來源：科學(xué)網(wǎng)
發(fā)布時間：2024-10-25
在“雙碳”目標背景下，加快構(gòu)建清潔低碳、安全高效的能源體系，必須推進新能源與化石能源的深度融合與優(yōu)勢互補。立足我國資源稟賦與能源安全，既要充分發(fā)揮煤炭資源在能源保供中的“壓艙石”和“穩(wěn)定器”作用，加快推進煤炭清潔高效利用，又要穩(wěn)中求進加快建設(shè)新型能源體系，大力提升非化石能源安全替代能力。在新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)革命中，以科技創(chuàng)新推動新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展既是貫徹新發(fā)展理念的內(nèi)在要求，也是以能源高質(zhì)量發(fā)展支撐實現(xiàn)中國式現(xiàn)代化的必然選擇。中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所（以下簡稱“大連化物所”）堅持以國家需求為己任，聚焦保障國家能源安全和實現(xiàn)‘雙碳’目標，堅持以可持續(xù)發(fā)展的能源研究為主導(dǎo)的戰(zhàn)略定位，在太陽能、儲能、氫能、生物質(zhì)能等新能源重點領(lǐng)域開展前瞻布局，經(jīng)20余年不懈努力，取得了一系列重要的科技成果，為我國新能源產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展提供了有力的科技支撐。
聚焦前沿，提升太陽能的高效利用與轉(zhuǎn)化
太陽能是指來自太陽的輻射能量，以電磁波的形式穿過太空到達地球。太陽能是地球上生命活動的主要能量來源，是重要的清潔可再生能源。我國太陽能資源豐富，平均年輻射量約為5900MJ/m2，是世界上太陽能最豐富的地區(qū)之一。大連化物所聚焦太陽能利用的核心關(guān)鍵技術(shù)，在太陽能燃料合成、太陽能電池等領(lǐng)域持續(xù)產(chǎn)出重要成果。
能量儲存是高效、持續(xù)開發(fā)利用太陽能的重要難題。利用太陽能發(fā)電，進而電解水制備綠氫、將二氧化碳加氫轉(zhuǎn)化制甲醇等液體燃料，是太陽能利用的重要方向。甲醇等液體燃料便于存儲、運輸與應(yīng)用，由于源頭上來自于太陽能，又被形象地稱為“液態(tài)陽光”。其他可再生能源，如風(fēng)能、水能等，也可以采用同樣的原理生產(chǎn)含能的液體燃料，均是液態(tài)太陽能燃料的范疇。
早在2001年，李燦院士著眼于能源與環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展，前瞻性地啟動了光催化分解水制氫、光電催化制氫和電催化制氫等領(lǐng)域的研究，并在此基礎(chǔ)上，把太陽能轉(zhuǎn)化為可穩(wěn)定儲存、易于運輸?shù)囊后w燃料。2017年，團隊成功研發(fā)了一種高選擇性、高穩(wěn)定性的二氧化碳加氫制甲醇固溶體催化劑，并完成了匹配工藝技術(shù)開發(fā)。2020年，結(jié)合團隊研發(fā)的電催化分解水制氫技術(shù)，在蘭州新區(qū)完成了全球首套千噸級液態(tài)太陽能燃料合成的全流程中試項目，邁出了太陽能轉(zhuǎn)化為液體燃料的關(guān)鍵一步。目前，團隊正在與中煤集團合作推進十萬噸級的工業(yè)化生產(chǎn)，繼續(xù)書寫著液態(tài)太陽能燃料的新篇章。
千噸級液態(tài)太陽燃料合成示范項目。大連化物所供圖
光伏發(fā)電是太陽能利用的重要形式。電池技術(shù)是光伏制造業(yè)的核心領(lǐng)域，柔性鈣鈦礦作為新型的太陽能電池材料，具有較高的能量轉(zhuǎn)換效率，成為光伏領(lǐng)域的前沿研究方向。
劉生忠研究員團隊聚焦柔性鈣鈦礦太陽能電池方向的研究，在柔性電池功能層材料、卷對卷功能層材料制備設(shè)備、幾納米厚度薄膜材料制備工藝等方面取得一系列進展，建成卷對卷連續(xù)制備柔性鈣鈦礦組件中試線，連續(xù)制備長度達到100m，制備的350mm×1050mm尺寸的大面積柔性組件效率高達17.75%，連續(xù)制備長度和效率均處于國際先進水平，實現(xiàn)柔性鈣鈦礦太陽能電池的高效、穩(wěn)定與規(guī)?；嚿a(chǎn)。
千瓦級鈣鈦礦太陽能組件實證電站。大連化物所供圖
瞄準關(guān)鍵，推動新型儲能與新型電池的示范應(yīng)用
儲能是構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)、打造清潔低碳安全高效能源體系，實現(xiàn)“雙碳”目標的關(guān)鍵支撐技術(shù)。它不僅能為電網(wǎng)運行提供調(diào)峰、調(diào)頻、備用、黑啟動、需求響應(yīng)支撐等多種服務(wù)，還顯著提升了風(fēng)、光等波動性可再生能源的消納水平，也可以支撐分布式電力及微網(wǎng)的發(fā)展。一般而言，儲能系統(tǒng)在電網(wǎng)用電低谷時，可以利用風(fēng)能、太陽能等可再生能源給電池充電，在電網(wǎng)用電高峰時，將儲存于電池中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能進行放電，也能配合常規(guī)火電、核電等電源，為電力系統(tǒng)運行提供調(diào)峰調(diào)頻等輔助服務(wù)，提高電力系統(tǒng)的靈活性。
大連化物所自2000年起就開始了儲能領(lǐng)域的研究布局。從日本回國的張華民研究員以大容量、長時間儲能技術(shù)為目標，基于全釩液流電池具有安全性高、可靠性好、輸出功率大、儲能容量規(guī)模大、壽命長、電解液可循環(huán)利用、環(huán)境友好等特點，針對關(guān)鍵材料、核心部件、電堆及系統(tǒng)的關(guān)鍵科學(xué)與技術(shù)問題組織攻關(guān)，為其在儲能領(lǐng)域的規(guī)?；瘧?yīng)用奠定了基礎(chǔ)。
2009年，從比利時留學(xué)回來的李先鋒研究員加入儲能技術(shù)研究團隊，并承擔起液流電池關(guān)鍵材料—離子傳導(dǎo)膜的研發(fā)任務(wù)，開發(fā)出了高性能、低成本的離子傳導(dǎo)膜材料，首次提出了不含離子交換基團“離子篩分傳導(dǎo)”機理。組織團隊推進研究從實驗室到中試放大再到產(chǎn)業(yè)化運用。2022年10月，全球最大的百兆瓦級的大連液流電池儲能調(diào)峰電站一期工程實現(xiàn)首次全負荷充放電，全釩液流電池儲能技術(shù)實現(xiàn)了規(guī)?；瘧?yīng)用。該電站相當于大連市的“電力銀行”，可在整個電力系統(tǒng)中起到“削峰填谷”的作用。此外，該團隊還與比利時科爾德集團控股EcoSourcen公司簽訂了用戶側(cè)液流電池技術(shù)許可協(xié)議，首次實現(xiàn)了我國液流電池儲能技術(shù)向發(fā)達國家輸出。他們積極領(lǐng)軍國內(nèi)外液流電池標準的制定，負責(zé)制定的第一項液流電池國際標準于2020年發(fā)布，制定國內(nèi)行業(yè)標準近20項，引領(lǐng)了全球液流電池技術(shù)和標準的發(fā)展。
百兆瓦級大連液流電池儲能調(diào)峰電站。大連化物所供圖
能源科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新是保障國家能源安全和可持續(xù)發(fā)展的保障，新能源領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新涉及大量的學(xué)科交叉融合。大連化物所充分發(fā)揮組織化建制化優(yōu)勢，以開發(fā)多種能源優(yōu)勢互補、耦合利用關(guān)鍵技術(shù)為目標，于2022年獲批組建能源催化轉(zhuǎn)化全國重點實驗室。實驗室主任陳忠偉院士團隊面向國家在能源革命中對低成本、高容量、高安全性、高便利性的新型電池技術(shù)的重大需求，產(chǎn)出了系列重要成果。自主研發(fā)了高比能氫混動力電源，該氫混動力電池比能量達到每千克600瓦時，適配該電池的工業(yè)級無人機成功試飛；構(gòu)建“電化學(xué)模型+人工智能”模型框架，成功開發(fā)了新型電池智能管理系統(tǒng)（電池數(shù)字大腦 PBSTD Digit 1.0），實現(xiàn)多學(xué)科多維度在儲能領(lǐng)域的實用化交叉融合，為電池智能管理提供新的思路與解決方案；提出一步法退役鋰離子電池正極高質(zhì)量再生方案和向下一代動力電池正極材料轉(zhuǎn)變的新途徑，使正極材料成本分別降低38.3%和73.6%，獲得全新低成本高性能下一代儲能電池，有望推動電池回收行業(yè)商業(yè)化快速發(fā)展。陳忠偉坦言，大連化物所是基礎(chǔ)研究、應(yīng)用研究、技術(shù)轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化全鏈條貫通的綜合性研究所，其科技布局與體制有效地服務(wù)于創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展的國家戰(zhàn)略，正是其魅力所在。
統(tǒng)籌布局，建立全鏈條的氫能技術(shù)研發(fā)體系
氫是一種來源便捷、綠色清潔的二次能源，可以廣泛應(yīng)用于工業(yè)、交通、建筑、發(fā)電等領(lǐng)域。同時，氫也是對沖高碳體系達到低碳化的重要物資，對減少二氧化碳等溫室氣體排放有重要的意義。氫能產(chǎn)業(yè)鏈包括制備、儲運、應(yīng)用等環(huán)節(jié)，各鏈條協(xié)同發(fā)展是發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵。大連化物所在氫能制、儲、用等領(lǐng)域加強核心技術(shù)攻關(guān)，形成了全鏈條的氫能技術(shù)研發(fā)體系。
制氫是氫能產(chǎn)業(yè)鏈的上游環(huán)節(jié)。近年來，大連化物所組織多個科研團隊開展氫氣制備的關(guān)鍵科學(xué)和技術(shù)問題研究，實現(xiàn)了一系列重要的成果產(chǎn)出。2008年，邵志剛研究員團隊開發(fā)出國內(nèi)首套百千瓦級PEM電解制氫儲能系統(tǒng)，實現(xiàn)產(chǎn)氫壓力4 MPa，電解能耗4.13kWh/Nm3H2，達到國際先進水平。2018年，團隊突破大氣量電解槽及系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)，研發(fā)出300 kW電解槽，開發(fā)的PEM制氫系統(tǒng)相繼交付國家電網(wǎng)、長江三峽、中海油等。2022年，團隊開發(fā)的國內(nèi)首套兆瓦級質(zhì)子交換膜制氫系統(tǒng)和兆瓦級氫燃料電池發(fā)電系統(tǒng)在國家電網(wǎng)示范運行，促進了我國燃料電池技術(shù)在分布式發(fā)電等領(lǐng)域的技術(shù)進步和規(guī)?；瘧?yīng)用。
兆瓦級質(zhì)子交換膜電解水制氫系統(tǒng)。大連化物所供圖
海水制氫是未來氫能產(chǎn)業(yè)重點發(fā)展方向，也是當前全球研究的熱點。2023年，鄧德會研究員團隊以電解水產(chǎn)生的低品位廢熱為海水低溫蒸餾制淡水的熱源，創(chuàng)建了廢熱回收與利用系統(tǒng)，將堿性電解水制氫與海水低溫淡化技術(shù)進行耦合集成，創(chuàng)新性地開發(fā)出海水制氫聯(lián)產(chǎn)淡水新技術(shù)，并建成了基于鎧甲催化劑的25千瓦級裝置，實現(xiàn)以海水為原料制備出高純氫氣并聯(lián)產(chǎn)淡水和高附加值濃海水。團隊在前期工作的基礎(chǔ)上，進一步優(yōu)化了工藝過程和智能控制系統(tǒng)，于2024年8月底建成了250千瓦級海水制氫聯(lián)產(chǎn)淡水裝置并成功開車。
250千瓦級海水電解制氫聯(lián)產(chǎn)淡水裝置。大連化物所供圖
安全高效的儲運氫技術(shù)的缺乏，是制約氫能大規(guī)模應(yīng)用的瓶頸。新型高效材料儲氫技術(shù)一直是儲氫研究熱點。陳萍研究員團隊首次將氮元素引入到儲氫材料中，開創(chuàng)了金屬氮基儲氫材料新體系，實現(xiàn)在接近燃料電池工作溫度（91℃）下釋放氫，已成為當今儲氫材料研究的一個重要分支，被認為是最具車載應(yīng)用潛力的儲氫材料體系之一，被美國能源部列為儲氫目標材料體系，為攻克儲氫效率低的問題開辟了新的途徑。
燃料電池是氫能產(chǎn)業(yè)鏈的下游應(yīng)用環(huán)節(jié)之一。早在上世紀60年代中期，為滿足我國航天領(lǐng)域的能源需求，大連化物所就開始了堿性燃料電池的研究工作，形成了100多人的研究團隊，朱葆琳研究員、袁權(quán)院士、衣寶廉院士等在國內(nèi)首次研制成功兩型氫氧燃料電池樣機，為研究所燃料電池研究夯實堅定的基礎(chǔ)。之后，衣寶廉長期堅持這一方向，并成為我國首個該領(lǐng)域的院士。近年來，邵志剛研究員團隊通過多年的技術(shù)迭代，最終掌握了薄層不銹鋼金屬雙極板的高精度沖壓成型工藝，較國外使用的鈦金屬雙極板，技術(shù)難度更高，而成本大幅下降?；谠摮晒?，團隊加快推進成果轉(zhuǎn)化與應(yīng)用，形成了研發(fā)基地、中試基地、產(chǎn)業(yè)化基地的完整布局。2017年，邵志剛研究員團隊與安徽明天氫能科技股份有限公司達成合作，建成國內(nèi)首條萬套級金屬板燃料電池電堆生產(chǎn)線。2019年12月，搭載團隊核心技術(shù)的氫燃料電池公交車正式上線。2021年，中國第一艘燃料電池游艇“蠡湖”號通過試航，我國燃料電池在船舶動力上的實船應(yīng)用邁出關(guān)鍵一步。
燃料電池游艇“蠡湖”號。大連化物所供圖
獨辟蹊徑，探索生物質(zhì)能的高值化利用
生物質(zhì)能是指通過植物、動物和微生物等生物體的有機物質(zhì)轉(zhuǎn)化而來的能量，是一種可再生能源。其資源的可持續(xù)性和能源生產(chǎn)的靈活性為新型能源體系建設(shè)中的重要方向。
大連化物所以有機化學(xué)、物理化學(xué)、工業(yè)催化和生物化工為學(xué)科基礎(chǔ)，以可再生的生物質(zhì)資源為研究對象，探索生物基燃料和綠色化學(xué)品的可持續(xù)轉(zhuǎn)化方法和路線。木質(zhì)纖維素是自然界中儲量豐富的可再生原料。如何高質(zhì)量地分離木質(zhì)纖維素中“三素”（纖維素、半纖維素和木質(zhì)素）以獲取易于規(guī)模化利用的原料供下游轉(zhuǎn)化使用，是制約其高值化利用的關(guān)鍵問題。王峰研究員團隊在2013年就提出木質(zhì)素經(jīng)由“醇解-氫解”的多相催化反應(yīng)過程，開創(chuàng)了優(yōu)先轉(zhuǎn)化木質(zhì)素的新思路，并相繼發(fā)展了加氫/轉(zhuǎn)氫氫解方法制備烷基酚和芳香酮等產(chǎn)物、熱催化和光催化一步/兩步法制備芳香醛、芳香酸和芳香酯等產(chǎn)物，氮試劑參與解聚制備酚類異噁唑、芳香腈和非酚型芳胺產(chǎn)物以及聯(lián)苯和芳基醚的高值化轉(zhuǎn)化方法等，為木質(zhì)素組分的轉(zhuǎn)化利用提供技術(shù)基礎(chǔ)。2024年，該團隊針對木質(zhì)素分離中易發(fā)生低值化自縮合的現(xiàn)象，“因勢利導(dǎo)”地引入與木質(zhì)素結(jié)構(gòu)類似且具有高親核活性的單酚化合物，設(shè)計并開發(fā)了催化木質(zhì)素芳基化的三素分離（CLAF）技術(shù)，實現(xiàn)了在木質(zhì)纖維素綠色精煉過程中三組分高效分離。該研究成果將助力生物質(zhì)資源高值化利用，推動我國生物質(zhì)基材料等產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。
木質(zhì)纖維素三素催化精煉新策略。大連化物所供圖
我國是乙二醇生產(chǎn)和消費大國，目前乙二醇生產(chǎn)主要以石油乙烯或煤炭為原料，存在原料不可再生、二氧化碳排放量大、能耗高等缺點。2008年，張濤院士團隊在國際上首創(chuàng)了纖維素直接催化轉(zhuǎn)化制乙二醇新反應(yīng)，為生物基乙二醇的生產(chǎn)提供了新途徑。此后，團隊從催化基礎(chǔ)科學(xué)和技術(shù)工業(yè)應(yīng)用兩個維度開展了持續(xù)系統(tǒng)的研究工作，在反應(yīng)機理和動力學(xué)研究、低成本催化劑開發(fā)、原料拓展、過程放大等方面取得系列進展，并于2022年初建成國際首套千噸級生物質(zhì)催化轉(zhuǎn)化制乙二醇裝置，一次性打通了工藝流程，獲得了工業(yè)級的生物質(zhì)乙二醇產(chǎn)品。團隊對裝置流程進行了技改升級，于2023年完成72小時現(xiàn)場考核，乙二醇產(chǎn)物選擇性接近80%，產(chǎn)品分離純度達到99.9%，紫外透光率達到聚酯級乙二醇國家標準。2024年，張濤院士、鄭明遠研究員、王愛琴研究員團隊與合作公司共同開發(fā)的“千噸級生物質(zhì)催化轉(zhuǎn)化制乙二醇中試技術(shù)”通過中國石油和化學(xué)工業(yè)聯(lián)合會組織的科技成果評價，該技術(shù)有望為乙二醇產(chǎn)業(yè)鏈升級、生物基聚酯生產(chǎn)提供技術(shù)解決方案，對我國綠色化工產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要意義。
千噸級生物質(zhì)催化轉(zhuǎn)化制乙二醇裝置。大連化物所供圖
新能源是以清潔、低碳、安全、高效為主要特征的能源系統(tǒng)的重要組成部分，科技創(chuàng)新是推動新能源發(fā)展的關(guān)鍵要素。作為國家戰(zhàn)略科技力量，大連化物所將聚焦“雙碳”目標，在太陽能、儲能、氫能、生物質(zhì)能等關(guān)鍵核心領(lǐng)域持續(xù)加快創(chuàng)新成果產(chǎn)出與轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化，為我國新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供堅強的科技支撐，為實現(xiàn)碳達峰、碳中和目標貢獻更多的智慧與力量。
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