习近平总书记在中共二十大报告中多次提到我国能源发展和能源安全问题,并提出“积极稳妥推进碳达峰碳中和”,是新时期我国推进“双碳”进程的指导思想。逐步建立以可再生能源为主体、多能互补的现代能源体系是实现“双碳”目标的根本路径,然而以煤为主的能源结构短期内难以改变,如果脱离我国能源实际情况,采用“一刀切”“急刹车”等激进做法,可能引发影响能源安全及相关产业链稳定的严重问题。因此,全局统筹新型能源体系的建设,成为一项重要而急迫的基本任务。
新型能源体系的构建是传统化石能源与新能源此消彼长、互补融合的过程,是一项动态的、复杂的系统工程。立足我国能源资源禀赋,坚持先立后破,确保能源安全,是构建新型能源体系应坚持的基本原则,“清洁低碳、安全高效”是新型能源体系的建设目标。
中共二十大报告指出,实现碳达峰碳中和是一场广泛而深刻的经济社会系统性变革。当前我国新型能源体系建设仍处于起步阶段,有四个突出问题需要解决。
一是用好化石能源,发挥化石能源的物质与能量双重属性,对国民经济健康运行起到兜底保障作用。
在当下,化石能源提供了全球经济社会发展所需的大部分物质和动力,但化石能源的利用仍沿用传统方式,即主要以获取热量及其所衍生的动力为目的,这也是造成全球二氧化碳排放的主要因素。我国以化石能源为主的能源结构及以煤炭为主提供热力的工业结构,是造成我国碳排放量全球最高的主要原因。忽略了化石能源的物质属性,仅通过热力利用提高能效不仅是一条艰难的减排途径,而且难以从根本上达到低碳化的目标。
因此,基于我国“富煤贫油缺气”的资源禀赋,需要推动煤炭由燃料向燃料与原料耦合转变,发挥好煤炭的压舱石作用。一方面,需要突破煤炭高效燃烧技术门槛,目前我国大容量、高参数燃煤发电机组已经达到世界先进水平,但在超临界燃煤发电等方面与国际先进水平存在较大差距;另一方面,需要凸显煤炭的物质属性,以煤为原料,通过气化、液化、焦化等途径制取油品和替代石油制取大宗化学品的现代煤化工,不仅可缓解石油供应紧张的局面,同时也可弥补现有石油加工与石油化工行业的结构性缺陷,紧急情况下还可以成为保障油气供应的重要支柱。通过技术创新,研发高附加值、精细化、差异化产品,重点以合成气、甲醇转化为平台,实现烯烃、芳烃和含氧化合物大宗化学品/燃料的合成技术变革,促进煤化工与石油化工的协调发展,构建更加合理的能源产业结构。
二是近年来我国新能源产业发展迅速,已成为国民经济的新兴增长极,但新能源的大规模发展仍需突破资源与技术的双重壁垒。
可再生能源是未来新型能源体系的主体能源,现阶段的发展重点是扩大可再生能源规模,从而促进社会能源结构整体产生变革。据预测,我国到2025年、2030年、2060年,非化石能源占能源消费比重将分别达到20%、25%和80%的目标,风、光、生物质等可再生能源及核能将逐渐成为新型能源体系的主体。
我国可再生能源的产业规模、产业链完整性领先全球,已形成较为完备的可再生能源技术及产业体系。其中,我国风光资源较为丰富,风电、光伏发电技术水平具有国际竞争力,装备在全球市场占据主导地位,风电、光伏装机容量遥遥领先其他主要经济体,但部分原材料和高端核心装备组件依赖进口,存在“卡脖子”风险,成为我国可再生能源进一步大规模发展的巨大隐患,限制了产业的长期健康发展。下一步需要完善能源科技创新体制,鼓励科研人员注重原始创新、基础创新,梳理并突破“卡脖子”技术清单,以提升技术经济性、资源循环性、产品市场竞争力为导向,进一步推动可再生能源产业大规模发展。
储能技术是推广可再生能源的关键,大规模储能可以为可再生能源充分开发利用提供必要支撑,有效解决电网运行安全、电力电量平衡、可再生能源消纳等方面的问题。大规模储能对载体的安全性、经济性、灵活性均提出很高要求,目前传统的储能形式以抽水蓄能为主,其安全性、经济性较高,但灵活性不足。因此需要突破一批关键储能技术来支撑现代能源体系建设,其中全钒液流电池是一种较有希望的储能形式,具有水系电池的本征安全性和灵活性,利用不同价态钒离子之间的可逆相互转化,完成充电、放电、再充电的循环过程,实现化学能和电能之间的转化。
三是高能耗工业流程需要低碳化再造,推动工业革命与能源革命互相促进。
新型能源体系的建设,不仅要向“清洁低碳、安全高效”的方向变革,而且要为工业结构全面升级的工业革命提供基础。能源革命与工业革命二者历来交互发展,共同作用于促进社会经济结构变革。全球能源发展正处于从高碳到低碳、无碳的关键过渡期,我国能源革命已拉开序幕,在“双碳”目标的牵引下,也必然会促进我国工业革命的迅速开展。
我国电力工业及高能耗工业占二氧化碳排放量80%左右,是二氧化碳减排需要重点关注的行业。其中,工业流程实现低碳再造有巨大的创新空间,可以产生显著的经济效益,也会产生巨大的总体节能减排效果。例如,为了减少在钢铁生产过程当中碳的使用和排放,可以使用氢气作为冶金的还原气体;利用钢厂尾气制造乙醇,可以实现钢化联产,据统计25%钢厂尾气可生产1000万吨乙醇,目前我国燃料乙醇缺口达1200万吨,钢厂尾气即可补足乙醇的缺口;进行甲烷气氛下的水泥熟料焙烧,可使碳酸钙与甲烷反应生成一氧化碳和氢气,进一步转化为液体燃料及化学品,可以解决水泥行业的碳排放问题。
四是做好顶层设计,统筹新型能源体系建设中的技术攻关与应用示范。
在“双碳”目标和能源转型大背景下,制定统筹全国、兼顾地方、面向未来的能源发展布局是一项具有挑战性且必须要做的工作。
能源革命和工业革命的根本在于技术革命。我国现有能源体系庞大、复杂,行业间各有分工,各能源系统相对独立,难以合并同类项,整体运行效率不高,结构不合理,当务之急是破除能源间壁垒,突破支撑构建清洁低碳、安全高效能源体系的关键核心技术,提高能源整体利用率。
新型能源体系建设的顶层设计需要通过强化能源战略研究来支撑。中科院已建立专门战略研究团队,提出了多能融合技术路线图、能源与工业流程再造技术路线图等战略研究成果,并对数百项技术进行了初步分析与评估。考虑到新型能源体系构建的复杂性、挑战性、长期性和地区差异,需要统筹开展针对我国典型场景的多能融合技术示范,以点带面构建适合国情的新型能源体系。技术示范可以为出台全国统一的政策措施积累经验,一些新技术也需要验证后才能系统化推广应用。例如,在陕西榆林等能源及化工产业富集地区,率先建成煤化工与石油化工、煤化工与可再生能源等深度融合的多能融合能源体系,通过系统化集中示范新技术,助推区域内各能源品种的清洁融合利用;发挥以中科院洁净能源创新研究院为代表的国内能源领域科研机构的作用,引导企业、地方政府等社会优势力量参与,共同打造区域级现代能源体系雏形,为国家探索一种可复制、可推广的适用于能源富集地区可持续发展的多能融合创新技术体系和发展模式。
总之,“双碳”目标的实现是一场广泛而深刻的系统性社会变革,需要积极稳妥地推进。在中共二十大精神的指引下,坚持先立后破,做好顶层设计,统筹推进化石能源清洁高效利用与可再生能源大规模利用,发挥科技革命的引领作用,推动能源革命与工业革命互相促进,我们一定能做好新型能源体系建设,走好“双碳”这条高质量的绿色发展之路。
(作者单位:中国科学院大连化学物理研究所)