多能互補與CCUS耦合利用碳減排模式分析

曹建寶

（中國石油化工集團有限公司發(fā)展計劃部，北京 100728）

隨著溫室氣體效應的日益加劇，世界主要經(jīng)濟體逐步達成了21世紀中葉前后達到碳中和或近零排放的目標。目前，我國“雙碳”目標進入實質(zhì)性布局階段，國家碳達峰、碳中和“1＋N”政策體系逐步落地，對能源化工產(chǎn)業(yè)的影響將日益顯現(xiàn)[1]。

我國能源稟賦是“富煤、缺油、少氣”，產(chǎn)業(yè)偏重、能源偏煤、效率偏低，高碳發(fā)展路徑依賴的慣性較大，實現(xiàn)“雙碳”目標需要克服較大困難。除了要大力發(fā)展非化石能源，構(gòu)建以新能源為主體的新型電力體系外，還需要大幅推進節(jié)能和提高能效，推動傳統(tǒng)化石能源的低碳化轉(zhuǎn)型，利用價廉質(zhì)優(yōu)的能源，實現(xiàn)經(jīng)濟高效碳減排，對加速實現(xiàn)碳中和有重要的推動作用。在此背景下，構(gòu)建多能互補能源系統(tǒng)，可以實現(xiàn)能源的梯級利用，提高能源綜合利用水平，最終實現(xiàn)能源的最合理的利用效果和效益[2]。此外，還可以通過多能源的協(xié)同互補整體優(yōu)化來提高可再生能源的利用率，與碳捕集、利用與封存（CCUS）耦合利用來實現(xiàn)低濃度脫碳工藝的“負碳排放”[3]。

1 多能互補耦合CCUS技術實施模式

1.1 CCUS與氫能技術耦合

目前，生產(chǎn)低碳氫的方法主要有兩種，一種是利用可再生電力和電解工藝將氫從水中分離出來，產(chǎn)生綠氫。另一種則是目前在大力發(fā)展的藍氫，即通過煤制氫、天然氣制氫、化工尾氣制氫等生產(chǎn)氫氣（見表1），并將制氫工業(yè)廢氣（CO2）捕集后，通過地質(zhì)利用、物理利用、化學利用、生物利用和封存等方式，實現(xiàn)近零碳排放。通過將CCUS技術與氫能產(chǎn)業(yè)耦合，將灰氫變?yōu)樗{氫，補充氫能的供應，逐漸實現(xiàn)由灰氫＋CCUS耦合技術向綠氫技術過渡，是目前發(fā)展的熱點。未來，隨著可再生能源占比提高、電解槽成本的降低，綠氫將逐漸占據(jù)主導地位，需要更深入地研究如何將綠氫與CCUS技術相耦合。

表1 常見制氫方法比較

此外，由于煉化和氯堿等行業(yè)常產(chǎn)生大量多余氫氣，未來技術成熟后，有望與CO2發(fā)生化學反應，低成本制取甲醇或多元醇。圖1為CCUS與氫能互補耦合利用的示意。通過CCUS技術捕集在制氫過程中排放的CO2，一方面可以采用捕集或資源化利用的方式，另一方面可與制得的H2通過化學合成等技術得到具有高附加值的有機化學品，從而產(chǎn)生經(jīng)濟效益。

圖1 CCUS與氫能互補耦合利用

1.2 CCUS與風光互補技術耦合

2020年，我國基于中國科學院大連物化所開發(fā)的關鍵技術，建成了液態(tài)太陽燃料合成示范項目，利用太陽能發(fā)電，進一步將電能轉(zhuǎn)化為方便儲存運輸容易的化學能，為高壓輸電之外的太陽能利用提供了新思路。此外，加州理工學院研發(fā)團隊設計了一種利用太陽能驅(qū)動CO2還原CO的裝置，該策略為經(jīng)濟高效的太陽能驅(qū)動CO2還原提供了有效途徑，也為太陽能到化學能的轉(zhuǎn)換提供了新思路。

基于上述技術途徑，提出了為CCUS與風光互補耦合利用思路（見圖2）。風能屬于可再生清潔能源，技術相對成熟且成本不斷下降。雖然穩(wěn)定性差，但若將其與無需連續(xù)供電的CCUS技術耦合，整個流程碳排放較小，可以加快CCUS產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展，促進規(guī)?；瘻p排的分布部署。同樣，太陽能作為一種新興的可再生能源，與CCUS技術耦合利用，產(chǎn)生的熱能可直接用于CO2化學法捕集工藝的能量供應，產(chǎn)生的電能可為CCUS工藝提供能源動力，捕集的CO2可通過加氫等化學轉(zhuǎn)化形成醇類有機燃料。將風光技術與CCUS耦合，有效降低傳統(tǒng)CCUS技術的能耗和排放，實現(xiàn)全流程的負排放，為CCUS技術可持續(xù)發(fā)展提供技術支撐。

圖2 CCUS與風光互補耦合利用

1.3 CCUS與生物質(zhì)能技術耦合

生物質(zhì)能屬于可再生能源，具有可替代化石能源潛力，及減少CO2凈排放和原料消耗等優(yōu)勢。在生物質(zhì)生長過程中，光合作用有效地吸收了大氣中的CO2。雖然作為工業(yè)原材料或燃料時，會再次把CO2排入大氣中，但是從生命周期的維度上看，卻可以實現(xiàn)碳中性，即CO2的凈零排放（見圖3）。

圖3 CCUS與生物質(zhì)能互補耦合利用

我國生物質(zhì)能資源雖然豐富，但目前利用規(guī)模有限，減排主要依靠生物質(zhì)能＋碳捕集與封存（BECCS）技術實現(xiàn)。利用碳捕集與儲存技術，把生物質(zhì)能利用過程中釋放的CO2排入大氣之前捕集起來，并注入到滿足特定地質(zhì)條件的地下深部儲層永久封存，或直接將CO2用作原料，通過加氫反應的化學手段資源化利用，形成醇類等化學品，不僅能實現(xiàn)CO2負排放，而且可以產(chǎn)生經(jīng)濟效益，有利于CCUS產(chǎn)業(yè)成本降低和技術推廣。生物質(zhì)發(fā)電＋CCUS是實現(xiàn)中長期全經(jīng)濟范圍“凈零碳排放”潛在的關鍵技術，有必要為推進中長期溫室氣體的凈零排放提供技術儲備。

2 多能互補耦合CCUS技術產(chǎn)業(yè)展望

2.1 技術產(chǎn)業(yè)及CCUS未來發(fā)展概況

“雙碳”背景下，我國大力發(fā)展清潔能源，但短期內(nèi)，煤炭仍是我國火力發(fā)電的主要能源。近年來，煤電行業(yè)的發(fā)展存在很多問題，如利用小時降低，電力交易成交價格降低，規(guī)劃建設規(guī)模較電力需求偏大等。因此，考慮到資源、環(huán)境等各方面的影響，遏制煤電無序增長是未來趨勢。

近年來，可再生能源快速發(fā)展，但由于風力與光伏的不穩(wěn)定，以及沒有平衡好可再生能源的開發(fā)能力和對富裕電力消納水平的關系，導致我國出現(xiàn)了嚴重的棄風棄光現(xiàn)象[4-5]。對于棄風棄光的問題，目前可以通過儲能技術和分布式能源系統(tǒng)來解決[6]。風光制氫方面，國內(nèi)部分高校已開展研究，利用氫能耦合CO2排放的研究處于探索階段。《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃（2021-2035年）》提出[7]，到2030年，形成較為完備的氫能產(chǎn)業(yè)技術創(chuàng)新體系、清潔能源制氫及供應體系，可再生能源制氫廣泛應用。到2035年，形成氫能產(chǎn)業(yè)體系，構(gòu)建涵蓋交通、儲能、工業(yè)等領域的多元氫能應用生態(tài)。

國際能源署（IEA）在2020年發(fā)布的《世界能源發(fā)展》報告中指出，為實現(xiàn)2070年全球凈零碳排放，需利用CCUS技術進行CO2儲存和消納[8]。2020年以來，發(fā)達國家加快部署CCUS技術和示范項目，不斷擴展應用領域[9]。與國外發(fā)達國家相比，中國CCUS工作起步較晚，減排任務艱巨。因此，必須加強新技術為研發(fā)，建立CCUS產(chǎn)業(yè)集群，與煤電、可再生能源形成共建，推動CCUS產(chǎn)業(yè)化和可持續(xù)性。

2.2 技術發(fā)展的階段劃分

1）第一階段（2021-2025年）：煤電消納，穩(wěn)定電網(wǎng)

近年我國電力市場需求增速下降、東西部不均衡。同時，經(jīng)濟結(jié)構(gòu)調(diào)整，導致使用電負荷峰谷差加大，電力利用效率下降。第一階段應加速上網(wǎng)煤電的合理調(diào)配，通過“源—網(wǎng)—荷”優(yōu)化匹配來實現(xiàn)將閑時富裕網(wǎng)電經(jīng)多能互補系統(tǒng)靈活調(diào)度送到有電能需求的負荷點[10]。為消納余電，可采用電—熱、電—氫轉(zhuǎn)換集成方法或抽水蓄能、蓄電池蓄電等儲能的手段；為提供用戶負荷，可采用熱—電、氫—電 轉(zhuǎn)換蓄水發(fā)電、蓄電池放電手段，將存儲的能量轉(zhuǎn)換為電供應。當用戶需求存在峰谷差異時，在綜合能源系統(tǒng)中引入蓄能手段，可有效地緩解因不同步而造成的供需矛盾，以此來提高多能互補系統(tǒng)的變工況調(diào)節(jié)能力。

具體采用：首先構(gòu)建區(qū)域微網(wǎng)，進而實現(xiàn)電網(wǎng)、儲能等之間無縫切換，提高能源利用率。其次推行全國范疇內(nèi)電力余缺調(diào)劑。應在全國范圍內(nèi)平衡供需，如新疆地區(qū)煤電資源豐富，但當?shù)毓I(yè)發(fā)展水平低，可繼續(xù)加大煤電東送的形式將當?shù)孛弘娰Y源輸出到東部地區(qū)[10-11]。

2）第二階段（2026-2030年）：棄風棄光高效利用

過去10年，我國清潔能源發(fā)展迅速，發(fā)電也面臨并網(wǎng)和消納問題，如，2014年，我國因棄水棄光棄風的損失電量超過300億千瓦時[12]?？蓪⑿履茉窗l(fā)電納入多能互補系統(tǒng)，通過輸配電網(wǎng)的改造和新型儲能技術的推廣應用，實現(xiàn)就地消納分布式電源接入和外部輸入新電源電能，并依靠外輸通道，把富余新能源發(fā)電跨省消納，棄風棄光難題有望根本解決[13]。第二階段在前期消納上網(wǎng)煤電的基礎上，大力發(fā)展風能、太陽能等清潔能源發(fā)電規(guī)模，并基于多能互補網(wǎng)絡，提高清潔能源的比重和消納能力。

在我國，嚴重的棄風棄光現(xiàn)象主要集中在新疆、青海、甘肅、四川等西北地區(qū)以及吉林地區(qū)，可通過建設太陽能發(fā)電場、風力發(fā)電站場，以及水電站，大力扶持當?shù)毓I(yè)發(fā)展，并借助特高壓電網(wǎng)將西部電力資源運輸?shù)綎|部地區(qū)，可以解決東部地區(qū)的用電難題。

3）第三階段（2031-2035年）：風光制氫，耦合碳減排

未來，被認為最具發(fā)展?jié)摿Φ馁Y源就是氫能，它對解決能源危機、環(huán)境污染以及全球變暖等問題影響巨大。但是目前技術主要依靠化石能源制氫（如煤氣化、天然氣裂解和甲醇重整），獲得氫氣的同時會釋放出大量溫室氣體，屬于灰氫，并未實現(xiàn)真正的能源清潔化，嚴重制約氫能發(fā)展[14]，即想要實現(xiàn)真正的清潔能源，就必須解決氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展過程中的CO2排放問題[15-16]。目前全球大力發(fā)展氫能和太陽能等清潔能源，但能源利用率偏低，且可能在生產(chǎn)過程中排放CO2。CCUS技術本身需要消耗能源，使用清潔能源為CCUS供能，并對產(chǎn)生的CO2捕集利用或封存，可實現(xiàn)互補耦合。將風光資源制氫產(chǎn)業(yè)與CCUS技術耦合起來，不僅能推動傳統(tǒng)化石能源的可持續(xù)發(fā)展，而且能促進可再生能源產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，為我國高碳能源資源稟賦的穩(wěn)步轉(zhuǎn)型提供戰(zhàn)略緩沖期，為國家“雙碳”目標實現(xiàn)提供有力支撐。

3 結(jié)語

探討CCUS技術與國家重點扶持和規(guī)劃的氫能、太陽能、風能和生物質(zhì)能的耦合利用模式，為實現(xiàn)“雙碳”目標提供一種未來能源解決方案。與部分發(fā)達國家相比，我國多能互補與CCUS技術產(chǎn)業(yè)起步較晚、規(guī)模較小，政策、經(jīng)濟、技術等配套條件還不夠完善，大規(guī)模推廣應用還處于起步階段。因此，需要進一步建立健全相關法規(guī)和技術標準，加大資金支持力度，加強技術的研發(fā)力度，加快工業(yè)化大規(guī)模推廣應用，以利于實現(xiàn)碳達峰、碳中和的目標。