朝著不斷提高人工光合作用的效率、實(shí)現(xiàn)規(guī)?;a(chǎn)的方向前進(jìn)。
黨的二十大報(bào)告指出,推動經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展綠色化、低碳化是實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。
實(shí)現(xiàn)綠色化、低碳化發(fā)展,自然界本身就蘊(yùn)藏著可借鑒的路徑。比如,光合作用不僅消耗二氧化碳,還將光能固定,為生命活動提供必需的能量。光合作用與能源利用過程可構(gòu)成一個(gè)完整的生態(tài)循環(huán)。如果讓光合作用規(guī)模與能源利用規(guī)模實(shí)現(xiàn)平衡,則可同時(shí)實(shí)現(xiàn)碳減排與經(jīng)濟(jì)發(fā)展。
然而,自然界光合作用在短時(shí)間內(nèi)消納的二氧化碳數(shù)量有限。那么,是否可以用工業(yè)化的方法,將光能固定,為生產(chǎn)生活提供能量,同時(shí)實(shí)現(xiàn)二氧化碳的消化或者利用呢?
答案是肯定的。在“雙碳”目標(biāo)的引領(lǐng)下,我國科研人員正在不斷完善人工光合成技術(shù)?!八囊?guī)模化應(yīng)用不僅可以充分利用可再生能源,大規(guī)模消納二氧化碳,還能解決能源的多樣化問題,以多種方式儲存能源便于不同行業(yè)產(chǎn)業(yè)的利用,實(shí)現(xiàn)‘一石三鳥’的創(chuàng)新路徑?!苯?,中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所研究員李燦就此接受了科技日報(bào)記者專訪。
光伏發(fā)電能量利用率大幅提升
記者:當(dāng)前光伏發(fā)電技術(shù)已經(jīng)相對成熟并且應(yīng)用廣泛,還需要對太陽能進(jìn)行更進(jìn)一步的利用嗎?
李燦:光伏發(fā)電是大家最熟悉的太陽能利用方式,其能量利用率近年來大幅提升,提升速度是10年前難以想象的。過去晶硅電池的太陽能利用率只有百分之十幾,而今,太陽能的工業(yè)化利用效率平均可達(dá)22%,在實(shí)驗(yàn)室能達(dá)到26%。理論物理學(xué)家估算,太陽能單晶硅電池的太陽能利用率的極限值為31%,因此可以說,以光伏發(fā)電的方式利用太陽能,其能量利用率已經(jīng)非常接近極限值。
如今,能量利用率不再是關(guān)鍵制約問題,并網(wǎng)利用的問題隨之凸顯。目前在我國新疆、青海、內(nèi)蒙古、甘肅等西部地區(qū),光伏發(fā)電量巨大。受資源分布限制,光伏、風(fēng)電等的發(fā)電量大多來自偏遠(yuǎn)地區(qū),這些地區(qū)很難鋪設(shè)規(guī)模化電網(wǎng)或者特高壓電網(wǎng),發(fā)出的電難以并網(wǎng)使用。正因?yàn)槿绱?,這些年出現(xiàn)了“棄風(fēng)棄光”現(xiàn)象。
到2030年,我國光伏發(fā)電、風(fēng)電裝機(jī)容量要達(dá)到12億千瓦的目標(biāo)。目前看,這個(gè)目標(biāo)可以超額完成,當(dāng)前更大的挑戰(zhàn)在于如何實(shí)現(xiàn)巨量風(fēng)、光發(fā)電的有效利用。
為了解決這些問題,我們提出將太陽能轉(zhuǎn)化為燃料或化學(xué)品加以利用(Power-to-X),從而通過適宜技術(shù)高效、便捷地使用大量已經(jīng)發(fā)出來的電。
記者:您提到的適宜技術(shù)具體指什么?目前有哪些適宜的技術(shù),應(yīng)用后可達(dá)到怎樣的效果?
李燦:這些技術(shù)是指在不修建輸電網(wǎng)的基礎(chǔ)上,將可再生能源產(chǎn)生的電能轉(zhuǎn)化為其他能源形式,例如可運(yùn)輸?shù)囊后w燃料。
自然界的光合作用給了我們啟發(fā)。光合作用的本質(zhì)是能量固定的過程。以人工方法實(shí)現(xiàn)光合作用的研究持續(xù)了很多年,有光催化、電催化、熱催化、酶催化等技術(shù)路線。這些研究正朝著不斷提高人工光合作用的效率、實(shí)現(xiàn)規(guī)?;a(chǎn)的方向前進(jìn)。
實(shí)現(xiàn)人工光合作用的規(guī)?;茫瑢⒔o生產(chǎn)生活帶來很大變化。比如工信部正在倡導(dǎo)甲醇燃料汽車,以綠色甲醇代替汽油將大大降低污染物排放,并實(shí)現(xiàn)碳中和。另外,甲醇、甲醛等是材料合成、生物醫(yī)藥等工業(yè)的原材料,通過二氧化碳轉(zhuǎn)化的方式獲得這些原料將大大降低相關(guān)產(chǎn)業(yè)對化石資源的依賴。在人工合成淀粉的研究中,我們團(tuán)隊(duì)參與了前端環(huán)節(jié)。這項(xiàng)研究通過把二氧化碳轉(zhuǎn)化成甲醇,再進(jìn)一步合成碳水化合物,有望帶來人類獲取食物模式的變革。
人工光合成產(chǎn)業(yè)發(fā)展迎來新契機(jī)
記者:以人工方法實(shí)現(xiàn)光合作用的優(yōu)勢是什么?
李燦:發(fā)展人工光合成產(chǎn)業(yè),初衷是把取之不盡的太陽能有效利用起來。10年前,中國科學(xué)院開啟了一個(gè)太陽能利用行動計(jì)劃,由我和褚君浩院士領(lǐng)銜推進(jìn)。計(jì)劃啟動之初,我們對中國太陽能利用水平、技術(shù)路徑、產(chǎn)業(yè)規(guī)模等做過全面的戰(zhàn)略分析,認(rèn)為發(fā)展人工光合成產(chǎn)業(yè)是極具潛力的方向之一。
隨著我國“雙碳”目標(biāo)的確定,人工光合成產(chǎn)業(yè)迎來發(fā)展契機(jī)。光合作用的主要原料是二氧化碳和水,可以把二氧化碳從“廢氣”變?yōu)椤百Y源”。
當(dāng)前人類已經(jīng)發(fā)展了一些消納二氧化碳的技術(shù),比如碳捕捉、碳封存,把工業(yè)排放的二氧化碳捕捉下來注入到深井里封存起來,但這種方式是凈投入的,后續(xù)沒有產(chǎn)出。人工光合成方法卻可以“變廢為寶”,在消納二氧化碳的同時(shí),生產(chǎn)出原料。因此我認(rèn)為,人工光合成是可持續(xù)發(fā)展的“碳捕捉”方式。
記者:這樣看來,二氧化碳也是一種資源,應(yīng)如何利用這種資源呢?
李燦:二氧化碳的資源化利用研究由來已久,但由于二氧化碳的強(qiáng)惰性,需要足夠的能源來激活,不像氫氣、氧氣活潑易利用,因此相關(guān)研究進(jìn)展緩慢。
現(xiàn)在情況不同了,我前面說到光伏發(fā)電量大且成本降低,但并網(wǎng)困難。人工光合成技術(shù)可以將這些能源利用起來,比如一步法電解二氧化碳制備烯烴和含氧化合物等。另一種規(guī)?;D(zhuǎn)化二氧化碳的技術(shù)是兩步法,即通過光伏發(fā)電電解水制氫,然后加入二氧化碳制甲醇、汽油,再制成各種化學(xué)品。目前,通過這種方法制備甲醇已經(jīng)進(jìn)入工業(yè)示范階段,制備汽油處于中試階段,其他產(chǎn)品的制備還處于基礎(chǔ)研究階段。據(jù)估算,這種方法可為市場提供約1億噸甲醇,減排空間達(dá)3.5億噸;如制備汽油,減排空間達(dá)到6億噸以上;其他制備路徑也可在提供工業(yè)原材料的同時(shí),實(shí)現(xiàn)數(shù)億噸的碳減排。
推進(jìn)技術(shù)的工業(yè)化落地是系統(tǒng)工程
記者:既然二氧化碳的資源化利用能帶來多方面的收益,那為什么它的發(fā)展沒有我們想象的順利?
李燦:隨著技術(shù)的進(jìn)步,很多以前認(rèn)為不可能的或艱難的工作,已經(jīng)具備了條件。比如,制氫曾被定義為一項(xiàng)非常困難、非常耗能的技術(shù),但實(shí)際上目前其成本已經(jīng)非??煽亓恕.?dāng)離網(wǎng)電價(jià)在每度0.3元時(shí),電解水制氫成本是每公斤18元,比煤化工制氫的每公斤10元貴不少;但當(dāng)離網(wǎng)電價(jià)降到每度0.1元時(shí),制氫成本降到大約每公斤7元,在此基礎(chǔ)上制備工業(yè)原料甲醇成本僅每噸1700元,比煤化工制甲醇每噸2500元的成本低很多。而光伏國際招標(biāo)價(jià)已經(jīng)降到每度0.14元??梢?,太陽能發(fā)電電力成本的大幅降低,為人工光合成過程中的氫氣、甲醇制備等問題“松了綁”。
記者:應(yīng)如何推動人工光合成的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展?
李燦:從最開始的基礎(chǔ)研究、催化劑篩選到最終落地、規(guī)?;a(chǎn),甚至帶動產(chǎn)業(yè)鏈的延伸,整個(gè)鏈條非常長,也面臨一系列困難。
首先是成本問題。很多研究在實(shí)驗(yàn)室表現(xiàn)非常好,發(fā)的論文也很漂亮。但能不能轉(zhuǎn)化落地、在市場中生存下來,成本是決定性因素。這要求研究團(tuán)隊(duì)在進(jìn)行基礎(chǔ)研究時(shí)就考量生產(chǎn)過程的反應(yīng)條件、工程造價(jià)等問題,在成果轉(zhuǎn)化過程中與企業(yè)合作攻關(guān)、不斷調(diào)整優(yōu)化方案,并與地方政府通力合作,促成項(xiàng)目落地。
其次是協(xié)同攻關(guān)問題。人工光合成的技術(shù)鏈條很長,一個(gè)企業(yè)很難在各類技術(shù)中都處于最優(yōu)狀態(tài),需要多家企業(yè)合作。目前,以我們團(tuán)隊(duì)的研發(fā)成果為核心,在蘭州新區(qū)已經(jīng)建起了液態(tài)陽光甲醇合成示范項(xiàng)目。這一項(xiàng)目從零起步,沒有任何可借鑒的樣板,必須開展協(xié)同創(chuàng)新。目前這一項(xiàng)目正在與中煤集團(tuán)合作推進(jìn)十萬噸級的工業(yè)化生產(chǎn)。
當(dāng)前更多的人工光合成技術(shù)路線正在邁向產(chǎn)業(yè)化,例如冰島利用地?zé)崮馨l(fā)電的二氧化碳制備甲醇技術(shù)已實(shí)現(xiàn)中試,智利進(jìn)行了用空氣中捕獲的二氧化碳制備綠色汽油的百噸級示范;我國也進(jìn)行了二氧化碳加氫制甲醇的工業(yè)化示范。未來,期待各方力量轉(zhuǎn)變現(xiàn)有的碳減排思路,形成合力,挖掘二氧化碳資源化利用的潛力,從而在解決能源問題的同時(shí)實(shí)現(xiàn)低碳發(fā)展。(科技日報(bào))
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