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陈曦:“天价”西北风真不一定喝得起!二氧化碳合成淀粉重点再解读

发布时间:2021-09-29 11:07    浏览量:89     分享:

近日在《科学》发表并引起广泛关注的二氧化碳人工合成淀粉的技术,对于包括合成生物学在内的学术领域来说,确实是一项突破性的成果,但该项技术对于我国碳中和、粮食安全等领域的实际应用意义,从全生命周期、循环经济、以及技术路线等多角度来看,还有待推敲与考证。也不宜将这项工作解读为靠“喝西北风”就有望解决粮食安全问题。

二氧化碳人工合成淀粉技术是什么?

二氧化碳人工合成淀粉的技术,既非“一步到位”,也非“大变活粉”,而是主要分为几步:

01 1)需要从“西北风”中捕集高纯度二氧化碳(该工作中忽略了这个前提,假设高纯度二氧化碳唾手可得);

02 将高纯度二氧化碳还原合成C1,而C1有多种可能的形式,本项工作中是将高纯度二氧化碳和高纯度氢气通过高温还原反应制甲醇;

03 再由C1(本文中为甲醇)以“搭积木”的方式经过多个步骤,最终制成淀粉。

从技术角度来看,通过“搭积木”使甲醇经过几道工序制成淀粉的技术(3)确实在合成生物学方面具有一定原创性。类似的将小碳分子(如C1)逐级合成为氨基酸等大分子的工作,有关技术实际上已存在许久;合成淀粉的“搭积木”思路是有具有原创性的。

我本人非合成生物学的专家,下面重点从碳中和、全生命周期、循环经济等角度发表我个人对于该项二氧化碳人工合成淀粉的技术的看法,那就是目前该项二氧化碳人工合成淀粉的技术所能带来收益暂时还远远不能覆盖其“三高”的缺点:高价格、高耗能、高排放。

高价格、高能耗、高排放的特点

二氧化碳从哪儿来?

首先,1)二氧化碳从哪里来?如果真的是从“西北风”来,那么空气捕集二氧化碳的成本目前还是比较高的。空气中二氧化碳含量仅为400ppm,需要提纯2500倍才能获取高纯度二氧化碳,所带来的能耗和成本都不可小觑。在冰岛的Climateworks近期投产的项目,在广泛利用了地热资源的情况下,空气捕集每吨二氧化碳的综合成本还是高达1000美元。我领导的团队最近十年来一直在致力于用较低成本和较简单工艺路线的干湿转换法从空气中直接捕集二氧化碳,其获取中低浓度二氧化碳的成本较低,但是获取高浓度二氧化碳的成本也超过每吨1000人民币。

空气捕集二氧化碳的方式尽管价格偏高,但优势是高度分布式,无需建设管道运输二氧化碳,对于农业是有益的。

假如二氧化碳是从一定浓度的集中排放源(如热电厂的烟气中)捕集的,那么捕集每吨二氧化碳的仅运营费就在300元左右。建设一个从电厂年捕获10万吨二氧化碳的设施,投资成本在一亿元左右甚至更高;而要将捕获的二氧化碳运输到指定地点,则可能面临更高的超临界二氧化碳管道运输系统投资和维护成本;管道运输成本也不低于每吨每百公里100元。

因此,无论高纯度二氧化碳是从“西北风”还是“烟气”中来,都绝非唾手可得。

高纯度二氧化碳加高纯度氢气制甲醇

其次,我们来看第(2)步,也就是高纯度二氧化碳加高纯度氢气制甲醇,这个过程在化工界颇受争议:无论是技术逻辑、技术路线、还是经济性,都争论很大。

从经济性上来说,就算二氧化碳价格为300元每吨,而本项工作所使用的绿氢目前为1万元一吨,通过该流程制备的甲醇成本因此也将远远高于目前市面上的甲醇价格,从经济性上不具有可持续性。而该技术路径在国际国内历经多年,遇到了包括催化剂稳定性、对反应物杂质耐受度(要求二氧化碳和氢气的纯度非常高)、高能耗高排放等一系列问题,技术路线和产业化路径上也面临多个重大挑战尚未克服。

搭积木

从化学本质上来说,在所有碳分子里,二氧化碳是能量最低、也是结构最稳定的一个分子,将二氧化碳还原转变成其他任何碳的化合物,都是需要花费巨额能量的,而这个能量通常远高于从大的碳分子燃烧分解成为二氧化碳所释放的能量。一般来说,将二氧化碳还原为其他单碳分子,也就是C1(常见的为甲醇或一氧化碳),相对来说路径比较简单(尽管产业化放大还有很长的路需要走),但是单单这一步已经花费了巨额能量。而再在C1基础上进一步将之还原为多碳分子链,每增加一个C在碳链上,都会需要消耗更多的能量用于合成。也就是本项工作的(3)“搭积木”,每搭一块积木,都需要耗费巨大的能量;如果考虑到目前的合成效率还不够高,这个能耗会更大。

综上所述,该项技术(1)(2)(3)步骤在目前阶段,都是面临高能耗、高排放、高成本的;而且其中大部分的缺点都是“原生”的、克服难度很大;从全生命周期的角度来看,其带来的排放对碳中和的影响有可能是负面的。

再从碳中和及循环的角度来考虑,如果该路径的最终产物是淀粉,那么淀粉如何循环呢?淀粉最终进入生物体循环后,大部分还是以排泄的形式又回到大气中去了,也就是很大一部分又变回了二氧化碳。因此,这个高能耗、高排放、高成本的过程对于碳中和的意义就比较尴尬了。

碳有两个属性:燃料和原料。工程解决方案一般致力于将二氧化碳以较为经济的方式捕集,再将其以较为有经济效益的方式转变为燃料或原料加以利用。那么,如果在第(2)步就已经获得了甲醇(虽然其价格已经比较高了),为什么不把甲醇作为燃料直接燃烧进入碳循环呢?为什么要进一步将甲醇“搭积木”制成更加没有经济竞争力的淀粉呢?

如果是从粮食安全的角度出发,那么为什么不是利用好富碳农业,直接从空气中捕集低浓度二氧化碳,直接通过简单的光合作用来给增产增收呢?植物光合作用达到顶峰只需数千ppm浓度的二氧化碳,因此干湿法空气直接捕集二氧化碳可以以极低的成本,分布式获取植物所需的二氧化碳,供大棚农业达到显著的增产增收效果;这样的路径无需高额化工反应设备投资,也无需高额能耗和排放,无论是全生命周期、经济性、循环性、技术可行性等角度,都要容易实现得多。

现目前阶段需要进一步考证

作为总结,条条大路通罗马,但是不是每条路径的代价是一样的;二氧化碳人工合成淀粉的技术,在合成生物学术研究领域固然具有革新意义。但其目前阶段可能很难和碳中和或粮食安全产生直接效益关系;其过度高昂的成本、以及合成过程中造成的高耗能、高排放,大量有待挑战的中间技术环节,从全生命周期角度、碳循环等角度来看,都需要进一步推敲和考证其是否为一条较优的碳中和的可落地路径


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