多能融合技術體系助力碳中和的路徑探索

一、引言2005年，我國二氧化碳排放總量超過美國，成為全球第一大碳排放國家。隨著經濟持續(xù)快速增長，我國二氧化碳排放總量在2019年達到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趨勢，在2018年達到6.8t，約為全球平均水平的1.5倍。在此背景下，我國在保障經濟持續(xù)增長的同時要以遠遠短于發(fā)達國家所用時間實現(xiàn)碳中和，挑戰(zhàn)前所未有，任務異常艱巨。能源領域是我國碳排放的最主要來源，相關碳排放量占全國總排放量的近90%，因此能源領域的低碳化發(fā)展將是碳中和目標達成的關鍵。碳排放與能源資源的種類、利用方式和利用總量直接相關。我國“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，決定了我國能源消費的碳排放強度居高不下。同時，我國的煤炭、石油、天然氣、可再生能源與核能等能源分系統(tǒng)間不協(xié)調性逐步顯現(xiàn)，進一步提升了我國能源消費的碳排放強度。因此，必須破除各能源種類及各能源相關行業(yè)之間板塊分割、互相獨立的體制壁壘，重構我國能源及相關工業(yè)體系，通過多能融合形成整體優(yōu)勢，推進其向低碳化、綠色化發(fā)展。要構建“清潔低碳、安全高效”的國家現(xiàn)代能源體系，必須進一步加強頂層設計和系統(tǒng)規(guī)劃，充分發(fā)揮科技創(chuàng)新的推動作用，以變革性技術為引領，突破行業(yè)壁壘，跨領域促進各種能源種類及產業(yè)之間的多能融合，進而實現(xiàn)我國碳中和遠景目標，支撐我國長遠可持續(xù)發(fā)展。二、強化原始創(chuàng)新，促進關鍵核心技術突破“十三五”期間，我國在煤炭清潔高效轉化利用、可再生能源與氫能、核安全與先進核能、智能電網、新能源汽車等領域部署了一批重大課題，著力解決我國能源利用中的關鍵科學問題，通過關鍵核心技術的突破，帶動新能源產業(yè)發(fā)展，推動化石能源利用等相關產業(yè)技術更新?lián)Q代，進而推動了碳減排相關工作。在“十四五”期間，我國將繼續(xù)加強原始創(chuàng)新，持續(xù)深入研發(fā)國際領先的新材料、新技術、新工藝等。加速發(fā)展大規(guī)模儲能技術、氫能和現(xiàn)代電網智能調控技術，形成以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)，適應新能源電力生產、輸送、并網和消納環(huán)節(jié)的大規(guī)模、高比例特性，進而降低發(fā)電煤耗，實現(xiàn)電力系統(tǒng)脫碳。進一步加速煤炭清潔高效轉化技術突破與集中示范，如突破合成氣一步法轉化高值化學品、煤制芳烴、煤炭分級分質利用關鍵核心技術等。從中遠期來看，要加快發(fā)展煤炭減量利用的關鍵技術，重點突破鋼鐵、化工、水泥、有色等難脫碳行業(yè)的零碳/低碳流程再造技術，推進工業(yè)體系深度脫碳。前瞻部署一批前沿性和顛覆性技術，如先進核能、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）等技術的創(chuàng)新與研發(fā)，為全社會深度脫碳提供技術支撐。中國科學院在2017年啟動了“變革性潔凈能源關鍵技術與示范”的戰(zhàn)略性先導科技專項，以促進能源技術革命創(chuàng)新示范。目前取得了一批原創(chuàng)性重大成果。例如，突破了液流電池關鍵材料制備技術與批量化技術，在大連市建成了全球首套100MW級液流電池儲能電站示范項目；陳海生團隊在壓縮空氣儲能關鍵技術方面取得了突破性進展，并正在建設一套100MW/400MW·h的示范項目；包信和團隊研發(fā)的一種新型催化技術，利用金屬氧化物-分子篩（OX-ZEO）復合催化體系，可實現(xiàn)煤基合成氣一步轉化直接制烯烴，極大地降低了水耗和能耗，從原理上顛覆了傳統(tǒng)費托合成（FT）過程；新一代甲醇制烯烴技術（MTO）實現(xiàn)甲醇單耗降低10%，單套烯烴裝置產能從每年60萬噸提高至100萬噸；李燦團隊開發(fā)了ZnZrOx固溶體催化劑，通過光伏發(fā)電-電解水制氫-二氧化碳加氫技術耦合，實現(xiàn)了規(guī)?；稍偕茉粗苽湟后w燃料（甲醇）。此外，甘肅省正在建設首座第四代熔鹽核反應堆。三、跨領域聯(lián)合攻關，推進多能融和技術體系突破多能融合是打破現(xiàn)有能源領域行業(yè)板塊壁壘，推動各能源系統(tǒng)間資源優(yōu)勢的“合并”，重構我國能源及重工業(yè)體系，實現(xiàn)高碳行業(yè)的綠色低碳循環(huán)發(fā)展的可行手段。為助力實現(xiàn)碳中和，筆者提出多能融合戰(zhàn)略技術路線圖，即“三主線、三平臺”體系（圖1）。圖1.

多能融合戰(zhàn)略技術路線圖。第一條主線是化石能源清潔高效利用與耦合替代。煤炭燃燒產生的二氧化碳排放約占我國能源相關碳排放總量的70%以上，據(jù)《中國能源統(tǒng)計年鑒2020》，我國在2019年用于發(fā)電及供熱的燃煤占煤炭消費總量的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中發(fā)揮更重要的作用。例如，利用合成氣/甲醇作為平臺，推進現(xiàn)代煤化工與石油化工的互補融合，制備烯烴、芳烴、乙醇和乙二醇等。同時，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化為輕質烯烴。第二條主線是可再生能源的規(guī)?；瘧谩？稍偕茉匆?guī)模化發(fā)展是首要任務，未來將占據(jù)我國能源結構比重的60%。然而可再生能源（如風能和太陽能）的主要問題在于其“靠天吃飯”，存在間歇性和波動性。需要利用大規(guī)模的儲能平臺來推動可再生能源大規(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，碳排放強度較高的工業(yè)領域，如鋼鐵、水泥、化工和有色等，是碳減排的另一個重點。除了推進不同工業(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，對于促進工業(yè)轉型非常重要。例如，利用鋼廠尾氣作為碳源制備乙醇，可以促進鋼鐵行業(yè)和化工行業(yè)的融合發(fā)展，形成具有經濟性的新型循環(huán)價值鏈。初步估算，全國鋼鐵廠25%的剩余尾氣可生產約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。向煤制烯烴工藝補充足量綠氫可降低該工藝過程碳排放約70%。同時，大數(shù)據(jù)和人工智能等數(shù)字技術將從生產、運輸、分配到消費等方面對整個能源價值鏈產生巨大影響。四、發(fā)揮典型示范作用，以點帶面形成低碳發(fā)展新格局我國能源應用場景復雜，無法用一套通用的模式解決全國碳達峰、碳中和面臨的所有問題。選取典型區(qū)域或行業(yè)進行跨領域集成示范，可以有效地促進技術迭代，系統(tǒng)創(chuàng)新體制機制，探索我國現(xiàn)代能源體系的建設路徑，進而以點帶面促進低碳發(fā)展新格局的形成。目前，以中國科學院潔凈能源創(chuàng)新研究院為代表的一批國內能源領域的科研機構與陜西省合作，以能源技術革命為引領，在榆林建設國家級能源革命創(chuàng)新示范區(qū)，探索構建符合西部地區(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，建設多能融合大型集成產業(yè)化示范基地，助推高碳城市的低碳化發(fā)展。五、小結為實現(xiàn)我國