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呂清剛:“雙碳”目標下能源科技發展路徑新思考

發布日期:2022-07-14 信息來源:中國科學報 字號:[ ]

今年“中國科學院科技支撐碳達峰碳中和戰略行動計劃”正式發布,部署了科技戰略研究、基礎前沿交叉創新、關鍵核心技術突破、新技術綜合示范、人才支持培育、國際合作支撐、創新體系能力提升、“雙碳”科普八大行動,以及面向“雙碳”戰略重大科技需求具體實施的18項重點任務。《中國科學報》開設“雙碳行動里的國家隊”專欄,講述國家“雙碳”目標實現進程中,作為“國家隊”與“國家人”的中國科學院如何心系“國家事”,肩扛“國家責”。

實現碳達峰碳中和,是貫徹新發展理念、構建新發展格局、推動高質量發展的內在要求,對我國能源科技發展既提出了挑戰,又指引了方向。

我國能源科技界必須立足長遠發展,系統梳理能源領域各板塊互補融合的技術需求及融合方式,加快突破核心關鍵技術,并在重點行業、典型區域開展綜合示范,推動“雙碳”戰略要求下的能源低碳轉型。

能源的挑戰

改革開放以來,尤其是十八大以來,我國全面建成小康社會,歷史性地解決了絕對貧困問題。經濟快速發展、社會長期穩定,都離不開能源的穩定供應,且能源需求還將穩步增長。

要實現“雙碳”目標,首先要處理好發展和減排的關系,在降碳的同時確保能源安全、產業鏈供應鏈安全;其次,要立足我國能源資源稟賦,推動能源革命和結構轉型,在新能源安全可靠的替代基礎上讓傳統能源逐步退出;第三,下大氣力推動鋼鐵、有色、石化等傳統產業優化升級,加快工業領域低碳工藝革新和數字化轉型。

我國能源和工業存在一些結構性問題:能源對外依存度高,煤炭的主體地位仍將持續,各能源分系統相對獨立,能源和工業結構亟待優化升級。根據國家統計局2020年統計公報,煤炭在我國能源消費中占比56.8%,占據絕對主體地位;能源相關碳排放中,建筑行業占比21%、工業領域占比68%、交通領域占比11%。

同時,我國現有能源體系存在整體效率不高、結構不合理的問題。例如,作為主體能源的煤炭多用于發電且利用率低,石油資源短缺、油品質量不高,可再生能源難以并網和規模應用……總體來說,各能源分系統相對獨立,難以合并“同類項”,缺乏鏈接各能源分系統的關鍵技術,能源科技競爭力亟待提高。

碳減排需從三端發力

為了應對“雙碳”戰略要求下的能源轉型,中科院在“中國碳中和框架路線圖研究”中提出“發電端+能源消費端+固碳端”的三端發力體系,并提出幾大重點任務。

任務一:化石能源高效清潔利用。開展發電、工業用能和化工等煤炭燃燒與轉化過程的技術革新與示范,進行天然氣直燃、高值化利用技術革新與示范,進一步提升石油原料使用屬性,實現我國能源系統能效提升。例如,我國富煤貧油少氣,煤炭儲量豐富且價格只有天然氣的1/4到1/5,通過改性可變成類氣體燃料,在超低負荷條件下實現高效清潔燃燒,支撐電網消納大比例可再生能源。

任務二:可再生能源技術。提高非化石能源應用比例,需要多端共同發力,在低成本高效率風能、太陽能、生物質能、海洋能、地熱能等可再生能源關鍵技術,以及智能電網和分布式能源等關鍵核心技術方面實現突破,構建以新能源為主體的低碳綠色電力系統。例如,我國海上風能資源豐富但起步晚,迫切需要突破核心關鍵技術及“卡脖子”問題。通過超大功率固定式、漂浮式以及全直流風電關鍵技術及裝備研發,能夠支撐我國海上風能大規模利用。

任務三:安全先進核能。研究方向包括加速器驅動先進核能系統、釷基熔鹽堆核能系統、磁約束核聚變、激光慣性約束核聚變。其中聚變核能被認為是最有希望徹底解決人類能源問題的“終極能源”,而加速器驅動先進核能系統和釷基熔鹽堆核能系統這兩者均為非水冷卻的核能系統,可建在干旱缺水地區,與光伏、風電等可再生能源及儲能、制氫等有效耦合,形成可在西北部大規模推廣應用的低碳、綠色的基荷能源系統。

任務四:儲能與多能融合。儲能是可再生能源大規模融合利用的關鍵核心技術,我國亟須突破大規模儲能、氫能等關鍵技術,發展儲能、氫、合成氣為紐帶的多能融合梯級利用技術,以及工業行業的流程再造和融合發展技術,支撐高耗能產業低碳綠色轉型。

加強全鏈條布局

中科院以國家能源重大科技需求為己任,以化石能源高效清潔利用,可再生能源大規模利用,核能安全利用,構建多能融合的綠色低碳、安全高效能源體系為目標,從基礎研究、關鍵技術到產業化全鏈條貫通式部署,形成一系列重大產出。

在煤炭清潔燃燒方面,中科院工程熱物理研究所自主開發的低氮排放技術,通過控制燃燒過程,從根本上實現氮氧化物原始超低排放,且不存在二次污染。其中,煤粉預熱燃燒技術和循環流化床高溫后燃技術在工業鍋爐上示范應用,氮氧化物原始排放低于50毫克/立方米。突破了現有尾氣凈化技術路線系統投資大、成本高、嚴重制約行業發展的問題。

在煤炭清潔轉化利用方面,中科合成油公司開發的煤制油技術實現百萬噸級工業化應用,獲國家科學技術進步獎一等獎。目前,3套百萬噸級商業示范項目已形成650萬噸/年的產能,占我國煤制油總產能的85%以上,對保障國家能源安全具有重要意義。

中科院大連化學物理研究所自主開發的煤制烯烴技術正在形成戰略新興產業,年產能2050萬噸,約占全國1/3。其中,新一代甲醇制低碳烯烴技術進入工業推廣階段。煤制乙醇開啟大規模工業化生產時代;利用鋼廠尾氣建設百萬噸級乙醇生產裝置,助推鋼廠結構轉型和緩解京津冀地區霧霾。2021年5月,習近平總書記在兩院院士大會講話中提到:“甲醇制烯烴技術持續創新帶動了我國煤制烯烴產業快速發展。”

在先進核能研究方面,中科院合肥物質科學研究院發展高溫超導磁體技術,實現20T高場環境并首次應用于聚變能研究系統,成為國際高場磁體技術的引領者。“人造太陽”全超導托卡馬克核聚變實驗裝置(EAST)實現1056秒的長脈沖高參數等離子體運行。

在儲能技術方面,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先進壓縮空氣儲能系統,系統額定設計效率達70%,為全球最高。中科院大連化學物理研究所突破關鍵材料制備和高功率密度電堆的設計與集成技術,建設全球首套百兆瓦級全釩液流儲能系統。

在氫燃料電池及制氫關鍵技術方面,中科院大連化學物理研究所實現氫燃料電池-40℃低溫啟動,建成國內首套具備自主知識產權的萬臺級金屬板氫燃料電池電堆自動化生產線;基于3D結構復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,實現兆瓦級PEM電解系統產氫。






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