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吕清刚:“双碳”目标下能源科技发展路径新思考

今年“中国科学院科技支撑碳达峰碳中和战略行动计划”正式发布,部署了科技战略研究、基础前沿交叉创新、关键核心技术突破、新技术综合示范、人才支持培育、国际合作支撑、创新体系能力提升、“双碳”科普八大行动,以及面向“双碳”战略重大科技需求具体实施的18项重点任务。《中国科学报》开设“双碳行动里的国家队”专栏,讲述国家“双碳”目标实现进程中,作为“国家队”与“国家人”的中国科学院如何心系“国家事”,肩扛“国家责”。

实现碳达峰碳中和,是贯彻新发展理念、构建新发展格局、推动高质量发展的内在要求,对我国能源科技发展既提出了挑战,又指引了方向。

我国能源科技界必须立足长远发展,系统梳理能源领域各板块互补融合的技术需求及融合方式,加快突破核心关键技术,并在重点行业、典型区域开展综合示范,推动“双碳”战略要求下的能源低碳转型。

能源的挑战

改革开放以来,尤其是十八大以来,我国全面建成小康社会,历史性地解决了绝对贫困问题。经济快速发展、社会长期稳定,都离不开能源的稳定供应,且能源需求还将稳步增长。

要实现“双碳”目标,首先要处理好发展和减排的关系,在降碳的同时确保能源安全、产业链供应链安全;其次,要立足我国能源资源禀赋,推动能源革命和结构转型,在新能源安全可靠的替代基础上让传统能源逐步退出;第三,下大气力推动钢铁、有色、石化等传统产业优化升级,加快工业领域低碳工艺革新和数字化转型。

我国能源和工业存在一些结构性问题:能源对外依存度高,煤炭的主体地位仍将持续,各能源分系统相对独立,能源和工业结构亟待优化升级。根据国家统计局2020年统计公报,煤炭在我国能源消费中占比56.8%,占据绝对主体地位;能源相关碳排放中,建筑行业占比21%、工业领域占比68%、交通领域占比11%。

同时,我国现有能源体系存在整体效率不高、结构不合理的问题。例如,作为主体能源的煤炭多用于发电且利用率低,石油资源短缺、油品质量不高,可再生能源难以并网和规模应用……总体来说,各能源分系统相对独立,难以合并“同类项”,缺乏链接各能源分系统的关键技术,能源科技竞争力亟待提高。

碳减排需从三端发力

为了应对“双碳”战略要求下的能源转型,中科院在“中国碳中和框架路线图研究”中提出“发电端+能源消费端+固碳端”的三端发力体系,并提出几大重点任务。

任务一:化石能源高效清洁利用。开展发电、工业用能和化工等煤炭燃烧与转化过程的技术革新与示范,进行天然气直燃、高值化利用技术革新与示范,进一步提升石油原料使用属性,实现我国能源系统能效提升。例如,我国富煤贫油少气,煤炭储量丰富且价格只有天然气的1/4到1/5,通过改性可变成类气体燃料,在超低负荷条件下实现高效清洁燃烧,支撑电网消纳大比例可再生能源。

任务二:可再生能源技术。提高非化石能源应用比例,需要多端共同发力,在低成本高效率风能、太阳能、生物质能、海洋能、地热能等可再生能源关键技术,以及智能电网和分布式能源等关键核心技术方面实现突破,构建以新能源为主体的低碳绿色电力系统。例如,我国海上风能资源丰富但起步晚,迫切需要突破核心关键技术及“卡脖子”问题。通过超大功率固定式、漂浮式以及全直流风电关键技术及装备研发,能够支撑我国海上风能大规模利用。

任务三:安全先进核能。研究方向包括加速器驱动先进核能系统、钍基熔盐堆核能系统、磁约束核聚变、激光惯性约束核聚变。其中聚变核能被认为是最有希望彻底解决人类能源问题的“终极能源”,而加速器驱动先进核能系统和钍基熔盐堆核能系统这两者均为非水冷却的核能系统,可建在干旱缺水地区,与光伏、风电等可再生能源及储能、制氢等有效耦合,形成可在西北部大规模推广应用的低碳、绿色的基荷能源系统。

任务四:储能与多能融合。储能是可再生能源大规模融合利用的关键核心技术,我国亟须突破大规模储能、氢能等关键技术,发展储能、氢、合成气为纽带的多能融合梯级利用技术,以及工业行业的流程再造和融合发展技术,支撑高耗能产业低碳绿色转型。

加强全链条布局

中科院以国家能源重大科技需求为己任,以化石能源高效清洁利用,可再生能源大规模利用,核能安全利用,构建多能融合的绿色低碳、安全高效能源体系为目标,从基础研究、关键技术到产业化全链条贯通式部署,形成一系列重大产出。

在煤炭清洁燃烧方面,中科院工程热物理研究所自主开发的低氮排放技术,通过控制燃烧过程,从根本上实现氮氧化物原始超低排放,且不存在二次污染。其中,煤粉预热燃烧技术和循环流化床高温后燃技术在工业锅炉上示范应用,氮氧化物原始排放低于50毫克/立方米。突破了现有尾气净化技术路线系统投资大、成本高、严重制约行业发展的问题。

在煤炭清洁转化利用方面,中科合成油公司开发的煤制油技术实现百万吨级工业化应用,获国家科学技术进步奖一等奖。目前,3套百万吨级商业示范项目已形成650万吨/年的产能,占我国煤制油总产能的85%以上,对保障国家能源安全具有重要意义。

中科院大连化学物理研究所自主开发的煤制烯烃技术正在形成战略新兴产业,年产能2050万吨,约占全国1/3。其中,新一代甲醇制低碳烯烃技术进入工业推广阶段。煤制乙醇开启大规模工业化生产时代;利用钢厂尾气建设百万吨级乙醇生产装置,助推钢厂结构转型和缓解京津冀地区雾霾。2021年5月,习近平总书记在两院院士大会讲话中提到:“甲醇制烯烃技术持续创新带动了我国煤制烯烃产业快速发展。”

在先进核能研究方面,中科院合肥物质科学研究院发展高温超导磁体技术,实现20T高场环境并首次应用于聚变能研究系统,成为国际高场磁体技术的引领者。“人造太阳”全超导托卡马克核聚变实验装置(EAST)实现1056秒的长脉冲高参数等离子体运行。

在储能技术方面,中科院工程热物理研究所自主研制出核心部件,建成全球首套百兆瓦级先进压缩空气储能系统,系统额定设计效率达70%,为全球最高。中科院大连化学物理研究所突破关键材料制备和高功率密度电堆的设计与集成技术,建设全球首套百兆瓦级全钒液流储能系统。

在氢燃料电池及制氢关键技术方面,中科院大连化学物理研究所实现氢燃料电池-40℃低温启动,建成国内首套具备自主知识产权的万台级金属板氢燃料电池电堆自动化生产线;基于3D结构复合载体的铂基合金催化剂入选2020年全球新能源汽车前沿技术,实现兆瓦级PEM电解系统产氢。