中國儲能網(wǎng)訊：朱漢雄1 王 一1 茹 加2 曹大泉2 任曉光1 何京東2 陳海生2 蔡 睿1 劉中民1*
1 中國科學院大連化學物理研究所
2 中國科學院 重大科技任務局
1、“雙碳”能源技術區(qū)域綜合示范的意義
“雙碳”能源技術區(qū)域綜合示范是指針對典型區(qū)域資源和產業(yè)特征及發(fā)展所面臨的問題，專門制定系統(tǒng)性技術方案和產業(yè)發(fā)展路徑，通過“技術集成示范”探索典型區(qū)域低碳化高質量發(fā)展新途徑，為促進全國“雙碳”目標的實現(xiàn)提供技術和思路。技術集成示范和區(qū)域綜合示范是“雙碳”能源技術區(qū)域綜合示范的 2 個基本特征。
促進“雙碳”能源技術的集成示范
1、“割裂”的能源系統(tǒng)亟待變革
長期以來我國能源體系中，如煤炭、石油、天然氣、水電、核電、電網(wǎng)等基于各自的管理體系形成了相對獨立的分系統(tǒng)。在能源發(fā)展基礎較弱的背景下，各分系統(tǒng)相對獨立運行能夠保障各系統(tǒng)運行的專業(yè)性，從能源供應端保障了能源供應。但隨著我國發(fā)展進入新階段，能源發(fā)展也進入了新時代，能源需求及能源的生態(tài)環(huán)境外部效應對能源供應系統(tǒng)提出了更高要求，能源各分系統(tǒng)的獨立優(yōu)化運行已經難以滿足經濟社會發(fā)展對能源系統(tǒng)“清潔低碳、安全高效”的整體要求。因而，需要對能源系統(tǒng)進行變革，開展“能源革命”。理論上，從能源需求的角度，各能源系統(tǒng)提供的能源服務比較一致，無外乎電力、熱力、動力和化學品。既然能源服務的目標相同，從系統(tǒng)的角度就存在“合并同類項”的優(yōu)化空間，如通過技術創(chuàng)新，可推動各能源分系統(tǒng)相對優(yōu)勢的互補融合，對沖消除各能源種類的劣勢，從而提升系統(tǒng)整體效能，這具有巨大的技術創(chuàng)新空間。實際上，由于煤、油、氣、風、光、水、核等各分系統(tǒng)相對獨立，存在系統(tǒng)壁壘，難以“合并同類項”，導致能源系統(tǒng)結構性矛盾突出，整體效率不高，這已經成為制約我國能源高質量發(fā)展的核心問題。能源系統(tǒng)條塊割裂的原因除了管理體系、政策體系的歷史沿革外，更為根本的原因在于缺乏能聯(lián)系不同能源種類、打破系統(tǒng)壁壘、促進多能互補融合的關鍵技術。因此，必須將能源技術革命放在能源革命的核心位置，以能源技術革命推動能源革命。
2、多能融合是解決能源系統(tǒng)條塊割裂的有效理念
以中國科學院為代表的一批國內能源領域的科研機構經過多年研究，針對現(xiàn)有能源系統(tǒng)中系統(tǒng)割裂的問題，提出通過技術創(chuàng)新實現(xiàn)多種能源之間互補融合的多能融合理念，布局并積累了一批多能融合技術。多能融合是指綜合考慮能源資源在加工利用過程中的能源屬性和物質（原料/材料）屬性，通過新技術、新模式破除各能源種類之間條塊分割、互相獨立的技術和體制壁壘，促進化石能源與非化石能源、各能源分系統(tǒng)之間、各能源資源加工利用不同過程之間的能量流、物質流和信息流的互補融合，實現(xiàn)能源資源利用的能量效率、物質效率、環(huán)境效益、生態(tài)效益、經濟效益和社會效益等多目標的優(yōu)化。
3、多能融合技術是實現(xiàn)多能融合理念的根本途徑
中國科學院根據(jù)已有研究，提出“四主線、四平臺”的多能融合技術體系?！八闹骶€”即4條技術主線，分別為：
1. 化石能源清潔高效利用與耦合替代；
2. 非化石能源多能互補與規(guī)模應用；
3. 工業(yè)低碳/零碳流程再造；
4. 數(shù)字化/智能化集成優(yōu)化。
“四平臺”即在多能融合技術主線中發(fā)揮“紐帶”作用的平臺性技術，分別為：合成氣/甲醇、儲能、氫能、二氧化碳。以上 4 條主線重點依托 4 個平臺，從而實現(xiàn)多能融合（圖 1）。
圖1 “四主線、四平臺”的多能融合技術體系
4、中國科學院在開展多能融合關鍵核心技術突破行動的基礎上更強調技術集成示范
隨著“雙碳”行動計劃開展，中國科學院整合集結精銳力量，圍繞多能融合“四主線、四平臺”體系，在能源領域實施了化石能源高效清潔利用、可再生能源、先進核能、儲能與多能融合 4 個方面的關鍵核心技術突破行動，預期將產生一大批旨在解決“雙碳”目標實現(xiàn)面臨的關鍵核心問題的技術和裝備。但是，我們也認識到，僅有單項關鍵核心技術的突破還難以支撐經濟社會系統(tǒng)性變革。這也造成了長期以來我國原始創(chuàng)新成果與產業(yè)技術、區(qū)域發(fā)展需求存在脫節(jié)現(xiàn)象。為此，本文提出通過系統(tǒng)設計，推動多種技術的集成示范，研究跨技術、跨系統(tǒng)、跨領域、跨行業(yè)的優(yōu)化組合，最終形成適用不用場景綠色低碳發(fā)展的系統(tǒng)方案，支撐不同場景下“雙碳”目標實現(xiàn)。
促進典型區(qū)域“雙碳”能源技術的綜合示范
我國幅員遼闊，能源生產地與消費地，以及東、中、西部各地的能源狀況、產業(yè)結構、經濟社會發(fā)展水平不同且極不均衡。因此，難以用一套技術方案實現(xiàn)全國所有地區(qū)“雙碳”目標的實現(xiàn)，必須因地制宜、分類施策。國務院《2030 年前碳達峰行動方案》指出，“各地區(qū)要準確把握自身發(fā)展定位，結合本地區(qū)經濟社會發(fā)展實際和資源環(huán)境稟賦，堅持分類施策、因地制宜、上下聯(lián)動，梯次有序推進碳達峰”，并根據(jù)產業(yè)、能源、碳排放情況初步區(qū)分了 4 類地區(qū)，分別為碳排放已經基本穩(wěn)定的地區(qū)，產業(yè)結構較輕、能源結構較優(yōu)的地區(qū)，產業(yè)結構偏重、能源結構偏煤的地區(qū)，以及資源型地區(qū)?！半p碳”行動計劃將基于中國科學院已有院地合作基礎，在各類地區(qū)中選擇一批典型的區(qū)域，通過具體區(qū)域場景的分析，組合集聚一批科研力量和技術，通過試驗示范形成一批適用不同區(qū)域的系統(tǒng)解決方案，并以點帶面，帶動全國整體“雙碳”目標的達成。此外，各系統(tǒng)解決方案中針對具體問題形成的單項技術也能運用到其他地區(qū)，形成“分能解決具體問題，合能實現(xiàn)系統(tǒng)優(yōu)化”的技術體系。
2、多能融合技術綜合示范典型案例思考
多能融合理念和4條技術主線，不僅涉及眾多關鍵核心技術的突破，還需要選取典型區(qū)域應用場景，推進多種技術的集成優(yōu)化，提高技術方案的問題導向和目標導向。本文圍繞多能融合理念與技術主線，基于中國科學院大連化學物理研究所（以下簡稱“大連化物所”）近年來的院地合作工作和研究布局，對陜北、遼寧、山東 3 個典型區(qū)域綜合示范的背景、目標和技術路徑進行闡述。
陜北高碳資源地區(qū)低碳化發(fā)展的減碳示范
示范區(qū)建設基礎與定位
“雙碳”目標下，以陜北榆林為代表的化石能源資源富集區(qū)綠色低碳轉型要求迫切。陜北榆林是我國能源“金三角”的重要組成部分，被賦予了多項國家能源安全保障任務，是我國“西煤東運”“西氣東輸”“西電東送”的重要基地，是國家現(xiàn)代煤化工示范基地。但是，該區(qū)域資源富集與生態(tài)環(huán)境脆弱并存，人均水資源量低于全國水平，開發(fā)和保護矛盾突出；能源化工產業(yè)水平整體處于中低端，科技創(chuàng)新力度亟待提升；能源產業(yè)結構以煤及煤加工為主，能耗、污染物和碳排放等要素制約凸顯。根據(jù)估算，2020 年榆林全市碳排放量約 1.6 億噸二氧化碳，單位國內生產總值（GDP）碳排放近 4 噸/萬元（約為全國平均水平的 4 倍），人均碳排放達到 45 噸/人（約為全國平均水平的 6.3 倍），低碳轉型要求尤其迫切。
榆林具有獨特的資源優(yōu)勢和產業(yè)特點，具備開展多能融合示范的基礎和條件。
1. 榆林煤、油、氣、風、光等能源資源富集，是國內罕見的多種能源資源富集區(qū)，這為多能融合技術與產業(yè)示范提供了資源條件。
2. 榆林已建成以煤、油、氣開發(fā)為基礎，電力、化工、載能工業(yè)為主導的能源工業(yè)體系和產業(yè)集群，為多能融合技術示范提供了豐富場景。
3. 榆林已經是國內能源技術創(chuàng)新的重要試驗和推廣區(qū)。已經承接和完成了多項國家級工業(yè)示范項目，形成了多項自主知識產權煤化工核心技術，在研在試在建多個國際國內首臺（套）設施設備，并集聚了中國科學院在內的眾多科研機構、高校和能源企業(yè)；初步形成了以大型能源企業(yè)為主體，重大項目為龍頭，協(xié)同推進先進技術的研發(fā)、試驗、工業(yè)化示范和產業(yè)化推廣的技術研發(fā)體系，人才集聚效應逐步顯現(xiàn)，可為示范區(qū)建設提供關鍵的科技支撐。
4. 以榆林為代表的西部資源富集地區(qū)，是我國未來能源安全保障、區(qū)域發(fā)展和“雙碳”目標實現(xiàn)矛盾最為尖銳的地區(qū)，可能是“雙碳”目標實現(xiàn)的最困難區(qū)域，具有重大示范意義。
示范區(qū)建設思路
基于榆林地區(qū)基礎和綠色低碳發(fā)展需求，作者提出集結中國科學院優(yōu)勢力量，圍繞化石能源清潔高效開發(fā)利用與耦合替代、可再生能源多能互補與規(guī)模應用、低碳化智能化多能融合與區(qū)域示范 3 個方面，創(chuàng)建以多能融合為特征、以能源技術革命為引領，協(xié)同推進能源生產、消費和體制革命的能源革命創(chuàng)新示范區(qū)。
1. 推動化石能源清潔高效開發(fā)利用與耦合替代示范。立足榆林“富油煤”資源優(yōu)勢和國家級煤制油氣戰(zhàn)略基地定位要求，在煤炭綠色開采、煤炭轉化利用、高效燃燒發(fā)電與供熱、大宗廢棄物處理與利用 4 個領域推進現(xiàn)有技術升級示范和跨產業(yè)融合示范，重點推進如煤炭高效開采及智能礦山建設、煤提取焦油與制合成氣一體化計劃、煤油共煉技術、新一代甲醇制烯烴技術、甲醇制乙醇技術、煤基合成氣一步法制烯烴技術、煤炭超臨界水氣化制氫發(fā)電多聯(lián)產技術、煤基固廢協(xié)同活化制備生態(tài)環(huán)保材料技術等先進技術的示范。
2. 推動可再生能源多能互補與規(guī)模應用示范。立足構建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)，加速研究可再生能源高效利用和多能互補技術的研發(fā)示范，攻克更高效、更低成本太陽能電池技術及產業(yè)化應用、光伏直流升壓并網(wǎng)、不同類型風電場運行優(yōu)化及運維、大功率風電機組設計優(yōu)化與電氣控制、煤礦井下分散式抽水蓄能和太陽能集熱儲熱多能互補零碳供熱等技術，推動可再生能源大規(guī)模、高比例應用。
3.推動低碳化智能化多能融合與區(qū)域示范。借助綠氫、綠電、綠氧等可再生能源為基礎的低碳能源載體，通過互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、第五代移動通信（5G）等智能化技術，加速多能融合過程；提高煤炭作為化工原料的綜合利用效能，促進煤炭原料化利用和二氧化碳資源化利用，實現(xiàn)二氧化碳的減排和負排。例如，在園區(qū)級化石能源與可再生能源的低碳融合示范方面，打造面向碳中和目標的高值低碳含氧化合物產業(yè)園區(qū)，開展園區(qū)級化石能源與可再生能源的低碳融合示范，先行先試，為煤化工產業(yè)走出一條兼顧經濟性、創(chuàng)新性及可持續(xù)性的新路。
遼寧高碳產業(yè)地區(qū)能源轉型升級的控碳示范
示范區(qū)建設基礎與定位
“雙碳”目標下，遼寧面臨著發(fā)展與減排的問題，急需貫徹新發(fā)展理念、積極調整經濟與產業(yè)結構，有效擴大內需、持續(xù)增強創(chuàng)新能力，實現(xiàn)經濟綠色低碳轉型，為全國高碳產業(yè)地區(qū)能源轉型升級的控碳示范作出遼寧貢獻。遼寧是我國重要的工業(yè)基地、裝備制造基地、石化基地和鋼鐵生產基地，長期以來，承擔著維護國防安全、糧食安全、生態(tài)安全、能源安全、產業(yè)安全的重任。但是，遼寧也面臨著能源消費偏煤、產業(yè)結構偏重的問題。根據(jù)初步估算，2018 年遼寧全省碳排放約 5.4 億噸，約占國內碳排放總量的 5.4%，在全國 31 個?。ㄗ灾螀^(qū)、直轄市）中居第 6 位；每萬元 GDP 碳排放量為 2.3 噸二氧化碳，位居全國倒數(shù)第 6 位。
基于遼寧科技、產業(yè)優(yōu)勢基礎，建議遼寧把握戰(zhàn)略機遇，加強頂層設計，打造高碳產業(yè)地區(qū)能源轉型升級的控碳示范。科技創(chuàng)新方面，依托大連化物所、中國科學院沈陽應用生態(tài)研究所等中國科學院在遼科研機構和大連理工大學、東北大學等高等院校，打造面向“雙碳”目標的科技創(chuàng)新策源地；產業(yè)基礎方面，依托核電、化工、鋼鐵等產業(yè)集聚優(yōu)勢和沿海區(qū)域優(yōu)勢，打造科技支撐引領產業(yè)轉型升級示范。通過科技創(chuàng)新與產業(yè)優(yōu)勢協(xié)同發(fā)展，推動遼寧突破一批重大綠色產業(yè)核心關鍵技術，建設一批產業(yè)化示范基地，加快形成全面支撐我國實現(xiàn)“雙碳”目標的技術體系，推動能源體系及工業(yè)結構全面升級，實現(xiàn)率先振興。
示范區(qū)建設思路
基于遼寧產業(yè)基礎和轉型升級需求，作者提出遼寧可重點圍繞化石能源清潔高效利用與耦合替代、非化石能源多能互補與規(guī)模應用、工業(yè)低碳/零碳流程再造 3 個方面開展多能融合綜合示范。
1.推動化石能源清潔高效利用與耦合替代示范?？梢劳羞|寧當?shù)厥貎?yōu)勢和技術基礎，結合恒力石化股份有限公司的企業(yè)前期技術鋪墊和大連化物所的技術儲備，設立區(qū)域中試和產業(yè)化基地，開展石油化工與煤化工多能融合試點，推進石化行業(yè)精細化、高端化發(fā)展。
2.推動非化石能源多能互補與規(guī)模應用示范?？梢劳羞|寧核電產業(yè)優(yōu)勢，推進核能非電綜合利用，如核能供熱、核能高溫蒸汽制氫等技術的示范和應用。依托遼寧海上風電資源優(yōu)勢，推進風能大規(guī)模應用，探索海上風電制氫新模式。針對可再生能源大規(guī)模高比例發(fā)展要求，可依托大連化物所的大規(guī)模儲能技術優(yōu)勢，開展以儲能為平臺的多能融合示范。例如，建設新一代百兆瓦級液流電池儲能項目，推進儲能電池用關鍵材料、核心部件及電池系統(tǒng)的設計、優(yōu)化與集成應用示范，探索大規(guī)模長周期儲能技術對區(qū)域電網(wǎng)調峰、調頻作用。
3.推動工業(yè)低碳/零碳流程再造示范?？梢劳羞|寧的大型鋼鐵企業(yè)和大連化物所在合成氣轉化方面的技術優(yōu)勢，推進能源化工與鋼鐵行業(yè)融合發(fā)展。例如，積極推進 20 萬噸/年鋼廠尾氣制備無水乙醇技術工業(yè)示范。隨著系列先進技術的試驗示范，將有力推動一批先進技術的突破與產業(yè)化發(fā)展，推動遼寧省創(chuàng)新示范基地的建設和東北老工業(yè)基地的振興。
山東新舊動能轉換地區(qū)推進綠色增長的去碳示范
示范區(qū)建設基礎與定位
山東是我國能源消耗和碳排放量第一大省，其經濟結構、產業(yè)結構和能源消費結構與全國相似度高，典型示范性強。根據(jù)山東省統(tǒng)計數(shù)據(jù)，山東化石能源消費占一次能源消費約 88%，其中煤炭消費占比 67.3%，煤電占電力總裝機容量比重 66%，煤炭的消費比重過高。根據(jù)初步估算，當前山東每年二氧化碳排放總量約 10 億噸，占全國碳排放總量 10% 左右，人均排放量約 10 噸二氧化碳，高于全國 7 噸二氧化碳/人的平均水平。山東能源消費碳排放在全國碳排放中的貢獻占比高，與其能源/產業(yè)結構不盡合理、能源及其相關的工業(yè)體系主要依賴化石資源有直接關系。
結合山東發(fā)展與碳減排突出矛盾，建議山東作為新舊動能轉換典型地區(qū)推進綠色增長的去碳示范。以科技創(chuàng)新推進能源結構及產業(yè)結構調整，實現(xiàn)能源綠色低碳轉型與生態(tài)環(huán)境保護協(xié)調共進，為全國能源轉型先行先試、提供示范。
示范區(qū)建設思路
“雙碳”目標下，山東將依托資源優(yōu)勢和產業(yè)基礎，重點圍繞非化石能源多能互補與規(guī)模應用、工業(yè)低碳/零碳流程再造 2 個方面開展多能融合綜合示范。
1. 推動非化石能源多能互補與規(guī)模應用示范。開展以海上風電、光伏發(fā)電為重點，以生物質、地熱能、海洋能等為補充的可再生能源多能互補示范。重點推進海上風電綜合利用示范，建設千萬千瓦級海上風電基地，推動海洋風電+海洋牧場融合發(fā)展；建設百萬千瓦級“光伏+”基地，推動千萬千瓦級風光儲輸一體化基地。因地制宜建設生物質能、海洋能、地熱能綜合利用示范，提升源清潔規(guī)?；盟??；诖笠?guī)模儲能平臺，開展可再生能源+大規(guī)模儲能綜合示范，探索連接清潔電力和火電形成智能化供電系統(tǒng)的技術路徑和商業(yè)模式，提升電力系統(tǒng)運行效率?；谏綎|千萬千瓦級核電基地建設基礎，開展核能綜合利用示范，改變核能單一供電用途，發(fā)展核能供熱、制氫、海水淡化等多用途應用。例如，開展核能海水淡化+余熱供暖“水熱同產同送”的示范，拓展核能供暖和核能海水淡化新技術。
2.推動工業(yè)低碳/零碳流程再造示范。充分利用山東大規(guī)?？稍偕茉?、核能制氫能力和副產氫資源，推動可再生能源、核能無碳化制綠氫，綠氫與石油化工、煤化工、鋼鐵等行業(yè)耦合發(fā)展的工業(yè)低碳/零碳流程再造示范，為化石能源與可再生能源體系融合、工業(yè)低碳/零碳流程再造提供探索。同時，基于氫能平臺，開展制氫、儲（運）氫、加氫、用氫的全產業(yè)鏈示范，推動副產氫純化、可再生能源制氫、管道輸氫、氫能交通、熱電聯(lián)供、氫能產業(yè)鏈數(shù)據(jù)監(jiān)控等氫能生產和利用技術的工程化示范，推進氫能在交通、發(fā)電、供能等多領域全場景的示范推廣。
3、總結與展望
可以預見，隨著“雙碳”行動計劃開展，必然會在能源各領域中完成一大批關鍵核心技術的突破。但是，如何以關鍵技術的突破帶動產業(yè)、區(qū)域綠色低碳轉型，切實實現(xiàn)以科技創(chuàng)新驅動經濟發(fā)展，支撐國家“雙碳”目標實現(xiàn)，仍然是“雙碳”行動計劃實施中面臨的難題，這需要隨著示范區(qū)建設進程動態(tài)評估和調整。本文提出以“雙碳”能源技術區(qū)域綜合示范帶動技術集成，協(xié)同解決典型區(qū)域的重大問題，形成適用不同區(qū)域條件的“一攬子”系統(tǒng)解決方案，是現(xiàn)階段科技研發(fā)布局必須考慮的問題，將能有效加速技術創(chuàng)新轉變?yōu)楝F(xiàn)實生產力的速度，提高“雙碳”目標科技創(chuàng)新的問題導向和目標導向。需要指出的是，“雙碳”行動計劃綜合示范是一個開放、動態(tài)的科技創(chuàng)新示范行動，本文列舉的 3 個示范區(qū)還不能代表全國所有典型示范區(qū)，仍要發(fā)揮中國科學院全院力量甚至全國科技研發(fā)力量一起深入地區(qū)，推進多個典型示范區(qū)的建設，為“雙碳”目標實現(xiàn)提供不同場景的系統(tǒng)解決方案。
