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在催化剂作用下合成出甲醇，用以替代化石能源，实现碳的循环利用——中国科学院院士、中科院大连化学物理研究所研究员李灿及其团队历时20载攻克的液态阳光甲醇技术，将这一梦想变为现实。随着该技术工业化验证的完成，早日实现“碳达峰、碳中和”有了一条全新路径。目前，采用该技术的10万吨级工业化生产项目正在推进。
据李灿介绍，该技术以甲醇为载体实现太阳能等清洁能源的储存、运输及利用，具有规模化储能、储氢以及直接资源化转化利用二氧化碳3方面碳中和效果。
生产1吨液态阳光甲醇可消纳6000多千瓦时电，一个规模百万吨级的甲醇合成企业，相当于可存储60亿千瓦时电，储能潜力巨大。李灿说，作为理想的低碳清洁燃料，液态阳光甲醇可替代油气，有助于解决交通碳排放问题；作为中间体广泛应用于化学工业、材料合成等基础工业，可推动绿色制造;作为性能优异的储氢材料，使用甲醇储氢还能缓解氢能储运安全、成本等难题。
碳中和切实可行的技术路径
李灿指出，2020年我国在提出“双碳”目标时，煤炭发电占一次能源的58%，目标是到2030年、2060年分别降到40%、20%～30%，短短40年要降下来是非常困难的;可再生能源占17%，目标是到2030年、2060年要分别上升到25%、80%，在短短40年内提升63%，也是极具挑战性的。然而，碳达峰与碳中和不是一蹴而就的事情。中央要求要保障能源安全，立足煤炭为能源主体的国情，实现煤炭的清洁高效绿色利用，深入推动能源革命。这就需要处理好4对关系，先立后破、有序推进、锚定目标、抓铁有痕地来做。要做到化石能源逐步退出，新能源安全替代，煤炭与新能源优化组合，绿色低碳碳排放量和强度双控。而液态阳光甲醇技术是解决规模化碳资源优化利用和实现碳中和的切实可行的技术路径。
据悉，中国排放的二氧化碳中，火电(煤、天然气)约50亿吨，占比45%。工业刚性排放约60亿吨，占比55%，其中交通(燃油)11亿吨，占比10%;煤化工14.3亿吨，占比13%；冶金13.2亿吨，占比12%；水泥13.2亿吨，占比12%；石油化工6.6亿吨，占比6%；其他2.2亿吨，占比2%。
李灿指出，从能耗和碳排放看，我国工业还是粗放式的，高质量发展任务艰巨;而从另一个角度看，达到全球平均水平，可挖掘的潜力、因节约资源而带来的财富也将会是巨大的。
李灿介绍，针对以上排碳结构，火电可用非化石能源、可再生能源、核电替代;交通领域可用电动车、氢燃料电池，通过绿氢在源头上阻断二氧化碳排放，使用液态阳光甲醇燃料。解决工业刚性排放的任务更艰巨，急需发展兼顾经济发展和实现碳中和的技术路径，可以考虑通过CCS(碳捕获与封存)、CCU(碳捕集与利用)技术解决，特别是CCU技术可以在减碳的同时获得一定的经济效益。液态阳光甲醇技术就是一种CCU技术，其主要过程通过风、光、水等可再生能源产生绿电，绿电电解水生产绿氢，绿氢和二氧化碳生产绿甲醇，绿甲醇燃烧可实现碳中和。甲醇是化学工业的基础平台原料，由甲醇可以生产各种化学品，如烯烃、芳烃，实现永久储碳。
规模化减碳的有效手段
液态阳光甲醇技术可谓一箭三雕之举：既可将快速发展的可再生能源电力消纳转化为可储存运输的甲醇，又可以缓解我国液体燃料短缺的能源安全问题，还可以助力实现碳中和目标。
李灿告诉记者，传统煤制甲醇排放二氧化碳，而液态阳光甲醇则是资源化利用二氧化碳。“双碳”目标下，液态阳光甲醇迎来更大的发展前景。目前，我国传统煤制甲醇产能约8000万吨/年，每生产1吨甲醇排放约3吨二氧化碳，而每吨液态阳光甲醇可转化1.375吨二氧化碳。如果用液态阳光甲醇代替传统的8000万吨甲醇，则可直接转化1.1亿吨二氧化碳，同时减少煤制甲醇排放的2.4亿吨二氧化碳。生产10万吨液态阳光甲醇可消纳700MW级光伏发电，若利用GW级以上电力合成液态阳光甲醇，代替汽/柴油燃料，则可减排10亿吨级以上二氧化碳。
他介绍，液态阳光甲醇的合成需要绿氢，而绿氢的生产需要绿电。我国能源禀赋是缺气、贫油、富煤，风、光、水、生物质、海上风力资源等可再生能源非常丰富。在我国近三分之二的国土上，太阳能资源可以商业化开发利用，若开发60%的戈壁的风光发电资源，可满足全国能源需求。目前，我国各大电力公司加大了可再生能源发电力度，到2030年前，仅光伏、风电装机量就将达到甚至超过12亿千瓦。
绿氢由可再生能源发电并电解水制备(也可通过光催化分解水制备)，其制备过程不排放二氧化碳。旦氢能利用的过程产物是水，也不排放二氧化碳。因此，绿氢在实现“双碳”目标过程中将发挥重要作用。李灿介绍，制备绿氢的过程非常具有挑战性。他的团队这些年探索了多种路子，一直致力于太阳能分解水制氢的基础研究，包括光催化分解水、光电催化分解水、热化学循环分解水、光伏发电然后电解水制氢。目前，前3种技术仍处在基础研究和应用基础研究阶段，光伏发电然后电解水制氢技术已达到工业化应用阶段。用绿电分解水制氢，1吨氢气约等于33000千瓦时电能，是最有效的化学储能及能源转化反应，实现电能到氢能的转换。虽然绿氢可以从源头阻断二氧化碳的生成，是实现工业碳中和的根本路径。但是，氢能大规模储存及运输的安全和成本问题非常突出，限制了其发展。而甲醇是理想的化学储氢分子，可解决氢能大规模储存及运输的安全和成本问题。1吨甲醇经水汽重整可释放187.5千克的氢气，储氢密度高于液态氢，也比其他化学储氢的储氢量高，因此越来越受到关注。目前高压氢气的成本非常高，原因之一是运输储存成本高，通过高压气瓶输运氢气，大约100千米就把氢气的成本翻一倍。但甲醇容易储存和运输，成本也较低，容易被消费者接受。因此，甲醇作为优异的绿氢载体，可作为车载供氢、企业规模化供氢及加氢站储氢、供氢的技术，可解决氢能大规模储存及运输的安全和成本问题。
李灿介绍，液态太阳燃料合成示范项目集成了液态太阳燃料合成全流程工艺技术，具有完全自主知识产权，整体技术国际领先。该技术有3个创新：一是研发了镍基地上原子级分散的过渡金属电解水制氢催化剂，实现单槽千立方/小时以上规模化制氢生产，能量转化效率超过82%；二是针对二氧化碳加氢制甲醇，发明了新型锌锆氧化物固溶体催化剂，表现出了优异的甲醇选择性和稳定性；三是成功耦合了光伏-碱性电解水制氢-二氧化碳加氢制甲醇三个单元，解决了各单元之间的匹配和连续化运行问题，可适应光伏发电间歇性、波动性的特点。
绿色甲醇应用大势所趋
据李灿介绍，在交通领域，甲醇作为低碳清洁燃料替代汽油，可缓解石油对外依存度，实现环境友好。而“液态阳光”甲醇(绿色甲醇)的推广应用，不仅可解决传统化石燃料燃烧污染排放问题，更是该领域实现“碳中和”目标的有效技术路径。在我国，甲醇燃料目前已经在动力燃烧和热力燃烧领域被广泛应用，且在部分行业的应用技术走在世界前沿。
从具体领域来看，甲醇作为动力燃料，主要用于交通运输车辆和船舶、固定发电装备等，基于道路车辆管理许可的放开、船舶技术法规的出台，产业化应用的技术推广和产品投放正在全面加速铺开。2019年，甲醇汽车在我国实现了政策许可、管理许可、技术标准许可、市场准入、后市场维保全面贯通。我国在全球汽车产业率先实现甲醇汽车产业化建设和市场化规模应用，并开展了甲醇汽车与国际同行的多边合作。
上述情况表明，从社会公众认知和产业界接受层面看，我国甲醇燃料行业已完成了前期探索和试点应用工作，正在进入全面产业化和规模应用阶段。但目前消耗的甲醇大多来自化石能源制备(主要是煤制甲醇)，不能有效解决二氧化碳排放问题。每吨煤制甲醇排放2～3吨二氧化碳，再考虑到作为燃料燃烧排放，总计排放3～4吨二氧化碳。
在保障能源安全、推进甲醇燃料规模应用的进程中，应特别鼓励甲醇能源制备产业逐步由化石燃料甲醇技术向可再生能源绿色甲醇技术转变。这意味着，需要从甲醇能源生产的源头开展 “液态阳光”甲醇规模化生产，以此提高我国绿色甲醇产能占比。
此前，交通运输部、铁路局、民运航空局、邮政局联合印发《积极发展新能源和清洁能源运输工具实施意见》中指出，将依托交通强国建设试点，有序开展氢燃料电池、可再生合成燃料车辆、船舶的试点。车辆交通和船运领域开始推广使用绿色甲醇。
国际海运组织开始要求船运使用低碳绿色(甲醇)燃料。马士基已经开始在全球部署船舶绿色甲醇燃料生产、供应体系，它提出的目标是到2030年使用500万吨。近日，法国达飞轮船的6艘15000TEU甲醇双燃料集装箱船订单“花落”大船集团，将在2025年下半年予以交付。由此可见，绿色甲醇在船运领域的应用势头很猛，业内应予以高度关注。
据介绍，液态阳光甲醇加氢站已在今年初被选作张家口冬奥会新能源示范技术。目前，液态阳光甲醇制氢的成本可低于30元/千克，有一定竞争力，能实现油、醇、氢共站新局面。
建议设置甲醇制造准入条件
李灿强调，液态阳光甲醇不仅是交通领域、更是工业领域实现绿色低碳乃至零碳的路径。通过CCS和CCU，规模化生产液态阳光甲醇，与化工、冶金、建材及其高端装备业等工业过程结合，可发展绿色低碳新兴产业，理性平衡减碳和经济发展的关系，创新科技范式，促进新兴能源产业的发展。液态阳光甲醇可推进绿色生物制造，诸如生产氨基酸、多肽，蛋白质、淀粉，可降解高分子聚合物单体和药物中间体等绿色产品。
对于液态阳光甲醇技术的发展，李灿提出如下建议：
一是宜尽快研究和组织编制并颁发《甲醇燃料制造企业准入条件》，对甲醇制造企业提出相应的基本要求，如生产原料、生产纲领(规模)、生产效率、水资源消耗、碳回收等，进行科学规范和规定。对应编制和出台《甲醇燃料制造企业规范管理办法》，对制造企业碳回收、“液态阳光”甲醇制造项目建设、绿色甲醇占比阶段目标等提出要求和规定。《准入条件》为产业刚性要求，《管理办法》为达到规定阶段占比目标要求给予鼓励支持的相应条款。
二是最好能建立绿色甲醇燃料制备企业名单发布机制，按生产“液态阳光”甲醇占比排名，引导甲醇燃料消费企业和行业优先采购名单企业和排名靠前企业制造的甲醇。政府则通过阶梯碳税补贴的方式，鼓励名单企业和排名靠前的企业。
三是希望尽快开通“液态阳光”甲醇产业建设绿色通道。通过国家绿色金融框架激励机制、绿色金融和财税配套政策，对符合《准入条件》《管理办法》而获得绿色甲醇燃料制备名单的企业，优先给予可再生能源资源，开通可再生能源建设项目审批绿色通道;鼓励和支持企业利用自有资金和社会资金，建设“液态阳光”甲醇项目。
二十载踔厉奋发梦想成真
一直以来，许多国家的发展依赖煤、石油、天然气等化石资源，过去的催化研究主要解决化石资源作为能源和材料的转化问题。然而，化石能源带来的环境、生态以及可持续发展问题日益凸显。
站在世纪之交，全球气候变化唤起李灿院士作为科技工作者的责任。他开始持续关注不断恶化的环境问题和未来人类生存的生态问题。他笃信，太阳能是地球上其他众多可再生能源形式如生物质、风力、水力的本质来源，发展利用太阳能及以太阳能为源头的各种可再生能源是人类修复地球生态平衡的根本出路。
2001年，在全国几乎已无人坚持太阳能光解水制氢研究之时，他毅然启动研究。同年，李灿团队装配了第一套光催化分解水实验装置，获得中石化风险资助第一笔研究资金。
2012年，他提出光催化分解水制氢技术的“三大战役”：高效捕光材料、光生电荷分离机制和高效助催化剂，为太阳燃料合成打下理论基础。同时，他围绕太阳能人工光合成先后提出太阳能光催化制氢的“氢农场”HFP 1.0、HFP 2.0和HFP 3.0策略。
2013年，他提出实现太阳燃料合成的“两步法”，即利用太阳能等可再生能源实现分解水制氢，然后解决二氧化碳加氢制甲醇等燃料的两步法合成太阳燃料。
2018年，团队在兰州新区开始验证碳循环和甲醇经济的历程，同年，全球首套千吨级直接液态太阳燃料规模化合成项目在兰洽会与兰州新区石投公司签署合作协议。
2018年8月，示范项目进入设计阶段。
2020年1月，项目在兰州新区试车成功，完成了全球首套千吨级规模太阳燃料合成示范，迈出了将太阳能等可再生能源转化为液体燃料工业化生产的关键一步。
2020年，经专家评审，李灿团队获得国家基金委“人工光合成基础科学中心”项目支持。
2020年10月，石化联合会组织专家验收鉴定并举行高端论坛，18位两院院士齐聚兰州新区，建议尽快推进10万吨级以上工业化。
李灿团队在太阳能人工光合成研究方向取得多项标志性成果，引起国际学术界重视。他先后于2008年、2016年两次参与和主持编制太阳能研究国际白皮书，并在全世界发布，推动国际太阳能人工光合成研究。
在2021年度中国可再生能源学会科学技术奖颁奖典礼上，“液态太阳燃料合成”技术因在可再生能源制备氢能及液态阳光甲醇方面取得的科技成就，荣获中国可再生能源学会技术发明奖一等奖。
目前，李灿院士团队正在推进10万吨级以上工业化。他坚信，在不久的将来，可再生能源大规模转化为液体燃料的工业化生产就会成功，将开创我国“双碳”战略推进和生态文明建设的崭新一页。
