構(gòu)建化石能源、可再生能源、核能低碳化多能融合的新型能源體系
當前，全球?qū)厥覛怏w排放引起的氣候變化問題已經(jīng)形成共識，并達成了二氧化碳減排的約束性政府間協(xié)議。我國政府承諾，到2020年非化石能源消費比重達到15%，2030年前后碳排放達到峰值，2050年非化石能源消費比重達到50%。
然而，中國科學院專家研究分析認為，2050年目標難以單純依靠現(xiàn)有技術(shù)的累積性進步來實現(xiàn)，因而一方面必須革新現(xiàn)有煤炭、石油、天然氣、可再生能源、核能等各大能源類型相互獨立的格局，另一方面則需要在技術(shù)上實現(xiàn)可使不同能源種類間優(yōu)勢互補、對沖融合的重大創(chuàng)新。
為此，中國科學院于2018年6月啟動“變革性潔凈能源關鍵技術(shù)與示范”戰(zhàn)略性先導科技專項（A類），針對我國現(xiàn)有能源結(jié)構(gòu)缺陷和發(fā)展趨勢進行體系化頂層設計，通過變革性關鍵技術(shù)突破與示范，以能源技術(shù)革命促進能源革命，實現(xiàn)化石能源、可再生能源、核能的融合發(fā)展，助力構(gòu)建國家清潔低碳、安全高效能源新體系。
該專項執(zhí)行周期為5年，牽頭單位為中科院大連化學物理研究所，該所所長、中國工程院院士劉中民為專項負責人。近日，在接受《中國科學報》采訪時，劉中民強調(diào)，構(gòu)建清潔低碳、安全高效的能源體系是我國未來能源發(fā)展的重大戰(zhàn)略目標，而科技創(chuàng)新是實現(xiàn)這一目標的關鍵。
孤立系統(tǒng)難以協(xié)調(diào)發(fā)展
近年來，我國能源產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，但“富煤、貧油、少氣”的資源稟賦特點使我國長期以來形成了以化石能源為主的能源消費結(jié)構(gòu)，由此帶來生態(tài)環(huán)境和能源資源瓶頸等問題，在應對氣候變化上也面臨越來越大的國際壓力。
“我國能源發(fā)展面臨前所未有的挑戰(zhàn)，在保護環(huán)境和發(fā)展生態(tài)文明的大前提下解決能源問題，不僅要保障油氣供應安全，還要解決二氧化碳減排協(xié)議約束與化石能源利用的矛盾；不僅要保障能源總量增加的發(fā)展需求，還要更加清潔化。”劉中民告訴記者。
當前，我國能源科技水平總體不高，在全球處于局部領先、部分先進、總體落后的地位。劉中民表示，我國能源創(chuàng)新活動與產(chǎn)業(yè)需求脫節(jié)的現(xiàn)象普遍存在，各創(chuàng)新單元同質(zhì)化發(fā)展、無序競爭、低效率及低收益問題較為突出。能源產(chǎn)業(yè)缺乏關鍵核心技術(shù)，部分核心裝備、工藝、材料仍受制于人，重大能源工程依賴進口設備的現(xiàn)象仍較為普遍，技術(shù)空心化和對外依存度偏高的現(xiàn)象尚未得到有效解決。
不僅如此，我國現(xiàn)有能源體系也存在結(jié)構(gòu)性缺陷。長期以來，我國能源體系中逐漸形成了相對獨立的各分系統(tǒng)，但系統(tǒng)間的發(fā)展不協(xié)調(diào)性日益凸顯。劉中民指出，受限于我國的能源資源特點，石油化工難以足量提供化工基本原料，嚴重制約下游精細化工行業(yè)發(fā)展；而煤化工適于制取大宗化學品和油品，可以彌補石油資源不足，現(xiàn)代煤化工與石油化工亟待協(xié)調(diào)發(fā)展，優(yōu)化合理的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)。
類似問題還體現(xiàn)在太陽能、風能發(fā)電并網(wǎng)率低，水能、核能局部相對過剩，燃料乙醇存在與人爭糧風險等?！肮铝⒌哪茉捶窒到y(tǒng)難以協(xié)調(diào)發(fā)展，整體效率不高，‘九龍治水’已經(jīng)不能適應發(fā)展的需求，亟待破除供給側(cè)各能源種類之間板塊分割、互相獨立的體制壁壘，突破能源種類之間互補及耦合利用的核心技術(shù)?！眲⒅忻裾f。
技術(shù)創(chuàng)新引領“三條主線”
科學家的共識是，以科技創(chuàng)新為引領，才能保障國家目標的順利實現(xiàn)。
對此，劉中民聯(lián)合諸多科學家建議，我國應從能源系統(tǒng)頂層設計角度出發(fā)，以能源技術(shù)創(chuàng)新為引領，以化石能源清潔高效利用與耦合替代、清潔能源多能互補與規(guī)模應用、低碳化多能戰(zhàn)略融合為三條主線，逐步構(gòu)建清潔低碳、安全高效的國家能源新體系。
值得關注的是，相比其他能源種類，煤炭在我國能源結(jié)構(gòu)中的比重雖然有所下降，但其作為我國能源結(jié)構(gòu)主體的基本國情在未來很長一段時間內(nèi)難以改變。因此，劉中民首先鼓勵發(fā)展以煤炭為代表的化石能源清潔高效利用與耦合替代技術(shù)，保障能源安全。
具體而言，通過技術(shù)創(chuàng)新，加強新產(chǎn)品開發(fā)，通過延伸產(chǎn)業(yè)鏈，發(fā)展高附加值、精細化、差異化的產(chǎn)品。重點以甲醇轉(zhuǎn)化為平臺，耦合石油基原料，實現(xiàn)烯烴、芳烴和含氧化合物大宗化學品/燃料的合成技術(shù)變革，形成煤化工與石油化工協(xié)調(diào)發(fā)展、構(gòu)建合理產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的整體理念。
另外，還要重點研究煤轉(zhuǎn)化以及油煤氣耦合制燃料和大宗化學品的新路線和新方法，突破以煤經(jīng)合成氣、甲醇為平臺化合物的能源化學品合成新技術(shù)，推動煤化工與石油化工融合發(fā)展和相關工業(yè)轉(zhuǎn)型升級，突破民用散燒、工業(yè)燃煤高效超低排放燃燒關鍵技術(shù)瓶頸等。
第二條主線是發(fā)展清潔能源多能互補與規(guī)模應用技術(shù)。劉中民表示，在未來的新型能源體系中，可再生能源與新能源將替代化石能源供電、供熱，并通過富余電力生產(chǎn)氫能，為交通燃料生產(chǎn)、化工品合成提供氫源；高碳化石能源、低碳生物質(zhì)能將通過物質(zhì)轉(zhuǎn)化，滿足交通燃料、化工品、焦炭、電石、新型炭材料等產(chǎn)品生產(chǎn)需求，而儲能是關鍵的平臺技術(shù)。
隨著電動車的推廣和普及，化石能源原料消費也將更集中于化工品、新型含碳材料等產(chǎn)品生產(chǎn)。例如，以電動車作為分布式儲能的終端，根據(jù)車輛使用情況進行電能反饋，提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性，推動風電、太陽能發(fā)電大規(guī)模接入電網(wǎng)，有利于實現(xiàn)電動汽車、智能電網(wǎng)與可再生能源的融合發(fā)展。
第三條主線是創(chuàng)新驅(qū)動低碳化多能戰(zhàn)略融合。當前，能源結(jié)構(gòu)正處于從高碳到低碳、無碳的過渡期。我國能源消費以化石能源為主，利用化石能源必然排放二氧化碳，而要減排二氧化碳，只能從能源系統(tǒng)融合發(fā)展角度，發(fā)展新的能源體系。
“原理上，在保障滿足能源總需求量的同時，多能互補融合可以比單純增加可再生能源實現(xiàn)更大幅度的碳減排?！眲⒅忻窀嬖V記者，利用可再生能源、高溫核能等制取的低碳氫，可以補充煤化工之所缺，同時與二氧化碳通過催化耦合制取油品和大宗化學品，以產(chǎn)氫和用氫為紐帶，實現(xiàn)能源總體上的低碳化和低碳排放。
在技術(shù)創(chuàng)新上，劉中民指出，要針對重要能源載體甲醇和氫的可再生能源大規(guī)模制備及應用，創(chuàng)新發(fā)展各種能源的互補、耦合利用技術(shù)，圍繞氫能經(jīng)濟，打造氫的生產(chǎn)、儲運和消費的完整技術(shù)鏈，發(fā)展可再生能源制氫、核能制氫技術(shù)及應用體系；開發(fā)二氧化碳低能耗大規(guī)模捕集、資源化利用技術(shù)，將二氧化碳與氫反應生成甲醇等化學品；開展先進燃料電池和燃料電池分布式發(fā)電技術(shù)，引領帶動電動車等戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)變革和發(fā)展，實現(xiàn)低碳化多能融合發(fā)展，為由化石能源時代邁向陽光能源時代打通道路。
實施新型舉國體制
為使政府能夠精準地制定引導性政策，作為國家目標還需要不斷地清晰技術(shù)路徑。而“構(gòu)建清潔低碳、安全高效能源體系”的內(nèi)涵，也決定了必須實施新型舉國體制才有可能實現(xiàn)國家目標。
為推動能源領域的科技發(fā)展，劉中民建議，首先應加強頂層設計，布局實施能源領域重大科技任務。在化石能源清潔高效利用、可再生能源大規(guī)模開發(fā)利用、安全先進核能、多能互補融合關鍵技術(shù)等戰(zhàn)略必爭領域，與國家科技創(chuàng)新體系構(gòu)建緊密結(jié)合，論證啟動實施潔凈能源相關重大項目，發(fā)揮各創(chuàng)新主體優(yōu)勢，研究提出梯次接續(xù)方案，從能源供給側(cè)、消費側(cè)技術(shù)革命的高度進行頂層設計和統(tǒng)籌，部署潔凈能源技術(shù)攻關任務。
其次，應加強能源戰(zhàn)略研究，打造高端智庫，為國家構(gòu)建清潔低碳、安全高效的現(xiàn)代能源體系提供智力支撐。組建具有全球影響力的能源戰(zhàn)略研究專業(yè)團隊，給予其必要的穩(wěn)定資源配置，發(fā)展符合我國能源現(xiàn)狀的能源發(fā)展戰(zhàn)略創(chuàng)新研究方法，科學合理地提出支撐我國能源體系構(gòu)建的關鍵技術(shù)和技術(shù)集成戰(zhàn)略，從頂層進行全局性的能源發(fā)展戰(zhàn)略研究，為國家政策制定提供科學依據(jù)。
最后，應加快完善國家能源創(chuàng)新體系。建立創(chuàng)新鏈、產(chǎn)業(yè)鏈、資金鏈、政策鏈相互交織、相互支撐的全鏈條創(chuàng)新體系。明確各類創(chuàng)新主體在國家創(chuàng)新體系中的使命定位。劉中民建議，從國家層面加速推進潔凈能源領域國家實驗室的建設，這對推動我國能源科技進步、提升能源領域國際影響力，以及構(gòu)建“清潔低碳、安全高效”的能源體系具有重要意義。
