構(gòu)建化石能源、可再生能源、核能低碳化多能融合的新型能源體系

■本報記者 李惠鈺

當(dāng)前，全球?qū)�溫室氣體排放引起的氣候變化問題已經(jīng)形成共識，并達(dá)成了二氧化碳減排的約束性政府間協(xié)議。我國政府承諾，到2020年非化石能源消費(fèi)比重達(dá)到15%，2030年前后碳排放達(dá)到峰值，2050年非化石能源消費(fèi)比重達(dá)到50%。

然而，中國科學(xué)院專家研究分析認(rèn)為，2050年目標(biāo)難以單純依靠現(xiàn)有技術(shù)的累積性進(jìn)步來實(shí)現(xiàn)，因而一方面必須革新現(xiàn)有煤炭、石油、天然氣、可再生能源、核能等各大能源類型相互獨(dú)立的格局，另一方面則需要在技術(shù)上實(shí)現(xiàn)可使不同能源種類間優(yōu)勢互補(bǔ)、對沖融合的重大創(chuàng)新。

為此，中國科學(xué)院于2018年6月啟動“變革性潔凈能源關(guān)鍵技術(shù)與示范”戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)（A類），針對我國現(xiàn)有能源結(jié)構(gòu)缺陷和發(fā)展趨勢進(jìn)行體系化頂層設(shè)計，通過變革性關(guān)鍵技術(shù)突破與示范，以能源技術(shù)革命促進(jìn)能源革命，實(shí)現(xiàn)化石能源、可再生能源、核能的融合發(fā)展，助力構(gòu)建國家清潔低碳、安全高效能源新體系。

該專項(xiàng)執(zhí)行周期為5年，牽頭單位為中科院大連化學(xué)物理研究所，該所所長、中國工程院院士劉中民為專項(xiàng)負(fù)責(zé)人。近日，在接受《中國科學(xué)報》采訪時，劉中民強(qiáng)調(diào)，構(gòu)建清潔低碳、安全高效的能源體系是我國未來能源發(fā)展的重大戰(zhàn)略目標(biāo)，而科技創(chuàng)新是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的關(guān)鍵。

孤立系統(tǒng)難以協(xié)調(diào)發(fā)展

近年來，我國能源產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，但“富煤、貧油、少氣”的資源稟賦特點(diǎn)使我國長期以來形成了以化石能源為主的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)，由此帶來生態(tài)環(huán)境和能源資源瓶頸等問題，在應(yīng)對氣候變化上也面臨越來越大的國際壓力。

“我國能源發(fā)展面臨前所未有的挑戰(zhàn)，在保護(hù)環(huán)境和發(fā)展生態(tài)文明的大前提下解決能源問題，不僅要保障油氣供應(yīng)安全，還要解決二氧化碳減排協(xié)議約束與化石能源利用的矛盾；不僅要保障能源總量增加的發(fā)展需求，還要更加清潔化。”劉中民告訴記者。

當(dāng)前，我國能源科技水平總體不高，在全球處于局部領(lǐng)先、部分先進(jìn)、總體落后的地位。劉中民表示，我國能源創(chuàng)新活動與產(chǎn)業(yè)需求脫節(jié)的現(xiàn)象普遍存在，各創(chuàng)新單元同質(zhì)化發(fā)展、無序競爭、低效率及低收益問題較為突出。能源產(chǎn)業(yè)缺乏關(guān)鍵核心技術(shù)，部分核心裝備、工藝、材料仍受制于人，重大能源工程依賴進(jìn)口設(shè)備的現(xiàn)象仍較為普遍，技術(shù)空心化和對外依存度偏高的現(xiàn)象尚未得到有效解決。

不僅如此，我國現(xiàn)有能源體系也存在結(jié)構(gòu)性缺陷。長期以來，我國能源體系中逐漸形成了相對獨(dú)立的各分系統(tǒng)，但系統(tǒng)間的發(fā)展不協(xié)調(diào)性日益凸顯。劉中民指出，受限于我國的能源資源特點(diǎn)，石油化工難以足量提供化工基本原料，嚴(yán)重制約下游精細(xì)化工行業(yè)發(fā)展；而煤化工適于制取大宗化學(xué)品和油品，可以彌補(bǔ)石油資源不足，現(xiàn)代煤化工與石油化工亟待協(xié)調(diào)發(fā)展，優(yōu)化合理的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)。

類似問題還體現(xiàn)在太陽能、風(fēng)能發(fā)電并網(wǎng)率低，水能、核能局部相對過剩，燃料乙醇存在與人爭糧風(fēng)險等。“孤立的能源分系統(tǒng)難以協(xié)調(diào)發(fā)展，整體效率不高，‘九龍治水’已經(jīng)不能適應(yīng)發(fā)展的需求，亟待破除供給側(cè)各能源種類之間板塊分割、互相獨(dú)立的體制壁壘，突破能源種類之間互補(bǔ)及耦合利用的核心技術(shù)。”劉中民說。

技術(shù)創(chuàng)新引領(lǐng)“三條主線”

科學(xué)家的共識是，以科技創(chuàng)新為引領(lǐng)，才能保障國家目標(biāo)的順利實(shí)現(xiàn)。

對此，劉中民聯(lián)合諸多科學(xué)家建議，我國應(yīng)從能源系統(tǒng)頂層設(shè)計角度出發(fā)，以能源技術(shù)創(chuàng)新為引領(lǐng)，以化石能源清潔高效利用與耦合替代、清潔能源多能互補(bǔ)與規(guī)模應(yīng)用、低碳化多能戰(zhàn)略融合為三條主線，逐步構(gòu)建清潔低碳、安全高效的國家能源新體系。

值得關(guān)注的是，相比其他能源種類，煤炭在我國能源結(jié)構(gòu)中的比重雖然有所下降，但其作為我國能源結(jié)構(gòu)主體的基本國情在未來很長一段時間內(nèi)難以改變。因此，劉中民首先鼓勵發(fā)展以煤炭為代表的化石能源清潔高效利用與耦合替代技術(shù)，保障能源安全。

具體而言，通過技術(shù)創(chuàng)新，加強(qiáng)新產(chǎn)品開發(fā)，通過延伸產(chǎn)業(yè)鏈，發(fā)展高附加值、精細(xì)化、差異化的產(chǎn)品。重點(diǎn)以甲醇轉(zhuǎn)化為平臺，耦合石油基原料，實(shí)現(xiàn)烯烴、芳烴和含氧化合物大宗化學(xué)品/燃料的合成技術(shù)變革，形成煤化工與石油化工協(xié)調(diào)發(fā)展、構(gòu)建合理產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的整體理念。

另外，還要重點(diǎn)研究煤轉(zhuǎn)化以及油煤氣耦合制燃料和大宗化學(xué)品的新路線和新方法，突破以煤經(jīng)合成氣、甲醇為平臺化合物的能源化學(xué)品合成新技術(shù)，推動煤化工與石油化工融合發(fā)展和相關(guān)工業(yè)轉(zhuǎn)型升級，突破民用散燒、工業(yè)燃煤高效超低排放燃燒關(guān)鍵技術(shù)瓶頸等。

第二條主線是發(fā)展清潔能源多能互補(bǔ)與規(guī)模應(yīng)用技術(shù)。劉中民表示，在未來的新型能源體系中，可再生能源與新能源將替代化石能源供電、供熱，并通過富余電力生產(chǎn)氫能，為交通燃料生產(chǎn)、化工品合成提供氫源；高碳化石能源、低碳生物質(zhì)能將通過物質(zhì)轉(zhuǎn)化，滿足交通燃料、化工品、焦炭、電石、新型炭材料等產(chǎn)品生產(chǎn)需求，而儲能是關(guān)鍵的平臺技術(shù)。

隨著電動車的推廣和普及，化石能源原料消費(fèi)也將更集中于化工品、新型含碳材料等產(chǎn)品生產(chǎn)。例如，以電動車作為分布式儲能的終端，根據(jù)車輛使用情況進(jìn)行電能反饋，提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性，推動風(fēng)電、太陽能發(fā)電大規(guī)模接入電網(wǎng)，有利于實(shí)現(xiàn)電動汽車、智能電網(wǎng)與可再生能源的融合發(fā)展。

第三條主線是創(chuàng)新驅(qū)動低碳化多能戰(zhàn)略融合。當(dāng)前，能源結(jié)構(gòu)正處于從高碳到低碳、無碳的過渡期。我國能源消費(fèi)以化石能源為主，利用化石能源必然排放二氧化碳，而要減排二氧化碳，只能從能源系統(tǒng)融合發(fā)展角度，發(fā)展新的能源體系。

“原理上，在保障滿足能源總需求量的同時，多能互補(bǔ)融合可以比單純增加可再生能源實(shí)現(xiàn)更大幅度的碳減排。”劉中民告訴記者，利用可再生能源、高溫核能等制取的低碳?xì)�，可以補(bǔ)充煤化工之所缺，同時與二氧化碳通過催化耦合制取油品和大宗化學(xué)品，以產(chǎn)氫和用氫為紐帶，實(shí)現(xiàn)能源總體上的低碳化和低碳排放。

在技術(shù)創(chuàng)新上，劉中民指出，要針對重要能源載體甲醇和氫的可再生能源大規(guī)模制備及應(yīng)用，創(chuàng)新發(fā)展各種能源的互補(bǔ)、耦合利用技術(shù)，圍繞氫能經(jīng)濟(jì)，打造氫的生產(chǎn)、儲運(yùn)和消費(fèi)的完整技術(shù)鏈，發(fā)展可再生能源制氫、核能制氫技術(shù)及應(yīng)用體系；開發(fā)二氧化碳低能耗大規(guī)模捕集、資源化利用技術(shù)，將二氧化碳與氫反應(yīng)生成甲醇等化學(xué)品；開展先進(jìn)燃料電池和燃料電池分布式發(fā)電技術(shù)，引領(lǐng)帶動電動車等戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)變革和發(fā)展，實(shí)現(xiàn)低碳化多能融合發(fā)展，為由化石能源時代邁向陽光能源時代打通道路。

實(shí)施新型舉國體制

為使政府能夠精準(zhǔn)地制定引導(dǎo)性政策，作為國家目標(biāo)還需要不斷地清晰技術(shù)路徑。而“構(gòu)建清潔低碳、安全高效能源體系”的內(nèi)涵，也決定了必須實(shí)施新型舉國體制才有可能實(shí)現(xiàn)國家目標(biāo)。

為推動能源領(lǐng)域的科技發(fā)展，劉中民建議，首先應(yīng)加強(qiáng)頂層設(shè)計，布局實(shí)施能源領(lǐng)域重大科技任務(wù)。在化石能源清潔高效利用、可再生能源大規(guī)模開發(fā)利用、安全先進(jìn)核能、多能互補(bǔ)融合關(guān)鍵技術(shù)等戰(zhàn)略必爭領(lǐng)域，與國家科技創(chuàng)新體系構(gòu)建緊密結(jié)合，論證啟動實(shí)施潔凈能源相關(guān)重大項(xiàng)目，發(fā)揮各創(chuàng)新主體優(yōu)勢，研究提出梯次接續(xù)方案，從能源供給側(cè)、消費(fèi)側(cè)技術(shù)革命的高度進(jìn)行頂層設(shè)計和統(tǒng)籌，部署潔凈能源技術(shù)攻關(guān)任務(wù)。

其次，應(yīng)加強(qiáng)能源戰(zhàn)略研究，打造高端智庫，為國家構(gòu)建清潔低碳、安全高效的現(xiàn)代能源體系提供智力支撐。組建具有全球影響力的能源戰(zhàn)略研究專業(yè)團(tuán)隊(duì)，給予其必要的穩(wěn)定資源配置，發(fā)展符合我國能源現(xiàn)狀的能源發(fā)展戰(zhàn)略創(chuàng)新研究方法，科學(xué)合理地提出支撐我國能源體系構(gòu)建的關(guān)鍵技術(shù)和技術(shù)集成戰(zhàn)略，從頂層進(jìn)行全局性的能源發(fā)展戰(zhàn)略研究，為國家政策制定提供科學(xué)依據(jù)。

最后，應(yīng)加快完善國家能源創(chuàng)新體系。建立創(chuàng)新鏈、產(chǎn)業(yè)鏈、資金鏈、政策鏈相互交織、相互支撐的全鏈條創(chuàng)新體系。明確各類創(chuàng)新主體在國家創(chuàng)新體系中的使命定位。劉中民建議，從國家層面加速推進(jìn)潔凈能源領(lǐng)域國家實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)，這對推動我國能源科技進(jìn)步、提升能源領(lǐng)域國際影響力，以及構(gòu)建“清潔低碳、安全高效”的能源體系具有重要意義。