【中國科學報】“十四五”能源產業何處挖潛

  來源:《中國科學報》

  發布時間:2020-01-06

  “十三五”我國能源產業以高分收官。5年來,能源革命穩步推進,技術創新多點開花,風電、光伏發電、水電規模穩居世界第一。站在“十四五”這一新的歷史起點上,能源產業又該如何走好下一個五年?多位院士專家為此建言獻策。

  地熱能迎空前發展機遇

  ■龐忠和 汪集暘

  “十三五”期間,國家出臺了首份“地熱能開發利用規劃”,推動了地熱能產業的發展。現在,我國擁有世界上規模最大的地熱能產業,地熱供暖面積超過11.4億平方米,加上溫泉、旅游、康養等的折算,我國已經擁有人均一平方米的地熱清潔供暖。

  科技研發不斷轉化為現實生產力,使地熱產業逐步走上高質量發展的道路。目前,我國正在籌辦2023年世界地熱大會,國際影響力不斷提升,海外地熱能市場也在逐步打開。這些都表明,地熱能“十三五”規劃的目標已基本實現。

  今年是“十四五”開局之年。我們面對的是國家實現“2030年前碳達峰”“2060年前碳中和”兩個新的奮斗目標。我國能源發展由清潔高效進入了降碳節能的新階段。而作為清潔、零碳能源的地熱能,迎來了空前的發展機遇。

  我國地熱能在“十四五”的發展,有以下幾個看點。

  一是城鎮地熱供暖(制冷)產業發展迅速。基于大型優質層狀碳酸鹽巖熱儲,中深層地熱能實現了地熱供暖規模化。其中,雄安新區的雄縣打造了堪稱世界樣板的“無煙城”。淺層地熱能更是向江湖河海的“水空調”技術方向邁出了一大步。在江蘇南京的江北新城,長江水空調項目規模達到千萬平方米,發展很快。根據最新調研,長三角地區這類資源潛力巨大,在未來地熱能產業中將占據重要份額。

  二是從事能源生產的大型央企普遍投資地熱能。這些企業在清潔高效和降碳節能雙重壓力下,試圖借助地熱能實現能源結構轉型。煤炭、石油、核能等大型國有企業在資源、基礎設施和技術上擁有多重優勢,已經成為地熱能產業的領頭羊。例如,中核集團在西藏谷露成功打出高溫地熱井,正在推進地熱發電項目;中國石油計劃在大慶油田大規模開發利用地熱能。

  三是地方政府在政策上加大了對地熱能的扶持。結合當地的國民經濟和社會發展規劃,在建筑節能、文化旅游和康養醫療等方面,支持地熱能的發展。以河南省為例,為了扭轉“火電圍城”的被動局面,近年來該省出臺了大量優惠政策,同時在科技轉化上下功夫,大大推動了地熱能產業發展。大灣區的廣東等地發揮財政和技術方面的優勢,近幾年在地熱能技術研發上的投入增加很快。如果能夠抓住“建筑制冷”這個現實需求,也可以實現快速發展。

  應該看到,制約地熱能發展的因素仍然存在,政府可以做的事情還有很多。

  “十四五”時期,在體制和政策方面,建議要解決好五大問題。第一,把“政策供暖線”邊界由黃河為界調整到以長江為界。第二,推廣“特許經營權”等有效的市場準入模式,基于開放提高產業發展質量。第三,為地熱發電提供電價補貼,改變我國地熱發電的落后局面。第四,基于地熱能的可再生能源本質屬性,落實免稅政策。第五,改革地熱礦權管理機制,形成適合地熱流體礦產的新機制。

  在科技研發方面,“十四五”要面向未來,支持新的研究方向。在風光電力快速發展的背景下,重點支持地下“儲能”等技術研發,更好地發揮地熱能作為連續穩定基礎負荷的作用。同時,發展優勢互補的綜合能源系統。為此,需要加大財政投入,搭建更好的研發平臺,壯大地熱能戰略科技力量。

  (作者分別系中國科學院地質與地球物理研究所研究員、中國科學院院士)

  現代煤化工行業亟待加強頂層設計

  ■劉中民

  “十三五”時期,我國現代煤化工技術進入快速突破期。“十四五”期間,保障國家能源安全和應對氣候變化將是我國能源發展的核心議題,也是現代煤化工高質量發展的重要目標。同時,煤化工產業也將面臨更為復雜的政策、內外環境、市場競爭的挑戰,亟須進一步加強頂層設計,以科技創新推動行業高質量發展。

  隨著我國提出“2030年前碳達峰”“2060年前碳中和”的目標,“十四五”時期煤化工產業的發展必將面臨更大的碳減排壓力。相比傳統煤炭利用方式,現代煤化工雖然二氧化碳排放有所減少,但如何進一步清潔化、低碳化發展,還需要重新審視其定位和技術途徑的合理性。

  在國家生態文明建設總體要求下,清潔生產及污染治理的要求會日趨嚴格。在煤化工項目集中區域,如能源“金三角”地區,國家正在大力推進黃河流域生態保護與高質量發展戰略區域建設,煤化工行業在常規污染物排放、水資源獲取及廢水排放方面將會面臨更為嚴格的要求。

  綠水青山就是金山銀山。“十四五”時期,煤化工生產要加快綠色低碳發展進程,減少碳排放,甚至實現零排放。煤化工的碳排放屬性是過程排放,而非煤炭燃燒排放。因此,僅依靠煤化工系統自身的技術進步和效率提升,實現煤低碳清潔發展仍將面臨挑戰;從全生命周期看,化石能源在利用過程中排放二氧化碳是原理上不可避免的事實。

  筆者建議,“十四五”應加強頂層設計,將煤化工放在能源系統的大格局下統籌考慮,以多能融合打破現有能源領域行業板塊壁壘,推動各能源系統間資源優勢的“合并”,解決煤化工低碳清潔發展問題。

  此外,建議國家積極在典型地區推進煤化工和可再生能源制氫融合示范,促進煤化工綠色低碳化發展、氫能產業規模化發展;拓展二氧化碳資源化利用途徑,實現煤化工與可再生能源低碳融合,助推區域各能源品種清潔融合利用,先行先試“碳中和”目標下的煤化工發展技術與路徑。

  發展高質量的煤化工還必須要重視科技創新的引領作用。“十四五”時期更需集中煤化工行業“政產學研金服用”全鏈條力量,推進煤化工大型、先進裝備的研制和國產化,煤化工產業融合化、基地化、規模化、高效化發展,煤化工產業鏈延伸及產品耦合發展,煤化工與清潔能源多能互補應用,煤化工與其他基礎工業、生態環境產業協調發展。

  不僅如此,“十四五”還應進一步發揮我國新型舉國體制優勢,強化頂層設計,促進國內能源研究領域優勢力量的聯合與協同,構建面向需求、協調一致的多能融合技術研發和政策支持體系,以科技進步促進煤化工行業高質量發展,推動工業結構全面轉型升級。

  當前,現代煤化工的主要定位是通過制取油品和大宗化學品,以緩解石油依存度過高的問題,彌補國家能源的結構性缺陷,為國家能源安全提供戰略支撐和應急保障。但現代煤化工的定位不應僅局限于“石油替代”,而要充分利用現代煤化工的特色,促進與石油化工的協調發展,探索化石能源與新能源、清潔能源等多種能源互補融合與協調發展的新模式,以能源的基礎作用帶動工業結構的全面升級。

  (作者系中國工程院院士)

  可再生能源制氫勢在必行

  ■李燦

  氫被譽為未來世界能源架構的核心,也被認為是最潔凈的燃料。不過,如果氫氣來自于化石燃料,則其制備過程并不“潔凈”。目前,商用氫氣96%以上是從化石燃料中制取,制氫過程中會排放大量二氧化碳,這類氫氣也被稱為“灰氫”。

  發展氫能不可以偏離初衷。從環境和生態的角度來看,通過風電、光伏等可再生能源制氫,不僅能夠實現“零碳排放”,獲得真正潔凈的“綠氫”,還能夠將間歇、不穩定的可再生能源轉化儲存為化學能,促進新能源電力的消化,由此帶來的生態環境效益和經濟效益是難以估量的。

  我國可再生能源十分豐富,開發力度也位居世界前列,新能源新增及累計裝機容量均排名世界第一。為落實“2030年前碳達峰”和“2060年前碳中和”的目標,“十四五”時期還需要進一步加大力度發展可再生能源,進而進行可再生能源制氫,這將是碳減排的重要路徑之一。

  實際上,包括海水在內的水資源是地球上最大的“氫礦”,電解水制氫被認為是制備氫氣的有效方法。但是,可再生能源電解水制綠氫能否實際解決并應用于規模化減碳,還需要克服三大難題:電解水的大規模、低能耗和高穩定性。筆者認為,這應該是“十四五”需要重點解決的工程技術難題。

  要實現這三者的統一,首先需要研發新型電極催化技術、先進的隔膜和電解槽組件技術及其系統工程技術,才能克服電解水電極催化劑活性低、能量轉化效率低等關鍵技術問題。例如,在低電壓下增大產氫電流密度、降低制氫能耗,提升穩定性、擴大單體電解槽設備制氫規模等。

  目前,電解水制氫均采用純度較高的淡水為原料,若全球需氫量劇增,用豐富的海水資源直接制備氫氣將是一種途徑。電解海水更須具備“大規模”“低能耗”和“高穩定性”才能實現工業化應用。目前,淡水條件下的電解水技術將為電解海水制氫奠定基礎,從原理和技術發展的態勢看,實現電解海水制氫技術上也完全可行。

  “十四五”要想把氫能產業做強、做大,可再生能源電解水制氫勢在必行。一方面,可再生能源電解水制得的綠氫不僅可以直接作為燃料電池的燃料,另一方面,將其與二氧化碳相結合還可以合成甲醇。甲醇是液體燃料。它可以像汽油一樣運輸、儲存,被輸送到加氫站后再轉化成氫。這樣就可以緩解氫燃料電池“制、儲、運、加”的安全性和成本問題。

  以甲醇為氫源的氫加氣站的方案具有多項優點,建議“十四五”時期進行推廣。與傳統的氫氣加氣站不同,新方案既可以解決高壓運輸、儲存和加氫的安全問題,還能夠實現二氧化碳回收和用氫全過程清潔的目標,可以形成油、醇、氫共站的新局面。

  用綠色氫能轉化二氧化碳合成的甲醇被稱之為“太陽燃料”或“液態陽光”甲醇。“液態陽光”甲醇是一種零碳排放液態燃料,也是一種重要的綠色化工原料。若“液態陽光”甲醇能夠實現大規模使用,有望替代部分由煤炭、石油、天然氣等化石能源合成的甲醇,建立新型綠色低碳、高效的能源系統,催生新興的能源經濟產業。

  (作者系中國科學院院士)

  “三個創新”推動非常規油氣“三個突破”

  ■鄒才能

  回顧我國石油工業的發展歷史,陸上油氣勘探已全面進入非常規時代。“十三五”期間,我國非常規油氣勘探開發取得“革命性”突破,實現了從常規油氣向非常規油氣的工業化發展。2020年,我國非常規油氣產量接近7000萬噸油當量,成為“穩油增氣”的最現實資源。其中,非常規油是產量穩定的“砝碼”,預計2030年將占原油總產量的20%;非常規氣是產量增長的“主力”,2030年有望超天然氣總產量的50%。

  非常規油氣革命性跨越式發展得益于理論、技術、管理“三個創新”。理論創新打破了常規滲透性儲層、經典圈閉油氣成藏的概念,突破了直井達西滲流開發的技術路線,提出了連續型“甜點區”非常規油氣理論,為非常規油氣地質新學科的建立奠定基礎。技術創新打破了直井為主的井筒方式,創建了非常規油氣水平井、平臺式、體積壓裂形成“人造油氣藏”理論,突破了依靠達西滲流開發的傳統認識。管理創新突破了科技、管理、市場分界圍墻,建立一體化最優降成本機制與體制。非常規“低品位”資源,必須“低成本”開發,尤其在中低油價時代,“低成本戰略”將成為油公司發展的生命。

  非常規油氣在地質理論、開發技術、管理模式等方面不同于常規油氣,產業發展具有“三個必然”特點。第一,常規—非常規油氣有序聚集的基本規律,指導油氣勘探開發從常規進入非常規油氣新階段,是石油工業發展的必然歷史趨勢。第二,非常規油氣開發需建立“人造油氣藏”理論技術,實現地下頁巖油原位轉化、地下煤炭氣化、地下水平井壓裂體積開發,通過顛覆性創新突破瓶頸技術,是非常規油氣開發的必然要求。第三,非常規油氣開發向深層、新區新領域、原位改質油化與氣化等方向發展,開發難度不斷加大。在未來將持續中低油價的大趨勢下,創新低成本技術是非常規油氣開發的必然路徑。

  由此,必須做好非常規油氣領域“十四五”戰略規劃部署,努力謀劃實現非常規油氣“三個突破”。第一,以川南海相古老儲層開發為代表的“頁巖氣突破”,重點推動深層資源有效動用,積極開展新區新領域攻關試驗,打開新局面。未來努力在四川盆地建成“川渝天然氣大慶”,推動我國天然氣產量再上新臺階。第二,以中低成熟度、中高成熟度頁巖油開發為代表的“頁巖油突破”,創新油氣開發理念,分別采用地下原位轉化、水平井體積壓裂技術路線,建立頁巖油地下“人造煉廠”和“人造滲透率”,保障國內原油產量生產底線。第三,以煤炭地下氣化為代表的“煤制氣突破”,將煤炭在地下加熱,生成氫氣、甲烷等氣體產物,結合二氧化碳捕獲、利用與封存技術(CCUS),實現煤炭清潔化利用,推動我國天然氣快速上產。

  “十四五”期間,繼續加大國內油氣勘探開發力度,加大理論科技創新力度,用科技支撐當前、引領未來非常規油氣發展。我國非常規油氣發展潛力很大,理論突破、技術研發仍需加大科技投入,提升自主創新力度,促進人才隊伍與實驗室建設。大力發展非常規油氣,為保障國家能源安全奠定資源基礎,為油氣儲量增長、產量增加提供資源保障。

  (作者系中國科學院院士,通訊員潘松圻整理)

  生物質資源化利用重在“負碳排放”

  ■馬隆龍

  能源和環境的和諧發展是社會進步的必然趨勢,構建清潔低碳且安全高效的能源及化工體系是新時代削弱負環境效應和能源發展的重要措施。為實現我國提出的“碳中和”承諾,須通過節能減排、植樹造林及使用可再生能源等措施,減少或抵消碳排放。生物質不僅是一種重要的可再生資源,也是一種碳中性的載體。因此,創新、高效、綠色、經濟地開發生物質資源,對實現“碳中和”具有非常重要且不可替代的推動作用。

  目前,生物質的利用主要借鑒石油及煤等成熟產業技術,采用熱解、氣化、發酵等技術進行能源化高效利用,多以碳原子高利用率為重要考量指標。然而,生物質與煤、石油等化石資源最大的區別在于其極高的含氧量,初始氧含量超過45%。為了實現類化石基燃料的高效制備,往往需要通過加氫脫氧技術降低其氧含量,此過程需要碳損失或氫投入,從而導致目標產物的產率過低和投入成本增加,使得生物質基燃料的競爭力不強。從化學勢能角度,傳統煤和石油基產品的化學裂解技術是將有序化大分子裂解為小分子的熵增化學熱力學過程,從而損失了部分化學勢。

  長期以來,生物質資源的高含氧量被認為是生物質能源化利用的缺點。克服這樣的缺點,關鍵在于如何利用氧原子。重新審視“氧原子”的地位,把“脫氧”換為“用氧”,充分地利用氧原子實現高值產品定向合成,可以大大提高生物質利用過程的原子經濟性和系統技術經濟性。

  從元素和化學結構的角度來看,生物質中的氧主要分為可用氧和不可用氧,其中可用氧對于制備高值化學品至關重要。此外,一些高值含氧化學品的定向制備過程也可投入外部氧,如氣氛氧(氧氣、空氣等)和化學結構氧(活性含氧官能團)。生物質中氧賦存形態呈現出的多樣化,導致了生物質基高值含氧產品的多樣化。這就決定了產品需要以化學品、燃料及材料的多聯產形式呈現。而這樣的產品組合形式,對于提高技術路線經濟性及抵御市場變化風險都大有裨益。此外,考慮到生物質原始化學結構的復雜性,需要生物質大分子的定向轉化或借助平臺化合物進行分子結構重構,可實現局部熱力學熵增最小化或熵減的化學勢高效利用過程。

  在“碳中和”大背景下,提出高效利用生物質可用氧的策略,耦合具有化學熱力學優勢的工藝路徑,可實現較高的原子經濟性和系統技術經濟性,是生物質創新且高效利用的新視角、新思路。生物質轉化為能源產品可以實現零排放,而生物質轉化為化學品和材料則為負排放。因此,“十四五”期間,充分有效利用生物質中的氧實現燃料、化學品及材料聯產,一定可以在實施“碳中和”戰略目標中發揮出重要且不可替代的作用。

  (作者系中國科學院廣州能源研究所所長)

  “碳中和”下先進技術研發至關重要

  ■姜克雋

  截至目前,包括中國在內的全球70%左右的排放國家,都公布了2050年或2060年前實現“碳中和”的目標。該目標如同一面旗幟,引領各國新一代技術的研發。未來一段時間,全球范圍內的能源、工業、交通、建筑等領域,都將進入技術變革的時代。

  目前,歐盟、美國、日本等國家在新一代技術研發方面已經走在國際前列。歐盟已確立嚴格的目標,即爭取在2030年之前促使歐盟的技術超越其他國家。我國也必須盡快明確新一代技術的研發方向,否則就會在新的經濟發展階段再次落后。

  要想實現“碳中和”,就需要整個經濟體系實現深度減排。我國要想在2060年前實現這一目標,能源系統就需要在2050年實現凈零排放,之后再進入負排放。工業、交通、建筑等領域則需要大幅度提升電力化水平,并在一些難以減排行業實現變革性的創新。

  對我國來講,能源領域重大技術創新包括高可靠性電網技術、新一代低成本高可靠性儲能技術、先進核電技術、先進電解水制氫技術、大規模利用生物質能發電技術及CCS技術等。工業領域則需要重點突破鋼鐵、化工、有色金屬冶煉的氫基工藝和技術等。交通領域需要在電力、氫、生物燃料零排放飛機,電動和氫燃料電池船舶、火車、重卡,及新一代城市零碳排放交通系統等方面實現技術突破。建筑領域則聚焦于超低能耗建筑的普遍性適用技術的創新,同時還包括新材料技術、空氣直接捕獲CO2技術等。

  目前,發達國家已經在很多零碳技術研發方面進行了長期的研究,水平處于優勢地位。我國由于最近才公布“碳中和”目標,導致很多針對“碳中和”的變革性技術研發還沒有得到足夠的重視,技術已落后于其他國家。

  “碳中和”目標下需要技術創新及經濟轉型。由于歐盟等發達國家在中國公布“碳中和”目標后,進一步加強減排力度,其技術研發速度也會加快。美國和日本等國也不甘落后,留給我國的時間很急迫。

  為此,“十四五”期間,我國應針對“碳中和”目標下各個領域的技術研發提出方向性的戰略部署,并利用國家研發專項來引導大學和科研機構進行相應的轉變。此外,還應更加明確企業的技術研發方向,促進企業在創新零碳技術方面保持國際競爭地位。目前,我國許多大型企業已經開始研究各自的“碳中和”路徑。在國資委的要求下,各個央企和大型國企都已經在行動中,但還是需要國家在零碳技術研發戰略中盡快制定一個明確的方向。

  與此同時,一些非常重要的技術,如先進制氫技術、先進核電技術,還需要國家給予重點扶持。特別是核電,我國需加快第四代核電和核聚變的研究,建議國家在數年內投入千億元以上的資金進行相關技術的研發,從而確保我國在未來能源領域中處于全球領頭羊地位。

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