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“十四五”能源产业何处挖潜

2021-01-06 08:08:11 中国科学报   作者: 庞忠和 汪集暘 刘中民 李灿 邹才能 马隆龙 姜克隽  

“十三五”我国能源产业以高分收官。5年来,能源革命稳步推进,技术创新多点开花,风电、光伏发电、水电规模稳居世界第一。站在“十四五”这一新的历史起点上,能源产业又该如何走好下一个五年?多位院士专家为此建言献策。

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 庞忠和

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 汪集暘

地热能迎空前发展机遇

■庞忠和 汪集暘

“十三五”期间,国家出台了首份“地热能开发利用规划”,推动了地热能产业的发展。现在,我国拥有世界上规模最大的地热能产业,地热供暖面积超过11.4亿平方米,加上温泉、旅游、康养等的折算,我国已经拥有人均一平方米的地热清洁供暖。

科技研发不断转化为现实生产力,使地热产业逐步走上高质量发展的道路。目前,我国正在筹办2023年世界地热大会,国际影响力不断提升,海外地热能市场也在逐步打开。这些都表明,地热能“十三五”规划的目标已基本实现。

今年是“十四五”开局之年。我们面对的是国家实现“2030年前碳达峰”“2060年前碳中和”两个新的奋斗目标。我国能源发展由清洁高效进入了降碳节能的新阶段。而作为清洁、零碳能源的地热能,迎来了空前的发展机遇。

我国地热能在“十四五”的发展,有以下几个看点。

一是城镇地热供暖(制冷)产业发展迅速。基于大型优质层状碳酸盐岩热储,中深层地热能实现了地热供暖规模化。其中,雄安新区的雄县打造了堪称世界样板的“无烟城”。浅层地热能更是向江湖河海的“水空调”技术方向迈出了一大步。在江苏南京的江北新城,长江水空调项目规模达到千万平方米,发展很快。根据最新调研,长三角地区这类资源潜力巨大,在未来地热能产业中将占据重要份额。

二是从事能源生产的大型央企普遍投资地热能。这些企业在清洁高效和降碳节能双重压力下,试图借助地热能实现能源结构转型。煤炭、石油、核能等大型国有企业在资源、基础设施和技术上拥有多重优势,已经成为地热能产业的领头羊。例如,中核集团在西藏谷露成功打出高温地热井,正在推进地热发电项目;中国石油计划在大庆油田大规模开发利用地热能。

三是地方政府在政策上加大了对地热能的扶持。结合当地的国民经济和社会发展规划,在建筑节能、文化旅游和康养医疗等方面,支持地热能的发展。以河南省为例,为了扭转“火电围城”的被动局面,近年来该省出台了大量优惠政策,同时在科技转化上下功夫,大大推动了地热能产业发展。大湾区的广东等地发挥财政和技术方面的优势,近几年在地热能技术研发上的投入增加很快。如果能够抓住“建筑制冷”这个现实需求,也可以实现快速发展。

应该看到,制约地热能发展的因素仍然存在,政府可以做的事情还有很多。

“十四五”时期,在体制和政策方面,建议要解决好五大问题。第一,把“政策供暖线”边界由黄河为界调整到以长江为界。第二,推广“特许经营权”等有效的市场准入模式,基于开放提高产业发展质量。第三,为地热发电提供电价补贴,改变我国地热发电的落后局面。第四,基于地热能的可再生能源本质属性,落实免税政策。第五,改革地热矿权管理机制,形成适合地热流体矿产的新机制。

在科技研发方面,“十四五”要面向未来,支持新的研究方向。在风光电力快速发展的背景下,重点支持地下“储能”等技术研发,更好地发挥地热能作为连续稳定基础负荷的作用。同时,发展优势互补的综合能源系统。为此,需要加大财政投入,搭建更好的研发平台,壮大地热能战略科技力量。

(作者分别系中国科学院地质与地球物理研究所研究员、中国科学院院士)

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 现代煤化工行业亟待加强顶层设计

■刘中民

“十三五”时期,我国现代煤化工技术进入快速突破期。“十四五”期间,保障国家能源安全和应对气候变化将是我国能源发展的核心议题,也是现代煤化工高质量发展的重要目标。同时,煤化工产业也将面临更为复杂的政策、内外环境、市场竞争的挑战,亟须进一步加强顶层设计,以科技创新推动行业高质量发展。

随着我国提出“2030年前碳达峰”“2060年前碳中和”的目标,“十四五”时期煤化工产业的发展必将面临更大的碳减排压力。相比传统煤炭利用方式,现代煤化工虽然二氧化碳排放有所减少,但如何进一步清洁化、低碳化发展,还需要重新审视其定位和技术途径的合理性。

在国家生态文明建设总体要求下,清洁生产及污染治理的要求会日趋严格。在煤化工项目集中区域,如能源“金三角”地区,国家正在大力推进黄河流域生态保护与高质量发展战略区域建设,煤化工行业在常规污染物排放、水资源获取及废水排放方面将会面临更为严格的要求。

绿水青山就是金山银山。“十四五”时期,煤化工生产要加快绿色低碳发展进程,减少碳排放,甚至实现零排放。煤化工的碳排放属性是过程排放,而非煤炭燃烧排放。因此,仅依靠煤化工系统自身的技术进步和效率提升,实现煤低碳清洁发展仍将面临挑战;从全生命周期看,化石能源在利用过程中排放二氧化碳是原理上不可避免的事实。

笔者建议,“十四五”应加强顶层设计,将煤化工放在能源系统的大格局下统筹考虑,以多能融合打破现有能源领域行业板块壁垒,推动各能源系统间资源优势的“合并”,解决煤化工低碳清洁发展问题。

此外,建议国家积极在典型地区推进煤化工和可再生能源制氢融合示范,促进煤化工绿色低碳化发展、氢能产业规模化发展;拓展二氧化碳资源化利用途径,实现煤化工与可再生能源低碳融合,助推区域各能源品种清洁融合利用,先行先试“碳中和”目标下的煤化工发展技术与路径。

发展高质量的煤化工还必须要重视科技创新的引领作用。“十四五”时期更需集中煤化工行业“政产学研金服用”全链条力量,推进煤化工大型、先进装备的研制和国产化,煤化工产业融合化、基地化、规模化、高效化发展,煤化工产业链延伸及产品耦合发展,煤化工与清洁能源多能互补应用,煤化工与其他基础工业、生态环境产业协调发展。

不仅如此,“十四五”还应进一步发挥我国新型举国体制优势,强化顶层设计,促进国内能源研究领域优势力量的联合与协同,构建面向需求、协调一致的多能融合技术研发和政策支持体系,以科技进步促进煤化工行业高质量发展,推动工业结构全面转型升级。

当前,现代煤化工的主要定位是通过制取油品和大宗化学品,以缓解石油依存度过高的问题,弥补国家能源的结构性缺陷,为国家能源安全提供战略支撑和应急保障。但现代煤化工的定位不应仅局限于“石油替代”,而要充分利用现代煤化工的特色,促进与石油化工的协调发展,探索化石能源与新能源、清洁能源等多种能源互补融合与协调发展的新模式,以能源的基础作用带动工业结构的全面升级。

(作者系中国工程院院士)

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 可再生能源制氢势在必行

■李灿

氢被誉为未来世界能源架构的核心,也被认为是最洁净的燃料。不过,如果氢气来自于化石燃料,则其制备过程并不“洁净”。目前,商用氢气96%以上是从化石燃料中制取,制氢过程中会排放大量二氧化碳,这类氢气也被称为“灰氢”。

发展氢能不可以偏离初衷。从环境和生态的角度来看,通过风电、光伏等可再生能源制氢,不仅能够实现“零碳排放”,获得真正洁净的“绿氢”,还能够将间歇、不稳定的可再生能源转化储存为化学能,促进新能源电力的消化,由此带来的生态环境效益和经济效益是难以估量的。

我国可再生能源十分丰富,开发力度也位居世界前列,新能源新增及累计装机容量均排名世界第一。为落实“2030年前碳达峰”和“2060年前碳中和”的目标,“十四五”时期还需要进一步加大力度发展可再生能源,进而进行可再生能源制氢,这将是碳减排的重要路径之一。

实际上,包括海水在内的水资源是地球上最大的“氢矿”,电解水制氢被认为是制备氢气的有效方法。但是,可再生能源电解水制绿氢能否实际解决并应用于规模化减碳,还需要克服三大难题:电解水的大规模、低能耗和高稳定性。笔者认为,这应该是“十四五”需要重点解决的工程技术难题。

要实现这三者的统一,首先需要研发新型电极催化技术、先进的隔膜和电解槽组件技术及其系统工程技术,才能克服电解水电极催化剂活性低、能量转化效率低等关键技术问题。例如,在低电压下增大产氢电流密度、降低制氢能耗,提升稳定性、扩大单体电解槽设备制氢规模等。

目前,电解水制氢均采用纯度较高的淡水为原料,若全球需氢量剧增,用丰富的海水资源直接制备氢气将是一种途径。电解海水更须具备“大规模”“低能耗”和“高稳定性”才能实现工业化应用。目前,淡水条件下的电解水技术将为电解海水制氢奠定基础,从原理和技术发展的态势看,实现电解海水制氢技术上也完全可行。

“十四五”要想把氢能产业做强、做大,可再生能源电解水制氢势在必行。一方面,可再生能源电解水制得的绿氢不仅可以直接作为燃料电池的燃料,另一方面,将其与二氧化碳相结合还可以合成甲醇。甲醇是液体燃料。它可以像汽油一样运输、储存,被输送到加氢站后再转化成氢。这样就可以缓解氢燃料电池“制、储、运、加”的安全性和成本问题。

以甲醇为氢源的氢加气站的方案具有多项优点,建议“十四五”时期进行推广。与传统的氢气加气站不同,新方案既可以解决高压运输、储存和加氢的安全问题,还能够实现二氧化碳回收和用氢全过程清洁的目标,可以形成油、醇、氢共站的新局面。

用绿色氢能转化二氧化碳合成的甲醇被称之为“太阳燃料”或“液态阳光”甲醇。“液态阳光”甲醇是一种零碳排放液态燃料,也是一种重要的绿色化工原料。若“液态阳光”甲醇能够实现大规模使用,有望替代部分由煤炭、石油、天然气等化石能源合成的甲醇,建立新型绿色低碳、高效的能源系统,催生新兴的能源经济产业。

(作者系中国科学院院士)

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 “三个创新”推动非常规油气“三个突破”

■邹才能

回顾我国石油工业的发展历史,陆上油气勘探已全面进入非常规时代。“十三五”期间,我国非常规油气勘探开发取得“革命性”突破,实现了从常规油气向非常规油气的工业化发展。2020年,我国非常规油气产量接近7000万吨油当量,成为“稳油增气”的最现实资源。其中,非常规油是产量稳定的“砝码”,预计2030年将占原油总产量的20%;非常规气是产量增长的“主力”,2030年有望超天然气总产量的50%。

非常规油气革命性跨越式发展得益于理论、技术、管理“三个创新”。理论创新打破了常规渗透性储层、经典圈闭油气成藏的概念,突破了直井达西渗流开发的技术路线,提出了连续型“甜点区”非常规油气理论,为非常规油气地质新学科的建立奠定基础。技术创新打破了直井为主的井筒方式,创建了非常规油气水平井、平台式、体积压裂形成“人造油气藏”理论,突破了依靠达西渗流开发的传统认识。管理创新突破了科技、管理、市场分界围墙,建立一体化最优降成本机制与体制。非常规“低品位”资源,必须“低成本”开发,尤其在中低油价时代,“低成本战略”将成为油公司发展的生命。

非常规油气在地质理论、开发技术、管理模式等方面不同于常规油气,产业发展具有“三个必然”特点。第一,常规—非常规油气有序聚集的基本规律,指导油气勘探开发从常规进入非常规油气新阶段,是石油工业发展的必然历史趋势。第二,非常规油气开发需建立“人造油气藏”理论技术,实现地下页岩油原位转化、地下煤炭气化、地下水平井压裂体积开发,通过颠覆性创新突破瓶颈技术,是非常规油气开发的必然要求。第三,非常规油气开发向深层、新区新领域、原位改质油化与气化等方向发展,开发难度不断加大。在未来将持续中低油价的大趋势下,创新低成本技术是非常规油气开发的必然路径。

由此,必须做好非常规油气领域“十四五”战略规划部署,努力谋划实现非常规油气“三个突破”。第一,以川南海相古老储层开发为代表的“页岩气突破”,重点推动深层资源有效动用,积极开展新区新领域攻关试验,打开新局面。未来努力在四川盆地建成“川渝天然气大庆”,推动我国天然气产量再上新台阶。第二,以中低成熟度、中高成熟度页岩油开发为代表的“页岩油突破”,创新油气开发理念,分别采用地下原位转化、水平井体积压裂技术路线,建立页岩油地下“人造炼厂”和“人造渗透率”,保障国内原油产量生产底线。第三,以煤炭地下气化为代表的“煤制气突破”,将煤炭在地下加热,生成氢气、甲烷等气体产物,结合二氧化碳捕获、利用与封存技术(CCUS),实现煤炭清洁化利用,推动我国天然气快速上产。

“十四五”期间,继续加大国内油气勘探开发力度,加大理论科技创新力度,用科技支撑当前、引领未来非常规油气发展。我国非常规油气发展潜力很大,理论突破、技术研发仍需加大科技投入,提升自主创新力度,促进人才队伍与实验室建设。大力发展非常规油气,为保障国家能源安全奠定资源基础,为油气储量增长、产量增加提供资源保障。

(作者系中国科学院院士,通讯员潘松圻整理)

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 生物质资源化利用重在“负碳排放”

■马隆龙

能源和环境的和谐发展是社会进步的必然趋势,构建清洁低碳且安全高效的能源及化工体系是新时代削弱负环境效应和能源发展的重要措施。为实现我国提出的“碳中和”承诺,须通过节能减排、植树造林及使用可再生能源等措施,减少或抵消碳排放。生物质不仅是一种重要的可再生资源,也是一种碳中性的载体。因此,创新、高效、绿色、经济地开发生物质资源,对实现“碳中和”具有非常重要且不可替代的推动作用。

目前,生物质的利用主要借鉴石油及煤等成熟产业技术,采用热解、气化、发酵等技术进行能源化高效利用,多以碳原子高利用率为重要考量指标。然而,生物质与煤、石油等化石资源最大的区别在于其极高的含氧量,初始氧含量超过45%。为了实现类化石基燃料的高效制备,往往需要通过加氢脱氧技术降低其氧含量,此过程需要碳损失或氢投入,从而导致目标产物的产率过低和投入成本增加,使得生物质基燃料的竞争力不强。从化学势能角度,传统煤和石油基产品的化学裂解技术是将有序化大分子裂解为小分子的熵增化学热力学过程,从而损失了部分化学势。

长期以来,生物质资源的高含氧量被认为是生物质能源化利用的缺点。克服这样的缺点,关键在于如何利用氧原子。重新审视“氧原子”的地位,把“脱氧”换为“用氧”,充分地利用氧原子实现高值产品定向合成,可以大大提高生物质利用过程的原子经济性和系统技术经济性。

从元素和化学结构的角度来看,生物质中的氧主要分为可用氧和不可用氧,其中可用氧对于制备高值化学品至关重要。此外,一些高值含氧化学品的定向制备过程也可投入外部氧,如气氛氧(氧气、空气等)和化学结构氧(活性含氧官能团)。生物质中氧赋存形态呈现出的多样化,导致了生物质基高值含氧产品的多样化。这就决定了产品需要以化学品、燃料及材料的多联产形式呈现。而这样的产品组合形式,对于提高技术路线经济性及抵御市场变化风险都大有裨益。此外,考虑到生物质原始化学结构的复杂性,需要生物质大分子的定向转化或借助平台化合物进行分子结构重构,可实现局部热力学熵增最小化或熵减的化学势高效利用过程。

在“碳中和”大背景下,提出高效利用生物质可用氧的策略,耦合具有化学热力学优势的工艺路径,可实现较高的原子经济性和系统技术经济性,是生物质创新且高效利用的新视角、新思路。生物质转化为能源产品可以实现零排放,而生物质转化为化学品和材料则为负排放。因此,“十四五”期间,充分有效利用生物质中的氧实现燃料、化学品及材料联产,一定可以在实施“碳中和”战略目标中发挥出重要且不可替代的作用。

(作者系中国科学院广州能源研究所所长)

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 “碳中和”下先进技术研发至关重要

■姜克隽

截至目前,包括中国在内的全球70%左右的排放国家,都公布了2050年或2060年前实现“碳中和”的目标。该目标如同一面旗帜,引领各国新一代技术的研发。未来一段时间,全球范围内的能源、工业、交通、建筑等领域,都将进入技术变革的时代。

目前,欧盟、美国、日本等国家在新一代技术研发方面已经走在国际前列。欧盟已确立严格的目标,即争取在2030年之前促使欧盟的技术超越其他国家。我国也必须尽快明确新一代技术的研发方向,否则就会在新的经济发展阶段再次落后。

要想实现“碳中和”,就需要整个经济体系实现深度减排。我国要想在2060年前实现这一目标,能源系统就需要在2050年实现净零排放,之后再进入负排放。工业、交通、建筑等领域则需要大幅度提升电力化水平,并在一些难以减排行业实现变革性的创新。

对我国来讲,能源领域重大技术创新包括高可靠性电网技术、新一代低成本高可靠性储能技术、先进核电技术、先进电解水制氢技术、大规模利用生物质能发电技术及CCS技术等。工业领域则需要重点突破钢铁、化工、有色金属冶炼的氢基工艺和技术等。交通领域需要在电力、氢、生物燃料零排放飞机,电动和氢燃料电池船舶、火车、重卡,及新一代城市零碳排放交通系统等方面实现技术突破。建筑领域则聚焦于超低能耗建筑的普遍性适用技术的创新,同时还包括新材料技术、空气直接捕获CO2技术等。

目前,发达国家已经在很多零碳技术研发方面进行了长期的研究,水平处于优势地位。我国由于最近才公布“碳中和”目标,导致很多针对“碳中和”的变革性技术研发还没有得到足够的重视,技术已落后于其他国家。

“碳中和”目标下需要技术创新及经济转型。由于欧盟等发达国家在中国公布“碳中和”目标后,进一步加强减排力度,其技术研发速度也会加快。美国和日本等国也不甘落后,留给我国的时间很急迫。

为此,“十四五”期间,我国应针对“碳中和”目标下各个领域的技术研发提出方向性的战略部署,并利用国家研发专项来引导大学和科研机构进行相应的转变。此外,还应更加明确企业的技术研发方向,促进企业在创新零碳技术方面保持国际竞争地位。目前,我国许多大型企业已经开始研究各自的“碳中和”路径。在国资委的要求下,各个央企和大型国企都已经在行动中,但还是需要国家在零碳技术研发战略中尽快制定一个明确的方向。

与此同时,一些非常重要的技术,如先进制氢技术、先进核电技术,还需要国家给予重点扶持。特别是核电,我国需加快第四代核电和核聚变的研究,建议国家在数年内投入千亿元以上的资金进行相关技术的研发,从而确保我国在未来能源领域中处于全球领头羊地位。

(作者系国家发展改革委能源研究所研究员)




责任编辑: 李颖

标签: “十四五” 能源产业

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