圖為中國工程院院士、深圳大學(xué)深地科學(xué)與綠色能源研究院院長謝和平。深圳大學(xué)深地科學(xué)與綠色能源研究院供圖
中國發(fā)展網(wǎng)、中國經(jīng)濟(jì)導(dǎo)報(bào)訊 張朝登 今天（9月6日），中國工程院院士、深圳大學(xué)深地科學(xué)與綠色能源研究院院長謝和平，在成都舉行的全球綠色發(fā)展高峰論壇（2021 Global Green Development Summit）發(fā)表主旨演講時指出，碳中和應(yīng)以技術(shù)為王。
謝和平院士在演講中介紹了團(tuán)隊(duì)在碳中和領(lǐng)域的前沿顛覆性技術(shù)攻關(guān)以及對全球未來能源轉(zhuǎn)型的創(chuàng)新探索，提出：碳中和應(yīng)以技術(shù)為王，發(fā)展少碳、用碳、無碳技術(shù)。要大力發(fā)展碳減排、碳捕捉、碳利用的CCUS新技術(shù)，更要攻關(guān)無碳排放能源顛覆性技術(shù)，走出適合中國國情的碳中和路徑，而不能簡單理解為去化石能源（去煤化）來實(shí)現(xiàn)碳中和，更不能片面性的“去碳”，甚至將“碳中和”進(jìn)行“商業(yè)化”炒作。
謝和平院士在演講中系統(tǒng)介紹了其團(tuán)隊(duì)的CO2電化學(xué)捕集新技術(shù)、CO2礦化發(fā)電技術(shù)等CCUS新原理新技術(shù)，還特別介紹了正在攻關(guān)探索的零碳排放直接煤燃料電池發(fā)電以及海水直接制氫兩項(xiàng)零碳排放能源顛覆性技術(shù)。
“CO2礦化發(fā)電與電化學(xué)高效捕集：顛覆性的CCUS技術(shù)路線”
國際上現(xiàn)有的碳減排路線以碳捕捉封存（CCS）技術(shù)為主，但該技術(shù)成本高，同時存在CO2逃逸風(fēng)險，而我們國家應(yīng)該走以CCUS為主的碳減排路線。對此，謝和平院士重點(diǎn)指出，CCUS重點(diǎn)在“U”——將CO2能源化、資源化利用。
該團(tuán)隊(duì)早在2009年就率先提出CO2礦化利用的新理念和CO2礦化發(fā)電利用的CCUS減排路線：要將CO2作為資源利用，利用CO2輸出能源，處理堿性固廢，生產(chǎn)高附加值產(chǎn)品。團(tuán)隊(duì)從基本的電化學(xué)和熱力學(xué)原理上出發(fā)，根據(jù)礦化是唯一ΔG＜0的CO2利用途徑這一特征，首次實(shí)現(xiàn)了將CO2礦化反應(yīng)釋放的能量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿臏p排技術(shù)。經(jīng)過近幾年的摸索和深入開發(fā)，所開發(fā)的第四代礦化電池技術(shù)利用有機(jī)質(zhì)電耦合劑取代貴金屬催化反應(yīng)，將功率密度提升至96.75W/m2，接近現(xiàn)有光伏電池的功率密度，取得了重大的技術(shù)突破。
另一方面，如何降低碳捕集技術(shù)能耗和成本也是應(yīng)該關(guān)注的重點(diǎn)方向。目前全球CO2捕集技術(shù)都是國外技術(shù)，主要方法為化學(xué)吸附法，其中最成熟、應(yīng)用最廣的是一乙醇胺化學(xué)吸附法，但其能耗與成本較高。因此謝和平院士團(tuán)隊(duì)首次提出了高效CO2電化學(xué)捕集新原理新技術(shù)，利用質(zhì)子耦合電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)（PCET）促進(jìn)CO2吸收的創(chuàng)新原理，實(shí)現(xiàn)高效的CO2電化學(xué)捕集。實(shí)驗(yàn)室初步結(jié)果顯示耗能僅為67 kWh/噸，接近理論值，是傳統(tǒng)化學(xué)吸收法的1/5~1/9。成本約為9.4美元/噸CO2，僅為傳統(tǒng)化學(xué)吸收法（40美元/噸）的1/4。下一步將開展中試與產(chǎn)業(yè)化技術(shù)攻關(guān)，有望破解現(xiàn)有碳捕集技術(shù)無法大規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵瓶頸—成本與能耗。
“零碳排放煤炭發(fā)電顛覆性技術(shù)使煤炭成為清潔能源”
任何化石能源的發(fā)電利用都免不了有碳排放，但能否有一種方法能夠徹底解決化石燃料如煤炭發(fā)電的碳排放，將煤炭也變成清潔能源？該團(tuán)隊(duì)提出并正在探索攻關(guān)的零碳排放直接煤固體燃料電池發(fā)電新技術(shù)將可能解決這一世界性難題。其核心技術(shù)原理是煤炭不通過燃燒，通過透氧膜后與氧離子直接結(jié)合，釋放電子，產(chǎn)生電能，并在體系內(nèi)原位將產(chǎn)生的CO2進(jìn)行催化、礦化轉(zhuǎn)化，實(shí)現(xiàn)零碳排放的新型煤炭發(fā)電技術(shù)（零碳排放能源）。
謝和平院士介紹到，其團(tuán)隊(duì)在這方面做了很長時間的探索。從技術(shù)層面上來說，目前該體系面臨著兩大挑戰(zhàn)：一是如何優(yōu)化直接煤燃料電池陽極固-氣-固界面催化過程，以提高發(fā)電效率？二是如何實(shí)現(xiàn)零碳排放？針對這兩個技術(shù)挑戰(zhàn)，團(tuán)隊(duì)通過應(yīng)用自主研發(fā)的煤活化處理技術(shù)與高效陽極結(jié)構(gòu)-材料的開發(fā)，使直接煤燃料電池在750℃下功率密度達(dá)到了403 mW/cm2，是目前文獻(xiàn)報(bào)道中的最高值。該新技術(shù)體系有望能夠在未來顛覆現(xiàn)有燃煤電廠IGCC發(fā)電方式，煤可通過零碳排放直接煤固體燃料電池發(fā)電。完全破解煤炭發(fā)電的碳排放問題，使煤從本質(zhì)上成為清潔能源，真正實(shí)現(xiàn)無碳排放的煤炭發(fā)電技術(shù)夢想！
“海水制氫是未來以氫能為主的能源體系的核心”
目前全球主流的制氫技術(shù)為煤制氫、天然氣制氫以及水制氫技術(shù)。其中，煤制氫和天然氣制氫需要消耗不可再生的化石燃料資源，同時產(chǎn)生大量的二氧化碳排放，特別是在單位質(zhì)量產(chǎn)氫量與碳排放指標(biāo)上，與水電解制氫相比不具有優(yōu)勢。但是，水制氫面臨著能耗偏高且全球淡水資源短缺的挑戰(zhàn)，嚴(yán)重制約水制氫技術(shù)的發(fā)展推廣。根據(jù)國家能源集團(tuán)估計(jì)，到2060年光中國氫氣年需求量將達(dá)1.3億噸，這也意味著要消耗23億噸的水資源用于制氫。因此，謝和平院士認(rèn)為，用取之不盡的海水來制氫，才是未來制氫技術(shù)發(fā)展的主方向，關(guān)鍵是要大力發(fā)展海水制氫新原理，新技術(shù)。
謝和平院士指出現(xiàn)有的水制氫技術(shù)，如堿性電解水、PEM電解水技術(shù)無法直接用于海水制氫，癥結(jié)在于海水中固有離子，如Ca2+，Mg2+ ，Cl-等對電極材料的腐蝕、毒化、堵塞等。針對這一困擾海水制氫的世界性難題，謝和平院士團(tuán)隊(duì)已組織攻關(guān)海水無淡化、無額外能耗的原位直接電解制氫新原理，巧妙利用物理力學(xué)與電化學(xué)相結(jié)合的新原理，率先形成了無淡化、不額外耗能的海水高效原位直接電解制氫原理與技術(shù)。目前的實(shí)驗(yàn)室研究成果充分證明該技術(shù)能滿足電流密度最高3.5A/cm2的制氫反應(yīng)（現(xiàn)有電解制氫技術(shù)電流密度僅0.3~0.8A/cm2），而且利用深圳灣海水進(jìn)行了實(shí)際海水原位無淡化直接電解制氫，實(shí)現(xiàn)超過85h的穩(wěn)定制氫，電解能耗與現(xiàn)有工業(yè)堿性電解淡水制氫能耗相當(dāng)。目前，團(tuán)隊(duì)正在自主研發(fā)400LH2/h的海水原位無淡化直接電解制氫試驗(yàn)樣機(jī)，同時也正在組織團(tuán)隊(duì)攻關(guān)新一代的海水電解制氫技術(shù)，力爭將每標(biāo)方制氫能耗從4.5至5度電，降至3.5至4.2度電，真正實(shí)現(xiàn)低能耗、低成本的海水直接制氫——即經(jīng)濟(jì)可行的零碳排放能源。
針對上述技術(shù)的重大創(chuàng)新意義，謝和平院士指出，在理論上，這是一個是物理力學(xué)與電化學(xué)相結(jié)合的原創(chuàng)性原位海水直接制氫原理技術(shù)突破；在技術(shù)意義上，能集成“可再生能源（海上風(fēng)能、太陽能）利用-海水資源利用-氫能生產(chǎn)”過程為一體的海水無淡化直接電解制氫裝備。在戰(zhàn)略意義上，有望能夠?qū)⑷≈槐M用之不竭的海水資源，高效、低成本地原位轉(zhuǎn)化成海水能源（氫能），真正意義上實(shí)現(xiàn)海水能源化利用。
談及上述海水直接制氫技術(shù)的應(yīng)用前景，謝和平院士介紹到，團(tuán)隊(duì)目前正在深圳市政府立項(xiàng)申請支持加快上述海水直接制氫技術(shù)的中試和產(chǎn)業(yè)化試點(diǎn)，期望能在粵港澳大灣區(qū)探索構(gòu)建與海上風(fēng)能、太陽能再生能源相結(jié)合的一體化的沿岸海水原位無淡化直接電解制氫工廠與浮島式海上風(fēng)電原位海水無淡化直接電解制氫工廠兩大技術(shù)示范工程，期待實(shí)現(xiàn)具有無海水淡化過程、無海水泵送輸運(yùn)過程、無海水污染處理過程、無海水制氫設(shè)備平臺等諸多優(yōu)勢的海上綠氫全新生產(chǎn)技術(shù)與路線，與海上風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電形成多能互補(bǔ)一體化技術(shù)體系，最終在全球率先形成中國原創(chuàng)的“海洋綠氫”新興戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)。
來源：中國發(fā)展網(wǎng)
