多能互补与CCUS耦合利用碳减排模式分析

曹建宝

（中国石油化工集团有限公司发展计划部，北京 100728）

随着温室气体效应的日益加剧，世界主要经济体逐步达成了21世纪中叶前后达到碳中和或近零排放的目标。目前，我国“双碳”目标进入实质性布局阶段，国家碳达峰、碳中和“1＋N”政策体系逐步落地，对能源化工产业的影响将日益显现[1]。

我国能源禀赋是“富煤、缺油、少气”，产业偏重、能源偏煤、效率偏低，高碳发展路径依赖的惯性较大，实现“双碳”目标需要克服较大困难。除了要大力发展非化石能源，构建以新能源为主体的新型电力体系外，还需要大幅推进节能和提高能效，推动传统化石能源的低碳化转型，利用价廉质优的能源，实现经济高效碳减排，对加速实现碳中和有重要的推动作用。在此背景下，构建多能互补能源系统，可以实现能源的梯级利用，提高能源综合利用水平，最终实现能源的最合理的利用效果和效益[2]。此外，还可以通过多能源的协同互补整体优化来提高可再生能源的利用率，与碳捕集、利用与封存（CCUS）耦合利用来实现低浓度脱碳工艺的“负碳排放”[3]。

1 多能互补耦合CCUS技术实施模式

1.1 CCUS与氢能技术耦合

目前，生产低碳氢的方法主要有两种，一种是利用可再生电力和电解工艺将氢从水中分离出来，产生绿氢。另一种则是目前在大力发展的蓝氢，即通过煤制氢、天然气制氢、化工尾气制氢等生产氢气（见表1），并将制氢工业废气（CO2）捕集后，通过地质利用、物理利用、化学利用、生物利用和封存等方式，实现近零碳排放。通过将CCUS技术与氢能产业耦合，将灰氢变为蓝氢，补充氢能的供应，逐渐实现由灰氢＋CCUS耦合技术向绿氢技术过渡，是目前发展的热点。未来，随着可再生能源占比提高、电解槽成本的降低，绿氢将逐渐占据主导地位，需要更深入地研究如何将绿氢与CCUS技术相耦合。

表1 常见制氢方法比较

此外，由于炼化和氯碱等行业常产生大量多余氢气，未来技术成熟后，有望与CO2发生化学反应，低成本制取甲醇或多元醇。图1为CCUS与氢能互补耦合利用的示意。通过CCUS技术捕集在制氢过程中排放的CO2，一方面可以采用捕集或资源化利用的方式，另一方面可与制得的H2通过化学合成等技术得到具有高附加值的有机化学品，从而产生经济效益。

图1 CCUS与氢能互补耦合利用

1.2 CCUS与风光互补技术耦合

2020年，我国基于中国科学院大连物化所开发的关键技术，建成了液态太阳燃料合成示范项目，利用太阳能发电，进一步将电能转化为方便储存运输容易的化学能，为高压输电之外的太阳能利用提供了新思路。此外，加州理工学院研发团队设计了一种利用太阳能驱动CO2还原CO的装置，该策略为经济高效的太阳能驱动CO2还原提供了有效途径，也为太阳能到化学能的转换提供了新思路。

基于上述技术途径，提出了为CCUS与风光互补耦合利用思路（见图2）。风能属于可再生清洁能源，技术相对成熟且成本不断下降。虽然稳定性差，但若将其与无需连续供电的CCUS技术耦合，整个流程碳排放较小，可以加快CCUS产业链的发展，促进规模化减排的分布部署。同样，太阳能作为一种新兴的可再生能源，与CCUS技术耦合利用，产生的热能可直接用于CO2化学法捕集工艺的能量供应，产生的电能可为CCUS工艺提供能源动力，捕集的CO2可通过加氢等化学转化形成醇类有机燃料。将风光技术与CCUS耦合，有效降低传统CCUS技术的能耗和排放，实现全流程的负排放，为CCUS技术可持续发展提供技术支撑。

图2 CCUS与风光互补耦合利用

1.3 CCUS与生物质能技术耦合

生物质能属于可再生能源，具有可替代化石能源潜力，及减少CO2净排放和原料消耗等优势。在生物质生长过程中，光合作用有效地吸收了大气中的CO2。虽然作为工业原材料或燃料时，会再次把CO2排入大气中，但是从生命周期的维度上看，却可以实现碳中性，即CO2的净零排放（见图3）。

图3 CCUS与生物质能互补耦合利用

我国生物质能资源虽然丰富，但目前利用规模有限，减排主要依靠生物质能＋碳捕集与封存（BECCS）技术实现。利用碳捕集与储存技术，把生物质能利用过程中释放的CO2排入大气之前捕集起来，并注入到满足特定地质条件的地下深部储层永久封存，或直接将CO2用作原料，通过加氢反应的化学手段资源化利用，形成醇类等化学品，不仅能实现CO2负排放，而且可以产生经济效益，有利于CCUS产业成本降低和技术推广。生物质发电＋CCUS是实现中长期全经济范围“净零碳排放”潜在的关键技术，有必要为推进中长期温室气体的净零排放提供技术储备。

2 多能互补耦合CCUS技术产业展望

2.1 技术产业及CCUS未来发展概况

“双碳”背景下，我国大力发展清洁能源，但短期内，煤炭仍是我国火力发电的主要能源。近年来，煤电行业的发展存在很多问题，如利用小时降低，电力交易成交价格降低，规划建设规模较电力需求偏大等。因此，考虑到资源、环境等各方面的影响，遏制煤电无序增长是未来趋势。

近年来，可再生能源快速发展，但由于风力与光伏的不稳定，以及没有平衡好可再生能源的开发能力和对富裕电力消纳水平的关系，导致我国出现了严重的弃风弃光现象[4-5]。对于弃风弃光的问题，目前可以通过储能技术和分布式能源系统来解决[6]。风光制氢方面，国内部分高校已开展研究，利用氢能耦合CO2排放的研究处于探索阶段。《氢能产业发展中长期规划（2021-2035年）》提出[7]，到2030年，形成较为完备的氢能产业技术创新体系、清洁能源制氢及供应体系，可再生能源制氢广泛应用。到2035年，形成氢能产业体系，构建涵盖交通、储能、工业等领域的多元氢能应用生态。

国际能源署（IEA）在2020年发布的《世界能源发展》报告中指出，为实现2070年全球净零碳排放，需利用CCUS技术进行CO2储存和消纳[8]。2020年以来，发达国家加快部署CCUS技术和示范项目，不断扩展应用领域[9]。与国外发达国家相比，中国CCUS工作起步较晚，减排任务艰巨。因此，必须加强新技术为研发，建立CCUS产业集群，与煤电、可再生能源形成共建，推动CCUS产业化和可持续性。

2.2 技术发展的阶段划分

1）第一阶段（2021-2025年）：煤电消纳，稳定电网

近年我国电力市场需求增速下降、东西部不均衡。同时，经济结构调整，导致使用电负荷峰谷差加大，电力利用效率下降。第一阶段应加速上网煤电的合理调配，通过“源—网—荷”优化匹配来实现将闲时富裕网电经多能互补系统灵活调度送到有电能需求的负荷点[10]。为消纳余电，可采用电—热、电—氢转换集成方法或抽水蓄能、蓄电池蓄电等储能的手段；为提供用户负荷，可采用热—电、氢—电 转换蓄水发电、蓄电池放电手段，将存储的能量转换为电供应。当用户需求存在峰谷差异时，在综合能源系统中引入蓄能手段，可有效地缓解因不同步而造成的供需矛盾，以此来提高多能互补系统的变工况调节能力。

具体采用：首先构建区域微网，进而实现电网、储能等之间无缝切换，提高能源利用率。其次推行全国范畴内电力余缺调剂。应在全国范围内平衡供需，如新疆地区煤电资源丰富，但当地工业发展水平低，可继续加大煤电东送的形式将当地煤电资源输出到东部地区[10-11]。

2）第二阶段（2026-2030年）：弃风弃光高效利用

过去10年，我国清洁能源发展迅速，发电也面临并网和消纳问题，如，2014年，我国因弃水弃光弃风的损失电量超过300亿千瓦时[12]。可将新能源发电纳入多能互补系统，通过输配电网的改造和新型储能技术的推广应用，实现就地消纳分布式电源接入和外部输入新电源电能，并依靠外输通道，把富余新能源发电跨省消纳，弃风弃光难题有望根本解决[13]。第二阶段在前期消纳上网煤电的基础上，大力发展风能、太阳能等清洁能源发电规模，并基于多能互补网络，提高清洁能源的比重和消纳能力。

在我国，严重的弃风弃光现象主要集中在新疆、青海、甘肃、四川等西北地区以及吉林地区，可通过建设太阳能发电场、风力发电站场，以及水电站，大力扶持当地工业发展，并借助特高压电网将西部电力资源运输到东部地区，可以解决东部地区的用电难题。

3）第三阶段（2031-2035年）：风光制氢，耦合碳减排

未来，被认为最具发展潜力的资源就是氢能，它对解决能源危机、环境污染以及全球变暖等问题影响巨大。但是目前技术主要依靠化石能源制氢（如煤气化、天然气裂解和甲醇重整），获得氢气的同时会释放出大量温室气体，属于灰氢，并未实现真正的能源清洁化，严重制约氢能发展[14]，即想要实现真正的清洁能源，就必须解决氢能产业发展过程中的CO2排放问题[15-16]。目前全球大力发展氢能和太阳能等清洁能源，但能源利用率偏低，且可能在生产过程中排放CO2。CCUS技术本身需要消耗能源，使用清洁能源为CCUS供能，并对产生的CO2捕集利用或封存，可实现互补耦合。将风光资源制氢产业与CCUS技术耦合起来，不仅能推动传统化石能源的可持续发展，而且能促进可再生能源产业的快速发展，为我国高碳能源资源禀赋的稳步转型提供战略缓冲期，为国家“双碳”目标实现提供有力支撑。

3 结语

探讨CCUS技术与国家重点扶持和规划的氢能、太阳能、风能和生物质能的耦合利用模式，为实现“双碳”目标提供一种未来能源解决方案。与部分发达国家相比，我国多能互补与CCUS技术产业起步较晚、规模较小，政策、经济、技术等配套条件还不够完善，大规模推广应用还处于起步阶段。因此，需要进一步建立健全相关法规和技术标准，加大资金支持力度，加强技术的研发力度，加快工业化大规模推广应用，以利于实现碳达峰、碳中和的目标。