構(gòu)筑能源新體系 助推“能源革命”
能源是人類社會生存和發(fā)展的三大支柱之一，是我國現(xiàn)代化的基礎(chǔ)和動力。我國已成為世界上最大的能源生產(chǎn)國和消費國，但長期以來，“富煤、貧油、少氣”的資源稟賦特點，使得我國能源供應(yīng)安全壓力增大、能源資源約束日益加劇、生態(tài)環(huán)境問題突出。
加快構(gòu)建清潔、高效、安全、可持續(xù)的能源新體系，對我國搶占新一輪能源革命戰(zhàn)略制高點、保障國家長遠利益至關(guān)重要。
近日，在“中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所發(fā)展戰(zhàn)略研討會暨七十周年所慶紀念大會”上，近百位能源化工領(lǐng)域?qū)＜覍W(xué)者和企業(yè)界代表聚焦變革性能源科技創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)發(fā)展，為能源新體系建設(shè)出謀劃策。
化石能源清潔高效利用是關(guān)鍵
“盡管非化石能源總量有明顯增加，但在未來一段時期內(nèi)，以煤炭為主的化石資源仍然是主體資源。”中國工程院院士、中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所所長劉中民說。
來自國家統(tǒng)計局的數(shù)據(jù)可證實這一論斷。2018年，全年能源消費總量46.4億噸標(biāo)準煤，比上年增長3.3%。煤炭消費量占能源消費總量的59%；天然氣、水電、核電、風(fēng)電等清潔能源消費量占能源消費總量的22.1%，可再生能源發(fā)電裝機量達到7.28億千瓦，同比增長12%。此外，原油對外依存度從2010年的53.8%迅速飆升到2018年的71%，天然氣也提升至43.9%。
然而，這種以化石能源為主的能源消費結(jié)構(gòu)帶來諸多弊病。
一方面，石油、天然氣資源對國外進口依賴程度高，嚴重威脅我國能源供應(yīng)安全；另一方面，大規(guī)模化石能源開發(fā)利用排放了大量二氧化硫、氮氧化物、煙塵等污染物，導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境惡化，大范圍、高強度的霧霾天氣倒逼能源轉(zhuǎn)型。此外，高碳化石能源的消耗還導(dǎo)致大量二氧化碳等溫室氣體的排放，減排壓力巨大。
在當(dāng)前形勢下，煤炭資源仍十分重要，推動以煤炭為代表的化石能源高效清潔利用，實現(xiàn)綠色低碳發(fā)展是能源轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵。
煤化工清潔利用主要分兩方面，且已經(jīng)形成了一批核心技術(shù)，目前，正處于完成工業(yè)示范并大規(guī)模推廣應(yīng)用的有利時期。一方面，通過高效轉(zhuǎn)化，實現(xiàn)化學(xué)品生產(chǎn)。比如，發(fā)展以煤為原料的現(xiàn)代煤化工，通過氣化、液化、新型焦化等途徑制取油品和替代石油制取大宗化學(xué)品，劉中民團隊在煤炭經(jīng)甲醇制烯烴以及煤基乙醇技術(shù)上取得多項創(chuàng)新成果并實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。
就在9月15日，中國科學(xué)院院士、大連化物所研究員包信和團隊與陜西延長石油(集團)有限責(zé)任公司研發(fā)的煤經(jīng)合成氣直接制低碳烯烴技術(shù)取得工業(yè)試驗成功，為我國進一步擺脫對原油進口的依賴，實現(xiàn)煤炭清潔利用提供了一條全新的技術(shù)路線。
另一方面，通過煤炭燃燒和催化轉(zhuǎn)化過程中的技術(shù)革新，實現(xiàn)煤化工的清潔燃燒。目前，我國燃煤發(fā)電凈效率已突破50%，在煤電能耗、污染排放等方面的控制達到了世界領(lǐng)先水平。
中國科學(xué)院院士、華東師范大學(xué)終身教授何鳴元從“綠色碳科學(xué)”概念出發(fā)，提出在化石能源利用時解決好碳循環(huán)嚴重失衡問題。他表示，當(dāng)化石能源加工利用產(chǎn)生二氧化碳時，可以通過化學(xué)循環(huán)或者生態(tài)循環(huán)的方式，使之又變?yōu)槿剂虾突瘜W(xué)品，盡量接近碳循環(huán)平衡。
“集中排放的二氧化碳必須以工業(yè)的方式來解決，我國‘二氧化碳化工’研究正引領(lǐng)世界二氧化碳資源化利用的正確方向。”何鳴元說。
可再生能源成為主攻方向
當(dāng)前，世界能源結(jié)構(gòu)正處于從高碳到低碳以至走向無碳的過渡期。縱觀全球，風(fēng)能、、生物燃料等可再生能源技術(shù)研發(fā)活躍，主要發(fā)達國家和地區(qū)提出了海上風(fēng)電發(fā)展戰(zhàn)略，加速推動海上風(fēng)能產(chǎn)業(yè)發(fā)展；深化布局光伏發(fā)電全產(chǎn)業(yè)鏈創(chuàng)新。此外，在纖維素乙醇、藻類生物燃料等生物能源技術(shù)領(lǐng)域也取得了重要進展。
如果說化石能源清潔利用是我國在能源轉(zhuǎn)型過程中的“一條腿”，那么新能源和可再生能源則是其中不可忽視的“另一條腿”，它是優(yōu)化我國能源結(jié)構(gòu)的主攻方向。我國《能源生產(chǎn)和消費革命戰(zhàn)略(2016—2030)》中指出，到2030年和2050年，非化石能源占比要達到20%和50%，實現(xiàn)這一目標(biāo)，任重道遠。
“可再生能源的發(fā)展勢不可擋，也是全世界各國共同倡導(dǎo)和重視的方向。可再生能源逐步替代化石能源已成為必然趨勢。”中國科學(xué)院院士、大連化物所研究員李燦說。
他建議，加快發(fā)展太陽燃料技術(shù)。在李燦看來，我國可再生能源資源豐富，尤其西部大部分地區(qū)光伏和風(fēng)電潛力巨大。其中，西南地區(qū)可大力開發(fā)利用水電，沿海又有豐富的風(fēng)電資源，這些可再生能源的區(qū)域分布正符合我國區(qū)域經(jīng)濟的能源需求，若將這些可再生能源部分轉(zhuǎn)化為太陽燃料，既解決儲能問題，又可通過智能電網(wǎng)合理調(diào)配可再生能源滿足多元化的市場需求，將電能和化學(xué)能優(yōu)化互補，大大緩解我國對國外石油(化石燃料)高度依賴的國家能源安全問題，將成為同時解決我國能源問題和環(huán)境生態(tài)問題的一種方案。
此外，氫能源和甲醇燃料也成為全球新一輪的發(fā)展熱點，尤其是以燃料電池為代表作為應(yīng)用工具正在多個領(lǐng)域進行商業(yè)化運營。
南方科技大學(xué)清潔能源研究院院長劉科表示，“抓住了氫能源的平衡，就抓住了能源的核心。”他指出，氫燃料電池的未來在液體甲醇，目前甲醇制氫的成本大大降低，已完全具備產(chǎn)業(yè)化條件，“全球甲醇的供應(yīng)量幾乎沒有問題，且提供了一條從化石能源向可再生能源轉(zhuǎn)化的成本最低的線路”。
不過，在燃料電池應(yīng)用推廣過程中，仍面臨諸多挑戰(zhàn)。我國研究機構(gòu)與企業(yè)紛紛在基礎(chǔ)、應(yīng)用研究上進行布局和投入。
頂層設(shè)計構(gòu)建能源新體系
能源轉(zhuǎn)型要堅持化石能源與可再生能源“兩條腿”齊頭并進、相互補充。在劉中民看來，要實現(xiàn)構(gòu)建清潔低碳、安全高效的能源體系的戰(zhàn)略目標(biāo)，還必須從能源系統(tǒng)頂層設(shè)計角度出發(fā)，以能源技術(shù)創(chuàng)新為引領(lǐng)。
“無論是煤炭、石油、天然氣等化石能源，還是可再生能源和核能等新能源，其目的都是向用戶提供電力、熱能以及油品和化學(xué)品。它們雖目標(biāo)一致，但沒有‘合并同類項’，能源結(jié)構(gòu)中各系統(tǒng)相對獨立，沒有形成一個完整的能源體系，整體效率不高。”劉中民說。
的確，多能融合互補是能源變革的發(fā)展趨勢。有專家指出，應(yīng)對世界能源變局、突破我國能源困局、開創(chuàng)能源新局，需要利用能源科技創(chuàng)新國家隊的力量把分散、偶然、戰(zhàn)術(shù)性的創(chuàng)新轉(zhuǎn)變?yōu)橄到y(tǒng)、必然和戰(zhàn)略性的創(chuàng)新，以更好更快地把我國建設(shè)成為能源強國。美國、德國等發(fā)達國家已開始探索一體化、智能化多能融合體系的架構(gòu)設(shè)計。
目前，中科院大連化物所正在牽頭籌建潔凈能源創(chuàng)新研究院，推動能源領(lǐng)域的國家實驗室建設(shè)，以期探索建立創(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。
“要發(fā)揮舉國體制優(yōu)勢，打破能源領(lǐng)域板塊壁壘，突破高效催化、低碳制氫、規(guī)模儲能等一批戰(zhàn)略核心技術(shù)，搶占能源技術(shù)戰(zhàn)略制高點，實現(xiàn)化石能源與可再生能源及核能的低碳化戰(zhàn)略融合與發(fā)展。”劉中民說。
能源是人類社會生存和發(fā)展的三大支柱之一，是我國現(xiàn)代化的基礎(chǔ)和動力。我國已成為世界上最大的能源生產(chǎn)國和消費國，但長期以來，“富煤、貧油、少氣”的資源稟賦特點，使得我國能源供應(yīng)安全壓力增大、能源資源約束日益加劇、生態(tài)環(huán)境問題突出。
加快構(gòu)建清潔、高效、安全、可持續(xù)的能源新體系，對我國搶占新一輪能源革命戰(zhàn)略制高點、保障國家長遠利益至關(guān)重要。
近日，在“中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所發(fā)展戰(zhàn)略研討會暨七十周年所慶紀念大會”上，近百位能源化工領(lǐng)域?qū)＜覍W(xué)者和企業(yè)界代表聚焦變革性能源科技創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)發(fā)展，為能源新體系建設(shè)出謀劃策。
化石能源清潔高效利用是關(guān)鍵
“盡管非化石能源總量有明顯增加，但在未來一段時期內(nèi)，以煤炭為主的化石資源仍然是主體資源。”中國工程院院士、中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所所長劉中民說。
來自國家統(tǒng)計局的數(shù)據(jù)可證實這一論斷。2018年，全年能源消費總量46.4億噸標(biāo)準煤，比上年增長3.3%。煤炭消費量占能源消費總量的59%；天然氣、水電、核電、風(fēng)電等清潔能源消費量占能源消費總量的22.1%，可再生能源發(fā)電裝機量達到7.28億千瓦，同比增長12%。此外，原油對外依存度從2010年的53.8%迅速飆升到2018年的71%，天然氣也提升至43.9%。
然而，這種以化石能源為主的能源消費結(jié)構(gòu)帶來諸多弊病。
一方面，石油、天然氣資源對國外進口依賴程度高，嚴重威脅我國能源供應(yīng)安全；另一方面，大規(guī)模化石能源開發(fā)利用排放了大量二氧化硫、氮氧化物、煙塵等污染物，導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境惡化，大范圍、高強度的霧霾天氣倒逼能源轉(zhuǎn)型。此外，高碳化石能源的消耗還導(dǎo)致大量二氧化碳等溫室氣體的排放，減排壓力巨大。
在當(dāng)前形勢下，煤炭資源仍十分重要，推動以煤炭為代表的化石能源高效清潔利用，實現(xiàn)綠色低碳發(fā)展是能源轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵。
煤化工清潔利用主要分兩方面，且已經(jīng)形成了一批核心技術(shù)，目前，正處于完成工業(yè)示范并大規(guī)模推廣應(yīng)用的有利時期。一方面，通過高效轉(zhuǎn)化，實現(xiàn)化學(xué)品生產(chǎn)。比如，發(fā)展以煤為原料的現(xiàn)代煤化工，通過氣化、液化、新型焦化等途徑制取油品和替代石油制取大宗化學(xué)品，劉中民團隊在煤炭經(jīng)甲醇制烯烴以及煤基乙醇技術(shù)上取得多項創(chuàng)新成果并實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。
就在9月15日，中國科學(xué)院院士、大連化物所研究員包信和團隊與陜西延長石油(集團)有限責(zé)任公司研發(fā)的煤經(jīng)合成氣直接制低碳烯烴技術(shù)取得工業(yè)試驗成功，為我國進一步擺脫對原油進口的依賴，實現(xiàn)煤炭清潔利用提供了一條全新的技術(shù)路線。
另一方面，通過煤炭燃燒和催化轉(zhuǎn)化過程中的技術(shù)革新，實現(xiàn)煤化工的清潔燃燒。目前，我國燃煤發(fā)電凈效率已突破50%，在煤電能耗、污染排放等方面的控制達到了世界領(lǐng)先水平。
中國科學(xué)院院士、華東師范大學(xué)終身教授何鳴元從“綠色碳科學(xué)”概念出發(fā)，提出在化石能源利用時解決好碳循環(huán)嚴重失衡問題。他表示，當(dāng)化石能源加工利用產(chǎn)生二氧化碳時，可以通過化學(xué)循環(huán)或者生態(tài)循環(huán)的方式，使之又變?yōu)槿剂虾突瘜W(xué)品，盡量接近碳循環(huán)平衡。
“集中排放的二氧化碳必須以工業(yè)的方式來解決，我國‘二氧化碳化工’研究正引領(lǐng)世界二氧化碳資源化利用的正確方向。”何鳴元說。
可再生能源成為主攻方向
當(dāng)前，世界能源結(jié)構(gòu)正處于從高碳到低碳以至走向無碳的過渡期。縱觀全球，風(fēng)能、、生物燃料等可再生能源技術(shù)研發(fā)活躍，主要發(fā)達國家和地區(qū)提出了海上風(fēng)電發(fā)展戰(zhàn)略，加速推動海上風(fēng)能產(chǎn)業(yè)發(fā)展；深化布局光伏發(fā)電全產(chǎn)業(yè)鏈創(chuàng)新。此外，在纖維素乙醇、藻類生物燃料等生物能源技術(shù)領(lǐng)域也取得了重要進展。
如果說化石能源清潔利用是我國在能源轉(zhuǎn)型過程中的“一條腿”，那么新能源和可再生能源則是其中不可忽視的“另一條腿”，它是優(yōu)化我國能源結(jié)構(gòu)的主攻方向。我國《能源生產(chǎn)和消費革命戰(zhàn)略(2016—2030)》中指出，到2030年和2050年，非化石能源占比要達到20%和50%，實現(xiàn)這一目標(biāo)，任重道遠。
“可再生能源的發(fā)展勢不可擋，也是全世界各國共同倡導(dǎo)和重視的方向。可再生能源逐步替代化石能源已成為必然趨勢。”中國科學(xué)院院士、大連化物所研究員李燦說。
他建議，加快發(fā)展太陽燃料技術(shù)。在李燦看來，我國可再生能源資源豐富，尤其西部大部分地區(qū)光伏和風(fēng)電潛力巨大。其中，西南地區(qū)可大力開發(fā)利用水電，沿海又有豐富的風(fēng)電資源，這些可再生能源的區(qū)域分布正符合我國區(qū)域經(jīng)濟的能源需求，若將這些可再生能源部分轉(zhuǎn)化為太陽燃料，既解決儲能問題，又可通過智能電網(wǎng)合理調(diào)配可再生能源滿足多元化的市場需求，將電能和化學(xué)能優(yōu)化互補，大大緩解我國對國外石油(化石燃料)高度依賴的國家能源安全問題，將成為同時解決我國能源問題和環(huán)境生態(tài)問題的一種方案。
此外，氫能源和甲醇燃料也成為全球新一輪的發(fā)展熱點，尤其是以燃料電池為代表作為應(yīng)用工具正在多個領(lǐng)域進行商業(yè)化運營。
南方科技大學(xué)清潔能源研究院院長劉科表示，“抓住了氫能源的平衡，就抓住了能源的核心。”他指出，氫燃料電池的未來在液體甲醇，目前甲醇制氫的成本大大降低，已完全具備產(chǎn)業(yè)化條件，“全球甲醇的供應(yīng)量幾乎沒有問題，且提供了一條從化石能源向可再生能源轉(zhuǎn)化的成本最低的線路”。
不過，在燃料電池應(yīng)用推廣過程中，仍面臨諸多挑戰(zhàn)。我國研究機構(gòu)與企業(yè)紛紛在基礎(chǔ)、應(yīng)用研究上進行布局和投入。
頂層設(shè)計構(gòu)建能源新體系
能源轉(zhuǎn)型要堅持化石能源與可再生能源“兩條腿”齊頭并進、相互補充。在劉中民看來，要實現(xiàn)構(gòu)建清潔低碳、安全高效的能源體系的戰(zhàn)略目標(biāo)，還必須從能源系統(tǒng)頂層設(shè)計角度出發(fā)，以能源技術(shù)創(chuàng)新為引領(lǐng)。
“無論是煤炭、石油、天然氣等化石能源，還是可再生能源和核能等新能源，其目的都是向用戶提供電力、熱能以及油品和化學(xué)品。它們雖目標(biāo)一致，但沒有‘合并同類項’，能源結(jié)構(gòu)中各系統(tǒng)相對獨立，沒有形成一個完整的能源體系，整體效率不高。”劉中民說。
的確，多能融合互補是能源變革的發(fā)展趨勢。有專家指出，應(yīng)對世界能源變局、突破我國能源困局、開創(chuàng)能源新局，需要利用能源科技創(chuàng)新國家隊的力量把分散、偶然、戰(zhàn)術(shù)性的創(chuàng)新轉(zhuǎn)變?yōu)橄到y(tǒng)、必然和戰(zhàn)略性的創(chuàng)新，以更好更快地把我國建設(shè)成為能源強國。美國、德國等發(fā)達國家已開始探索一體化、智能化多能融合體系的架構(gòu)設(shè)計。
目前，中科院大連化物所正在牽頭籌建潔凈能源創(chuàng)新研究院，推動能源領(lǐng)域的國家實驗室建設(shè)，以期探索建立創(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。
“要發(fā)揮舉國體制優(yōu)勢，打破能源領(lǐng)域板塊壁壘，突破高效催化、低碳制氫、規(guī)模儲能等一批戰(zhàn)略核心技術(shù)，搶占能源技術(shù)戰(zhàn)略制高點，實現(xiàn)化石能源與可再生能源及核能的低碳化戰(zhàn)略融合與發(fā)展。”劉中民說。
