“雙碳”目標(biāo)下能源領(lǐng)域低碳轉(zhuǎn)型技術(shù)進(jìn)展

董立霞

(中石化(北京)化工研究院有限公司，北京 102500)

據(jù)統(tǒng)計，全球2019年人類活動導(dǎo)致的二氧化碳排放量為390×108t，其中75%來自于化石能源消費(fèi)[1]。中國早已作為全球第一大能源消費(fèi)國和能源生產(chǎn)國。我國能源體系中煤炭占比超過一半，遠(yuǎn)超世界平均值27%[2]。2020年“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)的提出加速了我國推進(jìn)碳減排的步伐。本文通過對我國能源組成與轉(zhuǎn)型推動力分析，對轉(zhuǎn)型技術(shù)發(fā)展及前景進(jìn)行綜述分析。

1 我國能源轉(zhuǎn)型現(xiàn)狀

1.1 我國能源組成與利用

(1)煤炭能源占比高，油氣對外依存度高

化石能源以高能量密度、經(jīng)濟(jì)性高、易于轉(zhuǎn)化利用等優(yōu)點(diǎn)成為當(dāng)前社會的主要能源。受“富煤、貧油、少氣”國情影響，我國能源結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)“煤炭占比過半，油氣對外依賴度高”的特點(diǎn)?，F(xiàn)研究數(shù)據(jù)表明，我國能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中，煤炭占比為57%，其次石油占比19%，天然氣占比8%，化石能源三者累計占比84%，非化石能源占比僅為16%[3]。2019年，我國原油與天然氣高度依賴進(jìn)口，其對外依存度分別超過70%和45%，而我國儲氣能力為年消費(fèi)量的5.7%，遠(yuǎn)低于世界水平的12%至15%。

(2)能源利用率偏低，碳減排難度大

從單位GDP能耗強(qiáng)度來看，我國部分工業(yè)產(chǎn)品單耗雖已接近國際先進(jìn)水平，但整體能耗強(qiáng)度與歐美發(fā)達(dá)國家仍存在較大差距。2018年，我國能耗強(qiáng)度分別為日、德、法、美、韓的4.1、3.7、3.7、2.4、1.4倍。從能源系統(tǒng)加工轉(zhuǎn)化整體效率來看，我國能源加工轉(zhuǎn)化整體效率為65.1%，與美國、德國和日本分別相差7.8%、5.4%和2.6%。上述因素疊加之下，我國成為全球最大的碳排放國，能源相關(guān)領(lǐng)域貢獻(xiàn)了全國碳排放量80%以上，碳減排難度巨大。

1.2 能源轉(zhuǎn)型因素

(1)社會輿論與政府政策

生態(tài)環(huán)境的惡化喚醒了各國人民環(huán)保意識。國際國內(nèi)環(huán)保組織也多次倡議公共交通方式出行。2020年，殼牌公司在歐洲的工業(yè)項目遭到環(huán)保組織起訴，要求其2030年較2019年減少碳排45%。我國民眾也自發(fā)組織“地球關(guān)燈一小時”等環(huán)保節(jié)能活動。

能源轉(zhuǎn)型過程是不破不立的過程，需要打破現(xiàn)有經(jīng)濟(jì)、產(chǎn)業(yè)、利益及制度結(jié)構(gòu)，政府力量的推動必不可少。2020年，在國家十四五規(guī)劃指導(dǎo)下，鋼鐵、石油、煤炭、水泥等高碳排行業(yè)的主要企業(yè)紛紛制定出各自的十四五規(guī)劃，著重碳減排領(lǐng)域布局。如，鋼鐵、煉油行業(yè)進(jìn)行相關(guān)低碳排放技術(shù)更新?lián)Q代，低碳能源的推廣應(yīng)用等。

(2)市場需求與技術(shù)發(fā)展

預(yù)計，2035年全球電力消費(fèi)增長為化石能源消費(fèi)增長的2倍。電力消費(fèi)的增長為新能源及其相關(guān)產(chǎn)業(yè)提供了巨大發(fā)展空間。世界知名石化公司道達(dá)爾(Total)公司布局新能源領(lǐng)域，其曾于2020年2月斥資5.1億美元收購印度阿達(dá)尼集團(tuán)太陽能業(yè)務(wù)50%股份。中國主要能源公司也紛紛開發(fā)氫能領(lǐng)域。中石油規(guī)劃十四五期間建成2500 m3/h的氫能項目；2018年中石化成立新能源研究所，承擔(dān)氫能利用相關(guān)項目，并成功研發(fā)了電解水制氫專用催化劑，達(dá)到國內(nèi)領(lǐng)先水平。

風(fēng)能、光伏發(fā)電及氫能等新興能源應(yīng)用成本逐步降低。評估數(shù)據(jù)顯示，2009-2019年，陸上風(fēng)電發(fā)電成本下降70%；大型地面光伏發(fā)電成本下降89%。其中，陸上風(fēng)電2019 年發(fā)電成本僅為28～54 美元/(MW·h)，總體低于天然氣聯(lián)合循環(huán)44～68 美元/(MW·h)的水平[4]。隨著各新能源應(yīng)用成本的持續(xù)降低，其逐步具有了同傳統(tǒng)能源競爭的能力與空間。目前，我國第三代非能動核電機(jī)組和高溫氣冷堆系統(tǒng)等安全核心問題取得重大技術(shù)突破，為我國核電清潔能源建設(shè)奠定堅實基礎(chǔ)。

2 能源轉(zhuǎn)型技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

依據(jù)轉(zhuǎn)型技術(shù)在能源領(lǐng)域及“雙碳”目標(biāo)中的作用，可將其分為清潔可再生能源碳的零碳排技術(shù)、能源開發(fā)及利用過程的低碳排技術(shù)和CO2捕集及利用的負(fù)碳排技術(shù)。

2.1 零碳排技術(shù)

2.1.1 可再生能源與核電

水資源作為應(yīng)用時間最長的清潔能源，應(yīng)用技術(shù)十分成熟。2020年，我國水力發(fā)電量占全球水力發(fā)電量的30%以上，成為“水電大國”[5]。截止2020年底，水能資源豐富的十大流域開發(fā)程度均超60%，常規(guī)水電裝機(jī)規(guī)模占水能技術(shù)開發(fā)量的49.5%[6]。我國已跨入國際“無人區(qū)”，處于世界領(lǐng)先地位。

核能作為重要清潔能源之一，具有功率運(yùn)行穩(wěn)定、全生命周期碳排最低和能量密度極高的優(yōu)勢特點(diǎn)[7]。目前，我國多用途模塊式小型堆型品牌“玲龍一號”成為全球首個開工的路上商用模塊化小堆，聚變核能項目——中國環(huán)流器二號M裝置在2020年4月實現(xiàn)首次放電。我國擁有具有完全知識產(chǎn)權(quán)的三代核電技術(shù)，已發(fā)展成為世界上核能發(fā)展前三國家。截止2021年7月，我國大陸地區(qū)完成額定裝機(jī)容量5327 MW，實際發(fā)電量占全國總發(fā)電量的5.04%[7]。

2.1.2 風(fēng)力發(fā)電與光伏發(fā)電

我國風(fēng)能資源極其豐富，儲量和可開發(fā)的裝機(jī)容量都居世界首位。2018年，我國全年風(fēng)力發(fā)電上網(wǎng)發(fā)電量達(dá)到35.7 TWh，占全部發(fā)電量的5.2%；海上風(fēng)力發(fā)電新增裝機(jī)容量1.66 GW，累計裝機(jī)容量達(dá)到4.45 GW[8]。我國打破國外技術(shù)壟斷，實現(xiàn)了風(fēng)電機(jī)組整機(jī)邁向MW級跨越式發(fā)展。形成3.6 MW以下裝備、設(shè)計與制造體系，逐步掌握5 MW、6 MW整機(jī)集成技術(shù)，實現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組整機(jī)及零部件85%以上國產(chǎn)自給率，一躍成為世界風(fēng)電設(shè)備制造大國。

近年來，我國光伏發(fā)電及其相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展與規(guī)模多年保持世界第一。我國發(fā)展形成了晶體硅太陽能電池產(chǎn)業(yè)化技術(shù)體系，掌握高效晶體硅太陽能電池制備及工藝技術(shù)。批量生產(chǎn)多晶硅電池效率18.5%，取得了世界范圍內(nèi)最高的多晶硅太陽能電池效率。對于光伏發(fā)電規(guī)模化利用的關(guān)鍵技術(shù)取得重大突破，掌握并建成10～100 MW級水/光/柴/儲多能互補(bǔ)微電網(wǎng)設(shè)計集成技術(shù)與工業(yè)示范[8]。據(jù)統(tǒng)計，2017年我國光伏發(fā)電量占全球光伏發(fā)電了的1/4，后續(xù)依然保持增長態(tài)勢[8]。

2.2 低碳排技術(shù)

化石能源是現(xiàn)代有機(jī)化工基礎(chǔ)，是當(dāng)今世界不可或缺的物質(zhì)保障基礎(chǔ)?！笆奈濉币?guī)劃要求我國能源消費(fèi)中煤炭、油氣等化石能源占比分別降至48.0%、19%、11.5%，明顯高于國際平均水平[9]，因此，開發(fā)低碳清潔化生產(chǎn)技術(shù)以減少化石能源開采與利用中的碳排放十分必要。

2.2.1 煤炭能源低碳清潔化生產(chǎn)技術(shù)

煤炭領(lǐng)域的高碳排主要在開采與利用階段。煤炭采端企業(yè)通過煤炭井下分選實現(xiàn)清潔生產(chǎn)，在減少開采廢物的運(yùn)輸成本的同時提高煤礦開采效率；利用礦井中地源熱泵替代傳統(tǒng)空調(diào)與燃煤鍋爐，實現(xiàn)節(jié)能減排與煤礦資源的綜合利用；將易引發(fā)安全事故的瓦斯?jié)饪s利用，提高煤礦瓦斯利用率[10]。

超(超)臨界發(fā)電技術(shù)，通過強(qiáng)化機(jī)組潔凈發(fā)電技術(shù)，分析NOx、SOx、汞等污染物生成與排放規(guī)律，實現(xiàn)燃煤發(fā)電的超低排放[11]。新型煤氣化、煤與有機(jī)廢氣無協(xié)同氣化技術(shù)、煤與合成氣一步法制備化學(xué)品等工藝技術(shù)的研發(fā)，減少煤炭利用過程的多步轉(zhuǎn)化，提高整體轉(zhuǎn)化效率，降低生產(chǎn)反應(yīng)中的能耗與污染物排放[12]。

2.2.2 油氣能源低碳清潔化生產(chǎn)技術(shù)

石油的碳?xì)浔葲Q定了石油在含碳材料與化工品應(yīng)用的優(yōu)勢。我國汽車耗用的汽柴油約占我國石油產(chǎn)品總量的2/3。短時間內(nèi)實現(xiàn)汽車動力脫碳也面臨諸多挑戰(zhàn)。實現(xiàn)油氣能源的低碳減排的關(guān)鍵是實現(xiàn)煉油技術(shù)的低能耗與低碳排。

基于“分子煉油”理念，吸附分離或萃取分離技術(shù)能實現(xiàn)較低溫度和較低壓力下的產(chǎn)物分離，降低整體工藝能耗與碳排放量[13]。渣油脫瀝青和脫油瀝青氣化-脫瀝青油固定床加氫組合技術(shù)[14]，提高脫瀝青油的渣油利用效率，實現(xiàn)劣質(zhì)渣油的清潔、低能耗、低碳與高效轉(zhuǎn)化。

2.3 負(fù)碳排技術(shù)

碳捕集、利用與封存(CCUS)技術(shù)是指將CO2從能源利用、工業(yè)過程等排放源或空氣中捕集分離，進(jìn)行地下封存或轉(zhuǎn)化利用的技術(shù)[15]。依據(jù)CO2最終去向，可分為CO2捕集封存技術(shù)和CO2資源化技術(shù)。

2.3.1 CO2捕集技術(shù)

國內(nèi)CO2捕集技術(shù)主要應(yīng)用在油氣開采領(lǐng)域。利用CO2與原油間作用力，從而降低原油黏度，達(dá)到提高原油產(chǎn)量的目的。截止2017年底，該技術(shù)的應(yīng)用已累計增油13.8×104t[16]。

盡管CO2封存技術(shù)已實現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用，能有效提升油井產(chǎn)量的同時實現(xiàn)CO2的永久封存，但仍存在一定經(jīng)濟(jì)性。目前我國投入的21項CCS項目中，CO2捕集能力多低于10×104t/a，僅有8個項目產(chǎn)生可觀收益[15]。

2.3.2 CO2制燃料化學(xué)品

(1)CO2制燃料

我國成品油中汽油的表觀消費(fèi)量巨大，同時汽油也是制備乙烯與芳烴的重要原料。實現(xiàn)CO2制汽油一直是該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。傳統(tǒng)CO2合成高碳產(chǎn)物的催化劑主要圍繞Fe基催化劑，但受限于ASF分布，其催化產(chǎn)物中高碳烴(C5～C11)選擇性較低，CO與CH4選擇性較高[17]。2017年大連化物所創(chuàng)制Na-Fe3O4/HZSM-5復(fù)合催化劑，實現(xiàn)多位點(diǎn)耦合，通過一步法將CO2加氫制汽油[18]，同時工業(yè)化全套技術(shù)與2020年完成千噸級中試實驗，實現(xiàn)CO2轉(zhuǎn)化率85.1%，汽油選擇性76.1%。

(2)CO2制化學(xué)品

“雙碳”目標(biāo)下，實現(xiàn)CO2轉(zhuǎn)化為甲醇是一條高值化的技術(shù)路徑[16]。CO2通過加氫反應(yīng)和逆水煤汽變換反應(yīng)生成甲醇。該技術(shù)現(xiàn)已實現(xiàn)商業(yè)化，其甲醇年產(chǎn)量達(dá)3500 噸。2020年，我國首個先進(jìn)液態(tài)陽光項目在蘭州投入運(yùn)行，實現(xiàn)綠電工業(yè)應(yīng)用與“碳減排”目標(biāo)的耦合。

α-烯烴與高級醇作為高端材料聚合單體引起廣泛關(guān)注，實現(xiàn)CO2定向轉(zhuǎn)化該類化學(xué)品，不僅實現(xiàn)碳循環(huán)，還能有效降低對原油依賴[19]。國內(nèi)外研究人員針對CO2的化學(xué)惰性及高碳產(chǎn)物選擇性低的難題開展了廣泛研究，主要集中在CO2的催化活化與碳碳耦合反應(yīng)兩方面。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)曾杰教授團(tuán)隊通過對活性中心對CO2加氫反應(yīng)機(jī)制的研究，提出局域?qū)ΨQ破缺活性中心使CO2更易被彎曲活化，提高CO2加氫活性[20]。酸性中心是碳碳耦合反應(yīng)的活性中心。王野等[21]引入介孔H-ZSM-5分子篩，提升產(chǎn)物C5～C11選擇性至70%；Gao等[22]通過引入SAPO-34，實現(xiàn)低碳烯烴選擇性達(dá)80%，C2～C4烴選擇性達(dá)93%，甲烷選擇性降低至4%。

該類技術(shù)雖處于基礎(chǔ)研究階段，但該類方案是實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)負(fù)碳排基礎(chǔ)之上，開發(fā)出一種擺脫化石能源的依賴的生產(chǎn)途徑，具有十分廣闊的應(yīng)用前景。

3 能源轉(zhuǎn)型發(fā)展建議

能源轉(zhuǎn)型是一場能源領(lǐng)域推陳出新的能源技術(shù)革命，低碳轉(zhuǎn)型的前提與要求是平穩(wěn)轉(zhuǎn)型。綜合分析當(dāng)前能源技術(shù)發(fā)展，不論從無碳排的新能源技術(shù)，還是實現(xiàn)二氧化碳循環(huán)的碳減排與利用技術(shù)，亦或是提能增效的低碳排生產(chǎn)技術(shù)，均無法承載能源領(lǐng)域平穩(wěn)轉(zhuǎn)型的重?fù)?dān)。面對緊迫的碳中和任務(wù)，尋找具有高能量密度與較低碳排的替代能源十分必要。

3.1 低碳排替代能源

天然氣具有較低的二氧化碳排放強(qiáng)度。研究數(shù)據(jù)顯示，煤炭消費(fèi)在一次能源占比中為56.8%，但其二氧化碳排放占比達(dá)67.4%；而天然氣的一次能源消費(fèi)占比為8.3%，排放的二氧化碳占比僅為5.4%[13]。當(dāng)前我國人均天然氣消費(fèi)量遠(yuǎn)低于世界平均水平。加之，相較于風(fēng)能、太陽能等清潔能源，天然氣發(fā)電具有更好的調(diào)峰并網(wǎng)能力。因此，采用具有低碳排的天然氣替代高碳排的煤炭能源，可實現(xiàn)能源穩(wěn)定供應(yīng)的同時降低能源消耗碳排放。

抽水蓄能結(jié)合了應(yīng)用最為成熟的水電技術(shù)優(yōu)勢，利用抽水蓄能電站的靈活運(yùn)行與調(diào)峰能力，調(diào)節(jié)新能源、核電等清潔能源發(fā)電快速增長對電力系統(tǒng)的沖擊，保障電力系統(tǒng)的穩(wěn)定，最終形成風(fēng)電、光伏、核電等清潔能源為主體的多能互補(bǔ)綜合能源供給體系[23]。

3.2 能源轉(zhuǎn)型發(fā)展方向

新能源的大規(guī)模并網(wǎng)要求電力系統(tǒng)靈活調(diào)節(jié)能源的輸、發(fā)、配、變、用的平衡[24]。其關(guān)鍵是實現(xiàn)電能的“變”相存儲。結(jié)合我國先進(jìn)的水電技術(shù)，發(fā)展高效能抽水蓄能電站，構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)。

我國是風(fēng)能、太陽能儲備較為豐富的國家。受新能源發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)不成熟影響，導(dǎo)致當(dāng)前風(fēng)電與太陽能豐富地區(qū)能源棄用率超過20%。國家多舉措消除高能源啟用率。如合理規(guī)劃電網(wǎng)結(jié)構(gòu)新能源發(fā)電的就地消納，推進(jìn)高能輸電系統(tǒng)與設(shè)備，建立優(yōu)勝劣汰的市場競爭體制等。

4 結(jié) 語

發(fā)展穩(wěn)定、安全的新型能源是實現(xiàn)低碳轉(zhuǎn)型和降低能耗的根本。圍繞構(gòu)建新型電力系統(tǒng)、持續(xù)開發(fā)新型能源發(fā)電與新型電力系統(tǒng)規(guī)劃運(yùn)行技術(shù)與體制，同步開發(fā)二氧化碳捕集與轉(zhuǎn)化利用技術(shù)，實現(xiàn)能源轉(zhuǎn)化利用過程中碳減排與二氧化碳綜合利用。