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作為氫能產(chǎn)業(yè)鏈的重要組成，甲醇既能以液體形式運(yùn)輸氫氣，又能實(shí)現(xiàn)二氧化碳的循環(huán)。在業(yè)內(nèi)專家看來，甲醇是清潔的“煤”、便宜的“油”、簡裝的“氣”、移動的“電”、液態(tài)的“氫”。

□本報(bào)記者 程 強(qiáng)

“氫能時(shí)代撲面而來！”中國工程院院士涂善東近日在2023（第二屆）二氧化碳減排與資源化利用技術(shù)先鋒論壇上說。

作為氫能產(chǎn)業(yè)鏈的重要組成，甲醇既能以液體形式運(yùn)輸氫氣，又能實(shí)現(xiàn)二氧化碳的循環(huán)，也迎來發(fā)展的重大機(jī)遇。在學(xué)界、業(yè)界的共同推動下，“甲醇經(jīng)濟(jì)”亦撲面而來！

把氫變成液體能源

氫元素在元素周期表中位于第一位，是最輕的元素，也是宇宙中含量最多的元素。從1766年化學(xué)家卡文迪許發(fā)現(xiàn)氫元素，到1874年科幻小說家凡爾納在《神秘島》中幻想“總有一天，水可以被電解為氫和氧，并用作燃料”，再到1970年約翰·鮑克里斯教授提出“氫能經(jīng)濟(jì)”概念，直至如今世界各國紛紛完善氫能發(fā)展戰(zhàn)略，氫能終于從科學(xué)幻想變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)的產(chǎn)業(yè)浪潮。

涂善東說，氫能是我國發(fā)展高比例可再生能源電力、實(shí)現(xiàn)流程工業(yè)零碳再造的關(guān)鍵。但是，氫氣具有易泄漏、極寬的燃燒范圍、極低的點(diǎn)火能量、易燃易爆、氫脆（又稱氫致開裂或氫損傷，是一種由于金屬中氫引起的材料力學(xué)性能下降、塑性下降、開裂或損傷的現(xiàn)象）等危險(xiǎn)屬性。如日本福島核事故其實(shí)就是機(jī)組燃料廠房氫氣爆炸導(dǎo)致的。

氫氣儲存貫穿氫能全產(chǎn)業(yè)鏈，從能量利用角度考量，高壓儲氫是當(dāng)前最佳選擇，但高壓是氫能全產(chǎn)業(yè)鏈最突出的風(fēng)險(xiǎn)要素，會增加氫氣泄漏發(fā)生火災(zāi)乃至爆炸事故的風(fēng)險(xiǎn)。

常見儲氫方式包括金屬氫化物、化學(xué)氫化物、吸附儲氫、液化儲氫、壓縮儲氫等。這其中，高氫碳比化合物甲醇儲氫最具優(yōu)勢。

相比氣態(tài)氫，甲醇在常溫下為液態(tài)，穩(wěn)定、安全。從能量密度看，氫氣在35兆帕壓力下為4.41兆焦/升，而作為氫含量最高的液體燃料，甲醇能量密度達(dá)到22.7兆焦/升。

運(yùn)輸方面，氫氣需要特定的長管拖車，對運(yùn)輸存儲裝置材料要求高，而甲醇作為液體可管道運(yùn)輸，利用現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施即可，儲運(yùn)安全便捷。價(jià)格方面，甲醇成本也較低。1千瓦時(shí)電的當(dāng)量體積，氣態(tài)氫為333升，液氫（零下253攝氏度）也要400毫升，而甲醇在常溫下只要200毫升。

目前，我國生產(chǎn)甲醇及用甲醇制化學(xué)品的體系相對成熟。甲醇可由煤、天然氣、焦?fàn)t氣等原料制成，也可由綠電、核電、生物質(zhì)氣化制氫合成。同時(shí)，甲醇用途很廣，可制二甲醚、甲醇汽油、甲醛、汽油添加劑、醋酸、DMF（N,N-二甲基甲酰胺）、精細(xì)化工品、輕烴等。

因此，涂善東提出，可以建立基于甲醇的綠氫碳中和能源系統(tǒng)。如以甘肅蘭州為甲醇制備中心，輻射周邊500/1000/1500公里范圍的城市，通過鐵路運(yùn)輸儲氫和儲碳介質(zhì)，在目標(biāo)城市通過甲醇重整制氫為終端提供氫氣，實(shí)現(xiàn)“西氫東送，東碳西運(yùn)”。

近日，中國石化自主研發(fā)的分布式甲醇制氫技術(shù)，就在中石化燃料油公司大連盛港綜合加能站落地，站內(nèi)每日制得1000公斤99.999%高純度氫氣，將有力推動在全國范圍構(gòu)建安全、穩(wěn)定、高效的氫能供應(yīng)網(wǎng)。

相比甲醇，氨是另外一條氫液化儲運(yùn)技術(shù)路線。

氨含氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)為17.6%，常溫下1兆帕壓力即可液化，易于儲存和運(yùn)輸，其運(yùn)輸成本為0.1元/（千克·100公里），氫氣則達(dá)到10元/（千克·100公里）。氨能量密度大，1升液氨所含能量等同于35兆帕下4.5升氫氣。氨不易燃，具有的刺激性氣味就是可靠報(bào)警信號，安全性高。氨的終端無碳排放，只生成氮?dú)夂退?/p>

因此，氨也可以破解儲運(yùn)氫技術(shù)瓶頸和儲氫技術(shù)“卡脖子”問題?？稍偕茉措娏﹄娊庵茪洹铣砂薄眱洹脷?，可構(gòu)成以氨為儲能載體的“零碳”循環(huán)路線。

相比較，氨-氫路線的儲氫效率、制氫效率、總效率均略高于甲醇-氫碳路線。同時(shí)，氨現(xiàn)場制氫-加氫成套技術(shù)，可解決加氫站長距離長周期儲氫用氫難題，加氫站成本降低35%。分布式“氨-氫”燃料電池發(fā)電技術(shù)，可解決分布式高效長周期儲能、發(fā)電難題，度電成本節(jié)約超過45%，每千瓦裝機(jī)容量年減少碳排放近兩噸。無碳超低氮氧化物“氨-氫”熱機(jī)發(fā)電技術(shù)，可充分利用燃?xì)廨啓C(jī)/內(nèi)燃機(jī)余熱，解決大規(guī)模分布式用電難題，滿足100兆瓦以上級別發(fā)電需求。

無論甲醇還是氨，將氫從氣體能源變成液體能源，既可保障能源安全，又為實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)提供了有效選擇。

把二氧化碳變成甲醇

我國甲醇產(chǎn)量占全球的六成，主要是煤制甲醇。發(fā)展煤炭清潔高效利用生產(chǎn)甲醇技術(shù)，一般1.5噸原料煤制1噸甲醇，煤中約38%的碳固定在甲醇里，1噸煤氣化制甲醇比燃燒發(fā)電可減排約1噸二氧化碳。

相比煤制甲醇，更清潔的方案是把“廢氣”二氧化碳直接變成甲醇。這在化學(xué)上并不難實(shí)現(xiàn)，但二氧化碳不活潑，這一合成過程是吸熱的逆反應(yīng)，需要輸入大量能量。因此，不斷降低這一過程的成本、提高二氧化碳制甲醇的經(jīng)濟(jì)性，是學(xué)界和業(yè)界持之以恒的追求。

中國科學(xué)院上海高等研究院形成CCUS技術(shù)量化評估方法，評價(jià)第一梯隊(duì)的技術(shù)是二氧化碳制甲醇技術(shù)與制合成氣技術(shù)，在產(chǎn)品市場容量、原料替代減排、綜合減排量方面表現(xiàn)相對優(yōu)秀；第二梯隊(duì)是微藻技術(shù)；第三梯隊(duì)是養(yǎng)護(hù)混凝土和鋼渣礦化技術(shù)。

中化副總經(jīng)理張方說，二氧化碳化學(xué)轉(zhuǎn)化技術(shù)是全球開發(fā)熱點(diǎn)，但大多數(shù)目前不具備大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化條件。其中，二氧化碳加氫合成甲醇技術(shù)接近產(chǎn)業(yè)化，經(jīng)濟(jì)性方面基本可行，氫氣價(jià)格在0.8元/立方米時(shí)可以盈利。

中化西南院很早就致力于甲醇催化劑的研發(fā)，目前已應(yīng)用130余套甲醇裝置，年總產(chǎn)能超過3000萬噸。其中二氧化碳?xì)庵萍状技夹g(shù)，采用現(xiàn)有銅系催化劑，已在青海格爾木、新疆拜城實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用；銅基催化劑二氧化碳加氫制甲醇技術(shù)，已完成5000噸/年中試和10萬噸/年工藝包開發(fā)，中試出口溫度230攝氏度、二氧化碳總轉(zhuǎn)化率超過98%，甲醇總選擇性超過98%，總碳收率96.4%，二氧化碳單耗1.43噸/噸甲醇。此外，基于中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所開發(fā)的新型低溫高選擇性二硫化鉬體系催化劑正進(jìn)行試驗(yàn)，有望實(shí)現(xiàn)工業(yè)化。

目前，影響二氧化碳制甲醇成本的主要因素包括催化劑性能、氫氣成本、二氧化碳捕集成本、“雙碳”政策、裝置規(guī)模等。該院估算：10萬噸/年二氧化碳加氫制甲醇的單位成本在3000元左右，考慮減碳補(bǔ)貼和技術(shù)進(jìn)步，預(yù)期成本在1900元左右。

中國石化建設(shè)完成二氧化碳加氫合成甲醇150噸/年中試裝置，甲醇單程收率大于35%，與煤化工耦合能效提高10.5%、二氧化碳排放減少85%、甲醇產(chǎn)量增加124%。中國石化石科院也開展了二氧化碳加綠氫制甲醇技術(shù)研究，目前已完成銦基催化劑體系開發(fā)，二氧化碳單程轉(zhuǎn)化率超過15%，甲醇選擇性超過85%，設(shè)計(jì)工藝包加工量10萬噸/年。

二氧化碳加氫制甲醇最大挑戰(zhàn)是產(chǎn)物精準(zhǔn)控制及催化劑穩(wěn)定性。其低碳綠色合成路徑主要包括：電甲醇、生物質(zhì)甲醇、低碳合成甲醇。

電甲醇，是利用可再生能源生產(chǎn)綠電制備綠氫，再與二氧化碳合成甲醇。中國科學(xué)院院士李燦團(tuán)隊(duì)提出的液態(tài)陽光，即為該類型。該團(tuán)隊(duì)建設(shè)了液態(tài)陽光中試示范裝置，集成創(chuàng)新了全流程工藝裝置，解決了光伏發(fā)電間歇性、波動性和連續(xù)生產(chǎn)甲醇的難題，整體技術(shù)國際領(lǐng)先；開發(fā)的過渡金屬電解水制氫催化劑，國際領(lǐng)先；發(fā)明的新型鋅鋯氧化物固溶體催化劑，國際領(lǐng)先。目前，10萬噸/年液態(tài)陽光甲醇大規(guī)模工業(yè)化示范項(xiàng)目已獲備案，不考慮碳價(jià)，估算甲醇成本為3476元/噸。

生物質(zhì)甲醇主要碳?xì)浠衔镌习ǔ鞘欣?、工業(yè)廢料、固體生物質(zhì)、沼氣和液態(tài)生物燃料。如陜西賽鼎設(shè)計(jì)院正在建設(shè)垃圾秸稈氣化生物質(zhì)甲醇裝置、合肥德博生物能源科技公司使用農(nóng)林業(yè)廢棄物年產(chǎn)20萬噸甲醇項(xiàng)目、中集安瑞科控股有限公司年產(chǎn)25萬噸生物質(zhì)甲醇項(xiàng)目、綠技行（上海）科技發(fā)展公司年產(chǎn)35萬噸生物質(zhì)甲醇項(xiàng)目。生物質(zhì)資源利用的空間非常大，如我國年產(chǎn)秸稈7.8億噸，利用10%，按每噸甲醇消耗2.4噸秸稈計(jì)算，可產(chǎn)出3250萬噸甲醇。

低碳合成甲醇主要原料為焦?fàn)t煤氣富氫氣體。如河南順成集團(tuán)從石灰窯獲取二氧化碳，與焦?fàn)t氣富含的氫氣合成11萬噸/年低碳綠色甲醇，是國內(nèi)首套、國際規(guī)模最大的二氧化碳加氫制甲醇工業(yè)生產(chǎn)裝置。

焦?fàn)t煤氣制低碳綠色甲醇聯(lián)產(chǎn)LNG（液化天然氣）技術(shù)，是利用焦?fàn)t煤氣首先提取LNG，剩余富氫氣體（幾乎是純氫氣）與工業(yè)尾氣中回收的二氧化碳合成綠色低碳甲醇。該技術(shù)與傳統(tǒng)焦?fàn)t煤氣制取甲醇的最大區(qū)別是，避免了甲烷裂解和水蒸氣重整的工藝環(huán)節(jié)，通過物理深冷分離得到LNG，提高能效的同時(shí)，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

該技術(shù)生產(chǎn)每噸甲醇碳排放0.255噸，若使用綠電，則每噸甲醇生產(chǎn)碳排放為-0.377噸。以年產(chǎn)10萬噸計(jì)算，年可消納工業(yè)尾氣中的二氧化碳8萬噸。市場甲醇價(jià)格2800元/噸，該技術(shù)甲醇生產(chǎn)成本不到2500元/噸，與煤制甲醇價(jià)格相當(dāng)，遠(yuǎn)低于當(dāng)前綠氫與二氧化碳合成綠色甲醇的生產(chǎn)成本5600元/噸。

當(dāng)前我國煤炭產(chǎn)能約7億噸，2021年實(shí)際產(chǎn)量4.64億噸。若全部采用該技術(shù)，年可產(chǎn)出1550萬噸LNG和3830萬噸低碳綠色甲醇，提高產(chǎn)品附加值的同時(shí)，消納二氧化碳2690萬噸，經(jīng)濟(jì)和社會效益可觀。

把甲醇加進(jìn)車船

甲醇是結(jié)構(gòu)最為簡單的飽和一元醇，不僅是重要的化工原料，而且是性能優(yōu)良的燃料。

甲醇發(fā)動機(jī)及甲醇制氫燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，成本比柴油發(fā)動機(jī)減半，加氫增效后二氧化碳減排15%以上，污染物顯著減少。

目前，30千瓦級甲醇重整氫燃料電池已在物流車上使用。上海交通大學(xué)與東風(fēng)汽車合作開發(fā)的甲醇重整制氫燃料電池廂式運(yùn)輸車被工信部列入《道路機(jī)動車輛生產(chǎn)企業(yè)及產(chǎn)品公告》。

在業(yè)內(nèi)專家看來，甲醇是清潔的“煤”、便宜的“油”、簡裝的“氣”、移動的“電”、液態(tài)的“氫”。

吉利汽車資深總工程師金先揚(yáng)說，甲醇是交通運(yùn)輸動力實(shí)現(xiàn)全生命周期零碳排放的重要燃料之一，將與電、氫能等互為補(bǔ)充，共同促進(jìn)交通能源零碳轉(zhuǎn)型。

甲醇作為交通燃料歷史由來已久。上世紀(jì)20年代，甲醇汽油開始用作車用燃料出現(xiàn)在人們視野；二戰(zhàn)期間，德國廣泛應(yīng)用甲醇汽油。我國對甲醇燃料的研究始于上世紀(jì)70年代。2013至2018年，工信部牽頭組織了甲醇汽車在五省市的試點(diǎn)運(yùn)行，驗(yàn)證了甲醇汽車的適應(yīng)性、可靠性、環(huán)保性。在“雙碳”背景下，甲醇燃料得到前所未有的關(guān)注和發(fā)展。

目前，世界主要國家和地區(qū)均對甲醇燃料開展布局：日本支持電力合成燃料效率提升，歐盟推動醇/醚/酯類生物質(zhì)燃料和電力合成燃料的研發(fā)，美國加速研發(fā)和推廣氫基燃料等替代低碳技術(shù)，我國則推動合成燃料、生物燃料和氫等碳中和燃料的規(guī)?；瘧?yīng)用。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國道路交通中，占比約12%的商用車保有量產(chǎn)生了汽車行業(yè)58%的碳排放。由于商用車應(yīng)用場景的特殊性，受限于動力電池體積大、重量大、補(bǔ)能慢、電池受溫度影響衰減等因素，電動化并不適用所有交通運(yùn)輸場景，無法滿足遠(yuǎn)距離運(yùn)輸?shù)刃枨?，商用車多元化低碳綠色發(fā)展路徑成為研究重點(diǎn)。

國內(nèi)吉利、廣汽、長城、濰柴、玉柴、中遠(yuǎn)海運(yùn)、中國船舶等汽車和發(fā)動機(jī)企業(yè)均已開展對甲醇動力和甲醇汽車的開發(fā)。

2022年，吉利全新一代甲醇混動也完成研發(fā)投放市場。與國6柴油重卡相比，吉利甲醇重卡可減少氮氧化物排放32%、顆粒物排放76%、一氧化碳排放16%，燃料成本節(jié)約18%。

此外，吉利甲醇乘用車在西安、貴陽等地推廣，甲醇商用車2019年開始在新疆、山西、內(nèi)蒙古等地推廣。在冰島，吉利還使用“電廠排放二氧化碳+地?zé)嶂茪洹奔夹g(shù)制取甲醇，被稱為“可再生甲醇汽車”。

在水路運(yùn)輸領(lǐng)域，甲醇燃料作為船舶動力發(fā)展后來居上，相關(guān)政策、規(guī)范、研發(fā)、應(yīng)用齊頭并進(jìn)，展現(xiàn)強(qiáng)勁勢頭。

國際海事組織已確認(rèn)甲醇為船用燃料，正在制定甲醇船舶燃料國際標(biāo)準(zhǔn)。中國海事局正制定船舶使用醇燃料技術(shù)要求和檢驗(yàn)制度要求。中國船級社制定了《船舶應(yīng)用甲醇/乙醇燃料指南》，為甲醇燃料在船舶使用提供技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

目前全球在海上運(yùn)行的甲醇船舶已有25艘，還有數(shù)以百計(jì)的甲醇船舶訂單，近期訂單數(shù)量一度超過LNG船舶。曾經(jīng)的LNG動力船先驅(qū)——全球第三大集運(yùn)公司達(dá)飛輪船，正迅速轉(zhuǎn)變?yōu)榧状既剂系摹拌F桿”。繼年初在韓國船企訂造12艘甲醇動力船之后，再次在江南造船增訂6艘甲醇動力超大型集裝箱船，成為全球訂造甲醇動力船最多的集裝箱航運(yùn)公司。

此外，中遠(yuǎn)海運(yùn)去年10月訂造了12艘甲醇動力集裝箱船。今年2月，韓國最大航運(yùn)公司HMM（原現(xiàn)代商船）簽訂了9艘甲醇動力集裝箱船建造合同。全球前十大集運(yùn)巨頭已有四家加入甲醇燃料陣營。

“甲醇經(jīng)濟(jì)”，正加速而來！