刘中民院士：实现碳中和需构建多能融合新能源体系_郭媛媛.pdf

31 ENVIRONMENTAL PROTECTION V ol. 50 No.07 2022 《 中共中央 国务院关于完整准 确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳 中和工作的意见 》 指出 ， 到 2025年 ， 绿色低碳循环发展的经济体系初步形 成 ， 重点行业能源利用效率大幅提 升 ， 并就推进经济社会发展全面绿色 转型 、 深度调整产业结构 、 加快构建 清洁低碳安全高效能源体系 、 加强绿 色低碳重大科技攻关和推广应用等方 面提出了具体要求 。 碳达峰 、 碳中和 目标将会给我国的经济社会发展带来 怎样的挑战 ？ 应该如何稳步走好能源 低碳转型之路 ？ 转型过程又将带动和 促进哪些行业和领域的创新与发展 ？ 近日 ，《 环境保护 》 杂志记者视频连 线中国工程院院士 、 中国科学院大连 化学物理研究所所长刘中民 ， 就上述 问题对他进行了专访 。 实现碳中和需要构建多能融合新型 能源体系 《环境保护》：有专家认 为，碳中和目标会给我国的经济 发展带来巨大挑战。您对此如何 看待？ 刘中民： 碳中和目标对我国能 源产业结构 、 经济结构转型升级提出 更高要求 ， 需顶层超前谋划 ， 构建多 能融合新能源体系 ， 保障新经济发展 模式下的能源安全与持续稳定供给 。 刘中民院士：实现碳中和需构建多能 融合新能源体系 ■ 文/本刊记者 郭媛媛 于宝源 Liu Zhongmin: It Is Necessary to Build a Multi-energy Integrated New Energy System to Achieve Carbon Neutrality 中国的二氧化碳 （ CO 2 ） 排放总 量已于2005年超过美国 ， 中国由此成 为全球第一大碳排放国家 。 随着经济 持续快速增长 ， 中 国的 CO 2 排放总量 仍呈快速增长趋势 ， 到 2020年占全球 CO 2 排放总量的30%左右 。 能源利用是 我国温室气体的主要来源 。 实现碳中 和目标意味着要进行颠覆性的能源革 命 、 科技革命和经济转型 ， 要颠覆从 工业革命以来建立的以化石能源 （ 如 煤炭 、 石油 、 天然气 ） 为主导的能源 体系 ， 转变为以非化石能源为主导的 能源体系 。 我认为 ， 规模性是实现碳 中和目标必须要考虑的问题 。 因为我 国碳排放总量巨大 ， 且从实现碳达峰 到实现碳中和只有3 0年左右的时间 ， 所以在极短时间内实现如此巨大规模 的碳减排任务艰巨 。 能源利用与工业 生产密切相关 ， 钢铁 、 水泥 、 化工等 行业产生的CO 2 排放量约占CO 2 排放总 量的40% 。 能源消费 及CO 2 排放量受产 品需求影响 ， 与经济发展速度和结构 联动 ， 技术上难以通过替代进行减 排 ， 属于难脱碳行业 ， 仅仅依靠自 身技术进步的减排空间小 ， 减排成 本高 。 实现碳中和目标 ， 各个领域不仅 要突破诸多关键技术门槛 ， 还要破除 各类能源之间的壁垒 ， 突破工业流程 再造的瓶颈和关键核心技术 ， 这也正 是构建我国新能源体系与产业转型升 级的重点方向和难点问题 。 跨领域 、 系统化布局不仅有巨大的创新空间 ， 还会产生巨大的总体节能减排效果 。 多能融合的新型能源体系能够切实提 高能源储备和保障能力 ， 保障我国能 源产业链 、 供应链的安全和稳定 。 煤化工弥补石油不足造成的结构性 缺陷 《环境保护》：请问在“碳 中和”的大背景下，我国化工领域 会受到哪些影响？您认为化工行业 后续的发展方向是什么？如何实现 产业转型与能源转型？ 刘中民： 我国的资源禀赋决 定了化石资源仍将在较长时期内在能 源生产及工业利用中发挥作用 。 煤化 工的发展不仅要保障我国能源安全和 产业链 、 供应链的稳定 ， 还要弥补我 国石油不足所造成的结构性缺陷 。 煤 化工在以技术创新促进自身实现清洁 化 、 低碳化转型的同时 ， 还能够促进 相关高能耗工业转型升级 。 现代煤化工是以煤为主要原料 ， 能够生产多种清洁燃料和基础化工原 料的煤炭加工转化产业 。 经 过 20余年 的发展 ， 我国现代煤化工行业整体技 术位于世界领先水平 ， 一批标志性的 新技术在我国已首次实现工业化 。 对话 DOI:10.14026/j.cnki.0253-9705.2022.07.011 对话32 煤化工行业的发展对保障国家能源安 全 、 推动产业结构调整和地方经济发 展具有重要作用 。 我国现已形成较为 完备的煤直接液化 、 煤间接液化 、 煤 制甲醇 、 甲醇制烯烃 、 合成气制乙二 醇等关键工艺和工程体系 ， 大型气化 炉等关键装备已经全部实现国产化 ， 技术装备水平也已总体达到国际领先 水平 。 在我国碳达峰 、 碳中和目标及能 源结构转型的背景下 ， 煤化工产业将 进一步与新能源融合 ， 向清洁化 、 低 碳化方向发展 ， 重点发展与新能源制 氢耦合技术 、 煤炭 /合成气直接转化 制燃料与化学品技术等 ， 将绿色理念 贯穿于整个生产过程 ， 最大限度地减 少对生态环境的污染和碳排放 ， 降低 生产成本 。 煤化工作为保证国家能源安全 和产业链完整的支柱型产业 ， 应该得 到更多关注 。 煤化工的基本任务通常 被认为是 “ 石油替代 ”， 但不仅要 用煤化工来填补石油资源及产品供应 的不足 ， 更要实现二者的协调发展 ， 促进相关产业进步 ， 由此形成更加合 理的工业结构 。 同时 ， 我特别要强 调 ， 仅仅依靠煤化工行业自身的技术 进步和效率提升实现低碳清洁发展仍 然面临一些挑战 ， 需要发挥国家体制 优势 ， 超越领域限制 ， 将现代煤化工 放在能源与工业变革的大格局下统筹 考虑 ， 打破各能源种类相互独立分割 的局面 ， 推动各能源系统之间的资源 整合 ， 解决现代煤化工低碳清洁发展 问题 。 煤炭正从能源向能源和原料并重的 角色转变 《环境保护》：据了解，煤 炭可以通过煤化工技术生产煤制油 来替代一些进口石油，从而让我国 的能源对外依存度降下来。另外， 燃煤发电的清洁度也在逐步提升。 您如何看煤炭的问题？煤炭又该何 去何从，最好的出路是什么？ 刘中民： 从能源产业链安全 稳定的角度考虑 ， 煤炭利用正从能源 燃料向燃料和原料并重的角色转变 。 我国能源资源禀赋具有 “ 富煤贫油少 气 ” 的特征 ， 在全国已探明的化石 能源资源储量中 ， 煤炭占比为 94%左 右 ， 石油 、 天然气对外依存度偏高 ， 存在供应安全风险 ； 可再生能源产能 难以满足全国1 4亿人口的用能需求 ， 仍需要煤炭 、 石油等化石能源保障供 需平衡和经济社会发展的基本需求 。 煤炭具有能源和原料双重属性 ， 提升其作为原料的利用比例是重要的 发展方向 。 在世界能源发展历史中 ， 煤炭的能源化利用方式主要是通过燃 烧过程为人们提供热量 、 电力 。 而煤 炭的原料化利用是指煤经过加工转化 为化学产品 。 与煤燃烧相比 ， 原料化 利用的碳元素更多地留在了产品中 ， CO 2 排放到自然中的量也少一些 。 能源 从高碳向低碳甚至无碳转变是国际大 趋势 ， 但是 ， 地球上的生物及生命活 动本来就是基于以碳元素为基础的物 质系统 ， 随着社会不断发展 ， 人们对 有机化学产品及材料的需求仍将继续 增加 。 当前 ， 煤炭的原料利用是推动 供给侧结构性改革的重要举措 ， 也是 实现石化产品原料多元化 、 保障我国 能源安全的重要途径 。 近些年兴起的 现代煤化工以煤热解 、 气化为基础 ， 以一碳化学为主线 ， 以新型催化剂和 工艺过程为核心 ， 以工艺流程装备为 保障 ， 产品主要有合成油 、 天然气 、 烯烃 、 乙醇 、 乙二醇 、 芳烃 、 精细化 学品等 ， 人们生活中常用的塑料 、 合 成橡胶 、 合成纤维等都离不开这些原 料 。 现代煤化工不仅可缓解我国石油 依存度过高的局面 ， 还可以实现我国 能源化学品生产的多元化 ， 提高我国 应对国际原油价格波动的能力 ， 同时 也可弥补现有石油加工与石油化工行 业的结构性缺陷 ， 促进工业结构转型 升级 ， 特别是在紧急情况下还可以成 为保障油气供应的重要支柱 ， 为国家 的能源安全提供支撑 。 氢能是新能源的“搬运工” 《环境保护》：在我国能源 结构调整过程中，您对哪种能源有 较高的期待？从专业的角度来看， 推进减污降碳协同增效，后续还需 要在哪些方面做出更多努力？ 刘中民： 发挥氢能 、 储能在 新能源体系中的纽带作用 ， 协同解决 风能 、 太阳能 、 生物质能等新能源大 规模应用和化石能源清洁低碳发展问 题 。 当下我国正处于新旧能源交替的 关键时期 。 以风能 、 太阳能 、 生物质 能为代表的新能源储量丰富 ， 具备丰 富的能源供给手段以及替代传统能源 供应的巨大潜力 。 习近平主席在气候 雄心峰会上提出了到2030年 ， 风电 、 太阳能发电总装机容量将达到12亿 kW 以上的愿景目标 。 目前 ， 新能源 （ 如 风能 、 太阳能等 ） 普遍存在能量密度 低及低负荷运转时稳定性差等问题 ， 难以自成体系或通过自身技术进步 提供稳定的能源供应 。 鉴于此 ， 建议 要从国家层面协同解决新能源大规模 应用和化石能源清洁低碳发展问题 ， 重点发挥氢能 、 储能等在整个新能源 体系中的纽带作用 。 国家和地方需要 加大对储能产业发展的支持力度 ， 营 造有利于储能产业发展的电力市场机 制 ， 明确储能应用的市场准入条件和 主体地位 ， 同时借助人工智能驱动大 电网安全辨识与控制 ， 提升电力系统 33 ENVIRONMENTAL PROTECTION V ol. 50 No.07 2022 的安全性 、 可靠性和灵活性 。 氢能作为二次能源 ， 相比太阳 能 、 风能等更便于储备 、 运输 ， 是 “ 能源互联网 ” 中的重要纽带 ， 也 是新能源的 “ 搬运工 ”。 通过新能源 电解水制氢技术实现零碳排放制取 “ 绿氢 ”， 利用氢的能量和物质双重 属性 ， 构建 “ 绿氢 ” 与煤化工耦合 、 “ 绿氢 ” 与 CO 2 催化转化制取油品和大 宗化学品 、 氢能汽车 、 氢能发电 、 氢 能冶炼等绿色工业体系 。 重点突破电 解水制氢 ， 氢能综合利用 、 存储 、 运 输 、 使用等环节的关键技术 ， 推进跨 能源系统 、 跨产业的融合或替代 。 这 不仅能有效地解决新能源电量消纳问 题 ， 还可解决新能源的储存 、 再分配 问题 ， 同时降低化石能源带来的大量 CO 2 排放 。 我国东北 、 西北 、 西南地区 拥有丰富的风能 、 太阳能和水能等 ， 可积极推进可再生能源电解水制氢 、 储氢 、 用氢的先行示范 ， 以点带面 ， 促进大规模 、 系统性的技术落地 。 发 挥高等院校及科研院所在原理创新 、 方法创新 、 技术创新等方面的作用 ， 充分释放国家政策红利 ， 激励氢能相 关的先进技术成果在高碳排放地区的 转移转化 ， 加快高碳地区的低碳化发 展进程 。 高能耗工业是产生系统性变革的重 点领域 《环境保护》：我国的减碳 事业可能会带动哪些领域的发展和 行业创新？请谈谈您的看法。 刘中民： 在减碳大形势下 ， 能够实现高碳行业绿色低碳循环发展 的可行性手段和技术研究 ， 将是重点 发展方向 。 电力工业 、 高能耗工业将 是产生行业创新与系统性变革的重点 领域 。 能源革命与工业革命历来交互 发展 ， 共同作用促进社会经济结构变 革 。 全球能源发展正处于从高碳到低 碳再到无碳的关键过渡期 。 我国的 能源革命已经拉开了序幕 ， 碳达峰 、 碳中和目标的牵引也必然会促进我国 工业革命的迅速开展 。 比如 ， 电力行 业减排最为困难 ， 需要全新的发电方 式 ； 钢铁行业低碳化需要流程再造 ， 破除焦炭炼钢的旧模式 ； 水泥行业需 要颠覆性的新概念 、 新流程 。 我认 为 ， 在发电方面 ， 可充分利用大规模 储能平台 ， 推进可再生能源大规模 、 高比例发展 ， 降低煤电机组的发电 、 调峰需求 ， 降低电煤消费 。 在煤炭转 化方面 ， 要大力推进可再生能源 、 高 温核能等制取氢气 ， 从源头上降低煤 炭消费 ， 实现工业生产过程的零碳 化 、 负碳化 。 在产业融合方面 ， 基于 合成气平台 ， 推进钢铁与化工行业融 合 ， 推进含碳尾气的资源化利用 ， 基 于共性产品 ， 推进煤化工与石油化工 融合 。 我国已积极进行相关领域关键技 术的研发与攻关部署 。 中科院针对煤 炭清洁高效转化利用完成了 “ 低阶煤 清洁高效梯级利用关键技术与示范 ” 先导专项 ， 同时还围绕国家洁净能源 体系构建 ， 成立了洁净能源创新研究 院 ， 启动实施了 “ 变革性洁净能源关 键技术与示范 ” 先导专项 ， 实现了一 些碳达峰 、 碳中和目标和多能融合共 性支撑技术的创新 。 例如 ， 氢能及 储能技术 、 先进安全核能技术 、 CO 2 捕集 、 利用与封存 （ CCUS） 技术等 。 2020年 10月 ， 千吨级 “ 液态阳光 ” 合 成示范项目成功运行 。 该项目利用太 阳能等可再生能源发电 、 电解水生产 “ 绿 色 ” 氢能 ， 并将 CO 2 加氢转化为 “ 绿色 ” 甲醇等液体燃料 。 2019年 9 月 ， 中科院原创的千吨级合成气直接 转化制烯烃技术工业中试装置投料一 次成功 ， 快速实现成果从科学论文走 进工厂 ， 引领了高效 、 节水煤化工的 发展方向 。 该技术被列为国家能源技 术短板清单任务 。 总体上 ， 我们正处于能源革命 、 工业革命 、 科技革命与人工智能互相 叠加的大变革的初期 。 我国以化石能 源为基础的能源生产与工业结构将向 绿色低碳的方向快速转变 ， 既是挑战 也是机遇 。 国家已经作出了全面部署 和安排 ， 近期一些与双碳工作相关的 规划也陆续出台 ， 这些规划的一个共 同点是强调科技创新的重要性 。 我们 有理由相信 ， 通过科技创新的引领作 用 ， 不仅我国一些传统高能耗工业将 发生变革性变化 ， 也将快速催生一些 新的战略产业 。 院士介绍 刘中民 ， 男 ， 1964年 9月出生 ， 于 2015年当选为中国工程院院士 ， 我 国石油化工 、 煤化工专家 。 1983年毕 业于郑州大学化学系 ， 1990年在中国 科学院大连化学物理研究所获博士学 位 。 现任中国科学院大连化学物理研 究所所长 、 中国科学院青岛生物能源 与过程研究所所长 、 甲醇制烯烃国家 工程实验室主任 、 国家能源低碳催化 与工程研发中心主任 。 他长期从事能 源化工领域催化新过程研究与开发 ， 完成了多项创新成果并实现产业化 ， 发表了研究论文 300余篇 。 他负责开发 了甲醇制烯烃 （ DMTO） 技术 ， 并率先 在世界上实现工业化 。 他还牵头开发 了甲醇制乙醇 （ DMTE） 技术 ， 完成了 世界首套10万 t/a煤基乙醇工业示范项 目 ， 为百万吨级工业装置建设奠定了 基础 。