“四主线、四平台”构建多能融合技术体系 碳中和多能融合发展丛书

  作为国家战略科技力量主力军，深入贯彻落实党中央、国务院关于碳达峰碳中和的重大决策部署，强化顶层设计，充分的发挥多学科建制化优势，启动了“中国科学院科技支撑碳达峰碳中和战略行动计划”(以下简称行动计划)。行动计划以解决关键核心科技问题为抓手，在化石能源和可再次生产的能源关键技术、先进核能系统、全球气候平均状态随时间的变化、污染防控与综合治理等方面取得了一批原创性重大成果。同时，中国科学院前瞻性地布局实施(以下简称专项)，部署了合成气下游及耦合转化利用、甲醇下游及耦合转化利用、高效清洁燃烧、可再次生产的能源多能互补示范、大规模高效储能、核能非电综合利用、可再次生产的能源制氢/甲醇，以及我国能源战略研究等八个方面研究内容。专项提出的“化石能源清洁高效开发利用”、“可再次生产的能源规模应用”、“低碳与零碳工业流程再造”、“低碳化、智能化多能融合”四主线“多能融合”科技路径，为实现“双碳”目标和推动能源革命提供科学、可行的技术路径

  “碳中和多能融合发展丛书”面向国家重大需求，响应中国科学院“双碳”战略行动计划号召，集中体现了国内，尤其是中国科学院在“双碳”背景下在能源领域取得的关键性技术和成果，主要涵盖化石能源、可再次生产的能源、大规模储能、能源战略研究等方向。丛书不但充分展示了各领域的最新成果，而且整理和分析了各成果的国内国际发展状况、产业化情况、未来发展的新趋势等，具备极高的学习和参考价值。希望这套丛书可以为能源领域相关的学者、从业者提供指导和帮助，逐步推动我国“双碳”目标的实现。

  “碳中和多能融合发展丛书 ”总论《 》(刘中民等著. 北京：龙门书局，2024.6)结合中国科学院战略性先导科技专项(A 类)“变革性洁净能源关键技术与示范”的技术和能源战略研究进展，系统阐述了适合我国国情的能源领域科学技术创新的“多能融合”理念和技术框架，并重点介绍多能融合关键技术、典型场景和典型区域综合示范、多能融合技术专利导航与布局，突出了碳中和目标下微观研发技术和中观行业发展需求与区域发展目标的融合，将为国家、行业和区域的管理部门、能源领域科学技术研发人员提供发展思路。

  本书共7 章，分别介绍能源系统发展的新趋势、多能融合的理念与技术框架、多能融合关键技术清单与路线图、多能融合技术专利导航与布局分析、多能融合区域综合示范、碳中和目标下多能融合战略效果、碳中和目标下多能融合战略发展的结论与建议。

  基于多能融合理念，根据能源系统特征，本书提出适合我国国情的多能融合技术“四主线、四平台”体系。四主线是化石能源清洁高效利用与耦合替代(能源安全)、非化石能源多能互补与规模应用(能源结构)、高耗能工业低碳零碳流程再造(工业变革)、数字化智能化集成优化(系统优化)；四平台是合成气/甲醇平台、储能平台、氢能平台、二氧化碳平台。“四主线、四平台”构成多能融合技术体系的四梁八柱，有望为“双碳”目标下我国能源技术的系统研发提供引导。

  “双碳”转型应以保障国家能源安全为底线，以高水平发展为目标，必须首先用好化石资源特别是煤炭资源，坚持清洁高效利用道路，发挥好煤炭的压舱石作用。

  煤炭清洁高效利用应主要从煤炭清洁高效燃烧和煤炭清洁高效转化两方面开展。煤炭清洁高效燃烧方面，我国燃煤发电的能效指标、污染物排放指标均已达到世界领先水平，但工业领域煤炭清洁高效燃烧利用的科技支撑不足。持续推进煤炭清洁高效发电和灵活高效发电，提高电力系统对清洁电力的接纳能力和工业锅炉(窑炉)高效燃烧与多污染物协同治理是煤炭燃烧技术发展的方向。煤炭清洁高效转化方面，我国以现代煤化工为代表的转化技术与产业化均走在了世界前列，攻克了煤气化、煤制油、煤制烯烃等一大批技术和工程难题，但仍面临如何通过发展前瞻性和变革性技术，提高煤、水资源利用效率，实现二氧化碳的高效率转化利用，解决煤化工长期以来面临的高能耗、高水耗、高碳排放的难题。

  现代煤化工的加快速度进行发展，使得煤经合成气/甲醇生产多种清洁燃料和基础化工原料成为可能，这也给石油化学工业和煤化工耦合替代、协调发展带来了新的机遇。采用创新技术全力发展现代煤化工产业，既可以保障石化产业安全，促进石化原料多元化，还能形成煤化工与石油化学工业产业互补、协调发展的新格局。以石脑油和甲醇反应生产烯烃为例，石脑油是原油加工的重要产品，甲醇是煤化工产业的重要产品，二者都是烯烃生产的重要原料。在现有生产技术下，石脑油制烯烃和甲醇制烯烃是完全不同的生产路线。但从生产的全部过程来看，石脑油制烯烃是强吸热反应，甲醇制烯烃是强放热反应，且反应条件和催化剂类似，存在反应过程耦合的可能。基于此原理，中国科学院大连化学物理研究所(以下简称大连化物所)创造性地将石脑油原料和甲醇原料耦合起来制取烯烃，利用反应过程中的吸热-放热平衡，提高了总系统的能效和碳原子利用率。相比传统技术路线，每吨烯烃产品能耗降低1/3～1/2，石脑油利用率提高10%。

  实现“双碳”目标必须逐渐稳步改变我国以煤为主的能源结构，全力发展可再次生产的能源和安全先进核能，实现非化石能源的多能互补和规模应用。

  可再次生产的能源的高比例、大规模利用将会对现有能源体系产生巨大冲击。风能、太阳能等可再生能源存在与生俱来的单位体积内的包含的能量低、波动性强等问题，具有随机性、间歇性和波动性等特点，近年来风光并网消纳问题日渐突出，仅靠单项技术的进步难以完全解决，需从能源系统整体角度加以考虑。因此，可再次生产的能源的大规模应用一定要考虑多种能源的系统融合，以风、光资源作为发电和供能的主力资源，以核电、水电和其他综合互补的非化石能源为“稳定电源”，以少量的火电作为应急电源或者调节电源，通过可再次生产的能源功率预测技术、电力系统稳定控制技术、电力系统灵活互动技术等构建新型电力系统管理和运行体系。

  同时，储能技术可有效平抑大规模可再次生产的能源发电接入电网带来的波动性，促进电力系统运行的电源和负荷的平衡，提高电网运行的安全性、经济性和灵活性。根据2021年国家发展改革委和能源局发布的《关于加快推进新型储能发展的指导意见》，2025 年新型储能技术的装机规模达到3000 万千瓦以上，2030 年实现全面市场化发展。除电化学储能、机械储能、电磁储能以外，氢能也是一种广义上的储能方式，利用可再次生产的能源、高温核能等制取的绿氢，能轻松实现电力的长时期存储，并推进可再次生产的能源向物质的无碳转化。氢作为能源的载体，可为能源的储运用等问题提出一系列新的解决方案。

  工业部门是二氧化碳的排放大户，2020 年二氧化碳排放占全国总排放量的39%，最重要的包含钢铁、建材、化工、有色等领域。要实现这些领域的“双碳”目标，就必须对现有的工业流程进行低碳零碳再造。首先，通过深度电气化，利用非化石能源发电实现深度脱碳；其次，对于难以电气化的工业流程，需借助氢能、合成气/甲醇、二氧化碳等平台，通过技术突破和行业间的协调、融合实现低碳零碳流程再造，促进化石能源和二氧化碳的资源化利用，实现行业低碳零碳工艺革新。

  以绿氢与煤化工融合为例，如果在煤气化过程中补入绿氢，可实现煤制烯烃过程的碳减排(近70%)；如果补入过量的绿氢，则可引入二氧化碳作为部分碳源，实现全过程的负碳排放。以钢铁与煤化工融合为例，如果利用钢铁尾气中含有的合成气生产乙醇，初步估算，全国钢厂25%的剩余尾气约可制1000 万吨乙醇，减少二氧化碳排放近2000 万吨。以绿氢与钢铁融合为例，以氢气代替煤炭来还原铁矿石(氢冶金)，二氧化碳排放可降至传统工艺的20%。以水泥和化工融合为例，水泥行业的排放主要是由于原料中碳酸钙分解产生的过程排放(约60%)，这部分“不得不排放”的二氧化碳无法通过燃料替代实现减排。但如果以氢为介质与化工过程耦合，可将二氧化碳转化为甲醇等，实现二氧化碳的资源化利用。此外，从“多能融合”的理念出发，在甲烷等气氛下进行熟料焙烧，可使碳酸钙与甲烷反应生成一氧化碳和氢气，再作为原料制备化学品，以此来实现水泥的低碳、经济发展。

  数字化智能化能源系统的构建，是将云计算、人工智能、物联网、区块链、智能传感、数字孪生、智能量测等新一代数字化、智能化技术与传统能源体系相融合，通过建立智能煤矿、智慧油气田、智慧电厂、智能电网、智能油气管网、智慧能源平台、智能家居、智能催化等系统，加速推进“能量流与信息流的融合”，实现系统优化，推动以绿色、数字化、高质量为核心的能源领域创新发展。

  能源系统数字化智能化是实现“双碳”目标的重要的条件和助推器，我国已将数字化转型上升为国家战略，国家发展改革委和国家能源局在《“十四五”现代能源体系规划》中提出要加快能源产业数字化智能化升级，数字化智能化技术与能源系统正在加速融合。以数字化智能化与电网融合为例，相较于传统电网，智能电网具有强大的自愈能力，可以更好地抵御外界干扰和日益频发的极端天气，在保持电网稳定性的情况下，对于风电、光伏等清洁能源的接入具备更好的兼容性，可适应可再次生产的能源、分布式电源和微电网的大规模接入。结合大数据、AI和数字孪生技术，实现新型电力系统模拟运行仿真，高精度预测短期内新能源发电量、负荷侧用电量。数字化智能化与催化融合，有望颠覆传统催化科学与技术的发展模式，提高催化剂和反应过程的开发速度，明显降低开发成本。大连化物所、榆林中科洁净能源创新研究院(以下简称榆林创新院)等科研单位正协同构建数智催化技术创新中心，中心建成后将加速高效催化剂研发、高效催化反应过程设计及放大，突破催化化学和化学工程领域的关键核心技术，实现催化技术开发的聚变式发展，推动能源化工产业升级。

  本文摘编自《碳中和目标下多能融合战略》(刘中民等著. 北京：龙门书局，2024.6)一书“丛书序”“第2 章 多能融合的理念与技术框架”，有删减修改，标题为编者所加。

  我国能源各分系统相对独立，存在系统壁垒，难以“合并同类项”，导致能源系统结构性矛盾突出、整体效率不高。缺乏能联系不同能源种类、打破系统壁垒的关键技术是造成以上问题的重要原因。本书基于中国科学院战略性先导科技专项(A 类)“变革性洁净能源关键技术与示范”的战略研究成果和科学技术研发进展，提出了通过技术创新实现多种能源之间互补融合的“多能融合”理念和技术框架；阐释了多能融合“四主线、四平台”内涵；分析了多能融合关键技术清单及各平台技术的专利导航情况；提出了典型区域开展多能融合示范的系统方案；通过能源系统模型，量化评估了碳中和目标下多能融合战略实施的效果，提出了加速推进多能融合战略的政策建议。

  本书是基于技术分析开展战略研究的探索性成果，可为我国面向“双碳”目标的新型能源体系构建提供参考，也能为科学技术研发人员、政府管理人员、能源政策研究人员了解我国能源科技整体布局和发展需求提供参考。