中國儲能網(wǎng)訊：近年來，中國科學(xué)院院士、美國工程院外籍院士、中國電力科學(xué)研究院名譽院長周孝信帶領(lǐng)團隊積極探索可落地、可驗證、可擴展的能源轉(zhuǎn)型新路徑，基于我國“雙碳”目標(biāo)要求，提出非化石電-氫-碳耦合的新型能源體系構(gòu)想，并對這一體系演進過程中我國能源電力發(fā)展趨勢進行了初步分析。
本刊日前采訪了周孝信院士，他認為，從現(xiàn)在起到2060年，我國能源電力系統(tǒng)發(fā)展可分為三個階段，具有不同的特征和任務(wù)；以風(fēng)、光、核等非化石能源電力為主體，通過電-氫-碳耦合構(gòu)建新型能源體系，是以更系統(tǒng)、更綜合的角度分析謀劃能源轉(zhuǎn)型路徑，充分考慮了轉(zhuǎn)型的可選和必選技術(shù)方案，經(jīng)初步論證，在技術(shù)、經(jīng)濟等方面具備可行性及應(yīng)用前景。
本次訪談圍繞院士團隊的近年研究成果展開，將有助于業(yè)界開拓視野，深入思考電力系統(tǒng)靈活性和韌性、轉(zhuǎn)型路徑及措施、產(chǎn)業(yè)鏈融合等前沿問題。
我國西北地區(qū)“沙戈荒”土地為建設(shè)大型風(fēng)電光伏基地提供了廣闊空間。
開展非化石電-氫-碳耦合研究的現(xiàn)實意義
《能源評論》：您與團隊為什么選擇開展非化石電-氫-碳耦合的研究？您希望通過這一研究解決哪些關(guān)鍵問題？
周孝信：我國要實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)下的能源轉(zhuǎn)型，需在保障能源供應(yīng)安全的基礎(chǔ)上，逐步降低一次能源消費中化石能源的比例，增加非化石能源占比。非化石電-氫-碳耦合體系以風(fēng)光水核等綠電為主體，結(jié)合綠電制氫、碳捕集利用等綜合手段，可助力能源結(jié)構(gòu)向低碳、零碳轉(zhuǎn)型。
我國建設(shè)新型能源體系，需要對“沙戈荒”等大型能源基地發(fā)展、高比例新能源并網(wǎng)消納等問題進行綜合研究和統(tǒng)籌。我們團隊開展非化石電-氫-碳耦合研究，是立足我國“雙碳”目標(biāo)，統(tǒng)籌考慮能源清潔轉(zhuǎn)型和新型電力系統(tǒng)安全經(jīng)濟運行兩個方面的迫切需求。首先，以風(fēng)電、光伏為主的可再生能源發(fā)電比重不斷提高是電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型的必然方向和核心途徑，其波動性、間歇性和不確定性對電力系統(tǒng)的靈活性、韌性、穩(wěn)定性等方面提出了更高要求，非化石電-氫-碳耦合體系中的綠氫及其衍生綠色燃料，可為電力系統(tǒng)提供靈活性資源和中長期儲能介質(zhì)，保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行；其次，受輸電通道資源限制、電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行約束、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)經(jīng)濟性等多方面因素影響，僅依靠電力傳輸，或?qū)㈦y以支撐未來大規(guī)模的新能源外送及消納需求，需要依托多元化的能源品類及技術(shù)手段實現(xiàn)能源資源遠距離大范圍優(yōu)化配置。最后，綠氫及其衍生品（如甲烷、甲醇、氨等綠色燃料或化工原料）的生產(chǎn)及利用，是推動非電利用能源消費清潔轉(zhuǎn)型的有效途徑。
《能源評論》：隨著非化石能源發(fā)電占比不斷提升，您認為，我國能源電力發(fā)展將面臨怎樣的演化趨勢？
周孝信：根據(jù)國家能源局組織發(fā)布的《新型電力系統(tǒng)發(fā)展藍皮書》，我國能源電力系統(tǒng)未來發(fā)展可分為三個階段：第一階段是從現(xiàn)在到2030年前，我國可再生能源發(fā)電快速發(fā)展，特別是太陽能和風(fēng)能的裝機容量和發(fā)電量將快速增長；同時，全社會用電量也將保持較高的增長率。第二階段是從2030年到2045年，全社會用電量的增長逐漸放緩，可再生能源發(fā)電占比進一步提高，化石能源發(fā)電占比逐漸下降。第三階段是從2045年到2060年，全社會用電量年均增長率顯著降低，可再生能源發(fā)電將占據(jù)主導(dǎo)地位，能源電力系統(tǒng)將基本實現(xiàn)“碳中和”。
預(yù)計2060年全社會用電量將達到21萬億千瓦時，對于這個預(yù)測數(shù)據(jù)，我們綜合考慮了多種因素，包括全社會電氣化、信息化和人工智能發(fā)展等。
《能源評論》：您認為，構(gòu)建非化石電-氫-碳耦合的新型能源體系的演化過程將是怎樣的？具體到“沙戈荒”這類大型能源基地場景，它將促成哪些變化？
周孝信：這是一個以實現(xiàn)“碳中和”為目標(biāo)的中遠期能源體系。在這一體系的構(gòu)建演化過程中，用電量增長將主要由各類非化石能源電力提供。它的主要特點在于，以非化石電（即綠電）為主、非化石氫（即綠氫）為輔，對傳統(tǒng)化石能源進行“雙替代”。非化石電（綠電）逐步成為能源消費結(jié)構(gòu)的主要組成部分；與此同時，非化石氫（綠氫）在能源消費結(jié)構(gòu)中的份額逐步加大，助力形成以風(fēng)光電為主體、電氫耦合的新型能源體系，為2060年前實現(xiàn)“碳中和”目標(biāo)奠定基礎(chǔ)。通過綠氫發(fā)電和非電利用，分別為電力系統(tǒng)運行和終端消費部門清潔轉(zhuǎn)型提供支持。在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的二氧化碳或從空氣中捕集的二氧化碳與綠氫合成甲烷、甲醇、可持續(xù)航空燃料等化合物，成為綠色燃料和化工原料，由此實現(xiàn)電-氫-碳的耦合。這個過程可把“碳”從廢棄物變?yōu)樵牧?，通過碳的梯級回收利用實現(xiàn)碳減排。這些技術(shù)路線和市場協(xié)同，將共同推動能源系統(tǒng)綠色低碳轉(zhuǎn)型與高質(zhì)量發(fā)展，助力實現(xiàn)“碳中和”目標(biāo)。
具體到“沙戈荒”，可以通過西部風(fēng)光新能源電力開發(fā)外送與電制氫、儲氫發(fā)電和能源化工耦合，一方面應(yīng)對新能源出力間歇性強、波動大、預(yù)測和平衡困難，破解需要配置大容量煤電參與調(diào)節(jié)的難題；另一方面，可將“西電東送”轉(zhuǎn)變?yōu)椤拔髂軚|輸”，利用現(xiàn)有天然氣基礎(chǔ)設(shè)施輸送氫和甲烷，或采用其他經(jīng)濟可行方式實現(xiàn)甲醇、氨等產(chǎn)品的就地利用及外送，由此可直接對接我國難以電氣化的化工、冶金、交通運輸?shù)炔块T，促進產(chǎn)業(yè)鏈融合或新增。
《能源評論》：通過驗證，您認為非化石電-氫-碳耦合的新型能源體系還需要應(yīng)對哪些挑戰(zhàn)？
周孝信：一是高比例非化石能源特點使得新型電力系統(tǒng)安全經(jīng)濟運行面臨新挑戰(zhàn)，主要體現(xiàn)在電力系統(tǒng)靈活性、韌性、穩(wěn)定性、可靠性等方面的要求；二是能源轉(zhuǎn)型需要有效化解電力成本提高問題，以更好滿足系統(tǒng)運行靈活性和綠色經(jīng)濟性的需求；三是綠氫制備、儲運及發(fā)電技術(shù)還有待進一步發(fā)展，需要推動相關(guān)產(chǎn)業(yè)規(guī)模化及成本下降；四是為實現(xiàn)電-氫-碳耦合，還需要加強相關(guān)技術(shù)的交叉融合、政策優(yōu)化和市場機制完善。
綠電替代和綠氫替代將成為關(guān)鍵
《能源評論》：在非化石電-氫-碳耦合體系中，綠氫扮演了什么樣的角色？
周孝信：在這一體系中，隨著技術(shù)成熟及成本下降，綠氫將逐步扮演非常重要的角色。一方面，綠氫制取和發(fā)電，助力新型電力系統(tǒng)的靈活性調(diào)節(jié)。綠氫作為長周期儲能優(yōu)良介質(zhì)，與短周期新型儲能、抽水蓄能、有調(diào)節(jié)能力的水電機組及通過綠色改造后的火電機組相配合，在極高比例風(fēng)光新能源發(fā)電條件下可為電力系統(tǒng)運行提供靈活性和韌性支持。另一方面，綠氫及其衍生“綠色燃料/化工原料”，可作為化工、鋼鐵、交通等終端消費部門綠色轉(zhuǎn)型、實現(xiàn)“碳中和”的關(guān)鍵舉措。
《能源評論》：您在學(xué)術(shù)報告中提到了綜合減碳措施，能否詳細介紹一下？
周孝信：綜合減碳措施主要包括綠電替代、綠氫替代、煤電和氣電的綠色燃料替代、CCUS（碳捕集、利用與封存）等。綠電替代和綠氫替代將對實現(xiàn)“碳中和”目標(biāo)起到關(guān)鍵作用。綠電替代主要是指通過可再生能源發(fā)電替代傳統(tǒng)的化石能源發(fā)電，減少二氧化碳排放。綠氫替代包括兩個方面：一是綠氫發(fā)電利用，主要是通過電解水制氫等方式將綠電轉(zhuǎn)化為氫能，再通過燃氣輪機發(fā)電等方式將氫能轉(zhuǎn)化為電能，實現(xiàn)能源的長期儲存和靈活利用，為電力系統(tǒng)運行提供靈活性和韌性支持；二是綠電制氫或進一步合成綠色燃氣或化工原料直接應(yīng)用，實現(xiàn)對化石能源非電利用的替代。煤電和氣電的綠色燃料替代主要是通過綠氨、生物質(zhì)等綠色燃料摻燒技術(shù)，降低化石能源發(fā)電的二氧化碳排放。CCUS則主要用于捕集化石能源消費過程中產(chǎn)生的二氧化碳，并加以封存或進一步利用。這些措施，都可以助力我國能源電力系統(tǒng)實現(xiàn)碳減排，具體需結(jié)合經(jīng)濟成本、資源條件、技術(shù)成熟度等因素進行組合應(yīng)用。
《能源評論》：您認為未來我國能源體系將朝著怎樣的方向發(fā)展？您有哪些具體的建議和展望？
周孝信：隨著技術(shù)的持續(xù)進步和成本的不斷降低，綠電、綠氫等非化石能源將在能源體系中發(fā)揮越來越重要的作用，通過電解制氫、氫能發(fā)電、二氧化碳捕集、煤電綠色燃料摻燒等技術(shù)融合及相關(guān)產(chǎn)業(yè)耦合，推動我國能源電力系統(tǒng)實現(xiàn)碳中和目標(biāo)。我相信，未來我國將建成一個以非化石能源發(fā)電為主體、電-氫-碳耦合的新型能源體系，為我國經(jīng)濟社會的高質(zhì)量、可持續(xù)發(fā)展提供有力的能源保障。
