NO.1814 二氧化碳制汽油为何值得关注


你好,这里是罗胖精选。

今天推荐给你的是一门新课,来自于马一峰老师的《能源前沿报告》。

我们都知道,能源转型是我们这代人生命中必须经历的一个大变量。我们经常听不同行业的人估算自己的市场盘子有多大,可能有多大的资金规模,里面有多少机会,等等,但这毕竟只是一个估算。

而能源转型就不一样了,它是一个确定性的目标,我们就是要在2030年以前实现“碳达峰”,在2060年以前实现“碳中和”。这会涌现一堆战略级的机会。

所以,我们请马一峰老师通过这份报告,给你呈现今天这个阶段能源转型的全貌。马一峰老师是资深的能源咨询专家,既参与过国内外的大型油田项目,也在给中海油、中石化、中石油、GE和华为提供产业咨询服务。所以,他对能源产业的分析,都是有具体的、可以落地的洞察。

今天分享给你课程中的一讲,讲的就是一项新技术,叫二氧化碳加氢制汽油。这项技术为什么值得关注?它为什么是风光电储能的新选择呢?好,接下来,让我们一起来听听马一峰老师在课程中是怎么说的。

你好,我是马一峰。欢迎来到《能源前沿报告》。

这一讲我带你关注一个重要的技术突破,就是二氧化碳加氢制汽油。

这项技术关注度很高,主要是因为2022年3月,第一个二氧化碳加氢制汽油的中试装置试产成功。意思就是,它已经从实验室走出来,进入生产试验阶段。它生产出来的汽油符合国六标准,也就是说,我们的汽车能直接加着使用。

早在2017年,这项研究成果就发表在了顶级学术期刊《自然-通讯》杂志上,发明者是我们国家的中国科学院大连化学物理研究所。从论文到实验生产走了长达5年,这项技术之所以能从实验室走出来,主要突破在于,它提高了汽油的生成率。

我们知道,天然汽油提炼自石油,石油是含碳的有机物,是地球上的动植物吸收二氧化碳后,经过亿万年的地壳运动形成的。如果我们想人工合成汽油,理论上,把二氧化碳和氢反应一下就能实现。此前有不少人做过这方面的研究。但是,二氧化碳和氢反应后,非常容易生成小分子的有机物,例如甲烷,而汽油这种分子较大的有机物,生成率并不高。

研究这项技术的科学家们,设计出了一种多功能复合催化剂。在它的作用下,二氧化碳和氢气反应后生成的有机物中,汽油的比例能达到85%以上。要知道,以前的技术普遍超不过50%。汽油生成率高了,商业化才有可能。

现在,这一套设备一年生产的汽油有1000吨,要知道,我国汽油的消费量可是在亿吨级别,相比之下,只是九牛一毛。

那为什么这项技术产油不多,还这么值得关注呢?这就是我要带你看的重点。这项技术真正令人兴奋的地方,不在于产油,而是它能帮助风光发电解决存储难题。

这是怎么一回事呢?下面我就来讲讲。

我们都知道,光电、风电清洁环保,但发电量非常不稳定。为了保障电力供应,电网对入网的电力要求稳定在一定范围,发电一旦出现不连续、不稳定的情况,光电、风电可能就入不了电网。为了解决这个问题,风光电站会配套储能装置,可以把入不了网的风光电暂时存储起来,等需要的时候再释放出来,起到调峰作用。

我们讲到过,以前我国调峰主要靠抽水蓄能和煤电,现在有了新型储能,比如电池储能。其实,抽水蓄能一个很大的限制就是受地理条件限制,我国大型风光电站多是在西部地区,水资源少,很难能用上。

而电池储能也有局限,就是电池原材料,比如主流的锂、镍、钴等生产原料,价格并不便宜,在地球上的储量也有限。如果大规模发展电池储能,未来还会面临来自供应链方面的风险。比如在2021年,锂电池的原料碳酸锂,价格就暴涨了近10倍,一些电池储能项目的建设被迫延迟。

加上之前讲到的储能市场机制不完善等问题,我国风光电的储能装机量普遍偏低,这是新能源产业要努力攻克的难题。

除了在市场机制上要让储能有自己的盈利模式,寻找新的储能方案也很重要。这次二氧化碳加氢制汽油的重大突破,就为储能提供了一种新方案。因为,制汽油的重要原料——氢气,是一种很好的储能介质。

我们知道,氢气能通过电解水生成。这个过程就把风光电的能量,转换成氢气中的化学能。现在制氢的技术已经相对成熟。根据我了解到的情况,国内主流的电解水制氢技术,转化效率能达到70%到90%,还是很高的。并且,每千克氢气存储的能量,相当于33度电。它储存的电,要比同样质量的锂电池高出上百倍。这也是为什么氢能这几年特别火的原因。

研究二氧化碳加氢制汽油的科学家也说过,这项技术用到的氢气,主要会用弃风、弃光的电,进行电解水制成的氢气。这就能把弃风、弃光电给利用起来。

那么,有了氢气后,还有一个问题,就是氢的储存是一个公认难题。因为氢在常温下是气体,密度小,想存储就必须加压,加上氢气又易燃。所以,装氢气的储罐,要有非常强的抗高压性和密封性。这种储罐生产成本很高,运输起来风险也很大。储氢罐压力要达到70MPa(兆帕),内外的压力差相当于一头九吨重的大象踩在一个乒乓球上,一旦爆炸后果不堪设想。

另一种方式是把氢气变为液体,怎么做呢?要把温度降低到零下253℃,氢才能变成液体,条件十分苛刻。

除此以外,固体储氢也是一种方式。就是用金属材料吸附氢气,有点像活性炭吸附有毒气体。但固体储氢的程序复杂,成本也很高。

那有没有更简便、更安全的储氢方式呢?有,就是我们前面说的,把氢气变成汽油。

通过氢气和二氧化碳反应生成汽油,汽油使用起来就很方便,存储上不需要超高压和超低温,成本还比储氢低很多,运输过程也更安全。而且汽油省去了建储氢装置存放的环节,也不需要昂贵的运氢车辆去运输。

如果你的工作和制氢有关,你可能会有疑问,把氢转换为汽油是更方便了,但要经历电解水制氢,再把氢和二氧化碳制成汽油, 这两次转换,能量损耗会很多。那这个储能技术到底划不划算,值不值得投入呢?

我们知道,任何能量在转化过程中都有损耗,这是不可避免的。就拿燃油汽车的发动机来说,经过这么多年的发展,它将化学能转化成机械能的效率,最高也只有40%左右,通常只有35%,但这并没有影响燃油汽车的普及。而这次二氧化碳加氢制汽油的技术突破,把汽油生成率从之前的50%提高到85%,其实已经实现了很大的能效提高,作为新技术,未来它的进步空间还很大。

除了看转化效率之外,我们还要看储能物质的能量密度。能量密度越高,则意味着在一定的质量或体积范围内,储能物质能存储的能量更多,我们用起来效率就更高。

比起锂电池,汽油的能量密度是更高的,能达到40倍以上。即使把使用时的能量折损也算上,也要比电池高。也就是说,同样是30升体积的汽油和锂电池,前者可让汽车跑300公里,后者只有60公里。

所以,即使二氧化碳加氢制汽油会产生损耗,但它相比电池能存储更多的能量。这是储能技术的一大突破。

好,讲到这里,关心碳中和的人可能会想到,这项技术生成的是汽油,燃烧肯定会有碳排放,并不符合碳中和大战略啊?不用担心,生成的汽油其实已经不属于传统燃料了。

讲这个问题之前,我要先明确一点,我们常规用的汽油在燃烧后排放的二氧化碳,实际上是来自于地下的石油,也就是把地下的二氧化碳激活了。但二氧化碳加氢制汽油的原料,可以是大气中的二氧化碳,即使燃烧之后有碳排放,也只是把原来空气中的碳再排回来。

也就是说,二氧化碳加氢制成的汽油是一种能量转化介质。它的能量来自天然的风能、光能。用这种技术制成的液体燃料,除了汽油之外,还可以是甲醇、乙醇等,都是符合低碳目标的。所以,有的科学家会把这类液态有机燃料,称为“液体阳光”。可以想象一下,未来你开的燃油车加的汽油,可能就是绿色的有机燃料。

不管你现在是做储能的,还是做风光电站的,甚至化石能源的,都应该关注这个技术。因为它正处于应用转化阶段,需要风光电站去制氢,也需要有人去做碳捕集,把空气中的二氧化碳提取、存储下来,还需要有人投资去建制油厂。这中间会创造很多市场需求,谁能更早发现这些需求,谁就能越早把握机遇。

我们可以想象一下,以前氢利用效率不高,电解水制氢赚不到钱,但是现在氢成为汽油的原料了,这个赛道就值得关注了。而且,这还是一个产业链联动效应。

举个例子,比如中国石化就在2021年,在新疆库车投建了一个太阳能发电制绿氢的项目。因为附近的塔河炼化公司需要氢气。以前这家公司用的氢气是灰氢,就是从化石能源提炼出来的氢气。但是,现在这家公司要发展低碳转型,需要绿氢。正是这个需求,中国石化才有了这个项目。

所以,氢气能变汽油了,用风光电制氢也就有了新的应用场景。这样一来,风光电的存储难题也就顺带解决了。

好,这一讲结束了。我总结一下,二氧化碳加氢制汽油技术,除了解决氢在储存、成本、运输上的问题,在能量密度、普及可行性上也有优势。二氧化碳加氢制成的汽油作为储能介质,是名副其实的“液体阳光”。这项技术在未来商业化过程中会涌现很多机遇,值得我们关注。

最后,给你留个问题,你觉得随着二氧化碳加氢制汽油技术的推广,会催生出哪些商机呢?欢迎留言给我。

我是马一峰,咱们下一讲见。