在“共同强大”这一口号下，化工企业和能源企业在当前的经济形势下找到了利益的共同点——利用好温室气体二氧化碳，组成一支可再生能源梦之队。PROCESS杂志记者将在本文中向您介绍这一合作项目的进展。

2011年春天，有人勾勒了一幅二氧化碳分子构成的简笔画小人为多元醇试验设备投产剪彩的图画，虽然这是一幅人们主观想象的画面，但它却真实地反应了人们的梦想。位于德国勒沃库森的试验设备中，采用二氧化碳、环氧丙烷和催化剂在受控的状态下生成聚醚聚碳酸酯多元醇的工艺技术，是每一个化学家都希望成功的“梦幻反应”。若成功，它将首次把有害的温室气体二氧化碳变成生产塑料的原材料。

这一梦幻反应不仅是拜耳公司研发团队的研发成果，而且它也向世人表明把有害的温室气体转变为有用材料这一努力取得了长足的进步。与此同时，越来越多的企业，例如巴斯夫公司和日本三井公司都不断地报道自己的研发团队克服了巨大的障碍，在惰性气体的催化技术领域中有了突破性的进展。

而德国VCI和Dechema协会仍然像之前一样认为，全球每年向环境大气中排放的二氧化碳高达280亿t，这样的解决方案似乎有点杯水车薪。这里主要指的是二氧化碳的开发利用潜力，只相当于总量的1%。尽管如此，但化工企业的实际行动表明，德国的研究机构已经在全力以赴地从事二氧化碳回收再利用的研究，而且这绝不是能源转化的结果，相反是联邦教育、科学、研究及科技部BMBF两年来在“可持续性发展的环保性化工技术和利用二氧化碳原材料”旗帜下各项促进政策激励的结果。2009~2015年，德国科技部将投资一亿欧元，用于28个审批通过的研发项目，目标是在2020年把二氧化碳排放减少40%，把能源利用率提高一倍。

在这些激励政策的鼓励下，“梦幻反应”的研发也很快有了成效，目前已经开始了试验设备的建造。如今，“梦幻反应”产品的生产已经覆盖了整个价值增值链——从原材料来源（烟尘洗涤）到最终产品（聚合物）。参与这一项目的企业有亚琛工业大学RWTH、拜耳技术服务公司、拜耳材料科技公司等企业。新加入的合作伙伴是RWE Power公司。在合作中，这家能源集团公司提供火力发电厂产生经烟尘清洗处理的二氧化碳。

这样的化工、能源工业企业联盟可以作为未来这些领域中分工合作的蓝图。这两大领域不仅仅是产生有害物质的污染源，而且也是解决有害物质排放的主力军。另外的3个项目更加清楚地说明了这一点，这3个项目都是利用本地能源电解生产出来的氢气使温室气体活性化，从而明显地改善了二氧化碳利用的能源平衡。这些项目的核心技术是PEM技术（质子交换膜技术），对电解水进行裂解，与太阳能发电设备或者风力发电设备发出的电力进行耦合的质子交换膜技术。

目标：合成天然气

这些方案中，有一个已经于2012年4月在慕尼黑工业大学迈出了第一步。这一项目的推动者Bernhard Rieger教授明确表示，该项目是联邦教育、科学、研究及科技部BMBF的重点资助项目。项目名为iC4，表示的是integrated Carbon Capture and Cycling。该项目把慕尼黑工业大学、弗劳恩霍夫的IGB研究所以及瓦克公司、南德化工（Clariant）、西门子公司、林德公司、EON公司和MAN公司都捆在了一起。Rieger博士在教学中为瓦克公司进行了大分子化学和催化剂的研究（硅化学研究所），并做到了研究所的技术讲座场场爆满、座无虚席。

这一企业联盟计划对烟囱中排放的二氧化碳进行清洗，利用氢气的甲烷化反应合成人工天然气，其中的一小部分能够在化工产品生产中使用，绝大部分都输入到地下储气库中，供能源紧缺的时候使用。实现这一计划需要解决一个与天气状况有关的太阳能发电和风力发电的难题。电力是无法存储的，它只能转化为其他能源形式存储起来，例如转化为氢能或者化学能存储起来。为了成功地实现能源形式的转化，尽可能不浪费价值不菲的能源，能源存储设备需要有很高的效率。

西门子公司在德国Hanau市Großkrotzburg区Staudinger火力发电厂中建造的Postcap设备

能源的存储

当前，高压输电线路短缺严重。例如，缺少把德国北部近海风力发电设备发出的电力传输到德国内部巴伐利亚州的高压输电线路，而且电力存储的容量也有限。而现在北海风力发电设备的装机容量已经达到了75?GMW。若能够像联邦政府所期望的那样到2050年可再生能源使用比例从目前的20%提高到80%，根据Dena协会的计算电力存储的容量将达到10亿MWh。根据Deta协会的看法，如此大的存储容量只有利用全新的存储方案才能解决问题，例如能源形式的转化——电力变燃气，像存储天然气一样。而利用烟气中的二氧化碳加电解产生的氢进行甲烷化有着极大的优势，可以充分利用现有的天然气基础设施进行合成天然气的存储。参与这一项目的企业在气体分离、净化和甲烷化等技术领域中已经积累了丰富的经验和专业技术知识。“从2013年起，这一设备每小时应能电解生产360m3的氢气。”Eon公司的项目负责人Jean Relus Beining先生介绍说道。尽管如此，在前进的道路上还有许多亟待解决的问题，例如在二氧化碳气体的分离和存储等方面还有许多研究做得不深、不透。这也使得试验项目至今只能限制在火力发电厂烟尘中二氧化碳的回收再利用范围内，水泥生产企业和钢铁企业的烟尘则不能纳入试验项目之中，这里的最大问题是巨大的烟尘气流量。另外，火力发电厂排放的烟尘中含有元素周期表中一半的元素。对此，西门子能源公司的Gerhard Zimmermann博士解释说道：“因此，我们必须对现代的吸附技术进行全新的研究。”

最重要的是纯净度

林德公司在项目合作中负责提供二氧化碳清洁技术，研发清洁膜的检测设备。他们所从事的工作与从烟气中分离出二氧化碳的分离技术没有关系。只有在二氧化碳通过了聚酯清洁膜、过滤出了催化剂之后，二氧化碳的纯净度才满足甲烷化的要求。“这是iC4项目中的关键一步，并决定了气体是否可以使用。”林德公司化工技术研发的负责人Nicole Schrödel博士说。

iC4项目的推动者，慕尼黑工业大学的Bernhard Rieger教授

研发人员开发了以选择性聚酯材料和硅基的载体为主的复合材料。这绝不是偶然的巧合，他们与瓦克公司的硅材料专家的研究撞了车。弗劳恩霍夫研究所需要解决的问题也非常棘手——利用这种复合材料制作空心纤维。但第一次试验的结果证实了弗劳恩霍夫研究所探索的途径是正确的。研究所的Thomas Schiestel先生介绍说：“第一层涂层试验和二氧化碳渗透试验已经取得了可喜的成果。”由于从烟气中分离出二氧化碳有许多不同的方法可以选用（参见上表），因此把吸附作为分离二氧化碳的第二方案。作为分离技术的专家，南德化工也是这一项目开发联盟的成员。他们开发的吸附剂有着很长的使用寿命，能够像海绵一样吸收和释放二氧化碳；而且它的吸收和释放速度都非常快。以Andreas Geissbauer博士为首的南德化工攻关组也有着自己头痛的事情：首先是巨大的烟气量，这就要求首先从流量巨大的烟气中过滤出二氧化碳气体。发电能力为每年500MW的火力发电厂每年排出的烟气量大约为250万m3；而这仅仅是众多发电厂中的一个发电厂排出的烟气量。

二氧化碳气体的分离和净化不仅仅是南德化工遇到的技术问题，而且也是大自然的基本问题，利用技术手段进行分离、净化和大自然的分离、净化都要耗费一定的能源，这两方面的能源消耗相加就有可能导致整个项目的能源平衡彻底失败。2011年，受巴伐利亚州政府与加氢甲烷化有关部门的委托由TüV Süd进行的一项调查研究表明，这一关键步骤要消耗火力发电厂发出电力的30%。

合成是关键

在没有其他难题的时候，当今的技术仍然是甲烷合成。这里的核心技术是氢气和二氧化碳混合气的甲烷化。这是一个古老的技术，一个让Paul Sabatier先生在1912年获得了化学诺贝尔奖的技术。但今天的工程师则想用水煤气变换反应实现Sabatier反应的逆反应。Geissbauer博士解释说道：“我们想把二氧化碳作为合成气体的碳元素来源，用可再生的H2进行甲烷化。”迄今为止的Sabatier反应过程使用的是镍催化剂，而在新的反应过程中这种催化剂则显得不足了。由瓦克公司和南德化学公司合作开发的新型催化剂对慕尼黑工业大学的研发工作给予了有力的支持，可以完成多种多样的任务，耐毒且稳定。据瓦克公司的专家Alexander Zipp先生介绍，与新型催化剂众多优点相比较这只能算是沧海一粟。方案中的硬件，带有冷却装置的管式催化器，也就是真正进行甲烷化的地方，看起来似乎太简单了。MAN公司的研发负责人R. Bank教授向人们展示了一台试验催化器的全貌：自动化连续工作的，带有气体输送、气体分析和排气净化系统的单管催化器。

最后算账

这一项目的最后工作是计算整个项目的能源平衡。由于二氧化碳的分离和净化问题不仅仅是一个简单的技术问题，而且也是一个自然现象，这两方面的分离、净化都要消耗一定的能源。因此整个项目的能源平衡是一个最基本的问题。去年，受巴伐利亚州政府与加氢甲烷化有关部门的委托由TüV Süd进行的一项调查研究表明，这一关键步骤要消耗火力发电厂发出电力的30%。其中有多少要算到iC4项目的头上，只有在工作结束之后才能清楚。

项目牵头人Rieger先生头脑中的时间计划同样也是一个雄心勃勃的计划：整个项目在3年内完成，在巴伐利亚州政府的参与和支持下两年内研发出试验设备。