多能融合技術(shù)體系助力碳中和的路徑探索

一、引言2005年，我國(guó)二氧化碳排放總量超過美國(guó)，成為全球第一大碳排放國(guó)家。隨著經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速增長(zhǎng)，我國(guó)二氧化碳排放總量在2019年達(dá)到9.83×109

t，占全球比重28.8%，人均二氧化碳排放量也隨之呈快速增長(zhǎng)趨勢(shì)，在2018年達(dá)到6.8t，約為全球平均水平的1.5倍。在此背景下，我國(guó)在保障經(jīng)濟(jì)持續(xù)增長(zhǎng)的同時(shí)要以遠(yuǎn)遠(yuǎn)短于發(fā)達(dá)國(guó)家所用時(shí)間實(shí)現(xiàn)碳中和，挑戰(zhàn)前所未有，任務(wù)異常艱巨。能源領(lǐng)域是我國(guó)碳排放的最主要來源，相關(guān)碳排放量占全國(guó)總排放量的近90%，因此能源領(lǐng)域的低碳化發(fā)展將是碳中和目標(biāo)達(dá)成的關(guān)鍵。碳排放與能源資源的種類、利用方式和利用總量直接相關(guān)。我國(guó)“富煤、缺油、少氣”的資源稟賦及主要依賴傳統(tǒng)化石能源的工業(yè)體系，決定了我國(guó)能源消費(fèi)的碳排放強(qiáng)度居高不下。同時(shí)，我國(guó)的煤炭、石油、天然氣、可再生能源與核能等能源分系統(tǒng)間不協(xié)調(diào)性逐步顯現(xiàn)，進(jìn)一步提升了我國(guó)能源消費(fèi)的碳排放強(qiáng)度。因此，必須破除各能源種類及各能源相關(guān)行業(yè)之間板塊分割、互相獨(dú)立的體制壁壘，重構(gòu)我國(guó)能源及相關(guān)工業(yè)體系，通過多能融合形成整體優(yōu)勢(shì)，推進(jìn)其向低碳化、綠色化發(fā)展。要構(gòu)建“清潔低碳、安全高效”的國(guó)家現(xiàn)代能源體系，必須進(jìn)一步加強(qiáng)頂層設(shè)計(jì)和系統(tǒng)規(guī)劃，充分發(fā)揮科技創(chuàng)新的推動(dòng)作用，以變革性技術(shù)為引領(lǐng)，突破行業(yè)壁壘，跨領(lǐng)域促進(jìn)各種能源種類及產(chǎn)業(yè)之間的多能融合，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)我國(guó)碳中和遠(yuǎn)景目標(biāo)，支撐我國(guó)長(zhǎng)遠(yuǎn)可持續(xù)發(fā)展。二、強(qiáng)化原始創(chuàng)新，促進(jìn)關(guān)鍵核心技術(shù)突破“十三五”期間，我國(guó)在煤炭清潔高效轉(zhuǎn)化利用、可再生能源與氫能、核安全與先進(jìn)核能、智能電網(wǎng)、新能源汽車等領(lǐng)域部署了一批重大課題，著力解決我國(guó)能源利用中的關(guān)鍵科學(xué)問題，通過關(guān)鍵核心技術(shù)的突破，帶動(dòng)新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展，推動(dòng)化石能源利用等相關(guān)產(chǎn)業(yè)技術(shù)更新?lián)Q代，進(jìn)而推動(dòng)了碳減排相關(guān)工作。在“十四五”期間，我國(guó)將繼續(xù)加強(qiáng)原始創(chuàng)新，持續(xù)深入研發(fā)國(guó)際領(lǐng)先的新材料、新技術(shù)、新工藝等。加速發(fā)展大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)、氫能和現(xiàn)代電網(wǎng)智能調(diào)控技術(shù)，形成以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)，適應(yīng)新能源電力生產(chǎn)、輸送、并網(wǎng)和消納環(huán)節(jié)的大規(guī)模、高比例特性，進(jìn)而降低發(fā)電煤耗，實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)脫碳。進(jìn)一步加速煤炭清潔高效轉(zhuǎn)化技術(shù)突破與集中示范，如突破合成氣一步法轉(zhuǎn)化高值化學(xué)品、煤制芳烴、煤炭分級(jí)分質(zhì)利用關(guān)鍵核心技術(shù)等。從中遠(yuǎn)期來看，要加快發(fā)展煤炭減量利用的關(guān)鍵技術(shù)，重點(diǎn)突破鋼鐵、化工、水泥、有色等難脫碳行業(yè)的零碳/低碳流程再造技術(shù)，推進(jìn)工業(yè)體系深度脫碳。前瞻部署一批前沿性和顛覆性技術(shù)，如先進(jìn)核能、光電催化制氫、跨系統(tǒng)耦合集成與優(yōu)化、大規(guī)模低成本二氧化碳捕集利用和封存（CCUS）等技術(shù)的創(chuàng)新與研發(fā)，為全社會(huì)深度脫碳提供技術(shù)支撐。中國(guó)科學(xué)院在2017年啟動(dòng)了“變革性潔凈能源關(guān)鍵技術(shù)與示范”的戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)，以促進(jìn)能源技術(shù)革命創(chuàng)新示范。目前取得了一批原創(chuàng)性重大成果。例如，突破了液流電池關(guān)鍵材料制備技術(shù)與批量化技術(shù)，在大連市建成了全球首套100MW級(jí)液流電池儲(chǔ)能電站示范項(xiàng)目；陳海生團(tuán)隊(duì)在壓縮空氣儲(chǔ)能關(guān)鍵技術(shù)方面取得了突破性進(jìn)展，并正在建設(shè)一套100MW/400MW·h的示范項(xiàng)目；包信和團(tuán)隊(duì)研發(fā)的一種新型催化技術(shù)，利用金屬氧化物-分子篩（OX-ZEO）復(fù)合催化體系，可實(shí)現(xiàn)煤基合成氣一步轉(zhuǎn)化直接制烯烴，極大地降低了水耗和能耗，從原理上顛覆了傳統(tǒng)費(fèi)托合成（FT）過程；新一代甲醇制烯烴技術(shù)（MTO）實(shí)現(xiàn)甲醇單耗降低10%，單套烯烴裝置產(chǎn)能從每年60萬噸提高至100萬噸；李燦團(tuán)隊(duì)開發(fā)了ZnZrOx固溶體催化劑，通過光伏發(fā)電-電解水制氫-二氧化碳加氫技術(shù)耦合，實(shí)現(xiàn)了規(guī)?；稍偕茉粗苽湟后w燃料（甲醇）。此外，甘肅省正在建設(shè)首座第四代熔鹽核反應(yīng)堆。三、跨領(lǐng)域聯(lián)合攻關(guān)，推進(jìn)多能融和技術(shù)體系突破多能融合是打破現(xiàn)有能源領(lǐng)域行業(yè)板塊壁壘，推動(dòng)各能源系統(tǒng)間資源優(yōu)勢(shì)的“合并”，重構(gòu)我國(guó)能源及重工業(yè)體系，實(shí)現(xiàn)高碳行業(yè)的綠色低碳循環(huán)發(fā)展的可行手段。為助力實(shí)現(xiàn)碳中和，筆者提出多能融合戰(zhàn)略技術(shù)路線圖，即“三主線、三平臺(tái)”體系（圖1）。圖1.

多能融合戰(zhàn)略技術(shù)路線圖。第一條主線是化石能源清潔高效利用與耦合替代。煤炭燃燒產(chǎn)生的二氧化碳排放約占我國(guó)能源相關(guān)碳排放總量的70%以上，據(jù)《中國(guó)能源統(tǒng)計(jì)年鑒2020》，我國(guó)在2019年用于發(fā)電及供熱的燃煤占煤炭消費(fèi)總量的60%。使用可再生能源或核能發(fā)電取代火電是降低二氧化碳排放最有效的方式，但仍需保留一定數(shù)量的可靈活調(diào)變的火電廠，以保障電力系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。煤炭作為原料將在化工生產(chǎn)中發(fā)揮更重要的作用。例如，利用合成氣/甲醇作為平臺(tái)，推進(jìn)現(xiàn)代煤化工與石油化工的互補(bǔ)融合，制備烯烴、芳烴、乙醇和乙二醇等。同時(shí)，煤化工過程與石油化工過程的耦合可以有效提高碳原子利用率及能量利用效率，例如，甲醇和石腦油耦合轉(zhuǎn)化為輕質(zhì)烯烴。第二條主線是可再生能源的規(guī)?；瘧?yīng)用?？稍偕茉匆?guī)?；l(fā)展是首要任務(wù)，未來將占據(jù)我國(guó)能源結(jié)構(gòu)比重的60%。然而可再生能源（如風(fēng)能和太陽(yáng)能）的主要問題在于其“靠天吃飯”，存在間歇性和波動(dòng)性。需要利用大規(guī)模的儲(chǔ)能平臺(tái)來推動(dòng)可再生能源大規(guī)模、高比例發(fā)展。第三條主線是低碳與數(shù)字化智能化集成優(yōu)化。盡管可再生能源發(fā)電比例的持續(xù)增加將有效降低能源系統(tǒng)的碳排放，碳排放強(qiáng)度較高的工業(yè)領(lǐng)域，如鋼鐵、水泥、化工和有色等，是碳減排的另一個(gè)重點(diǎn)。除了推進(jìn)不同工業(yè)間的科技創(chuàng)新與融合發(fā)展外，利用可再生能源或核能發(fā)電，電解水制備綠氫，對(duì)于促進(jìn)工業(yè)轉(zhuǎn)型非常重要。例如，利用鋼廠尾氣作為碳源制備乙醇，可以促進(jìn)鋼鐵行業(yè)和化工行業(yè)的融合發(fā)展，形成具有經(jīng)濟(jì)性的新型循環(huán)價(jià)值鏈。初步估算，全國(guó)鋼鐵廠25%的剩余尾氣可生產(chǎn)約1000萬噸乙醇，減少排放約2000萬噸二氧化碳。此外，與傳統(tǒng)高爐工藝相比，使用綠氫冶金將減少近八成二氧化碳排放。向煤制烯烴工藝補(bǔ)充足量綠氫可降低該工藝過程碳排放約70%。同時(shí)，大數(shù)據(jù)和人工智能等數(shù)字技術(shù)將從生產(chǎn)、運(yùn)輸、分配到消費(fèi)等方面對(duì)整個(gè)能源價(jià)值鏈產(chǎn)生巨大影響。四、發(fā)揮典型示范作用，以點(diǎn)帶面形成低碳發(fā)展新格局我國(guó)能源應(yīng)用場(chǎng)景復(fù)雜，無法用一套通用的模式解決全國(guó)碳達(dá)峰、碳中和面臨的所有問題。選取典型區(qū)域或行業(yè)進(jìn)行跨領(lǐng)域集成示范，可以有效地促進(jìn)技術(shù)迭代，系統(tǒng)創(chuàng)新體制機(jī)制，探索我國(guó)現(xiàn)代能源體系的建設(shè)路徑，進(jìn)而以點(diǎn)帶面促進(jìn)低碳發(fā)展新格局的形成。目前，以中國(guó)科學(xué)院潔凈能源創(chuàng)新研究院為代表的一批國(guó)內(nèi)能源領(lǐng)域的科研機(jī)構(gòu)與陜西省合作，以能源技術(shù)革命為引領(lǐng)，在榆林建設(shè)國(guó)家級(jí)能源革命創(chuàng)新示范區(qū)，探索構(gòu)建符合西部地區(qū)資源、環(huán)境特征，能支撐西部綠色可持續(xù)發(fā)展的多能融合能源體系，建設(shè)多能融合大型集成產(chǎn)業(yè)化示范基地，助推高碳城市的低碳化發(fā)展。五、小結(jié)為實(shí)現(xiàn)我國(guó)