【Front.Energy展望】上海交通大学黄震院士等发文:面向碳中和的变革性技术——可再生合成燃料

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论文导读

    可再生合成燃料是面向碳中和的变革性技术。本文介绍了可再生合成燃料的特点、主要技术路线、技术瓶颈和未来应用场景,为能源转型与碳中和目标实现提供全新的解决方案。

主要观点

    碳中和是一场绿色革命。面向碳中和的未来能源,亟需一系列颠覆性、变革性能源技术作为战略支撑。未来能源变革从供给侧角度来看,关键是电力零碳化燃料零碳化。作为化学储能的重要形式,利用风电、光伏等可再生能源制取可再生燃料,包括氢、氨和合成燃料等,将成为未来可再生能源为主体新型电力系统的重要组成部分,可有效提高电网灵活性,克服风电、光伏富余电力无法有效消纳和弃电问题,同时可实现燃料零碳化,摆脱对化石能源的依赖。

    可再生合成燃料是以可再生能源发电作为能量供给,通过热催化、电催化等路径还原CO2,合成碳氢或醇醚燃料可再生合成燃料作为一种先进的储能方式,可实现碳元素有效循环,相比于物理储能和电化学储能方式,具有能量密度高、易储运以及长时储能特点,有望使交通和工业燃料独立于化石能源,实现燃料净零碳排放,可为能源转型与碳中和目标实现提供全新的解决方案

主要内容与展望

     具有商业化前景的可再生合成燃料制备主要有热催化和电催化两条技术路线。这两种技术路线有三个共同点:第一,由于二氧化碳分子热力学稳定,如从二氧化碳到一氧化碳的标准摩尔生成焓焓差为283 kJ/mol,故制备过程需要可再生能源产生的零碳电力等能量驱动。第二,由于反应过程存在较高能垒,二氧化碳分子需要活化,研发高效催化剂,降低反应能垒,是可再生合成燃料制备过程的关键。第三,典型的可再生合成燃料含有碳、氢、氧三种元素,因此,二氧化碳的催化还原过程中需要从外界引入氢源,典型的如热催化过程需要氢气、电催化过程需要水作为质子来源。

    热催化路径利用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、短链烯烃、芳烃、异构烷烃等产物。其中,甲醇、二甲醚等醇醚燃料是CO2催化加氢的重要产物,具有较高应用价值,如图1所示。现阶段,二氧化碳加氢制甲醇存在以下两个瓶颈:第一,电解水制氢的转化效率需提高。第二,亟待开发低成本,高选择性,高稳定性的催化剂并设计新型催化装置。未来若考虑碳排放成本,二氧化碳加氢制甲醇相比煤制甲醇具有经济性优势。

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图1 热催化制备可再生合成燃料技术路线图

    电催化路径是利用可再生能源产生的电能,直接催化还原CO2,生成可再生合成燃料的技术,可分为低温电催化和高温电催化两种途径如图2所示。低温电催化还原 CO2发生在常温常压条件下,通过一系列复杂的多电子和质子转移过程,CO2分子可以被还原为一氧化碳、甲酸、甲醇、乙醇、乙烯等产物。但是现阶段,低温电催化仍存在电流密度低、产物选择性差,能量效率低,CO2转化率低等瓶颈 。为了满足工业级应用的需求,必须对电催化体系进行合理的设计和优化,其中包括高选择性催化剂开发,高稳定性高传质速率电极设计、电解质溶液微环境优化、低能耗高可靠性电解装置研制等关键技术,使其具有更好的产业化应用前景。

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图2 电催化制备可再生合成燃料技术路线图

    高温CO2电催化指利用高温固体氧化物电解池(SOEC)技术电解二氧化碳,典型工作温度在600-850摄氏度。高温CO2电催化可以分为直接电解CO2制CO和共电解H2O/CO2制备CO/H2合成气两类。其中,H2O/CO2共电解过程可以生成比例可控的合成气,通过耦联合成化工工艺,可实现长碳链烃类燃料和醇醚燃料的规模化制备。高温电催化具有以下优点:从热力学角度可降低电能需求,从动力学角度可加速反应速率,提高能量效率并且降低成本。为了做到电极催化、传热、传质以及电荷传递过程的高效协同,需要对电堆界面电子收集、涂层、连接、密封和装配等关键技术进行深入研究,从而实现高电流、长寿命、低衰减电堆系统制备。在优化CO2、电力和电解池装置成本的情况下,高温电催化制备CO价格低于现有的石油化工手段制备的产品。

    电催化制备可再生合成燃料具有巨大的市场潜力。如图3所示,在未来新能源为主体的新型电力系统背景下,通过零碳电力驱动分布式电化学转化装置,可以实现由阳光、水、二氧化碳制备可再生合成燃料,燃料终端排放的CO2通过CCS或直接空气捕集途径回收,可形成有效的碳循环。基于上述愿景,未来的能源供给可不再依赖于化石燃料,这将是一场伟大的能源变革。过去的世界,我们是依赖于上亿年前的阳光照耀的产物-化石燃料,今后的世界,每天的阳光将为我们提供取之不尽、用之不竭的热、电,还有可再生燃料!

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图3 未来能源愿景:阳光、水、二氧化碳制备可再生合成燃料

原文信息

    Renewable synthetic fuel: turning carbon dioxide back into fuel

Zhen HUANG, Lei ZHU, Ang LI, Zhan GAO

Author information: Key Laboratory for Power Machinery and Engineering of the Ministry of Education, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China; China Research Institute of Carbon Neutrality, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China

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