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        多能互補與CCUS耦合利用碳減排模式分析

        2022-06-08 04:20:52曹建寶
        當代石油石化 2022年5期
        關(guān)鍵詞:氫能制氫太陽能

        曹建寶

        (中國石油化工集團有限公司發(fā)展計劃部,北京 100728)

        隨著溫室氣體效應(yīng)的日益加劇,世界主要經(jīng)濟體逐步達成了21世紀中葉前后達到碳中和或近零排放的目標。目前,我國“雙碳”目標進入實質(zhì)性布局階段,國家碳達峰、碳中和“1+N”政策體系逐步落地,對能源化工產(chǎn)業(yè)的影響將日益顯現(xiàn)[1]。

        我國能源稟賦是“富煤、缺油、少氣”,產(chǎn)業(yè)偏重、能源偏煤、效率偏低,高碳發(fā)展路徑依賴的慣性較大,實現(xiàn)“雙碳”目標需要克服較大困難。除了要大力發(fā)展非化石能源,構(gòu)建以新能源為主體的新型電力體系外,還需要大幅推進節(jié)能和提高能效,推動傳統(tǒng)化石能源的低碳化轉(zhuǎn)型,利用價廉質(zhì)優(yōu)的能源,實現(xiàn)經(jīng)濟高效碳減排,對加速實現(xiàn)碳中和有重要的推動作用。在此背景下,構(gòu)建多能互補能源系統(tǒng),可以實現(xiàn)能源的梯級利用,提高能源綜合利用水平,最終實現(xiàn)能源的最合理的利用效果和效益[2]。此外,還可以通過多能源的協(xié)同互補整體優(yōu)化來提高可再生能源的利用率,與碳捕集、利用與封存(CCUS)耦合利用來實現(xiàn)低濃度脫碳工藝的“負碳排放”[3]。

        1 多能互補耦合CCUS技術(shù)實施模式

        1.1 CCUS與氫能技術(shù)耦合

        目前,生產(chǎn)低碳氫的方法主要有兩種,一種是利用可再生電力和電解工藝將氫從水中分離出來,產(chǎn)生綠氫。另一種則是目前在大力發(fā)展的藍氫,即通過煤制氫、天然氣制氫、化工尾氣制氫等生產(chǎn)氫氣(見表1),并將制氫工業(yè)廢氣(CO2)捕集后,通過地質(zhì)利用、物理利用、化學(xué)利用、生物利用和封存等方式,實現(xiàn)近零碳排放。通過將CCUS技術(shù)與氫能產(chǎn)業(yè)耦合,將灰氫變?yōu)樗{氫,補充氫能的供應(yīng),逐漸實現(xiàn)由灰氫+CCUS耦合技術(shù)向綠氫技術(shù)過渡,是目前發(fā)展的熱點。未來,隨著可再生能源占比提高、電解槽成本的降低,綠氫將逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位,需要更深入地研究如何將綠氫與CCUS技術(shù)相耦合。

        表1 常見制氫方法比較

        此外,由于煉化和氯堿等行業(yè)常產(chǎn)生大量多余氫氣,未來技術(shù)成熟后,有望與CO2發(fā)生化學(xué)反應(yīng),低成本制取甲醇或多元醇。圖1為CCUS與氫能互補耦合利用的示意。通過CCUS技術(shù)捕集在制氫過程中排放的CO2,一方面可以采用捕集或資源化利用的方式,另一方面可與制得的H2通過化學(xué)合成等技術(shù)得到具有高附加值的有機化學(xué)品,從而產(chǎn)生經(jīng)濟效益。

        圖1 CCUS與氫能互補耦合利用

        1.2 CCUS與風(fēng)光互補技術(shù)耦合

        2020年,我國基于中國科學(xué)院大連物化所開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù),建成了液態(tài)太陽燃料合成示范項目,利用太陽能發(fā)電,進一步將電能轉(zhuǎn)化為方便儲存運輸容易的化學(xué)能,為高壓輸電之外的太陽能利用提供了新思路。此外,加州理工學(xué)院研發(fā)團隊設(shè)計了一種利用太陽能驅(qū)動CO2還原CO的裝置,該策略為經(jīng)濟高效的太陽能驅(qū)動CO2還原提供了有效途徑,也為太陽能到化學(xué)能的轉(zhuǎn)換提供了新思路。

        基于上述技術(shù)途徑,提出了為CCUS與風(fēng)光互補耦合利用思路(見圖2)。風(fēng)能屬于可再生清潔能源,技術(shù)相對成熟且成本不斷下降。雖然穩(wěn)定性差,但若將其與無需連續(xù)供電的CCUS技術(shù)耦合,整個流程碳排放較小,可以加快CCUS產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展,促進規(guī)?;瘻p排的分布部署。同樣,太陽能作為一種新興的可再生能源,與CCUS技術(shù)耦合利用,產(chǎn)生的熱能可直接用于CO2化學(xué)法捕集工藝的能量供應(yīng),產(chǎn)生的電能可為CCUS工藝提供能源動力,捕集的CO2可通過加氫等化學(xué)轉(zhuǎn)化形成醇類有機燃料。將風(fēng)光技術(shù)與CCUS耦合,有效降低傳統(tǒng)CCUS技術(shù)的能耗和排放,實現(xiàn)全流程的負排放,為CCUS技術(shù)可持續(xù)發(fā)展提供技術(shù)支撐。

        圖2 CCUS與風(fēng)光互補耦合利用

        1.3 CCUS與生物質(zhì)能技術(shù)耦合

        生物質(zhì)能屬于可再生能源,具有可替代化石能源潛力,及減少CO2凈排放和原料消耗等優(yōu)勢。在生物質(zhì)生長過程中,光合作用有效地吸收了大氣中的CO2。雖然作為工業(yè)原材料或燃料時,會再次把CO2排入大氣中,但是從生命周期的維度上看,卻可以實現(xiàn)碳中性,即CO2的凈零排放(見圖3)。

        圖3 CCUS與生物質(zhì)能互補耦合利用

        我國生物質(zhì)能資源雖然豐富,但目前利用規(guī)模有限,減排主要依靠生物質(zhì)能+碳捕集與封存(BECCS)技術(shù)實現(xiàn)。利用碳捕集與儲存技術(shù),把生物質(zhì)能利用過程中釋放的CO2排入大氣之前捕集起來,并注入到滿足特定地質(zhì)條件的地下深部儲層永久封存,或直接將CO2用作原料,通過加氫反應(yīng)的化學(xué)手段資源化利用,形成醇類等化學(xué)品,不僅能實現(xiàn)CO2負排放,而且可以產(chǎn)生經(jīng)濟效益,有利于CCUS產(chǎn)業(yè)成本降低和技術(shù)推廣。生物質(zhì)發(fā)電+CCUS是實現(xiàn)中長期全經(jīng)濟范圍“凈零碳排放”潛在的關(guān)鍵技術(shù),有必要為推進中長期溫室氣體的凈零排放提供技術(shù)儲備。

        2 多能互補耦合CCUS技術(shù)產(chǎn)業(yè)展望

        2.1 技術(shù)產(chǎn)業(yè)及CCUS未來發(fā)展概況

        “雙碳”背景下,我國大力發(fā)展清潔能源,但短期內(nèi),煤炭仍是我國火力發(fā)電的主要能源。近年來,煤電行業(yè)的發(fā)展存在很多問題,如利用小時降低,電力交易成交價格降低,規(guī)劃建設(shè)規(guī)模較電力需求偏大等。因此,考慮到資源、環(huán)境等各方面的影響,遏制煤電無序增長是未來趨勢。

        近年來,可再生能源快速發(fā)展,但由于風(fēng)力與光伏的不穩(wěn)定,以及沒有平衡好可再生能源的開發(fā)能力和對富裕電力消納水平的關(guān)系,導(dǎo)致我國出現(xiàn)了嚴重的棄風(fēng)棄光現(xiàn)象[4-5]。對于棄風(fēng)棄光的問題,目前可以通過儲能技術(shù)和分布式能源系統(tǒng)來解決[6]。風(fēng)光制氫方面,國內(nèi)部分高校已開展研究,利用氫能耦合CO2排放的研究處于探索階段。《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃(2021-2035年)》提出[7],到2030年,形成較為完備的氫能產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新體系、清潔能源制氫及供應(yīng)體系,可再生能源制氫廣泛應(yīng)用。到2035年,形成氫能產(chǎn)業(yè)體系,構(gòu)建涵蓋交通、儲能、工業(yè)等領(lǐng)域的多元氫能應(yīng)用生態(tài)。

        國際能源署(IEA)在2020年發(fā)布的《世界能源發(fā)展》報告中指出,為實現(xiàn)2070年全球凈零碳排放,需利用CCUS技術(shù)進行CO2儲存和消納[8]。2020年以來,發(fā)達國家加快部署CCUS技術(shù)和示范項目,不斷擴展應(yīng)用領(lǐng)域[9]。與國外發(fā)達國家相比,中國CCUS工作起步較晚,減排任務(wù)艱巨。因此,必須加強新技術(shù)為研發(fā),建立CCUS產(chǎn)業(yè)集群,與煤電、可再生能源形成共建,推動CCUS產(chǎn)業(yè)化和可持續(xù)性。

        2.2 技術(shù)發(fā)展的階段劃分

        1)第一階段(2021-2025年):煤電消納,穩(wěn)定電網(wǎng)

        近年我國電力市場需求增速下降、東西部不均衡。同時,經(jīng)濟結(jié)構(gòu)調(diào)整,導(dǎo)致使用電負荷峰谷差加大,電力利用效率下降。第一階段應(yīng)加速上網(wǎng)煤電的合理調(diào)配,通過“源—網(wǎng)—荷”優(yōu)化匹配來實現(xiàn)將閑時富裕網(wǎng)電經(jīng)多能互補系統(tǒng)靈活調(diào)度送到有電能需求的負荷點[10]。為消納余電,可采用電—熱、電—氫轉(zhuǎn)換集成方法或抽水蓄能、蓄電池蓄電等儲能的手段;為提供用戶負荷,可采用熱—電、氫—電 轉(zhuǎn)換蓄水發(fā)電、蓄電池放電手段,將存儲的能量轉(zhuǎn)換為電供應(yīng)。當用戶需求存在峰谷差異時,在綜合能源系統(tǒng)中引入蓄能手段,可有效地緩解因不同步而造成的供需矛盾,以此來提高多能互補系統(tǒng)的變工況調(diào)節(jié)能力。

        具體采用:首先構(gòu)建區(qū)域微網(wǎng),進而實現(xiàn)電網(wǎng)、儲能等之間無縫切換,提高能源利用率。其次推行全國范疇內(nèi)電力余缺調(diào)劑。應(yīng)在全國范圍內(nèi)平衡供需,如新疆地區(qū)煤電資源豐富,但當?shù)毓I(yè)發(fā)展水平低,可繼續(xù)加大煤電東送的形式將當?shù)孛弘娰Y源輸出到東部地區(qū)[10-11]。

        2)第二階段(2026-2030年):棄風(fēng)棄光高效利用

        過去10年,我國清潔能源發(fā)展迅速,發(fā)電也面臨并網(wǎng)和消納問題,如,2014年,我國因棄水棄光棄風(fēng)的損失電量超過300億千瓦時[12]??蓪⑿履茉窗l(fā)電納入多能互補系統(tǒng),通過輸配電網(wǎng)的改造和新型儲能技術(shù)的推廣應(yīng)用,實現(xiàn)就地消納分布式電源接入和外部輸入新電源電能,并依靠外輸通道,把富余新能源發(fā)電跨省消納,棄風(fēng)棄光難題有望根本解決[13]。第二階段在前期消納上網(wǎng)煤電的基礎(chǔ)上,大力發(fā)展風(fēng)能、太陽能等清潔能源發(fā)電規(guī)模,并基于多能互補網(wǎng)絡(luò),提高清潔能源的比重和消納能力。

        在我國,嚴重的棄風(fēng)棄光現(xiàn)象主要集中在新疆、青海、甘肅、四川等西北地區(qū)以及吉林地區(qū),可通過建設(shè)太陽能發(fā)電場、風(fēng)力發(fā)電站場,以及水電站,大力扶持當?shù)毓I(yè)發(fā)展,并借助特高壓電網(wǎng)將西部電力資源運輸?shù)綎|部地區(qū),可以解決東部地區(qū)的用電難題。

        3)第三階段(2031-2035年):風(fēng)光制氫,耦合碳減排

        未來,被認為最具發(fā)展?jié)摿Φ馁Y源就是氫能,它對解決能源危機、環(huán)境污染以及全球變暖等問題影響巨大。但是目前技術(shù)主要依靠化石能源制氫(如煤氣化、天然氣裂解和甲醇重整),獲得氫氣的同時會釋放出大量溫室氣體,屬于灰氫,并未實現(xiàn)真正的能源清潔化,嚴重制約氫能發(fā)展[14],即想要實現(xiàn)真正的清潔能源,就必須解決氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展過程中的CO2排放問題[15-16]。目前全球大力發(fā)展氫能和太陽能等清潔能源,但能源利用率偏低,且可能在生產(chǎn)過程中排放CO2。CCUS技術(shù)本身需要消耗能源,使用清潔能源為CCUS供能,并對產(chǎn)生的CO2捕集利用或封存,可實現(xiàn)互補耦合。將風(fēng)光資源制氫產(chǎn)業(yè)與CCUS技術(shù)耦合起來,不僅能推動傳統(tǒng)化石能源的可持續(xù)發(fā)展,而且能促進可再生能源產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展,為我國高碳能源資源稟賦的穩(wěn)步轉(zhuǎn)型提供戰(zhàn)略緩沖期,為國家“雙碳”目標實現(xiàn)提供有力支撐。

        3 結(jié)語

        探討CCUS技術(shù)與國家重點扶持和規(guī)劃的氫能、太陽能、風(fēng)能和生物質(zhì)能的耦合利用模式,為實現(xiàn)“雙碳”目標提供一種未來能源解決方案。與部分發(fā)達國家相比,我國多能互補與CCUS技術(shù)產(chǎn)業(yè)起步較晚、規(guī)模較小,政策、經(jīng)濟、技術(shù)等配套條件還不夠完善,大規(guī)模推廣應(yīng)用還處于起步階段。因此,需要進一步建立健全相關(guān)法規(guī)和技術(shù)標準,加大資金支持力度,加強技術(shù)的研發(fā)力度,加快工業(yè)化大規(guī)模推廣應(yīng)用,以利于實現(xiàn)碳達峰、碳中和的目標。

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