來源：中信證券 作者：張亦弛、萬煒,、任佳瑋

一,、二氧化碳和氫出發(fā)合成淀粉，我國研究者取得全球突破性進展

我國天津工業(yè)生物技術研究所,、大連化學物理研究所等研究機構的研究者 Tao Cai,、Yanhe Ma 等人及研究 團隊實現(xiàn)了以二氧化碳、氫氣為原料，最終到淀粉的人工合成,。這是全球視野內,，合成生物學的顛覆性進展。有關研究論文 Cell-free chemoenzymatic starch synthesis from carbon dioxide 2021 年 9 月 24 日發(fā)表在國際頂級期刊Science 上,。

合成生物學的重要意義無需贅述,。即使只是淀粉的高效人工合成，也可以節(jié)約土地,、水源,、農藥、化肥,， 甚至為未來的星際探索提供碳基能量,。所以，關鍵是如何設計反應,，逐個突破長生長周期（3-4 個月）,、長合成 途徑（約 60 個步驟，涉及羧化,、還原,、重排、聚合,、組織細胞間轉運等多個步驟）,、低能量利用效率（從太陽 光能到淀粉化學能理論能量轉化效率 2%）等痛點。

研究者根據天然淀粉合成途徑中的產物與酶的關系,，將整條反應途徑拆分為四個模塊：C1（從無機物到 1 個碳的有機物,，及 1 個碳的有機物內部的轉化），C3（從 1 個碳的有機物到 3 個碳的有機物,，及 3 個碳的有機物 內部的轉化）,，C6（從 3 個碳的有機物到 6 個碳的有機物，及 6 個碳有機物內部的轉化）,，以及 Cn（聚合為多個 碳的淀粉成品）,。其中無機物-有機物的轉化更適合以化學反應形式完成，其他反應不同程度設計,、運用酶,，對 多個生化反應進行細致比對遴選加以完成。

研究過程中,，科研人員不斷調整,、改造 ASAP1.0 中的關鍵限速步驟對應的實際問題，如限速酶活性,、輔因 子,、ATP 競爭,、底物競爭，中間產物毒性等,，逐步減少生物酶用量（研究標題 Cell-free,，不通過細胞，但是酶 是可以使用的）,，提高淀粉產率,，并一定程度上可以調控淀粉的微觀結構（直鏈、支鏈）,。

最終,，研究者通過 11 步（C1 環(huán)節(jié) 2 步獲得甲醇和甲醛作為有機反應物，C2 環(huán)節(jié) 3 步,，C3 環(huán)節(jié) 3 步,，C4 環(huán)節(jié) 3 步）即成功合成了淀粉。其 ASAP 方法從太陽光能到淀粉化學能的能量利用效率約 7%,，遠遠超過自然界 的 2%,；淀粉合成速率是玉米淀粉合成速率的 8.5 倍；如果以反應器產量計算,，1 立方米反應器的淀粉產量約相當于 5 畝玉米地的淀粉產量,。

研究者也認為，就經濟性而言,，二氧化碳到淀粉合成的光電轉化效率再提升數(shù)倍,，該研究才可以在經濟性 上和農業(yè)種植途徑獲取淀粉相競爭。所以我們中性預期,，該研究工作距離取代出產淀粉的農作物種植尚需較長 時間,。

如果我們換個角度,，人工合成淀粉和農業(yè)種植作物取得淀粉,，二者都是固碳過程；后續(xù)淀粉食用并氧化分 解,，又都是排碳過程,，二者主干的凈碳排放都是零。但是,，人工合成淀粉反應中的首步——化學法自二氧化碳,、 氫氣制合成甲醇，是固碳過程,，和煤制甲醇在碳排放方面有根本區(qū)別,。換言之，該研究工作可能為能源轉化與用能角度的凈零排放貢獻力量,，而復雜度比合成淀粉更低,，時間節(jié)奏也可能更快,。

二、前驅反應制甲醇,，相對溫和的反應條件和高能量利用效率

人工合成淀粉的第一步反應是氫-二氧化碳合成甲醇,。考慮到零排放氫的來源（工業(yè)副產氫/可再生能源電力 電解水）,，只要甲醇合成具備綜合競爭力,，該研究結果就可以提供“電致燃料”的有效技術路徑（單純的化學反 應，不需要后續(xù)一系列酶催化調整增長碳鏈的生化反應）,，并助力能源革命進程,。

研究者歸納，其甲醇合成方法為氧化鋅-二氧化鋯催化條件下,，較高溫度,、壓力條件下的氣相反應。

氧化鋅-二氧化鋯催化劑的合成條件為：充分攪拌溶解水合硝酸鋯,、水合硝酸鋅,；控制 70 度反應溫度，在 強力攪拌的條件下逐步加入碳酸銨,，進行沉淀反應,；獲取催化劑前驅體后，對其洗凈,、烘干并煅燒并分散于石 英砂中,，并以 1 個大氣壓的氫氣或氮氣進行預處理，即得到最終催化劑,。

甲醇催化合成的反應條件為：氣體反應物共 50 個大氣壓,，氫氣-二氧化碳-氬氣占比為 72:24:4；反應溫度 315-320 度,；生成物保持 150 度,，進行后續(xù)檢測。

從催化劑和反應條件來看,，該甲醇合成反應的催化劑所用元素并不昂貴,，催化劑合成方法也比較簡單（類 似鋰電三元前驅體和正極的共沉淀-煅燒過程）；甲醇合成條件也比較溫和,，300 多攝氏度的熱源獲取手段多樣,， 氫氣壓力適宜（5MPa 總壓，和運氫的長管拖車 20MPa 相比低非常多）,。如果后續(xù)規(guī)?；沈炞C其反應速度快、 產率高,、催化劑活性保持時間長,，則該方法的競爭力顯而易見,。

研究者進一步估算了二氧化碳和氫出發(fā)制甲醇的能量利用效率。其基本假設如下：

首先,，光伏發(fā)電,，效率假設為 20%。

其次,，以質子交換膜電堆電解水制氫,，效率假設為 85%。

再次,，計算氫氣的生成自由能和甲醇的生成自由能,，分別為 285.8kJ/mol 和 726.1kJ/mol。

再次,，根據甲醇合成的主反應,，計算理論能量利用效率，結果為 85%,。

最后,，考慮高溫能耗、壓縮反應氣體能耗等,，研究者認為甲醇合成反應的實際能量利用效率為 68%,。

研究者據此估算從太陽光出發(fā)甲醇合成的能量效率：20%*85%*68%=11.56%，約 1/9 的光能轉化為便于長 期存儲的甲醇中的化學能,。

對此估計,，我們進行小幅修正：光伏發(fā)電效率不變；電解水考慮成本更低,、規(guī)?；T檻更低的堿性電解水 （也需要較高水溫，電耗也稍高）,；催化劑的合成小幅耗能,。綜合考慮上述情況，20%*80%*65%=10.4%,，還有 約 1/10 的光能轉化為便于存儲的甲醇中的化學能,。

除此之外,，根據能量來源的不同,，其實際利用的效率也會有區(qū)別：假定能量來源為水電、風電等一次電力,，以該一次電力電解水制氫再制甲醇,，實際能量利用效率為 80%*65%=52%，亦即約一半的電能轉化為便于存儲的甲醇中的化學能,。

假定能量來源為工業(yè)副產氫,，則從氫到甲醇的實際能量利用效率為 65%,。

后續(xù)的甲醇應用，假定甲醇完全燃燒,，則排放就是其中碳元素對應的二氧化碳本身,，亦即電致燃料甲醇屬 于“凈零”甲醇。

可見,，作為研究工作的起始部分的成果,，從氫氣、二氧化碳出發(fā)已經有可能以較高的效率,、較低的成本獲 取“凈零”甲醇,。而在能源革命的大潮中，“凈零”甲醇有占據重要地位的潛力,。

三,、 “凈零”甲醇，能源革命如虎添翼

1,、能源革命,，“人類命運共同體”最佳詮釋

《巴黎協(xié)定》是 2015 年 12 月 12 日在巴黎氣候變化大會上通過、2016 年 4 月 22 日在紐約簽署的氣候變化 協(xié)定,，該協(xié)定為 2020 年后全球應對氣候變化行動作出安排,。《巴黎協(xié)定》長期目標是將全球平均氣溫較前工業(yè) 化時期上升幅度控制在 2 攝氏度以內,，并努力將溫度上升幅度限制在 1.5 攝氏度以內,。

雖然仍然存在一定爭議，但是努力控制碳排放,、盡力限制全球氣溫上升幅度,，對全人類而言是利大于弊的 選擇。

首先,，劇烈的氣溫升高將給人類文明以重創(chuàng),。約 12 萬年前溫暖的伊米亞間冰期，海平面比當前高 6-9 米,， 當時僅有部分極地冰蓋融化,，即可造成淹沒全球關鍵城市（如上海海拔 4.5 米）的嚴重后果。倘若極地冰蓋完 全融化,，大量陸地面積將不復存在,，考慮到沿岸重點城市的核心地位，全球主要經濟體都近乎面臨致命打擊,。

其次,，一定程度的氣溫升高即可破壞碳循環(huán)的長期平衡（以人類文明史為時間長度），并引發(fā)氣溫進一步升 高的“自加速”過程,。其主要原因包括凍融湖,、凍土帶和深海的重要溫室氣體甲烷釋放,、海水溫度升高造成的 溫室氣體二氧化碳溶解度下降等。

第三,，人類活動和一定程度的氣溫升高,、溫室氣體排放強關聯(lián)。

一方面,，從約 10000 年的時間尺度來看,，工業(yè)化之前地球氣溫變化速率相當平緩，而工業(yè)化之后氣溫出現(xiàn) 了顯著上升,；從更長的約 80 萬年的時間尺度來看,，除工業(yè)化之后的短暫時間（甚至是 20 世紀之后的短暫時間） 以外，地球氣溫都是在一個較穩(wěn)定的范圍內波動的,。

另一方面,，從 100 年左右的近世時間尺度來看，太陽輻射變化不大,，但是太陽輻射和地球氣溫變化出現(xiàn)了 明顯的背離,，溫度變化曲線顯著“跑贏”了太陽輻射變化曲線。這種背離是客觀存在的,，而高速的氣溫升高的 最佳解釋方式仍然是人類活動,。

此外，氣候變化,、海洋酸化等還可能引發(fā)大范圍物種滅絕,。

最后，即使上述所有論述都基于“可能性”,，全球變暖對人類社會的負面影響本身也值得全人類,，以某種形 式對其加以應對。

總之,，碳排放引發(fā)氣候變化,、威脅人類文明的概率不低、賠率很高,。努力遏制這一勢頭事實上理性,、務實。世界資源研究所統(tǒng)計了 2030 年以前達峰的國家和地區(qū)（中藍 1990 年前,；淺紅 1990-2000 年,；淺藍 2000-2010 年；深紅 2010-2020 年,；深藍 2020-2030 年,；中紅 2030 年以后）：

從碳達峰到碳中和體現(xiàn)了“共同但有區(qū)別”的減排責任,，體現(xiàn)了我國的大國擔當,。為了達成此目標,，我國的一次能源結構也將經歷顯著變化：可再生能源必須取代化石能源，成為一次能源的主要組成部分,。清華大學 氣候變化與可持續(xù)發(fā)展研究所,、落基山研究所等 2020 年發(fā)布的最新研究有類似的結論（但是本世紀中葉凈零預 設條件、能源消費總量等方面二者有一定分歧,?？紤]到有關研究的前瞻程度，分歧是可以理解的）,。

2,、“凈零”甲醇+插混構型：輔助乘用車“脫碳”的曙光

新能源汽車是能源革命的排頭兵之一。當前條件下,，不同的新能源汽車技術都具備節(jié)能減排的能力,。但是 對新能源汽車來說，“從油井到油箱”和“從油箱到車輪”兩個環(huán)節(jié)仍然不同程度存在排放,。前者原因是統(tǒng)計意 義上電,、氫等二次能源的生產過程和部分一次能源的生產過程產生排放；后者主因是汽油燃燒產生排放,。

在一次能源電力清潔比例持續(xù)大幅提升的背景下,，純電動、氫燃料電池車型具備了用能環(huán)節(jié)凈零排放的潛 力,，其中能效更高,、基礎設施建設相對更完善、成本降低更明顯,、產業(yè)鏈配套更完備的純電動車型總體上迎來 了爆發(fā)的市場需求,。

從 2016 年到 2018 年，我國新能源汽車市場規(guī)模急速擴大,，年產銷量超過 120 萬輛,。

經歷了 2019 年下半年、2020 年開局疫情的不利局面后,，新能源汽車產業(yè)繼續(xù)迎來高增長局面,，月度銷量 屢創(chuàng)新高，2021 年銷量規(guī)模超過 300 萬輛是大概率事件,；全年市場份額有望沖擊 15%,，部分月份銷量規(guī)模有望 突破 20%。

歐洲多國的新能源汽車市場同樣處在爆發(fā)進程中,。

美國則詳盡地評估了其新能源汽車產業(yè)鏈競爭力,，規(guī)模爆發(fā)可期。

一方面，純電動車型在全球范圍內成為主流選擇只是時間問題,；另一方面,，發(fā)動機被完全取代仍有困難。

受限于動力電池低溫條件下的離子電導下降,、極化增加,、電解液粘度增加等本征屬性，以及冬天乘員艙保 溫制熱的現(xiàn)實需要,，較寒冷地區(qū)純電動車型冬季的續(xù)航衰減仍然是消費者擔心的問題,。調整電解液和電極配方， 甚至將電解液替換為固體電解質,，上述問題也相當程度上存在,。優(yōu)秀的熱管理系統(tǒng)、電池加熱和余熱利用等手段可以作為輔助措施,，但取得顯著改善效果的難度大,。

短時間大批消費者同時需要長續(xù)航和快充能力時，純電動車型對自身動力電池和電力系統(tǒng)都提出了嚴峻的 挑戰(zhàn),。規(guī)?；拇哼\長途自駕出行就是范例。

上述兩個問題最直接的解決方法就是仍然保留使用發(fā)動機的車型,，作為“小眾剛需”用車選擇的有益補充,。插混因為兼具充電和燃料快速加注的特性，短途充電長途添加燃料概念上就相當適合,。

插混車型的饋電狀態(tài)百公里油耗也已經非常低,，如比亞迪 DMi 平臺產品可實現(xiàn) 4L 以內的油耗。

規(guī)模上市以來,，比亞迪 DMi 平臺車型取得了很高的銷量,。2021 年 1-8 月，秦 PLUS DMi 累計銷量 4.3 萬輛,， 8 月單月銷量 1.25 萬輛,，也是消費者對優(yōu)質插混產品認可的佐證。

節(jié)能降耗的目的現(xiàn)有插混車型就可以達到,，凈零排放則需要考慮燃料：生物燃料油品相對昂貴,；“凈零”甲 醇在合成過程中可以發(fā)揮碳捕集作用，其催化劑,、反應過程和能量利用效率等如前所述具備低成本工藝實現(xiàn)的 能力,。甲醇較強的腐蝕性、冷啟動難度等工程技術上可克服,，吉利汽車即有相關技術儲備,；甲醇熱值相對較低 動力性一般的弱點也可以由插混電池包加以補足,；如果甲醇燃料電池取得技術突破（和氫燃料電池類似，考慮 壽命,、質量/體積能量/功率密度,、成本等指標），“凈零”甲醇也可以作為甲醇燃料電池插混（增程）車輛的離網 能量源,。

以純電動為主體,，“凈零”甲醇插混車輛為輔助產品的車輛結構,，有可能實現(xiàn)乘用車領域的全生命周期凈零 用能,。

3、“凈零”甲醇用于長時間儲能：源網荷儲的關鍵拼圖

可再生能源電力規(guī)模爆發(fā)將是碳達峰和凈零排放目標得以實現(xiàn)的核心條件,。我國具備豐富的風,、光可再生 能源資源。據發(fā)改委能源所等研究,，我國年太陽輻射超過 5000MJ/m2,，年日照小時數(shù)超過 2200 小時的土地面積 占全國土地面積的 2/3，安裝 2500GW 光伏發(fā)電設備僅需要 8 萬平方公里土地,，占中國國土面積的 0.8%,。同樣 據估算，在中國所有風力資源超過 300W/m2 的地區(qū)中,，100 米高度的陸上可用風能總儲量約為 3400GW,；在水 深 5-50 米的海域中，100 米高度海上風能資源總量達到 500GW,。

同時,，光伏、風電等可再生能源發(fā)電形式的平準化發(fā)電成本,、初始投資成本等都將進一步下降,，使得二者 進一步體現(xiàn)出競爭優(yōu)勢。

但是,，光伏,、風電等可再生能源的波動性、間歇性相當程度上阻礙了其和負荷的有效匹配,，提高了高比例 大規(guī)模并網的難度,。

對光伏而言，日內出力受到日照條件,、天氣影響,；更長時間尺度的出力具備一定規(guī)律性，但仍不穩(wěn)定,。夏 季和冬季的發(fā)電特性區(qū)別明顯,。

對風電而言，日內出力表現(xiàn)具有極大的隨機性；更長時間尺度的出力具備一定規(guī)律性,，也仍不穩(wěn)定,。

為了高效、完備地消納可再生能源電力,，儲能系統(tǒng)需要在不同時間尺度上具備平滑可再生能源出力,、使其 和負荷相匹配的能力。

首先,，依托鋰電池等技術的儲能系統(tǒng),，其高頻響應能力可以滿足電力系統(tǒng)頻率調節(jié)的需求；依托鋰電池,、 抽水蓄能等技術的儲能系統(tǒng),，其能量時移、削峰填谷能力可以滿足電力系統(tǒng)日內調節(jié)的需求,。

將時間尺度拓展至星期級別,，依托鋰電池、抽水蓄能等技術的儲能系統(tǒng)的能量時移,、削峰填谷能力同樣可 以滿足能量平衡需求,。

當前，我國和全球通過電化學儲能,、抽水蓄能等技術手段發(fā)揮星期級別以內的儲能作用,。根據中關村儲能 聯(lián)盟統(tǒng)計，截至 2020 年底,，全球已投運儲能項目累計裝機規(guī)模 191.1GW,，同比增長 3.4%。其中,，抽水蓄能的 累計裝機規(guī)模最大,，為 172.5GW，同比增長 0.9%,；電化學儲能的累計裝機規(guī)模位列第二,，為 14.2GW；在各類 電化學儲能技術中,，鋰離子電池的累計裝機規(guī)模最大,，為 13.1GW（均使用功率單位統(tǒng)計）。據國家能源局發(fā)布 的《抽水蓄能中長期發(fā)展規(guī)劃（2021-2035 年）》,，到 2025 年,，抽水蓄能投產總規(guī)模較“十三五”翻一番，達到 6200 萬千瓦以上,；到 2030 年,，抽水蓄能投產總規(guī)模較“十四五”再翻一番,，達到 1.2 億千瓦左右。據高工鋰電 估計,，至 2025 年中國儲能鋰電池出貨量有望達到 180GWh,；遠期，儲能電池的裝機規(guī)模和動力電池可比,。

將時間尺度拓展至季節(jié)級別,，跨季節(jié)的儲能仍有相關需求，如將夏秋季節(jié)的光伏電力,、水電存儲至冬季再 發(fā)揮調峰作用,、供熱等?？梢钥闯?，不同季節(jié)的能源結構有比較明顯的區(qū)別,，而且也還需要部分天然氣,、生物 燃料等碳基能源。

但是存儲時間達到季度級別的儲能技術,，效率卻不可避免地有一定程度的下降,，這種效率的下降主要是由 儲能系統(tǒng)的“自放率”/儲能時間決定的。

不難發(fā)現(xiàn),，長時間儲能技術多依托理化性質穩(wěn)定的儲能介質：蒸發(fā)量不大條件下的抽水蓄能,，地質條件（如 鹽穴）穩(wěn)定的壓縮空氣儲能，或者各類燃料,。事實上,，火力發(fā)電的能量來源煤炭，某種意義上也是白堊紀地質 時代的“光伏（考慮光合作用的電子轉移）+儲能”,。

在各類燃料中,，煤、油,、天然氣等相對便于存儲,，氫制取容易，但規(guī)?；鎯χ两袢悦媾R體積能量密度與 成本等問題,，大規(guī)模儲氫相對較好的解決方案——液氫，也有加壓深冷液化耗能,，和日滲漏揮發(fā)千分之幾的短 板,。此前的科學研究工作也認為，碳基儲氫只是能量轉化效率低,，而能量密度優(yōu)勢明顯,。

前述研究工作對“凈零”甲醇的合成已經在實驗室級別解決了碳基儲氫的效率問題（估計為 68%,，我們稍微調整至 65%）。如果同時具備技術經濟可行性,，則夏季富余水電,、光伏電力制氫再制取甲醇，可長時間存儲至 冬季后燃燒發(fā)電,。

“凈零”甲醇有望協(xié)同抽水蓄能,、以鋰電為代表的電化學儲能和氫儲能，成為源-網-荷-儲協(xié)調互動的新型 電力系統(tǒng)儲能部分的最后一塊拼圖,。