中国汽车论坛丨李昂：碳中性燃料的技术发展与展望

2023年7月5日-7日，由中国汽车工业协会主办的第13届中国汽车论坛在上海嘉定举办。本届论坛以“新时代 新使命 新动能——助力建设现代化产业体系”为主题，设置“1场闭门峰会+1个大会论坛+16个主题论坛+N场发布”共18场会议及若干发布、展示、推广等活动，旨在凝聚各方力量，形成发展共识，为建设现代化产业体系贡献汽车行业的智慧和力量。其中，在7月7日下午举办的“主题论坛十一：绿色转型与产业发展”上，上海交通大学机械与动力工程学院博士后李昂发表精彩演讲。以下内容为现场演讲实录： 尊敬的各位领导、各位专家，大家下午好！我是上海交通大学的博士后李昂，朱磊教授今天临时出差无法到会场，他委托我向各位专家领导汇报上海交通大学在碳中性燃料技术上面的一点点进展。我今天汇报的题目是《碳中性燃料技术发展展望》。今天我的汇报分为以下五部分：一、研究背景习主席宣布了我国2030和2060“双碳”目标，面向国家“双碳”战略目标，我们需要积极推动能源绿色、低碳安全转型。针对我国的国情来看，我国新能源逐渐从补充能源走向主体能源，并且我国的风电、光电等装机量大幅度提升。根据预计统计数据，我国2060年新能源发电量占比将高达70%，也针对这个论坛的主题--“绿色转型和产业发展”，因此我们也在思考一个问题，汽车产业如何才能和新能源体系的建设一起共同发展、共同进步。我们选择的角度是从碳中性燃料进行思考。我们知道燃料分为一次能源和二次能源，二次能源中最重要的就是电力和燃料。对于电力，我们可以通过电力零碳化来实现零碳电力，而燃料也可以通过燃料零碳化，并且基于零碳电力的输入，可以获得碳中性的燃料。因此，碳中性的燃料和绿电是二次能源脱碳的重要组合。关于碳中性燃料，国际上也有一些先驱学者提前进行了研究，比如诺贝尔奖得主乔治·奥拉在著作中提出利用可再生能源去驱动将工厂排放的二氧化碳转化为液体燃料的高瞻远瞩的观点。2018年，施春风等四位院士也在焦耳杂志上联合发文，他们提出了“液态阳光”的概念，将“源、网、荷”强相关的在线的可再生能源利用形式逐渐转化成了燃料这样一个离线的化学能源的形式。简单看一下这个方程式就知道了。（如图）对于传统的内燃机燃料来说，碳氢燃料+氧气，反应生成二氧化碳和水，这是传统的燃烧。现在所做的一件事情就是把这个反应倒过来写，如这个图中的红色箭头一样，我们准备把二氧化碳和水，反应生成碳氢燃料。因为我们知道发动机的燃烧过程是一个放热的过程，因此我们通过二氧化碳和水反过来做燃料的过程，它是一个需要能量输入的过程。这里我们用到可再生能源作为一个能量输入，这样就可以实现燃料的合成到燃烧，再到碳排放，再到燃料合成这样一个碳元素的有效循环。就我本人而言，我博士期间的课题就是从事内燃机的高效燃烧以及燃烧化学反应动力学，我在进入博士后阶段之后，研究兴趣逐渐转到从二氧化碳、水，反过来合成燃料的工作。可以看到对于这种碳中性燃料需要阳光、水和二氧化碳作为基础物质的输入，它可以通过一些催化转化的过程，来制备出碳氢燃料和醇醚燃料，这样可以应用到交通领域等不同的动力装置中。我们既然知道什么是碳中性燃料，接下来要思考为什么要发展碳中性燃料。第一点，从能源安全角度考虑。碳中性燃料对于我国能源安全以及降低石油依赖有重大意义。换个角度来说，碳中性燃料也是一种新型的储能方式，它可以解决弃风、弃光、弃水，并且实现跨季节大规模的储能和广域的共享，提出有效的途径。二、碳中性燃料发展趋势首先看美国跟2023年的财务预算，美国能源局拨款5.3亿美元用于二氧化碳的捕集、存储和利用等方面的研究，并且其中有1亿美元在加州建设了人工光合作用的研究中心，集中攻坚光电催化和二氧化碳固定等方面的基础。欧盟也成立了创新基金，这个创新基金也是规模最大的低碳利用的示范项目之一，欧盟其中拨款778万欧元，针对二氧化碳和水，高温共电解制备绿色合成气这样一个工艺，来降低电解槽的成本，并且提高电解槽的耐用性。看一下日本，2023年日本宣布成立了清洁基金，在未来的10年将投资1万亿日元用于氢能和碳循环方面的研究。最新的一个报道，日本的新能源产业综合开发机构也拨款1145亿日元，启动以二氧化碳为原料的燃料制造技术开发的项目研究。我们还看到企业界在这方面做出很多贡献，比如阿美石油公司提出e-fuel计划，针对合成的液体燃料，从合成-存储-利用环节进行了一系列研究。包括奥迪公司提出e-diese计划，用可再生水电作为能量输入，年产能也比较高。三、碳中性燃料制备的技术路线现状第一，通过反应方程式可以看出，二氧化碳+水+能量可以做出这样碳中性燃料，但是有一些必要条件，这是因为从左图中热力学分析可以看到，二氧化碳本身能量比较低，我们要把它的低能二氧化碳制备出高能量的碳中性燃料，一定要注入非常多的能量，这个能量可以是太阳能、可以是可再生的电能。第二，二氧化碳分子比较稳定，所以需要开辟一些催化剂，去活化二氧化碳的分子。第三，碳中性燃料因为有碳氢氧三种元素，而二氧化碳只有碳氧两种元素，所以我们需要水或者氢气作为氢源。基于上述的解释，我们可以想到四种转化过程，分别是：生物转化、光催化、热催化和电催化。逐一进行介绍。1、生物转化路径。最早的研究就是生物转化路径，我们知道人类进行一些碳中性燃料合成之前，可能在10亿年前，自然界进行了类似的工作，就是光合作用。光合作用可以产生一些生物燃料，它们就是碳中性的。生物转化的定义就是通过植物和微生物，通过光合作用来还原二氧化碳制备生物燃料这样的过程，它也可以通过热化学、微生物转化以及酯交换反应，来合成出类似于生物柴油这样的燃料。2、光催化路径。我们本着“道法自然”的思想，向自然界学习。我们利用半导体的催化剂，可以模拟自然界的光合作用，吸收和利用太阳光，将二氧化碳和水转化为燃料这样的过程，它有一个简单的名称叫“人工树叶。光催化的特点就是反应比较温和，在室温、太阳光就可以实现，而且太阳光是唯一的能量输入，不需要其它的催化装置的耗能，并且它也依赖于催化剂的设计。但是现有存在很多瓶颈，比如想用光催化的路径来制备碳中性燃料，催化剂稳定性比较差，而且活性比较差，并且利用的光谱范围比较窄，产物的转化率也比较低。3、热催化路径。这是现阶段工业应用中非常重要的路径，它是两步法。第一步就是先通过零碳电力电解水制氢，然后通过二氧化碳加氢催化生成甲醇、甲烷、断链烯烃、芳烃、异构烷烃等过程。而且甲醇是热催化反应非常重要的产物，这是因为甲醇有比较高的价值，并且以甲醇作为中间体，可以去制备一些烷烃产物，它的选择性比较高。我们关注二氧化碳加氢甲醇这样的催化剂，现在也有了各种各样的催化剂，并且针对这样的反应装置进行了很多设计。这样的热催化过程仍然存在很多技术瓶颈，比如因为热催化的过程必须需要氢。瓶颈1：我们现有的可再生能源电解水制氢的转化效率仍然需要提高。目前商业上广泛应用的碱性电解池的电解效率在60%，最高可能80%。未来用质子交换膜电解池，包括固体氧化物电解池，这是未来用零碳电力到绿氢高效转化的有效解决方案。瓶颈2：二氧化碳加氢这个反应它的单次转化率比较低，选择性较差。因此，我们未来需要设计在它有利的热力学条件下，开发出高性能催化剂，也具有非常大的挑战。看一下热催化现在有很多工程示范。比如最典型的就是冰岛的项目，CRI公司在冰岛建成了世界上第一座基于二氧化碳循环利用的商业化甲醇厂，通过冰岛丰富地热发电并电电解水制氢，利用氢气和热电站里面的二氧化碳合成生成可再生甲醇，年产量到达4000吨，包括日本的三井化工也是开发了这样一个利用二氧化碳生产甲醇的工厂。包括我国的中科院大连化物所李灿院士团队在兰州试车成功了液态阳光燃料合成的项目，年产“液态阳光”的甲醇也可以达到1400吨。4、电催化路径。通过可再生能源产生的电能，直接催化水和二氧化碳反应，生成可再生燃料，可以细分为低温电催化和高温电催化两种途径。低温电催化的路线是指二氧化碳和水在常温下就可以通过电催化的转化，转化为燃料和化学品，它的化学反应速率比较快，而且产物比较多元，可以生成从C1-C3不同类型的产物。但是低温电催化现在也在高速发展中，它的瓶颈主要在于反应非常复杂，我们面向多碳产物的催化剂活性比较差、选择性比较低，并且低温电催化电流密度低、能量效率比较低、电解装置的单次转化率比较低、产物选择比较困难，这些问题也是未来需要进行思考的，并且需要针对这样的关键技术进行研究。高温电催化跟低温电催化的反应温度不一样，它可能在600-800摄氏度这个温度区间内进行反应，更高的温度提升了电极的反应活性，因此它不需要像其他低温的燃料电池一样，使贵金属作为催化剂，它用廉价的氧化物作为电极材料就可以了。它通过热电耦合的方式可以实现高转化率，并且反应速率比较快。像以二氧化碳和水作为原料，在高温下通过电催化的反应转化为合成器，再耦合上费托反应的工艺，可以制备出这样的燃料。包括它有很多瓶颈，比如在高温下，它的电极稳定性比较差，容易发生元素的偏移，这也是一些技术科学研究目前面临的问题。包括电堆的制造工艺等等，仍然存在一系列的问题。最有典型的是德国Karlsruhe Institute of Technology开展P2X项目，该项目通过捕捉空气中二氧化碳，通过SOEC-FT系统还原成液体燃料。他们第一步，每天可以现有合成出10升的燃料，未来可以合成1500-2000升的液体燃料。四、技术路线评估这是我们团队进行的一些技术经济性的分析，我说一下结果。对于热催化（二氧化碳+氢，合成甲醇路线），我们在一定的前提条件下算出来制备甲醇的成本可能在1900元/吨，和煤价800元/吨时候的煤制甲醇的成本是相当的。对于高温电催化路径，我们在一系列前提条件下，可以算出它通过高温电催化结合费托反应的成本是1700元/吨，与工业甲醇比较类似。而低温电催化当达到一定的法拉第效率，并且达到一定的能量转化效率的时候，这种经济效益优于现有的化工手段，并且市场潜力比较大。我们可以看到不同的技术路线，它的技术成功度存在区别，从比较高的热催化到比较低的低温电催化。因此，针对不同的技术路线，我们有不同的发展路线图。对于热催化，因为它技术路线成熟度比较高，所以我们预计它在2030年之后可以进行大规模的商业化应用。而对于生物转化，可能2025年之后有一些中试和工业示范。对于低温电催化由于技术程度比较低，在2025年之前主要集中在技术研究和技术研发方面。而对于高温电催化，它的技术成功度稍高于低温电催化，我们预计2030年之后进行商业的应用。五、建议与展望Nature杂志刊登了牛津大学Hepburn论文，预计2050年将有42亿吨二氧化碳转化为碳中性燃料。并且这是我们团队进行的分析，碳中性燃料在2030年之后，它的替代效应会增强，并且可以从图中可以看到2060年之后，碳中性燃料将减少我国4亿吨左右的二氧化碳排放。总结与建议：（1）碳中和是一场绿色革命，我们需要一些颠覆性、变革性的技术作为战略支撑，从而提升可再生能源的利用率和一些就地消纳的水平。（2）碳中性燃料就是先进的储能方式，它可以为能源转型和碳中和目标的实现提供全新的解决方案。（3）我们建议国家有关部门尽快制定碳中性燃料产业发展规划和实施方案，加快布局、加快创新成果的转化和应用。（4）我们希望能够通过碳税、碳配额、碳排放权交易等一些方法，为可再生能源发电和碳中性燃料的发展提供强有力的政策支持和市场机制的支持。最后一页PPT是展望。针对未来分布式能源系统和集中式能源系统有两个展望，如果家家户户能够有分布式能源系统，我们再结合分布式可再生能源发电，二氧化碳直接通过空气捕集过来，我们可以为家家户户的汽车提供碳中性燃料。而对于集中式工厂的方案，我们可以通过CCS捕集二氧化碳，这样再结合集中式的可再生能源发电供能，我们可以制备出碳中性燃料用于柴油机组、发电机组、燃料电池发电机组，包括交通领域等等。最后我引用我们课题组黄震院士经常说的一句话，在我们很长一段时间里面，人类所用到的能源就是数亿年前太阳光照耀的产物--化石燃料。我们希望在未来，人类能够每天用到的太阳光，每天接触到的二氧化碳和水，能为未来的人类社会提供源源不断的能量。谢谢大家！（注：本文根据现场速记整理，未经演讲嘉宾审阅）