9月，中国能源研究会携常州政府主办的“碳达峰碳中和国际平台（2024）暨国际新能源展会”在常州璀璨启幕。

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达成“3060双碳”目的，能源范围是主战场。煤电作为国内电力提供的主体，将来较长一段时期内不会改变，但煤电会排放很多二氧化碳。充分借助风能、太阳能等新能源是电力低碳转型的一条要紧路径。然而，这类新能源有着不容忽略的“Bug”存在。

01 清洗能源有“Bug”？

风能、太阳能等能绿色能源虽然具备清洗、低碳的优点，但转化为电能后与煤电一样，也具备不可大规模存储的缺点，需要进一步转化为其他化学能或势能、机械能。

太阳能电池面板（图库版权图片，转载用可能引发版权纠纷）

为知道决这一问题，科学家提出了将氢气转化为氨、甲醇的想法——将绿电电解水产生的氢气与空气中的氮气或火电厂产生的二氧化碳按比率混合，加压压缩后在催化条件下反应生成氨或甲醇。

氨和甲醇中氢含量高，性质稳定、易储运，是要紧的化工商品和燃料，加热裂解后可飞速脱氢，是好的储氢载体。

这便是“电-氢-碳耦合”的原理，即借助风能太阳能等发的电与电解水产生的氢气，与火电厂排放的二氧化碳通过跨界耦合与物料重整，生成化学性质稳定、易储运的氨和甲醇，以达成风能太阳能-电能-氢能的能量储运闭合链条。

风力发电机（图库版权图片，转载用可能引发版权纠纷）

02 第一步：电解水制氢

电解水制氢技术主要包含3条路径：碱性电解水制氢、质子交换膜电解水制氢、固体氧化物电解水制氢。实质路线中，碱性电解水制氢占比近60%，质子交换膜电解水制氢占比为30%。

（1）碱性电解水制氢

♦转化效率：碱性电解水制氢的转化效率在70%~80%，每标方氢气耗电约5 kWh[1]

♦优点：20世纪中期就达成了工业化，商业成熟度高，运行时间长。

♦缺点：用强碱做电解质具备腐蚀性，电解槽用的石棉隔膜也具备肯定的环境风险性。研究发现，现在技术条件下，只有当新能源电价减少至0.1元/kWh时，电解水制氢才具备优势[2]。因此，能效水平低且能耗水平较高仍是其进步需要解决的问题。

（2）质子交换膜电解水制氢

♦转化效率：质子交换膜电解水制氢的转化效率在75%~85%，每标方氢气耗电约4.5-5.5 kWh。

♦优点：用纯水作为材料，具备电流密度大、氢气纯度高、响应速度快、电解槽体积小、运行灵活、可迅速变载，与风电、光伏适配性强等优点

♦缺点：需要用贵金属（铂、铱）催化和特殊膜材料，本钱约为相同规模碱性电解槽的3-5倍[1]。

（3）高温固体氧化物电解水制氢

用固态陶瓷作为电解质，在500~1000 ℃的高温下反应，理论能达到或接近100%的转换效率，催化剂也不依靠于贵重金属，但现在还处于技术示范和系统测试阶段。

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03 第二步：

（1）绿氢+氮气→绿氨

绿氢和氮气在高温高压催化剂用途下合成为绿氨的工艺主要为氢气氮充气压力缩、氨合成及冷凝离别、氨压缩冷冻。

理论上，0.18吨氢气可出生产1吨氨，制备绿氨的本钱中电费和设施投资本钱占比较大，需在10-15 MPa、350 ~ 500℃条件下，常用催化剂为铁系或钌[1]。因此，现在绿氢制绿氨的主要难点是怎么样开发出更安全经济高效的绿氢制氨工艺，进一步提高系统灵活性与综合转换效率。

绿色氢气生产（图库版权图片，转载用可能引发版权纠纷）

（2）绿氢+二氧化碳→甲醇

绿氢耦合二氧化碳制甲醇的步骤为氢气制备、二氧化碳捕集、甲醇合成和精馏。反应过程为高温高压条件下，二氧化碳和氢气在催化剂用途下生成甲醇和水。

反应的难题就是催化剂的选择，现在用的催化剂主如果铜基催化剂、钯基催化剂、铟基催化剂和氧化物固溶体催化剂。其中铜基催化剂因其制备方便、材料经济，已达成工业化广泛应用。将来二氧化碳加氢制甲醇，需要解决的技术难点是开发出高活性、高选择性、高稳定性的催化剂。

氢气厂（图库版权图片，转载用可能引发版权纠纷）

04国内的技术突破

现在，国内碱性电解水制氢的一些重点设施主要性能指标均接近于国际先进水平，单槽电解制氢量大，很适用于电网电解制氢。

合成氨方面，国内大型合成氨工业中基本处于国际先进水平，合成氨技术已进入3.0年代，如中科院大连化物所初次将配位氢化物材料应用于催化合成氨反应中，开发了一类新型碱（土）金属钌基三元氢化物催化剂，达成了温和条件下氨的催化合成，达到国际领先水平[3]。

合成甲醇方面，中国科学院上海高等研究院和海洋石油富岛公司完成了5000吨/年的二氧化碳加氢制甲醇示范装置；中国科学院大连化学习物理研究在兰州新区绿色化工院建成千吨级液态太阳燃料合成示范工程；西南化工研究设计院公司与鲁西化工集团公司研发了5000吨/年的二氧化碳加氢制甲醇生产试验中试装置，二氧化碳实际转化的比例和甲醇选择性达到相同种类技术先进水平，通过热耦合工艺甲醇单位能耗大幅减少[4]。

05 将来展望

2024年7月，在中国科协发布的2024中国十大前沿科学问题中，就提到了以电-氢-碳耦合方法协同推进新能源大规模开发与煤电绿色转型。

电-氢-碳耦合技术工艺，达成了可再生能源的大规模借助和氢能的长距离运输和存储与煤电厂二氧化碳资源化借助，在助推煤电绿色低碳转型的同时，合成了绿氨、绿色甲醇等可再生绿色材料与燃料，具备要紧的环保和生态价值与肯定的经济效益。

将来，伴随科技的持续进步，光伏板、电解水槽等重点设施本钱的减少，催化剂性能的大幅提高，电-氢-碳跨界耦合的本钱将不断降级，技术的产业链集效果应和规模效应将持续显现，耦合产业链也将继续延伸，更多的绿色商品和绿色能源将会出现来！

出品：科普中国

参考文献：

[1] 林光平,刘兆川,聂立,等. 煤与可再生能源深度耦合的典型零碳综合能源系统构建 [J]. 洁净煤技术, 2022, 28 (11): 90-104.

[2] 李彬，潘雨情,文华杰,等. 基于碳减排的氢电资源耦合进步近况及展望 [J]. 供用电, 2023, 40 (10): 106-113.

[3] 卜叶. 中外团队开发新型催化剂达成“绿色”合成氨[N]中国科学报. 2021-11-30第1版.

[4] 彭生江,杨淑霞. 基于系统动力学的风氢煤耦合系统容量优化配置模型构建及验证剖析 [J]. 科技管理研究, 2023, 43 (16): 203-214.

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