“雙碳”目標(biāo)下能源科技發(fā)展路徑新思考

實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和，是貫徹新發(fā)展理念、構(gòu)建新發(fā)展格局、推動(dòng)高質(zhì)量發(fā)展的內(nèi)在要求，對(duì)我國(guó)能源科技發(fā)展既提出了挑戰(zhàn)，又指引了方向。

 

我國(guó)能源科技界必須立足長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展，系統(tǒng)梳理能源領(lǐng)域各板塊互補(bǔ)融合的技術(shù)需求及融合方式，加快突破核心關(guān)鍵技術(shù)，并在重點(diǎn)行業(yè)、典型區(qū)域開(kāi)展綜合示范，推動(dòng)“雙碳”戰(zhàn)略要求下的能源低碳轉(zhuǎn)型。

 

能源的挑戰(zhàn)

 

改革開(kāi)放以來(lái)，尤其是十八大以來(lái)，我國(guó)全面建成小康社會(huì)，歷史性地解決了絕對(duì)貧困問(wèn)題。經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展、社會(huì)長(zhǎng)期穩(wěn)定，都離不開(kāi)能源的穩(wěn)定供應(yīng)，且能源需求還將穩(wěn)步增長(zhǎng)。

 

要實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)，首先要處理好發(fā)展和減排的關(guān)系，在降碳的同時(shí)確保能源安全、產(chǎn)業(yè)鏈供應(yīng)鏈安全；其次，要立足我國(guó)能源資源稟賦，推動(dòng)能源革命和結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型，在新能源安全可靠的替代基礎(chǔ)上讓傳統(tǒng)能源逐步退出；第三，下大氣力推動(dòng)鋼鐵、有色、石化等傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)優(yōu)化升級(jí)，加快工業(yè)領(lǐng)域低碳工藝革新和數(shù)字化轉(zhuǎn)型。

 

我國(guó)能源和工業(yè)存在一些結(jié)構(gòu)性問(wèn)題：能源對(duì)外依存度高，煤炭的主體地位仍將持續(xù)，各能源分系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立，能源和工業(yè)結(jié)構(gòu)亟待優(yōu)化升級(jí)。根據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局2020年統(tǒng)計(jì)公報(bào)，煤炭在我國(guó)能源消費(fèi)中占比56.8%，占據(jù)絕對(duì)主體地位；能源相關(guān)碳排放中，建筑行業(yè)占比21%、工業(yè)領(lǐng)域占比68%、交通領(lǐng)域占比11%。

 

同時(shí)，我國(guó)現(xiàn)有能源體系存在整體效率不高、結(jié)構(gòu)不合理的問(wèn)題。例如，作為主體能源的煤炭多用于發(fā)電且利用率低，石油資源短缺、油品質(zhì)量不高，可再生能源難以并網(wǎng)和規(guī)模應(yīng)用……總體來(lái)說(shuō)，各能源分系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立，難以合并“同類項(xiàng)”，缺乏鏈接各能源分系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，能源科技競(jìng)爭(zhēng)力亟待提高。

 

碳減排需從三端發(fā)力

 

為了應(yīng)對(duì)“雙碳”戰(zhàn)略要求下的能源轉(zhuǎn)型，中科院在“中國(guó)碳中和框架路線圖研究”中提出“發(fā)電端+能源消費(fèi)端+固碳端”的三端發(fā)力體系，并提出幾大重點(diǎn)任務(wù)。

 

任務(wù)一：化石能源高效清潔利用。開(kāi)展發(fā)電、工業(yè)用能和化工等煤炭燃燒與轉(zhuǎn)化過(guò)程的技術(shù)革新與示范，進(jìn)行天然氣直燃、高值化利用技術(shù)革新與示范，進(jìn)一步提升石油原料使用屬性，實(shí)現(xiàn)我國(guó)能源系統(tǒng)能效提升。例如，我國(guó)富煤貧油少氣，煤炭?jī)?chǔ)量豐富且價(jià)格只有天然氣的1/4到1/5，通過(guò)改性可變成類氣體燃料，在超低負(fù)荷條件下實(shí)現(xiàn)高效清潔燃燒，支撐電網(wǎng)消納大比例可再生能源。

 

任務(wù)二：可再生能源技術(shù)。提高非化石能源應(yīng)用比例，需要多端共同發(fā)力，在低成本高效率風(fēng)能、太陽(yáng)能、生物質(zhì)能、海洋能、地?zé)崮艿瓤稍偕茉搓P(guān)鍵技術(shù)，以及智能電網(wǎng)和分布式能源等關(guān)鍵核心技術(shù)方面實(shí)現(xiàn)突破，構(gòu)建以新能源為主體的低碳綠色電力系統(tǒng)。例如，我國(guó)海上風(fēng)能資源豐富但起步晚，迫切需要突破核心關(guān)鍵技術(shù)及“卡脖子”問(wèn)題。通過(guò)超大功率固定式、漂浮式以及全直流風(fēng)電關(guān)鍵技術(shù)及裝備研發(fā)，能夠支撐我國(guó)海上風(fēng)能大規(guī)模利用。

 

任務(wù)三：安全先進(jìn)核能。研究方向包括加速器驅(qū)動(dòng)先進(jìn)核能系統(tǒng)、釷基熔鹽堆核能系統(tǒng)、磁約束核聚變、激光慣性約束核聚變。其中聚變核能被認(rèn)為是最有希望徹底解決人類能源問(wèn)題的“終極能源”，而加速器驅(qū)動(dòng)先進(jìn)核能系統(tǒng)和釷基熔鹽堆核能系統(tǒng)這兩者均為非水冷卻的核能系統(tǒng)，可建在干旱缺水地區(qū)，與光伏、風(fēng)電等可再生能源及儲(chǔ)能、制氫等有效耦合，形成可在西北部大規(guī)模推廣應(yīng)用的低碳、綠色的基荷能源系統(tǒng)。

 

任務(wù)四：儲(chǔ)能與多能融合。儲(chǔ)能是可再生能源大規(guī)模融合利用的關(guān)鍵核心技術(shù)，我國(guó)亟須突破大規(guī)模儲(chǔ)能、氫能等關(guān)鍵技術(shù)，發(fā)展儲(chǔ)能、氫、合成氣為紐帶的多能融合梯級(jí)利用技術(shù)，以及工業(yè)行業(yè)的流程再造和融合發(fā)展技術(shù)，支撐高耗能產(chǎn)業(yè)低碳綠色轉(zhuǎn)型。

 

加強(qiáng)全鏈條布局

 

中科院以國(guó)家能源重大科技需求為己任，以化石能源高效清潔利用，可再生能源大規(guī)模利用，核能安全利用，構(gòu)建多能融合的綠色低碳、安全高效能源體系為目標(biāo)，從基礎(chǔ)研究、關(guān)鍵技術(shù)到產(chǎn)業(yè)化全鏈條貫通式部署，形成一系列重大產(chǎn)出。

 

在煤炭清潔燃燒方面，中科院工程熱物理研究所自主開(kāi)發(fā)的低氮排放技術(shù)，通過(guò)控制燃燒過(guò)程，從根本上實(shí)現(xiàn)氮氧化物原始超低排放，且不存在二次污染。其中，煤粉預(yù)熱燃燒技術(shù)和循環(huán)流化床高溫后燃技術(shù)在工業(yè)鍋爐上示范應(yīng)用，氮氧化物原始排放低于50毫克/立方米。突破了現(xiàn)有尾氣凈化技術(shù)路線系統(tǒng)投資大、成本高、嚴(yán)重制約行業(yè)發(fā)展的問(wèn)題。

 

在煤炭清潔轉(zhuǎn)化利用方面，中科合成油公司開(kāi)發(fā)的煤制油技術(shù)實(shí)現(xiàn)百萬(wàn)噸級(jí)工業(yè)化應(yīng)用，獲國(guó)家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。目前，3套百萬(wàn)噸級(jí)商業(yè)示范項(xiàng)目已形成650萬(wàn)噸/年的產(chǎn)能，占我國(guó)煤制油總產(chǎn)能的85%以上，對(duì)保障國(guó)家能源安全具有重要意義。

 

中科院大連化學(xué)物理研究所自主開(kāi)發(fā)的煤制烯烴技術(shù)正在形成戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)，年產(chǎn)能2050萬(wàn)噸，約占全國(guó)1/3。其中，新一代甲醇制低碳烯烴技術(shù)進(jìn)入工業(yè)推廣階段。煤制乙醇開(kāi)啟大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)時(shí)代；利用鋼廠尾氣建設(shè)百萬(wàn)噸級(jí)乙醇生產(chǎn)裝置，助推鋼廠結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型和緩解京津冀地區(qū)霧霾。2021年5月，習(xí)近平總書記在兩院院士大會(huì)講話中提到：“甲醇制烯烴技術(shù)持續(xù)創(chuàng)新帶動(dòng)了我國(guó)煤制烯烴產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展。”

 

在先進(jìn)核能研究方面，中科院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院發(fā)展高溫超導(dǎo)磁體技術(shù)，實(shí)現(xiàn)20T高場(chǎng)環(huán)境并首次應(yīng)用于聚變能研究系統(tǒng)，成為國(guó)際高場(chǎng)磁體技術(shù)的引領(lǐng)者。“人造太陽(yáng)”全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置（EAST）實(shí)現(xiàn)1056秒的長(zhǎng)脈沖高參數(shù)等離子體運(yùn)行。

 

在儲(chǔ)能技術(shù)方面，中科院工程熱物理研究所自主研制出核心部件，建成全球首套百兆瓦級(jí)先進(jìn)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)，系統(tǒng)額定設(shè)計(jì)效率達(dá)70%，為全球最高。中科院大連化學(xué)物理研究所突破關(guān)鍵材料制備和高功率密度電堆的設(shè)計(jì)與集成技術(shù)，建設(shè)全球首套百兆瓦級(jí)全釩液流儲(chǔ)能系統(tǒng)。

 

在氫燃料電池及制氫關(guān)鍵技術(shù)方面，中科院大連化學(xué)物理研究所實(shí)現(xiàn)氫燃料電池-40℃低溫啟動(dòng)，建成國(guó)內(nèi)首套具備自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的萬(wàn)臺(tái)級(jí)金屬板氫燃料電池電堆自動(dòng)化生產(chǎn)線；基于3D結(jié)構(gòu)復(fù)合載體的鉑基合金催化劑入選2020年全球新能源汽車前沿技術(shù)，實(shí)現(xiàn)兆瓦級(jí)PEM電解系統(tǒng)產(chǎn)氫。

 

（作者系中科院工程熱物理研究所研究員）