“双碳”目标下能源领域低碳转型技术进展

董立霞

(中石化(北京)化工研究院有限公司，北京 102500)

据统计，全球2019年人类活动导致的二氧化碳排放量为390×108t，其中75%来自于化石能源消费[1]。中国早已作为全球第一大能源消费国和能源生产国。我国能源体系中煤炭占比超过一半，远超世界平均值27%[2]。2020年“碳达峰、碳中和”目标的提出加速了我国推进碳减排的步伐。本文通过对我国能源组成与转型推动力分析，对转型技术发展及前景进行综述分析。

1 我国能源转型现状

1.1 我国能源组成与利用

(1)煤炭能源占比高，油气对外依存度高

化石能源以高能量密度、经济性高、易于转化利用等优点成为当前社会的主要能源。受“富煤、贫油、少气”国情影响，我国能源结构呈现“煤炭占比过半，油气对外依赖度高”的特点。现研究数据表明，我国能源消费结构中，煤炭占比为57%，其次石油占比19%，天然气占比8%，化石能源三者累计占比84%，非化石能源占比仅为16%[3]。2019年，我国原油与天然气高度依赖进口，其对外依存度分别超过70%和45%，而我国储气能力为年消费量的5.7%，远低于世界水平的12%至15%。

(2)能源利用率偏低，碳减排难度大

从单位GDP能耗强度来看，我国部分工业产品单耗虽已接近国际先进水平，但整体能耗强度与欧美发达国家仍存在较大差距。2018年，我国能耗强度分别为日、德、法、美、韩的4.1、3.7、3.7、2.4、1.4倍。从能源系统加工转化整体效率来看，我国能源加工转化整体效率为65.1%，与美国、德国和日本分别相差7.8%、5.4%和2.6%。上述因素叠加之下，我国成为全球最大的碳排放国，能源相关领域贡献了全国碳排放量80%以上，碳减排难度巨大。

1.2 能源转型因素

(1)社会舆论与政府政策

生态环境的恶化唤醒了各国人民环保意识。国际国内环保组织也多次倡议公共交通方式出行。2020年，壳牌公司在欧洲的工业项目遭到环保组织起诉，要求其2030年较2019年减少碳排45%。我国民众也自发组织“地球关灯一小时”等环保节能活动。

能源转型过程是不破不立的过程，需要打破现有经济、产业、利益及制度结构，政府力量的推动必不可少。2020年，在国家十四五规划指导下，钢铁、石油、煤炭、水泥等高碳排行业的主要企业纷纷制定出各自的十四五规划，着重碳减排领域布局。如，钢铁、炼油行业进行相关低碳排放技术更新换代，低碳能源的推广应用等。

(2)市场需求与技术发展

预计，2035年全球电力消费增长为化石能源消费增长的2倍。电力消费的增长为新能源及其相关产业提供了巨大发展空间。世界知名石化公司道达尔(Total)公司布局新能源领域，其曾于2020年2月斥资5.1亿美元收购印度阿达尼集团太阳能业务50%股份。中国主要能源公司也纷纷开发氢能领域。中石油规划十四五期间建成2500 m3/h的氢能项目；2018年中石化成立新能源研究所，承担氢能利用相关项目，并成功研发了电解水制氢专用催化剂，达到国内领先水平。

风能、光伏发电及氢能等新兴能源应用成本逐步降低。评估数据显示，2009-2019年，陆上风电发电成本下降70%；大型地面光伏发电成本下降89%。其中，陆上风电2019 年发电成本仅为28～54 美元/(MW·h)，总体低于天然气联合循环44～68 美元/(MW·h)的水平[4]。随着各新能源应用成本的持续降低，其逐步具有了同传统能源竞争的能力与空间。目前，我国第三代非能动核电机组和高温气冷堆系统等安全核心问题取得重大技术突破，为我国核电清洁能源建设奠定坚实基础。

2 能源转型技术发展现状

依据转型技术在能源领域及“双碳”目标中的作用，可将其分为清洁可再生能源碳的零碳排技术、能源开发及利用过程的低碳排技术和CO2捕集及利用的负碳排技术。

2.1 零碳排技术

2.1.1 可再生能源与核电

水资源作为应用时间最长的清洁能源，应用技术十分成熟。2020年，我国水力发电量占全球水力发电量的30%以上，成为“水电大国”[5]。截止2020年底，水能资源丰富的十大流域开发程度均超60%，常规水电装机规模占水能技术开发量的49.5%[6]。我国已跨入国际“无人区”，处于世界领先地位。

核能作为重要清洁能源之一，具有功率运行稳定、全生命周期碳排最低和能量密度极高的优势特点[7]。目前，我国多用途模块式小型堆型品牌“玲龙一号”成为全球首个开工的路上商用模块化小堆，聚变核能项目——中国环流器二号M装置在2020年4月实现首次放电。我国拥有具有完全知识产权的三代核电技术，已发展成为世界上核能发展前三国家。截止2021年7月，我国大陆地区完成额定装机容量5327 MW，实际发电量占全国总发电量的5.04%[7]。

2.1.2 风力发电与光伏发电

我国风能资源极其丰富，储量和可开发的装机容量都居世界首位。2018年，我国全年风力发电上网发电量达到35.7 TWh，占全部发电量的5.2%；海上风力发电新增装机容量1.66 GW，累计装机容量达到4.45 GW[8]。我国打破国外技术垄断，实现了风电机组整机迈向MW级跨越式发展。形成3.6 MW以下装备、设计与制造体系，逐步掌握5 MW、6 MW整机集成技术，实现风电机组整机及零部件85%以上国产自给率，一跃成为世界风电设备制造大国。

近年来，我国光伏发电及其相关产业的发展与规模多年保持世界第一。我国发展形成了晶体硅太阳能电池产业化技术体系，掌握高效晶体硅太阳能电池制备及工艺技术。批量生产多晶硅电池效率18.5%，取得了世界范围内最高的多晶硅太阳能电池效率。对于光伏发电规模化利用的关键技术取得重大突破，掌握并建成10～100 MW级水/光/柴/储多能互补微电网设计集成技术与工业示范[8]。据统计，2017年我国光伏发电量占全球光伏发电了的1/4，后续依然保持增长态势[8]。

2.2 低碳排技术

化石能源是现代有机化工基础，是当今世界不可或缺的物质保障基础。“十四五”规划要求我国能源消费中煤炭、油气等化石能源占比分别降至48.0%、19%、11.5%，明显高于国际平均水平[9]，因此，开发低碳清洁化生产技术以减少化石能源开采与利用中的碳排放十分必要。

2.2.1 煤炭能源低碳清洁化生产技术

煤炭领域的高碳排主要在开采与利用阶段。煤炭采端企业通过煤炭井下分选实现清洁生产，在减少开采废物的运输成本的同时提高煤矿开采效率；利用矿井中地源热泵替代传统空调与燃煤锅炉，实现节能减排与煤矿资源的综合利用；将易引发安全事故的瓦斯浓缩利用，提高煤矿瓦斯利用率[10]。

超(超)临界发电技术，通过强化机组洁净发电技术，分析NOx、SOx、汞等污染物生成与排放规律，实现燃煤发电的超低排放[11]。新型煤气化、煤与有机废气无协同气化技术、煤与合成气一步法制备化学品等工艺技术的研发，减少煤炭利用过程的多步转化，提高整体转化效率，降低生产反应中的能耗与污染物排放[12]。

2.2.2 油气能源低碳清洁化生产技术

石油的碳氢比决定了石油在含碳材料与化工品应用的优势。我国汽车耗用的汽柴油约占我国石油产品总量的2/3。短时间内实现汽车动力脱碳也面临诸多挑战。实现油气能源的低碳减排的关键是实现炼油技术的低能耗与低碳排。

基于“分子炼油”理念，吸附分离或萃取分离技术能实现较低温度和较低压力下的产物分离，降低整体工艺能耗与碳排放量[13]。渣油脱沥青和脱油沥青气化-脱沥青油固定床加氢组合技术[14]，提高脱沥青油的渣油利用效率，实现劣质渣油的清洁、低能耗、低碳与高效转化。

2.3 负碳排技术

碳捕集、利用与封存(CCUS)技术是指将CO2从能源利用、工业过程等排放源或空气中捕集分离，进行地下封存或转化利用的技术[15]。依据CO2最终去向，可分为CO2捕集封存技术和CO2资源化技术。

2.3.1 CO2捕集技术

国内CO2捕集技术主要应用在油气开采领域。利用CO2与原油间作用力，从而降低原油黏度，达到提高原油产量的目的。截止2017年底，该技术的应用已累计增油13.8×104t[16]。

尽管CO2封存技术已实现大规模应用，能有效提升油井产量的同时实现CO2的永久封存，但仍存在一定经济性。目前我国投入的21项CCS项目中，CO2捕集能力多低于10×104t/a，仅有8个项目产生可观收益[15]。

2.3.2 CO2制燃料化学品

(1)CO2制燃料

我国成品油中汽油的表观消费量巨大，同时汽油也是制备乙烯与芳烃的重要原料。实现CO2制汽油一直是该领域的研究热点。传统CO2合成高碳产物的催化剂主要围绕Fe基催化剂，但受限于ASF分布，其催化产物中高碳烃(C5～C11)选择性较低，CO与CH4选择性较高[17]。2017年大连化物所创制Na-Fe3O4/HZSM-5复合催化剂，实现多位点耦合，通过一步法将CO2加氢制汽油[18]，同时工业化全套技术与2020年完成千吨级中试实验，实现CO2转化率85.1%，汽油选择性76.1%。

(2)CO2制化学品

“双碳”目标下，实现CO2转化为甲醇是一条高值化的技术路径[16]。CO2通过加氢反应和逆水煤汽变换反应生成甲醇。该技术现已实现商业化，其甲醇年产量达3500 吨。2020年，我国首个先进液态阳光项目在兰州投入运行，实现绿电工业应用与“碳减排”目标的耦合。

α-烯烃与高级醇作为高端材料聚合单体引起广泛关注，实现CO2定向转化该类化学品，不仅实现碳循环，还能有效降低对原油依赖[19]。国内外研究人员针对CO2的化学惰性及高碳产物选择性低的难题开展了广泛研究，主要集中在CO2的催化活化与碳碳耦合反应两方面。中国科学技术大学曾杰教授团队通过对活性中心对CO2加氢反应机制的研究，提出局域对称破缺活性中心使CO2更易被弯曲活化，提高CO2加氢活性[20]。酸性中心是碳碳耦合反应的活性中心。王野等[21]引入介孔H-ZSM-5分子筛，提升产物C5～C11选择性至70%；Gao等[22]通过引入SAPO-34，实现低碳烯烃选择性达80%，C2～C4烃选择性达93%，甲烷选择性降低至4%。

该类技术虽处于基础研究阶段，但该类方案是实现工业生产负碳排基础之上，开发出一种摆脱化石能源的依赖的生产途径，具有十分广阔的应用前景。

3 能源转型发展建议

能源转型是一场能源领域推陈出新的能源技术革命，低碳转型的前提与要求是平稳转型。综合分析当前能源技术发展，不论从无碳排的新能源技术，还是实现二氧化碳循环的碳减排与利用技术，亦或是提能增效的低碳排生产技术，均无法承载能源领域平稳转型的重担。面对紧迫的碳中和任务，寻找具有高能量密度与较低碳排的替代能源十分必要。

3.1 低碳排替代能源

天然气具有较低的二氧化碳排放强度。研究数据显示，煤炭消费在一次能源占比中为56.8%，但其二氧化碳排放占比达67.4%；而天然气的一次能源消费占比为8.3%，排放的二氧化碳占比仅为5.4%[13]。当前我国人均天然气消费量远低于世界平均水平。加之，相较于风能、太阳能等清洁能源，天然气发电具有更好的调峰并网能力。因此，采用具有低碳排的天然气替代高碳排的煤炭能源，可实现能源稳定供应的同时降低能源消耗碳排放。

抽水蓄能结合了应用最为成熟的水电技术优势，利用抽水蓄能电站的灵活运行与调峰能力，调节新能源、核电等清洁能源发电快速增长对电力系统的冲击，保障电力系统的稳定，最终形成风电、光伏、核电等清洁能源为主体的多能互补综合能源供给体系[23]。

3.2 能源转型发展方向

新能源的大规模并网要求电力系统灵活调节能源的输、发、配、变、用的平衡[24]。其关键是实现电能的“变”相存储。结合我国先进的水电技术，发展高效能抽水蓄能电站，构建以新能源为主体的新型电力系统。

我国是风能、太阳能储备较为丰富的国家。受新能源发电并网技术不成熟影响，导致当前风电与太阳能丰富地区能源弃用率超过20%。国家多举措消除高能源启用率。如合理规划电网结构新能源发电的就地消纳，推进高能输电系统与设备，建立优胜劣汰的市场竞争体制等。

4 结 语

发展稳定、安全的新型能源是实现低碳转型和降低能耗的根本。围绕构建新型电力系统、持续开发新型能源发电与新型电力系统规划运行技术与体制，同步开发二氧化碳捕集与转化利用技术，实现能源转化利用过程中碳减排与二氧化碳综合利用。