近期电动车与燃油车之争，因苹果丰田退出电动车、小米造车等话题又引起国人的讨论。本文从能源全生命周期及碳中和的大系统出发探讨适合中国国情的绿色甲醇与电池的混合动力路径，供大家参考。本文主体内容新近发表于中国工程院主办的国际知名学术期刊《Engineering》上（2023年 第29卷第10期，中英双语，绿色甲醇——实现碳中和的重要途径）[1]。《Engineering》于2015年创刊，入选了“2023中国最具国际影响力学术期刊（自然科学与工程技术）”。
中国正在推动以碳达峰碳中和为宏伟目标的“双碳”行动计划，其关键在于增加可再生能源生产与消纳，用更多的可再生能源取代石油及煤炭。太阳能的成本近年大降，但每年的有效发电时间非常有限，长三角地区每年1000小时左右，榆林鄂尔多斯等地约1700小时，约为全年时长的11~20%，而风能全国各地不同，平均 2200小时左右，约为全年时长的20~25%。这表明，太阳能、风能仅在其能发电的时段比火电便宜，而在其他时段，如果要储电，其成本会远远高于火电。因此，在多数情况下，太阳能发电不具备竞争优势，实际情况下已发出的电较例被浪费了。风力发电存在关于季节性成本波动的类似问题，中国风电行业每年因不合理电源结构和远距离输配电网挑战产生了可达200亿度的弃电量[2]。
为了实现“双碳”目标，开发一种商业上可行的、可以在全球范围内实施的大规模储能技术势在必行。一般来说，基于电池的储能解决方案由于其技术不成熟和成本限制而不适合大规模储能。目前电池的全年产能远低于日益增长的可再生能源储能需求。不管是抽水储能、压缩空气储能，还是电池储能、重力储能，只能实现短期储能。在降雨量减少或风力低的时期，这些储能技术的功效受到极大限制[3, 4]。在过去的40年里，北半球一半的风力资源一直在减少，下降幅度超过30%，这可以归因于气候变化。因此，迫切需要探索太阳能和风能大规模储存的解决方案，同时推进长期储能技术的开发和部署。
实现中国的双碳目标挑战很大，需要在双碳实现路径与经济社会协同发展之间取得微妙的平衡。这种平衡在很大程度上依赖于太阳能、风能、煤炭、石油和天然气等基础设施和设备现有及未来投资的可持续利用。与双碳目标相关的资金需求量是巨大的，因此市场导向和稳步进展对于成功实现该目标至关重要。也就是说，仅仅依靠财政补贴不足以达到预期的结果。预计未来可再生能源/氢能在中国能源总结构中的比重将大幅提高。然而，可再生能源的内在间歇性和不稳定性是一个关键的制约因素[5]。因此，为了实现双碳目标，实现可再生能源可靠、安全、有效的运输及储存势在必行。我们对开发大规模、低成本、实用的高效储能技术具有非常迫切的现实需求。目前，大多数储能技术的研究都集中在增强材料能量容量或发现新型储能材料[6, 7]。然而，这些努力主要停留在理论研究阶段，短期内无法作为大规模储能技术应用。
我们提出一条支持低碳社会发展的绿色甲醇路径，建议尝试利用中国最丰富的两大资源（即西部的沙漠戈壁带来的几乎无限的风光资源与中国丰富的劣质煤资源）结合制取绿色甲醇，同时用劣质煤分离出的矿物质微粒改良板结的土地、盐碱地及沙土地，既解决中国石油不够的问题又能保障粮食安全。同时，绿电与绿色甲醇混合动力，解决纯电动的几大痛点。甲醇因其高能量密度而被广泛认为是一种适宜的能量载体。中国的风光资源既煤炭资源主要在西北；通过将中国西部的间歇性可再生能源及劣质煤转化为绿色甲醇，可以有效地将可再生能量以液体形式储存起来，并实现长期保存。结合中国本身西高东低的地理特征，西部生产的甲醇可以通过管线低成本高效运输到东部及沿海城市。这有可能是一种大规模的、符合中国国情的绿色液体取代石油的解决方案。
业界对绿色甲醇的概念有不同的理解，容易导致学术研讨及工程实践方面的混淆，我们对绿色甲醇的概念，做了适当的补充说明。
1994年诺贝尔化学奖得主、美国南加州大学Olah教授于2006年在其专著《Beyond Oil and Gas: The Methanol Economy（跨越油气时代的甲醇经济）》中首次提出了甲醇经济的概念，受到全世界各国学者、政府及产业界的广泛关注。经多年科技开发与产业实践，甲醇的来源已从早期的化石能源制取路线（煤制甲醇、天然气制甲醇等）发展到化石能源/非化石能源共同制取、可再生能源制取路线，甲醇经济已深入融合世界经济发展。在2023年举办的杭州第19届亚运会上，主火炬燃料首次使用废碳再生的“绿色甲醇”，实现了零排放的碳循环过程。
国际可再生能源署IRENA在2021年的《创新场景：可再生甲醇》报告中尝试给出了“生物甲醇”、“绿色甲醇”的定义[8]。“生物甲醇”指的是由例如林业和农业废弃物及副产品、沼气、污水、城市固体废弃物(MSW)和制浆造纸业的黑液等生物质生产的甲醇。“绿色甲醇”指的是从可再生能源电力生产的二氧化碳和绿氢中获得的可再生甲醇。
对于来自发电厂、钢铁和水泥厂等各种工业来源的CO2，IRENA考虑到这些CO2通常会排放到大气去，作为替代方式可将其进行再利用（即与绿氢共同生产低碳甲醇），这类甲醇归入了绿色甲醇的范围。为了实现可持续及CO2净零排放，未来将越来越多地使用生物来源的CO2，例如蒸馏厂、发酵装置、MSW、沼气以及其他装置来源（如生物质发电厂）的CO2通常被视为废气而排放到大气中，从这些装置捕获、存储或利用CO2的工艺通常被称为生物能源与碳捕获和储存(BECCS)或生物能源与碳捕获和利用(BECCU) [9]，属于IRENA认可的绿色甲醇生产工艺。基于直接空气捕获[DAC]的CO2，结合绿氢生产甲醇的工艺，也属于IRENA认可的绿色甲醇生产工艺，但该技术方向仍面临技术开发及商业化的挑战。
地球上的能源主要来自阳光，但“光阴似箭”难以捕获，如何把阳光变成随人们的意志可储存、可运输的液体，白春礼、张涛、李静海、施春风四位院士于2018年9月在国际知名期刊《焦耳》上联名发表文章解答了这个问题。他们将甲醇技术划分为五代，第五代甲醇技术以空气中的二氧化碳和取之于水的氢合成甲醇，也叫液态阳光（Liquid Sunshine）[10]。中科院大连化物所李灿院士团队进一步通过甘肃省兰州新区的1000吨/年液态阳光甲醇示范装置验证了液态阳光的基本原理：利用太阳能、风能等可再生能源分解水制绿氢，再由绿氢加二氧化碳转化生产甲醇[11]。CO2+H2可以制甲醇（CO2+3H2 = CH3OH+H2O），技术上没问题，但宝贵的H2有1/3转化为只有几元一吨的水（H2O），成本比我们提出的用绿电生产甲醇的路径要高出一倍以上，如果欧洲人愿意出高价收购，我们乐见其成，去赚欧洲人的钱，但在中国国内在可见的未来，成本太高，没必要追求100%绿色零碳，我们的路径比煤制甲醇减碳近~82%，尽管还有~18%的碳排放，但CO2排放太多不行，没有，人类也无法生存，因为我们呼吸的氧气及吃的食品都是CO2光合作用形成，欧洲极端环保主义追求的零碳既不现实，也不科学。
目前生物甲醇、液态阳光甲醇的生产成本与现有甲醇产品相比还是过高了，导致其推广应用遇到了相当大的阻力。按中国科学院液态阳光研究组在2018年的预测，液态阳光甲醇的大规模应用可能要到21世纪40年代。同时从全生命周期角度看，甲醇制造过程的装备制造、生产消耗及储运过程是伴随着一定程度的碳排放的，做到绝对的零碳排放（也即100%绿色）是很有挑战的，其实质意义也是存疑的。汽车行业出于碳中和需要，已在积极探索实践引入零碳绿色甲醇的可能性，但受生产成本控制需要，CO2来源中短期内只能优先考虑工业排放源，合成甲醇用的氢源暂时用石能源加工装置的低成本副产氢气[12, 13]。此类暂时采用工业副产氢的甲醇项目，业界一般称为“绿色低碳甲醇”项目，目前已投产的主要包括吉利集团河南安阳11万吨/年CO2加氢制绿色低碳甲醇联产LNG项目、江苏斯尔邦10万吨/年CO2加氢制绿色低碳甲醇-光伏新能源材料项目。各类采用绿氢的绿色甲醇项目，尚处于规划阶段。
传统的甲醇合成主要以煤作为原料，工艺流程如图1(a)所示。煤基甲醇合成包括两个主要步骤：煤气化（煤 + O2 + H2O → H2 + CO + CO2）；甲醇合成（2H2 + CO → CH3OH），每份甲醇合成大致需要1体积CO和2体积H2，即氢碳比应为2 : 1。然而，目前工业中典型煤气化工艺中粗煤气的氢碳比约在0.5 : 1~1.0 : 1水平，所以必须通过水煤气变换过程（WGS，H2O + CO → H2 + CO2）来补氢。基于上述分析，在传统煤基甲醇合成过程中，每生产1吨甲醇约排放2吨的CO2，进一步考虑配套装置的公用工程消耗，全厂总CO2排放量3.5~4吨，典型的全厂碳排放数据，详见图1(a)。
有学者专门研究了电转氢气储能过程的效率[14, 15]。在中国西部地区，可再生能源（光伏发电与风电）结合先进的电解水技术制取绿氢绿氧是有市场竞争力的，如果通过汽运送到东部地区，则可为东部地区供应氢能。尽管这一愿景前景广阔，但氢既不容易储存也不容易运输[5]，未来要建氢气输运管线，但长距离输氢的管线万/公里），另外更重要的是即使氢气管线修到某个城市，必须在短时间内消耗掉，否则再大的储罐也储不下，氢气输运系统需要各方协调且非常复杂的系统工程；在可见的未来国家还没有规划。而在没有管道的情况下，目前运氢的高压罐车重量大，一辆49吨重的卡车只能装350kg的氢，为了维护压力平衡，到目的地后只能卸载250kg，另外那100kg必须来回跑，而且运氢的大罐车，超过一定规模的氢按目前的安全政策是不允许过隧道的。甲醇是具有储氢、储电、储光功能的良好能量载体，在储运方面有先天优势[16, 17]。通过将中国西部的间歇性可再生能源转化为液态甲醇，可以有效地将能量以液体形式储存起来，以便长期保存及输运[18, 19]。为提高甲醇生产的环境友好性，中国西部已有的煤化工行业可以消纳源自可再生能源的氧气和氢气。
我们团队正在开发的绿色甲醇新合成工艺，如图1(b)所示。相比于传统工艺，我们不仅利用绿电制绿氢，同时用副产的绿氧去气化一点碳源，甲醇厂需要的能量都来源于风光，只是甲醇分子力的C原子从碳源来， 如果碳源用生物质，我们的过程也是100%绿色，如果碳源用劣质煤，我们也比煤制甲醇减碳约~82%，尽管不是100%零碳，但成本是生物质的一半，而剩余的18%的碳排放是人类生存必须的CO2. 我们的路径可精简掉空气分离和WGS单元的碳排放，这是由于引入了足量的从可再生能源制得的绿氢和绿氧。
与IRENA所述绿色甲醇工艺的“来自发电厂、钢铁和水泥厂等各种工业来源的CO2”先排放，再收集后与绿氢化合转化不同，本工艺让绿氧直接作为煤气化过程的原料气、让绿氢进入甲醇合成单元，使得甲醇合成工艺实现低碳化甚至零碳化排放；
与液态阳光甲醇工艺的“空气中的二氧化碳和取之于水的氢合成甲醇”[10, 11]不同，本工艺不仅利用绿氢，更主要的是要充分利用绿氧去气化最便宜的碳源（如劣质煤等），同时让气化炉生产的CO和少量CO2与绿氢及气化产生的氢一起催化合成甲醇；
与煤化工耦合绿氢的简单工艺不同，本工艺可采用煤与生物质/MSW联合转化[20, 21]，具有原料操控弹性，且所用煤炭原料优先使用可分离出具有土壤改良固碳功能的天然远古矿物质的低质煤煤源（确保控制低生产成本及土壤碳汇能力）[22]。
此外，本工艺方法具有落地实施方面的优势，传统甲醇生产设施只需进行适量的改造翻新即可用于制取绿色甲醇。
与此同时，绿色甲醇可作为光伏发电、风能和地热能耦合融合制绿氢后的氢能载体。绿色甲醇也可作为生物质气化耦合二氧化碳加氢制化学品过程的主要产品（CO2+ 3H2→ CH3OH + H2O。
