原文發(fā)表于《科技導(dǎo)報》2025 年第22 期 《 以電—氫—碳耦合方式協(xié)同推進新能源大規(guī)模開發(fā)與煤電綠色轉(zhuǎn)型 》

中國是全世界能源消費和碳排放總量最大的國家，面臨著保障能源安全、推動低碳轉(zhuǎn)型的雙重任務(wù)，需要加快開發(fā)利用新能源，推動煤電綠色轉(zhuǎn)型。然而，大規(guī)模開發(fā)新能源面臨消納、外送難題，煤電轉(zhuǎn)型面臨存量規(guī)模大、減排成本高，如何經(jīng)濟高效解決這兩大問題是實現(xiàn)能源轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵。本文以電—氫—碳耦合方式提出了解決新能源消納和煤電綠色低碳轉(zhuǎn)型難題的“三步走”建議。

1 解決氣候變化問題的關(guān)鍵是降低碳排放

氣候變化問題是21世紀(jì)人類共同面臨的重大挑戰(zhàn)，二氧化碳、甲烷等溫室氣體的排放被認為是造成全球氣候變暖的最主要原因。為了應(yīng)對這一危機，各國紛紛提出碳中和目標(biāo)，謀求零碳轉(zhuǎn)型。

氣候變化問題本質(zhì)上是化石能源過度開發(fā)利用導(dǎo)致的碳循環(huán)失衡，釋放到大氣中的二氧化碳大于地球系統(tǒng)固化的二氧化碳。解決這一問題有“一減一加”2個途徑：“減”指減排，減少能源系統(tǒng)的碳排放；“加”指增匯，如增加森林碳匯、濕地碳匯或通過碳捕集、利用與封存技術(shù)增加人工碳匯等。

中國能源領(lǐng)域碳排放占全國碳排放總量的80%以上，其中電力碳排放在能源行業(yè)中的占比超過50%，且絕大部分來源于煤電，實現(xiàn)能源領(lǐng)域低碳轉(zhuǎn)型對于實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)至關(guān)重要。隨著能源低碳轉(zhuǎn)型的深入，結(jié)合中國國情，未來降低碳排放的關(guān)鍵之一在于大力開發(fā)風(fēng)電、光伏等新能源，替代傳統(tǒng)化石能源，降低能源碳強度；增加碳匯的關(guān)鍵在于實現(xiàn)傳統(tǒng)煤電的綠色低碳轉(zhuǎn)型，對排放的二氧化碳進行捕集、存儲和利用。

2 新能源高質(zhì)量發(fā)展要求迫切

中國的可再生能源資源十分豐富，“雙碳”目標(biāo)提出后，風(fēng)電、光伏等新能源迎來跨越式發(fā)展。展望未來，風(fēng)電、光伏將逐步成為中國電源裝機和發(fā)電量的主體。然而，風(fēng)電、光伏等新能源存在隨機性和波動性，大規(guī)模開發(fā)面臨如何消納、外送的難題。

第一，電網(wǎng)消納困難。風(fēng)電、光伏等新能源發(fā)電出力具有隨機性和波動性。由于系統(tǒng)調(diào)節(jié)資源不足、消納機制不完善等原因，無法完全避免“棄風(fēng)棄光”。

第二，安全保供能力不足。高比例新能源電力系統(tǒng)維持短期日內(nèi)平衡和長期季節(jié)平衡、滿足用電高峰負荷的難度較大，極端天氣下電力保供問題更加突出。

第三，電力大范圍配置壓力大。新能源資源與負荷需求的逆向分布要求建設(shè)更多跨區(qū)輸電通道，提高電網(wǎng)配置能力。

第四，系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行難度大。新能源大量替代同步發(fā)電機后，系統(tǒng)慣量水平下降，頻率響應(yīng)特性惡化，削弱系統(tǒng)抵御功率偏差的能力。且新能源無功支撐能力弱，故障后送端暫態(tài)過電壓問題突出。

3 煤電面臨綠色低碳轉(zhuǎn)型難題

長期以來，煤電是中國的主力電源，發(fā)揮了保障電力供應(yīng)的“頂梁柱”和系統(tǒng)安全的“壓艙石”作用，未來一段時期內(nèi)也仍將是重要的支撐性和調(diào)節(jié)性電源。

與此同時，煤電節(jié)能改造、靈活性改造也在穩(wěn)步推進。隨著新能源發(fā)電裝機占比的大幅提升，電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行受到了挑戰(zhàn)，需要具備調(diào)節(jié)能力的煤電機組承擔(dān)更多的調(diào)峰、調(diào)頻等任務(wù)。

中國是世界煤電裝機和發(fā)電量最大的國家，降低煤電碳排放強度，向低碳甚至零碳電源轉(zhuǎn)變是實現(xiàn)能源轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵。實現(xiàn)煤電綠色低碳轉(zhuǎn)型，面臨著以下3個方面的挑戰(zhàn)。

首先，因為資源稟賦的原因，中國存量火電規(guī)模大，且以煤電為主。煤電碳排放強度高，是二氧化碳排放的最大單一來源，實現(xiàn)綠色低碳轉(zhuǎn)型任務(wù)艱巨。

其次，當(dāng)前煤電減碳手段有限，減排成本高。碳捕集、利用與封存技術(shù)（CCUS）是降低煤電碳排放的重要技術(shù)手段，但目前成本仍較高，且缺乏有效的商業(yè)模式。

最后，煤電安全保供責(zé)任大，運營效益難保障。由于煤價波動大，煤電經(jīng)營效益存在很大不確定性，且容量電價補償標(biāo)準(zhǔn)偏低，分年到位，效益難保障。

4 電—氫—碳耦合開辟新路徑

為解決新能源消納和煤電綠色低碳轉(zhuǎn)型難題，國內(nèi)外均開展了大量研究和實踐。國內(nèi)外在風(fēng)光氫協(xié)同開發(fā)、煤電靈活性改造、煤電摻氨發(fā)電、氫發(fā)電等領(lǐng)域已開展了一系列試驗示范，取得了寶貴的實踐經(jīng)驗。近年來部分代表性試驗、示范工程如表1所示。

表1 風(fēng)光氫（氨）協(xié)同和促進煤電低碳轉(zhuǎn)型的部分試驗、示范工程

電—氫—碳耦合是指將新能源發(fā)電、煤電、制氫、碳利用等環(huán)節(jié)有機整合，以新能源為能量來源，以水、空氣和煤電排放的二氧化碳為原料實現(xiàn)電力和氫氨醇等物質(zhì)聯(lián)產(chǎn)的新模式。電—氫—碳耦合系統(tǒng)以新能源電力為主要能量來源，驅(qū)動碳、氫等作為能量載體的元素在不同形態(tài)間的轉(zhuǎn)化，以減少碳排放或碳完全循環(huán)利用為目標(biāo)，實現(xiàn)能源系統(tǒng)由高碳向低碳、零碳轉(zhuǎn)型。電—氫—碳耦合系統(tǒng)示意如圖1所示。

圖1 電—氫—碳耦合系統(tǒng)示意

隨著大量風(fēng)光制氫、制氨等示范項目的規(guī)劃和建設(shè)，電—氫—碳協(xié)同發(fā)展態(tài)勢已初步呈現(xiàn)。電氫協(xié)同形態(tài)、多能耦合基礎(chǔ)理論等研究也正穩(wěn)步開展。

從能量流的角度來看，電—氫—碳耦合系統(tǒng)存在電能、氫能、氨甲醇等其他氫基能源3類能量形式。風(fēng)、光發(fā)電是主要的電力來源，煤電、氫發(fā)電、氨發(fā)電等電源發(fā)揮調(diào)節(jié)作用，實現(xiàn)電力穩(wěn)定供應(yīng)、外送。隨著技術(shù)的進步，各類能量轉(zhuǎn)化環(huán)節(jié)的效率有望得到提升。通過合理的工業(yè)流程設(shè)計，有效利用各環(huán)節(jié)的反應(yīng)余熱（如將合成氨反應(yīng)余熱用于高溫固體氧化物電解槽加熱等），也將進一步降低損耗，提升全系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)化效率。

從物質(zhì)流的角度來看，電—氫—碳耦合系統(tǒng)盡可能利用所有參加反應(yīng)的原子，做到“物盡其用”。電—氫—碳耦合系統(tǒng)可以充分利用綠電規(guī)模化制氫（氨、醇）的負荷靈活性，配套儲電/儲氫（醇）、氫發(fā)電及存量火電，為新能源基地提供短期至長期全時間尺度零碳靈活調(diào)節(jié)資源，解決基地近區(qū)零碳調(diào)節(jié)資源匱乏、配套調(diào)節(jié)性煤電需要降碳等問題，提高基地發(fā)電出力穩(wěn)定性和可控性，保障電力安全可靠供應(yīng)。同時也可推動綠電、綠氫在傳統(tǒng)化工領(lǐng)域的應(yīng)用，有助于推動石化、煤化工等高碳排放產(chǎn)業(yè)的低碳轉(zhuǎn)型。

以電—氫—碳耦合方式解決新能源消納和煤電綠色低碳轉(zhuǎn)型難題可分為“三步走”。

第一階段，主要采用風(fēng)光火打捆開發(fā)的方式，煤電為新能源開發(fā)提供調(diào)節(jié)和支撐，新能源降低基地總體碳排放強度。

第二階段，引入電制氫、煤電摻氨等技術(shù)，靈活的電制氫為新能源提供新的消納方式，同時氫再制成氨用于煤電摻燒以進一步降低煤電的碳排放強度。

第三階段，充分利用火電排放的二氧化碳，在穩(wěn)定可靠的電力基礎(chǔ)上聯(lián)產(chǎn)氫、氨和醇，實現(xiàn)電—氫—碳的深度耦合和沙戈荒基地的整體零碳排放。

5 實現(xiàn)電—氫—碳耦合需要協(xié)同發(fā)力

電—氫—碳耦合是一個系統(tǒng)性問題、交叉學(xué)科問題，需要用系統(tǒng)優(yōu)化思維進行能源、物質(zhì)多系統(tǒng)優(yōu)化研究和跨專業(yè)協(xié)同、跨行業(yè)整合。電制氫、合成氨、合成甲醇、碳捕集等技術(shù)已相對成熟，但電—氫—碳耦合發(fā)展仍面臨著一系列問題和挑戰(zhàn)。未來電氫碳協(xié)同面臨的關(guān)鍵科學(xué)問題包括：電—氫—碳耦合的多能協(xié)同系統(tǒng)基礎(chǔ)理論，氫能產(chǎn)業(yè)鏈關(guān)鍵材料技術(shù)，新型綠色化工與新能源相匹配的技術(shù)，煤電低碳化改造關(guān)鍵技術(shù)等。實現(xiàn)電—氫—碳耦合發(fā)展，還需要在頂層設(shè)計、技術(shù)研發(fā)、產(chǎn)業(yè)鏈構(gòu)建、標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)等方面協(xié)同發(fā)力。

一是布局重點專項支持前沿科技攻堅突破。“十五五”期間重點支持多能源品種能量流、物質(zhì)流、信息流協(xié)同優(yōu)化理論；適應(yīng)新能源的構(gòu)網(wǎng)型電解水制氫技術(shù)；重型純氫（氨）燃氣輪機的設(shè)計制造技術(shù)等。建立電—氫—碳耦合綜合能源系統(tǒng)的大型裝備及研發(fā)試驗實證平臺，研究綜合能源系統(tǒng)仿真技術(shù)，服務(wù)各環(huán)節(jié)控制系統(tǒng)開發(fā)及優(yōu)化。

二是推動開展技術(shù)裝備和能源基地示范。“十五五”期間在西部、北部有條件的地區(qū)開展“綠電制氫氨+摻氨發(fā)電”全流程示范，率先在西部、北部地區(qū)推廣電—氫—碳耦合模式。

三是培育電—氫—碳耦合產(chǎn)業(yè)鏈推動產(chǎn)業(yè)發(fā)展。應(yīng)鼓勵技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)學(xué)研合作，推動綠氫化工、氫能交通以及綠氨、綠甲醇等綠色氫基能源的商業(yè)化和產(chǎn)業(yè)化，營造制儲輸用全流程產(chǎn)業(yè)鏈，推動產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

四是推動標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)和完善相應(yīng)法律法規(guī)。“十五五”期間推動綠氫及綠氨、綠甲醇等氫基衍生品的標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)，引領(lǐng)新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展。加快出臺氫能相關(guān)法律法規(guī)，明確氫的能源屬性，為氫能發(fā)展提供法律保障。

五是加強跨學(xué)科融合創(chuàng)新和產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合攻關(guān)。協(xié)同發(fā)電、電網(wǎng)、化工、裝備制造等上下游產(chǎn)業(yè)，推動多學(xué)科、跨行業(yè)產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合攻關(guān)，為產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供人才和智力支持。

本文作者：劉澤洪

作者簡介：劉澤洪，全球能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展合作組織，教授級高級工程師，研究方向為電力系統(tǒng)規(guī)劃、設(shè)計和工程建設(shè)。

文章來 源 ： 劉澤洪. 以電—氫—碳耦合方式協(xié)同推進新能源大規(guī)模開發(fā)與煤電綠色轉(zhuǎn)型[J]. 科技導(dǎo)報, 2025, 43(22): 16?22 .

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