中国科学院院士李灿：太阳燃料值得期待

    文／本刊记者 陆晓如

    利用太阳能进行CO2加氢制甲醇等燃料及化学品，是实现CO2资源化利用及减排的可行策略。

    现代工业文明给人类带来了利益、舒适、便利，但同时也带来了负面影响。比如，生产和生活过程中产生的大量二氧化碳。有研究指出，近100年全球平均气温升高了0.6℃，且近年来加速升温，而二氧化碳被认为是罪魁祸首。旨在遏制全球气候变暖的《京都议定书》签订后，二氧化碳更成了人人喊打的“过街老鼠”。

    2月6日，世界气象组织以及英美等国气象相关机构同时发布报告称，2015年至2018年是自100多年前有气温记录以来最热的四年。如果无法遏制全球升温势头，将带来全球灾难性变化。

    各界都在呼吁世界各国在二氧化碳减排方面加大力度。中国科学院院士李灿指出，利用太阳能燃料技术可以实现二氧化碳的资源化利用，将其变废为宝，主动、积极地实施二氧化碳减排。

    优越的太阳能

    中国石油石化：李院士，您好！世界能源结构已经呈现出明显的变化趋势。您如何看待这一趋势？

    李灿：现阶段化石能源虽然仍是世界能源消费主体，但可再生能源的重要性已日益凸显。

    从勘探开发研究成果来看，占据世界能源消费主体的化石能源再供人类使用很长一段时间不成问题。现在还有很多研究致力于提升化石能源的利用效率，促进化石能源的清洁化利用，已经取得了诸多成果。但依靠化石能源存在的危机和问题依然不能回避。

    一方面，随着社会经济的发展，能源需求不断增长，对能源的要求越来越高，能源问题上升为国家安全问题。而化石能源作为不可再生能源日渐枯竭是必然趋势。不能等到只剩下一滴油、一铲煤时才考虑其他可替代能源，而是需要提前发展替代能源来支撑人类未来的能源需求。另一方面，随着人类生活质量的提高，化石能源使用带来的二氧化碳排放问题日益引起关注。我国每年二氧化碳排放量超过60亿吨，全世界每年二氧化碳排放量达400亿吨。由过度消耗化石资源排放二氧化碳等污染物引发的环境以及气候变化等问题已经威胁到人类的生存。发展清洁的可再生能源，是人类可续持发展的急迫需要。

    从我国的情况来看，环境和能源问题已经成为制约我国可持续发展的瓶颈。习近平主席倡导绿水青山的生态环境和谐发展理念，加快推进生态文明建设，要求我们通过发展清洁可再生能源解决我国未来能源的生态问题。

    中国石油石化：在多种可再生能源里，您认为太阳能的优越性体现在哪些方面？

    李灿：太阳能是清洁的可再生能源，而且潜力巨大。2005年世界能源消耗总量大约为3×1020焦耳，而每年照射到地面的太阳能达到3×1024焦耳。这个数据说明，从资源量来看太阳能有能力也是从理论上唯一有可能满足人类全部能源需求的能源。

    太阳能资源量不成问题。利用太阳能的关键问题是如何高效地把太阳能转化为人类需要的能源。目前，光伏发电已经实现大规模商业化利用，能够满足人们对电能的需求。新一代更加高效、更加低成本的太阳能发电技术正在研发中。

    就我国而言，太阳能资源非常丰富，目前近2/3的国土上已经有太阳能商业化开发利用。我国已经是生产和装配太阳能光伏最多的国家，多地还在不断上马太阳能发电项目，发展太阳能前景广阔。

    利用新方向

    中国石油石化：当前利用太阳能主要是光伏发电。您所研究的太阳燃料技术是怎样利用太阳能的？

    李灿：说到太阳能利用，人们的印象大多数是太阳能光伏发电。其实利用太阳能可转化为清洁的化学燃料，也称太阳燃料。

    太阳燃料（Solar Fule）相对于化石燃料（Fossil Fule）而言，是指利用太阳能等可再生能源转化二氧化碳和水生成的化学燃料。太阳燃料的合成技术受到了自然界光合作用的启发。自然界里的植物、藻类和某些细菌，在太阳光的照射下，经过光反应和暗反应，将二氧化碳和水转化为碳水化合物，将光能转化成化学能储存在碳水化合物中，并释放出氧气。经过几十亿年的进化，光合作用已经非常完善。太阳燃料合成技术是人类道法自然的成果。它利用人工光合成，把二氧化碳和水转化成人类能利用的氢气以及甲醇等各种化学物质和氧气。

    这种技术在理论上是完全可行的。目前已经出现光催化、光电催化、电催化太阳燃料合成技术，即利用太阳或太阳电能分解水制氢，然后通过二氧化碳加氢制甲醇、甲烷等，将分散而不连续的太阳能以化学能的形式贮存起来并加以利用。

    目前总体看太阳能直接人工光合成制燃料的效率还比较低，达不到工业化生产的要求。因此还无法实现规模化从化石燃料完全跨越到太阳燃料，还需要时间不断研究，构筑高效、稳定、廉价的人工光合成体系。但利用太阳能等可再生能源发电分解水制氢，然后二氧化碳加氢制备甲醇等液体太阳燃料已经具有一定的经济可行性。

    中国石油石化：从化石燃料完全跨越到太阳燃料还需要时间，眼下它有什么利用价值？

    李灿：化石能源为全球经济发展做出了巨大贡献，不可回避的是，化石能源作为燃料能源通过燃烧释放能量，同时产生大量的二氧化碳。

    二氧化碳减排已引起国际社会的广泛关注。过去针对二氧化碳问题，关注点多在想方设法把二氧化碳收集封存起来。但目前二氧化碳封存技术还不成熟，处理1吨二氧化碳需要付出较高成本。实际上，二氧化碳不仅是温室气体，而且是碳资源。我们认为减少二氧化碳更好的思路是把二氧化碳转化成高附加值的化学品。

    发展新能源、清洁能源，用新能源替代化石能源是必然趋势，但替代不是一朝一夕可以实现的。因此，现阶段应该思考如何用新能源来解决化石能源的问题。太阳燃料技术综合考虑太阳能转化的效率、可规模化转化技术和技术的成本等，有望可以实现二氧化碳的资源化利用，是解决化石能源问题的有效方法。

    助力CO2利用

    中国石油石化：能否请您解释一下太阳燃料技术是如何实现二氧化碳利用的？

    李灿：最具有代表性的实现二氧化碳利用的方法是二氧化碳制甲醇。利用太阳能等可再生能源，通过光催化、光电催化分解水或电解水制氢，可以进行二氧化碳加氢制甲醇等燃料及化学品。这是实现二氧化碳减排和碳资源可持续利用最为可行的策略。

    甲醇是非常重要的载能、储能的平台化学分子。把氢储存到甲醇分子里，应用时与水反应把氢放出来，由此产生能量。据测算，甲醇分子载氢量可以达到12%以上。甲醇可以直接用作燃料或燃料添加剂，还可作为重要的化工原料来生产高附加值的化学品，比如乙烯、丙烯、芳烃等大宗化学品以及汽油和柴油，有非常好的市场和经济效益。近年来，甲醇的需求量非常巨大，每年的消耗量以5%～10%的速率上升。

    二氧化碳加氢制甲醇离不开氢。氢是现代工业化学领域里非常重要的基础燃料。电解水制氢是一种较为方便的制取氢气的方法。但该转化过程需要大量能源，一般成本太高，不宜大规模应用。

    我国光伏发电发展非常快，但也遇到了一些问题，比如不能很好地并网等。据不完全统计，2016年全国“弃水、弃风、弃光”电量共计近1100亿千瓦时。能不能把这个量利用起来制氢，然后以更多的氢与二氧化碳反应产生甲醇，从而既实现甲醇增产又实现二氧化碳利用？答案是肯定的。采用太阳能光伏产生的电能电解水制取氢气再制甲醇的方式，能够实现可再生清洁能源的高效利用，是在综合考虑环保、经济等因素后探索出的一条合理途径。

    中国石油石化：目前二氧化碳加氢制甲醇技术进展如何？

    李灿：二氧化碳加氢制甲醇已经在冰岛实现了工业化示范。冰岛利用的并不是太阳能，而是当地丰富的地热资源发电。国际上一些企业与研究机构在攻关高效催化剂及相应技术。我国二氧化碳制甲醇的过程大多还在实验室阶段，部分研究院所在进行中试。

    目前，实现二氧化碳加氢制甲醇产业化的瓶颈在于高效太阳能及可再生能源制氢技术和高选择性、高活性二氧化碳加氢制甲醇催化技术的发展。我的团队致力于太阳能光催化、光电催化以及电解水制氢的研究，同时开展了二氧化碳加氢制甲醇的研究，以实现人工光合成太阳燃料战略。多年来，我们发展了高效的二氧化碳加氢制甲醇催化剂和规模化电解水制氢催化剂，成功进行了实验室小试和中试。在此基础上，我们在兰州启动了千吨级工业化示范工程。

    未来有希望

    中国石油石化：根据您的介绍来看，太阳燃料技术还有待突破。您怎么看它的前景？

    李灿：如果把能源看成一个大家庭，人工光合成太阳燃料还是个很小的孩子，而煤、石油、天然气早已是成年人。当下的能源需求要靠成年人，而未来需要靠培养现在的孩子。

    现在太阳能电池技术已经比较成熟。而在20世纪70年代，它也不过是能源大家庭里的一个孩子。当时太阳能电池价格很高，只能用在航天、航空等高精尖领域。经过几十年的发展，2010年太阳能发电的价格还是要比市场上煤电的价格高很多。但经过近十年的发展，太阳能电池的价格已经大幅下降，不到2010年的1/10。原来单位太阳能晶硅组件价格达300-400美元，现在低于20美元。近期，太阳能发电价格已经接近煤电价格。

    从太阳能电池几十年的发展历程来看，太阳燃料的未来很有希望，因为技术革新发展的速度往往非常惊人。太阳能光催化和光电制太阳燃料极有可能是未来太阳能转化利用的颠覆性技术。虽然目前仍属于前沿科学，处于前瞻性的实验室研究阶段，但相信随着研究不断深入，不久的将来会有突破性进展。

    中国石油石化：目前我国太阳燃料技术的进展情况如何？

    李灿：我们研究团队研发的高效、稳定、廉价制氢催化剂，已经可以实现电解水催化制氢成本降低20%~28%，而且实现了每小时制1000立方米氢的规模。研发的二氧化碳加氢制甲醇催化剂具有廉价、高选择性、抗硫中毒、稳定性高等性能，已成功完成百吨级试验。

    2018年我国首个规模化太阳燃料合成工业化示范项目在兰州新区启动。这个规模达到1000吨/年的二氧化碳加氢制甲醇工业示范项目，采用的核心技术是太阳能电解水催化制氢工艺，同时捕获兰州新区精细化工园区石化产业排放的二氧化碳。项目建成后将利用太阳能发电实现电解水制氢，氢气和二氧化碳反应合成甲醇等燃料及化学品，实现二氧化碳减排和碳资源可持续利用。