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新技术助力能源更杏彩平台官网,清洁更低碳

2024-08-10 00:43:22
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  国家能源集团宁夏煤业有限公司400万吨煤制油项目深加工产品芳纶。新华社记者 王 鹏摄

  碳中和,是指人类活动排放的二氧化碳被人为作用和自然过程所吸收。研究显示,当前全球每年排放约400亿吨二氧化碳,其中14%来自土地利用,86%源于化石燃料利用。这意味着,实现碳中和,必须变革以化石能源为主导的能源体系,构建以风、光、水、核等为主体的非碳能源新结构。

  碳中和硬约束下,并非摒弃化石能源。为降低化石能源使用过程中的碳排放,科研人员正在探索清洁化利用技术。同时,在交通、工业等领域,研究用氢能、电能等替代化石能源,多管齐下,支撑减排降碳。

  据统计,我国一次能源消费中,非碳能源只占15%,另外85%主要是煤、油、气。其中,煤炭在一次能源消费中占比接近60%。

  近年来,煤炭占我国一次能源消费的比重持续下降,但未来一段时间内,煤炭在能源结构中依旧重要。在此情况下,有必要研究煤炭清洁利用,减少二氧化碳排放,煤化工被认为是一条路径。

  中科院院士、中国科技大学校长包信和介绍,现阶段,我国煤炭有两种主流利用方式,一是大量作为能源,直接燃烧发电;二是作为原料,通过煤化工等手段,制备化学品。我国对化学品需求量很大,又不可能像国外一样,完全依赖石油化工来生产,因此,利用煤炭转化制备化学品比较现实、可靠。

  以煤为原料制备化学品,离不开碳、氢、氧三个元素的反应变换。因此,煤的结构及反应过程,决定其燃烧一定会产生二氧化碳。据测算,燃烧1吨煤大约排放3吨二氧化碳,且煤化工项目往往又是用水大户,煤气化、合成及后续产品纯化、分离等环节,均离不开水。

  有没有一种方法,既能实现煤转化的目的,又不用排放大量二氧化碳?朝着这个方向,科学家正在探索新的化学反应方式。

  包信和解释,石油化工通过催化、蒸馏、裂解等方式,把大分子变成小分子,从而得到烯烃、芳烃等产品。这一过程就不需要很多水,也不会过多排放二氧化碳,即可将油分子“吃干榨净”。从分子式结构来看,煤和油的差别不大,区别主要在反应过程。如果能换一种方式实现煤转化,即将煤中的大分子像石油炼制一样直接“剪开”,也可以在少用水、少排放碳的同时,拿到所需的产品。

  化石能源对一个国家来说,是珍贵的资源,但直接燃烧,二氧化碳的排放量比较大。科学家正在努力,把化石能源更多当原材料来利用,从而加工成产品。

  比如,“吃干榨净”石油,科研人员创新了比较精准的炼油方法,一些“分子炼油”技术大大提高了石油资源的利用效率。有专家设想,未来80%的原油可以变成烯烃、芳烃,进而生产合成塑料、橡胶、纤维等材料,作为工业生产化学原料,减少石油的直接燃烧。

  “精准剪接”煤分子,完成煤炭清洁利用,实现这一构想离不开先进、高效的催化剂,同时还要摒弃传统的氧助气化过程,有“绿氢”的帮助才能做到。

  氢气在自然界不存在,需要人工获取,还要储存、转换和应用。所谓“绿氢”,是指通过风能、光能等可再生能源发电,再用清洁的电力分解水制备出的氢气。这被认为是未来获取氢能的主要方式。但电解水制氢的成本比较高,全球每年消耗的5000万吨左右氢气中,仅有4%来自电解水,而且所用电能也非全部来自可再生能源。大多数氢气来自化石能源,其中又以煤制氢价格最便宜。但以煤制氢,又免不了排放二氧化碳。

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  科研人员正在开发高效、便利、低成本获取“绿氢”的途径。比如,发展大规模、低能耗、高稳定性的电解水制氢新技术,通过材料和过程的创新降低能耗和成本等。专家认为,如果人们能够比较经济地获得“绿氢”,未来就能形成一条比较完善的氢能产业链,推动氢能在各个行业的应用,最终甚至会形成一套独立于石油天然气和电力的新体系。

  氢气的价值远不止助力煤炭清洁利用。包信和认为,氢能利用效率高、无污染,还能与多种能源耦合,可以说是实现碳中和目标的关键。当今能源体系是由化石能源产生电力、液体燃料,再到达最终用户。在未来能源构架中杏彩平台官网,,氢能将与电力一起居于核心位置,为终端用户供能。

  在能量释放效率上,氢燃料电池技术比内燃机更高,氢气有潜力取代汽油,在交通领域有广阔的应用前景。又如,传统的炼钢方式,主要通过焦炭燃烧提供还原反应所需要的热量,并产生还原剂一氧化碳,将铁矿石还原得到铁,再把铁炼成钢,整个过程会产生大量的二氧化碳;氢能炼钢则利用氢气替代一氧化碳做还原剂,其还原产物为水,从而极大降低炼钢的二氧化碳排放。“以氢代煤”有望引领钢铁行业绿色转型。

  氢能要想大规模使用,除了需降备成本外,储存和输运也是必须克服的难题。针对这一痛点,我国科研人员探索“液态阳光甲醇”技术路线,即将“绿氢”与二氧化碳结合制成液态甲醇。将太阳能等可再生能源储存在甲醇中,提供了一条可再生能源储存和输运的新模式。这样不仅可以解决氢气储运问题,还能中和二氧化碳。此外,甲醇使用后分解得到的二氧化碳和水,又是下一轮循环的载体。

  中科院院士、中国科学院大连化学物理研究所太阳能研究部部长李灿介绍,经过多年攻关,我国完成了全球首套直接利用太阳能“液态阳光甲醇”合成技术的规模化示范工程,正在推广10万吨级“液态阳光甲醇”合成技术的工业化应用。

  我国太阳能资源十分丰富。据专家测算,在我国有条件的农村屋顶都装上光伏,初步估计将有20亿千瓦的安装容量。这意味着一年能发电3万亿千瓦时,占到未来全国总电力需求的20%左右。

  实现碳中和,必须构建以风、光、水等为主体的非碳能源新结构。然而,风、光等为代表的可再生能源,有发电波动性和间歇性等短板,如果规模化并网,会影响电网稳定运行。为支撑大规模并网,可再生能源必须与有效的储能结合起来。作为能源存储转换的关键,储能系统能够提高多元能源系统的安全性、灵活性和可调性。

  专家介绍,在电源侧,储能技术可联合火电机组调峰调频、平抑新能源出力波动;在电网侧,储能技术可支撑电网调峰调频,在系统发生故障或异常时,保障电网运行安全;在用户侧,储能技术可实现用户冷热电气等方面综合供应。

  目前,大规模储能技术也存在一些缺陷。除了成本比较高之外,安全也是储能产业的瓶颈。针对这些痛点,科技界和产业界正在探索大容量、安全、稳定的储能技术。比如,在储能材料上,朝着低成本、高储能密度、高循环稳定性、长周期存储的方向发展;在储能装置上,正从关注单体设备效率、成本,转向满足差异性需求的高品质供能、储用协调方向。

  业内专家表示,近年来,各种新型储能技术不断有突破,且尝试了一些场景实现示范应用,包括氢储能技术、电磁储能和飞轮储能等等。储能技术路线不同,适合的场景也不一样,未来还需进一步研究,综合考虑技术成熟度与场景匹配度。

  中国工程院院士杜祥琬表示,从碳达峰走向碳中和,发达国家一般要用45年至70年,我国仅预留了30年时间,困难更大,富有挑战性,但也是一个发展的机遇。

  “‘碳中和’将是一次经济社会的大转型,是一场涉及广泛领域的大变革,谁在技术上走在前面,谁将在未来国际竞争中取得优势。”中科院院士丁仲礼表示,我国需要积极研究与谋划,谋定而动,系统布局,力争以技术上的先进性获得产业上的主导权。

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  中国科学院昆明动物研究所研究员车静团队将在云南省文山壮族苗族自治州发现的棱蜥新种命名为招龙棱蜥(Tropidophorus vongx),相关研究成果日前发表于国际动物分类学期刊《动物分类学》(Zootaxa)。

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  国家发展改革委、国家市场监管总局、生态环境部近日联合印发《关于进一步强化碳达峰碳中和标准计量体系建设行动方案(2024—2025年)》,有针对性部署实施16项重点任务,其中“双碳”标准重点任务8项、“双碳”计量重点任务8项。

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