摘要：本文中的“灰色能源”，是指釆用传统的煤炭和石油等化石燃料，制得的甲醇、电力、氢气等灰色能源。虽然这些“灰色能源”尾气中可捕集到丰富的CO2用于加氢制绿色甲醇，但由于这些CO2与绿电电解水制氢不在同一地方，无论是高压运氢还是运输CO2，或是就地从空气中捕集CO2，成本都很高，这就是目前CO2加氢制绿色甲醇成本过高的主要原因。如果将“三北”地区的绿电电解绿铝，分别运送至全国各地的煤/油制甲醇厂、煤/油发电厂、煤/油制氢厂等就地进行分布式的现场低成本循环水解制氢，就地耦合这些“灰色能源”尾气中捕集的廉价CO2，加氢制绿色甲醇。这种耦合不但可得到低成本绿色甲醇，而且还消纳了制取这些“灰色能源”尾气中的CO2，使这些“灰色能源”转变为零碳甲醇、零碳电力、零碳氢气，并大幅度的降低了CO2加氢制绿色甲醇40%的原料气成本，可有效的解决目前从空气中捕集CO2和绿电电解水制氢因储运带来的成本过高问题。
一、“双碳”目标下的多元化能源革命路线
1.电动车
电动车是未来碳中和的方向。电动车这个概念并不新，100多年前如1912年，纽约、伦敦、巴黎，还有洛杉矶的大街上，跑的电动车远远多于燃油车。这是因为铅酸电池早于内燃机发明二十多年。电池技术像比亚迪刀片电池通过结构创新，使电池的体积利用率提升了50%以上，也就是说续航里程可提升50%以上，达到了高能量密度三元锂电池的同等水平 。中国电动车发展值得肯定、很喜人。电动车在城市公共汽车、出租车以及上下班族代步车上还是很不错的选择，值得大力推广。但如果把燃油车改用电动车说成是零碳排放这不确切，除非电网的电全是可再生能源绿电，这有可能。鉴于当前我国能源发电概况，据不完全统计，我国的火力发电所占比例约为60%；我国的水力发电所占比例约为20%；我国的风光发电所占比例约为20%。因此，只有电网的电全是来自于可再生能源时，电动车才能零碳。如果避开电力的本质是否为零碳，去谈电动车为零碳排放，这是一个误区。
2.氢燃料电池车
氢燃料电池车是指以氢气为燃料，通过化学反应产生电流，依靠电机驱动的车。其电池的能量是通过氢气和氧气的化学作用，直接变成电能，而不是经过燃烧。氢燃料电池的化学反应过程排放水不会产生有害产物，氢燃料电池能量转化效率高达60%～80%，为内燃机的2～3倍。因此，从能源的利用和减碳环境保护方面，氢燃料电池汽车是一种理想的车辆。氢燃料电池发电效率高，因为它是氢和空气中的氧在80℃左右发电，而内燃机要燃烧到1000℃，散发到大气中的热损失很大。不过氢燃料电池也需要贵金属，其回收技术与现在汽车的尾气催化剂相似，相对比较简单。一旦绿氢和氢燃料电池的高成本和安全性的商业化应用瓶颈得到突破，是很有发展前景的。
3.绿电电解水制绿氢
利用“三北”地区的绿电电解水制绿氢，然后把绿氢运输到中东部和南部地区使用。但问题是，管道输送氢还存在“氢脆”问题。而长途车运输氢气，为了安全，国家规定高压运氢车禁止通过隧道。因此，长途运氢除了安全隐患外其储运成本也非常高昂。同时，加氢站建设需要一个最小安全距离，假如在北上广深这些城市，撇开建站和维护高昂投资不说，现在每亩地都好几个亿了，哪有那么多地方建如此多的加氢站呢？目前，高压存储是使用最广泛的储氢方式， 其中已量产的丰田氢能源汽车Mirai 所使用的氢气储罐的储存压力已高达70MPa。据了解，高压氢气泄漏引起自燃是氢气特有的性质，原因在于氢的焦耳-汤姆逊效应和转化温度低。一般来说，高压氢气的体积泄漏比例约为0.1%～3%，但在特定条件下，如高压泄漏比例更高。带高压氢气瓶的燃料电池汽车在露天存放问题不大，即使泄漏着火，也是一条火龙冲天。但是在一个封闭空间里，如地下车库， 氢气与空气混合在爆炸极限内（氢气在混合气体中体积在4～74.6%之间），高压氢气泄漏引起自燃就会发生爆炸。现在城市楼房，大量的车是停放在地下车库内。地下车库就是一个封闭空间，很多车不光停在地下一层、二层，甚至停在地下三层。一旦由于众多车辆高压氢气泄漏引起自燃爆炸，整个一栋大楼都会炸塌，其后果不堪设想。
4.CO2加氢制绿色甲醇
二氧化碳加氢制甲醇是一种环保且可持续的生产方式，但目前由于成本高影响其商业化应用。原料成本约占总成本的85%，是主要成本。总体来看，要降低生产成本，应着重解决原料气H2和CO2的成本高问题，通过控制原料气成本可有效降低CO2加氢制甲醇成本。随着科技不断进步和市场需求的增加，CO2加氢制甲醇有望成为未来的主流生产方式。当前从空气中直接捕集CO2（Direct air capture,DAC）技术仍处于实验室研发和初步工业化示范阶段，成本十分高昂。而从工业尾气捕集CO2并作为绿色甲醇的廉价原料，是现阶段最佳的可行性选择。通过风电/光电互补电场电解铝，铝水循环制绿氢与CO2加氢制绿色甲醇三大环节一起努力。特别是在煤/油制甲醇、煤/油发电、煤/油制氢的尾气捕集CO2所在地，就地铝水现场制氢，加氢制绿色甲醇，其成本将会降低约40%，能有效的解决从空气中捕集CO2和绿电电解水制氢的储运等成本高问题。
5.绿色零碳甲醇燃料
甲醇燃料可代替煤用作热力燃料，凡是用到煤的燃烧都可用甲醇燃料替代。甲醇燃料还可代替燃油，凡是天上飞的、地上跑的、水里行的飞机、汽车、轮船等海、陆、空动力燃料都可用甲醇燃料替代。因此，甲醇燃料是全球公认的新型清洁零碳可再生能源，具有安全高效、零碳排放、清洁可再生的特点。甲醇燃料常温常压下为液态，运输及使用安全便捷，也被称为液态的“氢”、液体的“电”。目前在全球已经得到广泛应用。用于汽车燃料时，相比于电、氢等其他能源形式，甲醇燃料的环保性、适用性、可靠性等优势明显，更适合汽车使用。甲醇资源丰富，它可利用我国丰富的煤炭资源通过煤化工方式制取；也可以利用焦炉煤气、工业尾气制取；还可利用风光绿电制绿氢与CO2加氢制取，更可以立足国内资源保障供给。中国是全球最大的甲醇生产国和使用国，2023年总产能1.1亿吨，超过全球一半。如果实现绿电制绿铝，在煤/油制甲醇、煤/油发电、煤/油制氢等尾气CO2富集地方，就地铝水制氢，用CO2加氢制绿色甲醇，消纳这些“灰色能源”排放的CO2。那将是新时代中国特色的煤/油零碳使用与绿色甲醇燃料相结合的能源革命降碳新途径， 将进一步推动能源革命和能源结构多元化进程。
二、铝水循环制氢耦合“灰色能源”降碳新途径
1.“灰色能源”CO2的排放量
鉴于我国“富煤缺油少气”的国情，下面仅以煤炭举例说明：①用煤生产甲醇，大约每生产一吨甲醇的二氧化碳排放量为2.5～2.8吨；②用煤发电，大约每发一度电二氧化碳排放量为1.1千克；③用煤气化制氢，大约每生产一千克氢的二氧化碳排放量为20～25千克。据中科院院士丁仲礼以及清华大学关大博教授团队做的中国碳核算数据库（CEADs）的估算，我国当前二氧化碳年排放量大约在100亿吨左右，约为全球总排放量的四分之一。在这约100亿吨二氧化碳的年总排放中，发电和供热约占45亿吨，工业排放约占39亿吨，交通排放约占10亿吨，建筑物建成后的运行（主要是用煤和用气）约占5亿吨，剩下的还有农业和其他一些废弃物的排放等。他指出，电力/热力生产过程产生的二氧化碳排放，其“账”应该记到电力消费领域头上。比如电力热力这45亿吨二氧化碳中，约29亿吨最终也应记入工业领域排放，约12.6亿吨应记入建筑物建成后的运行排放。如果这样计算，我国工业排放约为69亿吨，占总排放量的68%。
我国燃煤发电约占电力供应的60%，是发电的主力，它每年要烧掉16亿吨煤。煤的主要成分是碳，燃烧排放的是二氧化碳，所以煤电是二氧化碳排放的大户。我国每年排放100亿吨的二氧化碳中煤电占了42亿吨。由此可见，煤制“灰色能源”CO2的排放量相当丰富。
2.铝水循环制氢与“灰色能源”耦合
利用我国“三北”地区丰富的风光互补电场的绿电电解铝，再将铝很方便的低成本运送到全国各大煤/油制甲醇厂、煤/油发电厂、煤/油制氢厂，就地分布式现场低成本循环水解制氢。并与这些“灰色能源”尾气捕集的廉价CO2耦合，加氢制绿色甲醇。制氢后的氧化铝返回“三北”地区再经绿电电解成铝循环使用。该铝水循环制氢成本低，最终成本为39.60元/kg氢。据介绍，目前高压运氢成本高达6～12元/(km·kg·H2)，这么高的成本，无论是用在氢车上，还是用于化工、冶金、储能、发电等领域，经济性方面都无法承受。而低成本就地分布式铝水循环制氢无需运输，只需耦合就地取材的廉价CO2，既可解决氢气的高价储运和安全问题，又可获得绿色甲醇。其成本比电解水制氢、高压储运氢和从空气中直接捕集CO2可降低约40%。因H2和CO2原料气占总成本的85%，是CO2加氢制绿色甲醇的主要成本。由此可见，低成本铝水现场循环制氢，就地耦合“灰色能源”排放的廉价CO2，这一绿色能源革命路线，不但能降低从空气中直接捕集CO2的高成本和电解水制氢的昂贵储运成本，而且还可使“灰色能源”转变为零碳甲醇、零碳电力和零碳氢气。在甲醇的多元化生产路径中，绿铝分布式就地铝水现场循环制氢和工业尾气捕集CO2多途径耦合。在“灰色能源”排放的CO2加氢制绿色甲醇等方面，均存在绿铝低成本循环制绿氢需求的巨大空间。
3.铝水循环制氢实现排碳产业净零
由于铝水循环制氢可就地现场制取、即制即用、铝水循环等特点，同时具备常温、常压、可控、即制、即供、即用等多重功能。因此，利用“三北”地区可再生能源绿电电解铝，将铝运送至全国各地的重点碳排放产地，就地铝水循环制绿氢，将成为解决氢能与零碳能源革命多元化新途径。通过铝水循环制氢经济时代，将CO2资源化时代与甲醇经济时代串联起来。而且甲醇在能源方面有替代功能，又是高价值化工产品和生活产品的基础原料。利用铝水就地现场循环制氢，可以解决“三北”地区的绿电电解水制氢存在的不灵活性、运输成本高、存储难度大、高压安全性差的瓶颈。通过铝水循环制氢可实现与CO2、甲醇互补和相互转化的能源终端供应系统。据悉，每1吨甲醇可以消耗1.375吨的CO2，如果8000万吨以上的甲醇需求量，则可以解决上亿吨的碳排放，同时可利用液相甲醇实现低成本运输和存储。在储运方面，无论是成本和安全性，常压固体铝比高压气体氢或高压CO2的储运优势巨大。便携式铝水循环制氢，还可用于边远地区和野营、救灾、单兵作战、应急、无人机等电源及H2零散分布用户。在交通领域还可作为汽车、火车、飞机等交通工具的电源，并可实现长距离快速充电和零污染的特点。在化工、电子、制药等领域也有一定的应用价值。通过铝水就地现场循环制氢，可与我国煤炭、石油等能源化工重点排碳企业及制甲醇结合在一起。充分利用铝水循环制氢的就地灵活性，有效的解决H2储运和安全等难题。从而实现铝水和CO2循环利用，借助可再生能源，实现重点碳排放产业的“碳中和”。
4.电解铝的绿电连续性已得到解决
2022年11月，工业和信息化部、国家发改委和生态环境部三部门联合印发的《有色金属行业碳达峰实施方案》中规定，力争2025年、2030年我国电解铝使用可再生能源比例分别达到25%、30%以上。从目前看，这个目标应该是可以达到的，甚至可以说已经达到了。因为按照已并网的可再生能源比例看远远超过了这个目标，这其中的原因是，目前我国通过绿色网电电解铝数据无法准确统计。
当然，单一的风电或光伏电因其具有不连续性供电特点，而电解铝工业的生产需要连续性、稳定的电能。为此，企业采用风电、光伏、水电等一系列组合式能源供给方案解决问题。除此之外，随着我国储能技术的发展，电力能源的连续性问题也可以得到改善。目前，我国大部分电解铝企业主要采用风电、光伏、水电的能源组合供给方式，而在光照和风力能源具有比较优势的“三北”地区，则主要采用光伏、风电相结合的能源供给方式。各地区因地制宜，根据当地能源分布情况，已经将更多的绿色电力应用到电解铝行业中。因此，凡是目前可连续性供绿电电解水制氢的风光互补电场，都能进行电解铝。
三、结语
中央提出“碳达峰、碳中和”目标是能源发展的大方向，但我国是以煤为主的能源大国，实现“双碳”目标，不能离开中国的国情，必须处理好履行减碳承诺与保障能源供给安全的关系。在实现“双碳”目标的过程中，我国仍然要在较长时间内使用煤炭，以保障经济发展所需的能源供给。但是今后对煤炭使用必须走零碳清洁化使用的路子。通过煤制甲醇、煤发电、煤制氢等“灰色能源”尾气捕集的廉价CO2，耦合低成本的铝水就地现场循环制氢，加氢制绿色甲醇。在获得绿色甲醇的同时，还可有效的使煤制甲醇、煤发电和煤制氢这些“灰色能源”转变为零碳甲醇、零碳电力和零碳氢气。随着全球对气候变化的重视，以及全球交通运输业和航运业等重点领域对使用“零碳”燃料的硬性要求，零碳甲醇在“双碳”背景下的需求将会越来越大。作为我国重要的基础化学工业，绿色甲醇行业契合了降碳、消纳绿电及CO2等技术优势。在“双碳”宏观目标下，发展零碳甲醇燃料已成为必然趋势。用甲醇燃料替代直接燃煤和车用燃料是保障能源供给安全和煤炭清洁化利用的重要途径。发展零碳甲醇燃料是减轻石油对外依存度、保障国家能源安全、缓解资源环境约束、打赢蓝天保卫战的一项重大战略举措。
目前，我国绿电电解水制绿氢，其氢的储运成本仍然很高，安全隐患依然存在。但是储能行业热议的“液态阳光”概念提供了新思路，通过风能、太阳能等可再生能源电解铝，然后将铝运送至全国各地的“灰色能源”产地，就地进行低成本分布式的现场循环铝水制绿氢。再利用绿氢与“灰色能源”尾气捕集的廉价CO2耦合就地转化为绿色甲醇，可彻底解决CO2和H2原料气不在同一个地方的高成本储运和安全问题。将可再生资源循环综合利用起来，并兼顾经济发展和实现“双碳”目标。这种利用绿电电解铝/铝水循环制氢储能技术，是可再生能源向其他能源形式转化的关键。绿铝分布式的就地现场循环铝水制绿氢的优势在于，可以低成本的在源头上解决很多工业过程中的碳排放问题。同时，在这过程中，还可实现将分布在全国不同地区分散式的远距离CO2和H2合而为一，就地转化为绿色甲醇。既可改变“灰色能源”为零碳，又可使铝水循环制氢和CO2成为一种可循环使用的再生资源。从而使我国煤制甲醇、煤发电、煤制氢等“灰色能源”，转变为真正的“可持续”的“零碳”能源。我国具有丰富的煤炭电力、煤炭化工、煤炭能源、煤炭资源，煤制甲醇、煤发电、煤制氢等是开发煤炭清洁燃烧与降碳的重要途径。这些煤炭转化的废气中可分离出大量廉价CO2，一旦与低成本分布式的现场循环铝水制绿氢耦合，用于合成绿色甲醇，降碳是可行的，经济是可取的。因此，占小玲研究低成本铝水循环制氢耦合“灰色能源”降碳新途径，很有现实意义，将具有广泛的应用前景。
以下为本文附图：
①图1：铝水循环制氢示意图
②图2：铝水循环制氢反应式
③图3：煤制甲醇化学方程式
④图4：煤发电燃烧化学方程式
⑤图5：煤制氢化学方程式
⑥图6：CO2加氢制甲醇化学方程式
