张涛:甲醇经济有望疏通氢能发展“堵点”
近日,中国科学院副院长、院士张涛公开表示,利用可再生能源发电制取绿氢,再和二氧化碳结合生成方便储运的绿色甲醇,是通向零碳排放的重要路径。
在氢的制、储、运、加环节成本居高不下,基础设施建设跟进缓慢的背景下,绿色甲醇经济或将推进氢能产业链降本增效,疏通产业“堵点”。
可作为安全高效的储氢载体
在张涛看来,绿色甲醇能量密度高,是理想的液体能源储运方式。
“甲醇是非常好的运氢、储氢的载体,甲醇和水反应的产氢量是同容积液氢的两倍。”澳大利亚国家工程院外籍院士刘科曾表示。
中科院大连化学物理研究所张家港产业技术研究院院长韩涤非认为:“甲醇作为常温常压下的液体燃料,可安全高效经济便捷储运。结合氢能产业发展现状,以甲醇作为高密度储氢材料,每吨甲醇与水重整可制出超过180公斤氢气,较之高压或低温液态储氢方式具有更高的的储氢能量密度。”
实际上,储能并不仅仅局限于储电,绿色甲醇就是一种理想的储能方式。在韩涤非看来,出于对储运安全和经济性的考量,甲醇是目前大规模安全高效储能的有效解决方案。“‘十四五’规划及2035年远景目标,都积极倡导发展可再生能源及大规模储能,而绿色甲醇可以在消纳可再生能源的同时,解决大规模储能问题,并最大程度实现二氧化碳减排。”
助力氢能各环节降本
韩涤非表示,甲醇制氢可大幅降低用氢成本。“甲醇价格一般在2000-3000元/吨,今年受新冠肺炎疫情及页岩油气价格战等因素影响,市场需求一度趋弱,甲醇市场价格偏低,西部地区不到1500元/吨,东部地区不到2000元/吨。随着市场转暖,近期价格反弹到2300元/吨以上。”
刘科也表示,在氢能使用成本方面,甲醇制氢的成本在理想情况下可低至15元/公斤,而国际上最低的综合用氢成本高达66.4元/公斤。
与此同时,甲醇也可实现氢能的即制即用。
韩涤非表示,利用甲醇储运的便捷性,可在氢能应用端开发建设加氢站,并在现场根据需求制氢,且氢气制备成本不高,终端应用,加氢价格低于35元/公斤,可有效打通可再生能源大规模电解水制氢、甲醇合成储运及现场制氢加氢站等整个产业链。“甲醇储运和汽油储运成本几乎持平,终端应用的加氢价格也能真实反映出整个制、储、运、加环节的成本。”
助推氢能产业链“绿色升级”
在张涛看来,绿色甲醇作为能源转化中枢,能够在碳足迹全流程上解决能源的清洁性问题,并起到拓展氢能应用产业链、降低碳排放、实现碳利用等一举多得的效果。
“可再生能源制氢结合煤化工制备甲醇,可减少二氧化碳排放,增加了甲醇产量,有效解决我国化石能源的进口依存度及碳排放量过高等能源安全和生态环境问题,有利于实现传统煤化工产业的新旧动能转换和绿色低碳发展。”韩涤非表示,“利用可再生能源电解水制氢与煤化工耦合生产甲醇,1.5吨煤可增产2吨甲醇,并减少3吨二氧化碳排放,比传统煤化工更经济环保。”
中国科学院大连化学物理研究所研究员、中国科学院院士李灿认为,绿色甲醇可有效解决跨季储能及长周期储能问题,成为除特高压输电外的另一种规模化输送能源的途径。
广东醇氢新能源研究院有限公司是甲醇制氢设备与技术的专业供应商,产品氢气主要应用于:粉末冶金、金属冶炼、新能源、燃料电池、化工、多晶硅、工业气体、电子、制药、浮法玻璃、食品加氢、军工、航天、环保等领域。
(1)d (2)①<;②>;③b (3)①O 2 +4e - +4H + =2H 2 O;②1.2 (4)Al-3e - =Al 3+ ;Al 3+ +3HCO 3 - =Al(OH) 3 ↓+3CO 2 ↑ |
故答案为:<;
②某温度下,将2mol CO和6mol H2充入2L密闭容器中充分反应,4分钟后反应达到平衡,测得CO的物质的量为0.4mol,依据化学平衡三段式列式计算;
CO(g)+2H2(g)?CH3OH(g)
起始量(mol) 2 6 0
变化量(mol)1.6 3.2 1.6
平衡量(mol) 0.4 2.8 1.6
CO的反应速率=
| ||
4min |
平衡状态气体压强和起始压强之比等于气体物质的量之比P(平衡):P(起始)=(0.4+2.8+1.6):(2+6)=4.8:8=0.6;
故答案为:0.2mol/(L?min),0.6;
(2)CO2(g)+3H2(g)?CH3OH(g)+H2O(g),反应的平衡常数K=
c(H2O)c(CH3OH) |
c(CO2)c3(H2) |
为了加快反应Ⅱ的反应速率,并且提高H2的转化率;
a.增大CO2的浓度,增大氢气的转化率,平衡正向进行,反应速率加快,故a符合;
b.增大H2的浓度,平衡正向进行,反应速率增大,氢气的转化率减小,故b不符合;
c.增大压强,反应速率增大,平衡正向进行,氢气转化率增大,故c符合;
d.加入催化剂改变化学反应速率不改变化学平衡,氢气转化率不变,故d不符合;
故答案为:K=
c(H2O)c(CH3OH) |
c(CO2)c3(H2) |
(3)反应Ⅰ:CO(g)+2H2(g)?CH3OH(g)△H1
反应Ⅱ:CO2(g)+3H2(g)?CH3OH(g)+H2O(g)△H2
依据盖斯定律反应Ⅰ-反应Ⅱ得到CO(g)+H2O(g)=CO2(g)+H2(g)△H=△H1-△H2;
图表中数据保持氢气初始浓度不变,一氧化碳浓度增大一倍,达到平衡所需时间缩短4分钟,所以分析判断n=4min;
故答案为:CO(g)+H2O(g)=CO2(g)+H2(g)△H=△H1-△H2 、4;
(4)甲醇和氧气以强碱溶液为电解质溶液的新型手机电池,燃料电池中燃料在原电池负极发生氧化反应,甲醇失电子在碱溶液中生成碳酸钾,该电池中甲醇发生反应的一极为负极,电极反应为:CH3OH-6e-+8OH-=CO32-+6H2O;
故答案为:负,CH3OH-6e-+8OH-=CO32-+6H2O;
(5)用该电池作电源,用惰性电极电解饱和NaCl溶液时,CH3OH-6e-+8OH-=CO32-+6H2O,每消耗0.2mol CH3OH,转移电子1.2mol,阴极电极反应为2H++2e-=H2↑,产生标况下气体的体积=0.6mol×22.4L/mol=13.44L;
故答案为:13.44.
(1)①反应CO(g)+2H 2 (g)?CH 3 OH(g)的平衡常数K=
②A.由方程式可以看出,反应前后气体的物质的量不相等,只有达到平衡状态,容器压强不发生变化,能判断反应达到平衡状态,故A错误; B.一定条件下,CH 3 OH分解的速率和CH 3 OH生成的速率相等,即正逆反应速率相等,所以能判断反应达到平衡状态,故B错误; C、一定条件下,CO、H 2 和CH 3 OH的浓度保持不变是平衡的标志,故C错误; D、一定条件下,单位时间内消耗2molCO,同时生成1mol CH 3 OH,只能表明正反应速率,不能表示正逆反应速率相等,故D正确. 故选D. (2)①反应CO(g)+2H 2 (g)?CH 3 OH(g)中,反应向右进行,一氧化碳的转化率增大,温度升高,化学平衡向着吸热方向进行,根据图中的信息可以知道:T 2 >T 1 ,所以该反应是放热反应,故答案为:<; ②对于放热反应,温度越高,化学平衡常数越小,T 2 >T 1 ,反之越大,所以K 1 >K 2 ,故答案为:>; ③A、若容器容积不变,升高温度,反应CO(g)+2H 2 (g)?CH 3 OH(g)平衡逆向移动,甲醇产率降低,故A错误; B、将CH 3 OH(g)从体系中分离,反应CO(g)+2H 2 (g)?CH 3 OH(g)平衡正向移动,甲醇产率增大,故B正确; C、使用合适的催化剂不会引起化学平衡的移动,甲醇的转化率不变,故C错误; D、若容器容积不变,充入He,使体系总压强增大,单质各组分的浓度不变,化学平衡不移动,甲醇的转化率不变,故D错误; 故选B; (3)①在甲醇燃料电池中,燃料甲醇作负极,氧气作正极,电解质中的阳离子移向正极,所以c口通入的物质为氧气,b口通入的物质为甲醇,故答案为:CH 3 OH;O 2 ; ②该电池正极是氧气发生得电子的还原反应,电极反应式为:O 2 +4e - +4H + =2H 2 O,故答案为:O 2 +4e - +4H + =2H 2 O; ③当6.4g即0.2mol甲醇完全反应生成CO 2 时,根据总反应:2CH 3 OH+3O 2 =2CO 2 +4H 2 O,消耗氧气0.3mol,转移电子1.2mol,即个数为1.2N A ,故答案为:1.2N A . |