双碳目标下中国新能源技术发展

根据中研普华研究院撰写的《2023-2028年中国新能源行业发展前景及投资战略分析报告》显示：

当前我国正处于实现“双碳”目标、构建“清洁低碳、安全高效”能源体系的关键时期，2020年中央经济工作会议明确提出，“碳达峰、碳中和”工作要加快调整优化产业结构、能源结构，推动煤炭消费尽早达峰，大力发展新能源的决议，由此可见走能源转型和低碳技术创新之路势在必行。

光伏和风力发电及制氢、城市生活垃圾制氢和CO2加氢制甲醇和乙醇技术，可以克服传统的资源利用手段，使资源再生或绿色循环利用，达到保护生态环境的目的。通过光伏和风力发电产生的电能清洁无污染，利用产生的电能电解水，可以产生绿色能量氢能，氢能是清洁绿色能源，是实现能源变革的重要媒介。将煤化工等企业排放的CO2和城市生活垃圾综合利用，既可以变废为宝，又达到碳减排的目的，具有重要的经济和环境效益，同时对于实现“双碳”目标有重要的意义。本文对3种新能源技术进行了浅析和展望。

碳减排新途径

1.光伏和风力发电及制氢

当前我国工业建设电力主要来自于煤炭燃烧，环境污染严重，同时也对能源行业带来危机，面对生态环保要求及“碳达峰，碳中和”对CO2排放的巨大压力，全球正在考虑采取新的方式进行电力供应。光伏和风力发电与煤炭发电相比，原料利用可再生资源太阳能和风能，具有清洁无污染、投资和维护费用低的特点，越来越显示巨大的潜力。截至2021年6月，煤炭价格的大幅上涨导致火力发电成本大幅上涨，我国光伏市场相关报道显示，国内的火力发电厂每度电的成本已接近3.5元，甚至有的发电厂还要更高一些，相比之下国内风力发电和光伏发电的成本约为1.8元，已开始明显优于火力发电。通过以上量化的数据，结合光伏和风力发电的成本优势以及对CO2减排的优势，传统的石化能源未来将逐渐失去优势，取而代之的光伏和风力发电必将有巨大发展空间。

通过光伏和风力产生的电能，除一部分储存可作为电网使用外，主要部分通过电解水制氢装置，生产出绿色能源氢能，近年来有许多学者对此进行了相关的研究。与化石能源制氢相比，光伏与风力发电制氢更能有效降低化石能源的消耗，降低污染物排放，同时实现与煤化工、石油化工、新能源汽车，燃料电池、CO2加氢制甲醇乙醇等行业的多联产。氢的运输和新型储存材料是当前研究的热点问题。

风力和光伏发电与地域有关。我国风资源集中，大多分布在西北、华北、东北及东南沿海地区，这些地区适合风力发电及制氢产业。Shell公司利用河北张家口地区的地理优势，于2020年11月13日在张家口市投资建设20000kW可再生能源电解水制氢和加氢项目，支持张家口市和京津冀地区氢能等清洁能源产业的发展，显示了优越的经济效益和环保效益。在风力发电系统中，风力机向着变浆距调节技术发展、发电机向着变速恒频发电技术发展，这是风力发电技术发展的趋势，也是当今风力发电的核心技术。

光伏发电和太阳光有关，由于南方不如北方太阳充足，日照不及北方的1/3，光伏成本约是北方3倍，因此光伏发电适合我国北方大部分地区。新型环保光伏材料的研究及制备工艺开发是当前的热点。

2.开发CO2利用新技术，制备甲醇和乙醇

CO2是大气主要污染物之一，尤其煤化工行业尤为突出，当前全球对碳排放提出了较严格的要求。传统的碳封存技术投资大，利用价值不高，在当前“碳达峰、碳中和”背景下，实现高效转化制高值化学品具有重要的战略意义。将CO2转化为甲醇和乙醇等绿色清洁能源，形成低碳运输燃料，醇类燃烧后又变成CO2，又可以重复利用，实现了资源的再生循环利用。Wang等研究了CO2加氢制甲醇的反应路径以及水在CO2加氢过程中的重要作用，用原位红外和瞬态同位素示踪方法对Cu-ZnO-ZrO2催化剂上CO2加氢制甲醇过程中水的作用机制进行了深入研究。研究阐明了H2O在CO2加氢过程的关键作用，发现解离脱附水是与甲氧基反应生成甲醇的活性物种，催化剂的三维有序大孔结构可有效促进水在催化剂颗粒间的扩散速率，从而获得高的甲醇选择性。此外，在反应气中加入少量的水能够提升甲醇收率，该研究为CO2的利用途经提供了方向。

Hu等研究了富含硫空位的二维硫化钼催化剂低温、高效、长寿命的CO2加氢制甲醇过程，研究结果表明在180℃下，催化剂稳定性可达3000h，CO2单程转化率可达12.5%，同时甲醇选择性可达94.3%，显着优于商品Cu/ZnO/Al2O3催化剂以及此前报道的催化剂，该法具有工业化应用潜力，有望为CO2转化利用开辟新途径。

中科院大连化物所Wang等研究了CO2在双金属ZnO和ZrO2固溶体氧化剂上加氢高选择性和稳定性合成甲醇过程，研究结果表明，CO2单程转化率超过10%时，甲醇选择性可达86%～91%，具有较好的工业化前景。2020年10月，运用李灿院士团队开发的CO2制甲醇技术在兰州新区绿色化工园建成全球首个千吨级液态太阳燃料合成示范工程项目，并顺利通过连续72h现场考核，达成既定的目标，这表明中国在CO2制甲醇技术方面取得了里程碑式成就。

Li等通过光热协同催化作用，采用种子晶体介导法和热缩聚法，研究了CO2碳碳耦合制备乙醇的过程。采用AuCu合金纳米粒子修饰的超薄多孔石墨氮化碳[1](g-C3N4)纳米片，金表面的正电荷改善了CO2分子的吸附，合金中从金到铜的电荷转移使铜富集了过量的负电荷，促进了中间产物*CO2-和*CO[2]在铜表面的形成。研究发现温度升高使分子的热运动增强，导致光催化和热催化的协同作用，通过共聚合促进C-C偶联的形成，从而提高乙醇的收率。研究结果表明在120℃下，乙醇的产率和选择性为0.89mmol/g·h和93.1%，是光催化的4.2倍和热催化的7.6倍，突破了CO2还原制备多碳产物过程中C-C耦合的瓶颈。该方法仅以水提供氢源，将热催化加氢的反应温度从300℃左右降低至120℃，突破了催化还原CO2产物集中在碳一产品的问题，为CO2还原制备高附加值化学品提供了新思路。

Bai等Pd-Cu纳米材料催化剂研究了CO2加氢制备乙醇的过程，通过调整Pd-Cu纳米材料的组成和催化剂支撑材料，优化出能够高效地将CO2加氢转化成乙醇的纳米材料Pd2CuNPs/P25[3]，该材料具有高达92%的选择性加氢转化甲醇，转化频率为359h-1。通过漫反射傅里叶变换红外光谱(DRIFTS)，研究了CO2加氢制备乙醇过程中的速率控制步骤，结果表明Pd2CuNPs/P25[4]能够促进*CO(吸附CO)加氢转化成*HCO，该工作结果为催化CO2加氢转化C2H5OH纳米材料的研发起到了很好的指导作用。

由中国科学院上海高等研究院Li等研究了氮掺杂的介孔碳(N-carbon)材料用于电催化CO2转化过程，通过调控优化N-carbon的孔道结构和表面活性位构型，发现在-0.56V(vs.RHE)电压下电催化CO2转化生成乙醇的电流效率达到77。此项研究工作为设计创制高活性和高选择性生成多碳产物的电催化体系提供了新思路，随后中国科学院上海高等研究院与中国海洋石油青岛公司、中国成达工程有限公司合作开发了CO2加氢制甲醇关键技术。并进行了中试放大研究，于2020年7月建成5000t/a规模工业试验装置，通过了中国石化联合会组织的现场72h考核。评估专家组认为该项目率先建成了全球最大规模CO2加氢制甲醇工业试验装置，与国内外同类技术相比，主要技术指标先进，对于我国CO2资源化利用、减少温室气体排放具有重要意义。

当前利用CO2加氢制已醇和乙醇工业化核心问题是开发高选择性和转化率的催化剂及配套的工艺技术。国际上许多技术专利商如托普索(Topse)和鲁奇公司(Lurgi)等均在攻关高效催化剂并进行相应的工艺技术开发工作。

3.城市生活垃圾制氢

目前我国城市垃圾处理方式主要是填埋或者焚烧，垃圾焚烧的主要设备循环流化床具有投资大和运行成本高的特点，同时焚烧过程中产生飞灰，对环境污染严重，因此开发新型的生活垃圾处理技术势在必行。热解气化技术作为一种新型的生活垃圾处理技术，可以有效降低化合物生成量并减少飞灰排放量，有机物分解为简单的气体分子形成CO和H2，通过用PSA或膜分离后作燃料或化工原料使用，实现生活垃圾处理的无害化和资源化处理，在碳达峰碳中和背景下，伴随着我国低碳清洁能源大规模应用需求，生活垃圾处理制氢经济环保效益显着。

某工程公司承接的400t/d城市垃圾制氢工程项目采用高环保超高温垃圾转化热解制氢技术，这个技术是在纯氧下燃烧，实现垃圾在1600℃以上的高温下燃烧，相比传统垃圾焚烧，发电厂在800℃左右的燃烧更彻底，几乎所有的有机物都已分解完全没有飞灰。在合理的原材料价格和电价的前提下，煤制氢约11元/kg，天然气和甲醇制氢约18元/kg，形成规模效应后，垃圾热解气化制氢的成本有望降到20元/kg以下，与天然气等化石能源制氢技术成本相当，由此可见城市生活垃圾热解气化制氢技术很有应用潜力。较化石能源制氢相比，每1tH2减少的CO2排放量约为30t，环保效益显着。

目前在德国、日本、美国等国家，生活垃圾热解气化技术的应用已经从中温气化发展到了环保性更好的高温气化，国内目前处于起步阶段，高效的垃圾焚烧制氢工艺技术及焚烧设备的开发设计，有望为城市生活垃圾处理开拓一条新的路径，也将成为垃圾综合治理的关键核心技术之一。

在全球“碳达峰碳中和”目标的影响下，实现低碳能源转型和现代能源体系重构是实现此目标的重要保证，新能源技术是应对全球气候变化、推动后疫情时代全球经济“绿色复苏”的必然选择。面对全球越来越严格的碳减排和环保要求，光伏风力发电及制氢、CO2加氢制备甲醇和乙醇、城市生活垃圾制氢技术，其经济和环保效益显着，在碳中和方面必将得到大力发展和应用。