中國儲能網訊：近年來，中國科學院院士、美國工程院外籍院士、中國電力科學研究院名譽院長周孝信帶領團隊積極探索可落地、可驗證、可擴展的能源轉型新路徑，基于我國“雙碳”目標要求，提出非化石電-氫-碳耦合的新型能源體系構想，并對這一體系演進過程中我國能源電力發(fā)展趨勢進行了初步分析。
本刊日前采訪了周孝信院士，他認為，從現在起到2060年，我國能源電力系統(tǒng)發(fā)展可分為三個階段，具有不同的特征和任務；以風、光、核等非化石能源電力為主體，通過電-氫-碳耦合構建新型能源體系，是以更系統(tǒng)、更綜合的角度分析謀劃能源轉型路徑，充分考慮了轉型的可選和必選技術方案，經初步論證，在技術、經濟等方面具備可行性及應用前景。
本次訪談圍繞院士團隊的近年研究成果展開，將有助于業(yè)界開拓視野，深入思考電力系統(tǒng)靈活性和韌性、轉型路徑及措施、產業(yè)鏈融合等前沿問題。
我國西北地區(qū)“沙戈荒”土地為建設大型風電光伏基地提供了廣闊空間。
開展非化石電-氫-碳耦合研究的現實意義
《能源評論》：您與團隊為什么選擇開展非化石電-氫-碳耦合的研究？您希望通過這一研究解決哪些關鍵問題？
周孝信：我國要實現“雙碳”目標下的能源轉型，需在保障能源供應安全的基礎上，逐步降低一次能源消費中化石能源的比例，增加非化石能源占比。非化石電-氫-碳耦合體系以風光水核等綠電為主體，結合綠電制氫、碳捕集利用等綜合手段，可助力能源結構向低碳、零碳轉型。
我國建設新型能源體系，需要對“沙戈荒”等大型能源基地發(fā)展、高比例新能源并網消納等問題進行綜合研究和統(tǒng)籌。我們團隊開展非化石電-氫-碳耦合研究，是立足我國“雙碳”目標，統(tǒng)籌考慮能源清潔轉型和新型電力系統(tǒng)安全經濟運行兩個方面的迫切需求。首先，以風電、光伏為主的可再生能源發(fā)電比重不斷提高是電力系統(tǒng)轉型的必然方向和核心途徑，其波動性、間歇性和不確定性對電力系統(tǒng)的靈活性、韌性、穩(wěn)定性等方面提出了更高要求，非化石電-氫-碳耦合體系中的綠氫及其衍生綠色燃料，可為電力系統(tǒng)提供靈活性資源和中長期儲能介質，保障電網安全穩(wěn)定運行；其次，受輸電通道資源限制、電網安全穩(wěn)定運行約束、基礎設施建設經濟性等多方面因素影響，僅依靠電力傳輸，或將難以支撐未來大規(guī)模的新能源外送及消納需求，需要依托多元化的能源品類及技術手段實現能源資源遠距離大范圍優(yōu)化配置。最后，綠氫及其衍生品（如甲烷、甲醇、氨等綠色燃料或化工原料）的生產及利用，是推動非電利用能源消費清潔轉型的有效途徑。
《能源評論》：隨著非化石能源發(fā)電占比不斷提升，您認為，我國能源電力發(fā)展將面臨怎樣的演化趨勢？
周孝信：根據國家能源局組織發(fā)布的《新型電力系統(tǒng)發(fā)展藍皮書》，我國能源電力系統(tǒng)未來發(fā)展可分為三個階段：第一階段是從現在到2030年前，我國可再生能源發(fā)電快速發(fā)展，特別是太陽能和風能的裝機容量和發(fā)電量將快速增長；同時，全社會用電量也將保持較高的增長率。第二階段是從2030年到2045年，全社會用電量的增長逐漸放緩，可再生能源發(fā)電占比進一步提高，化石能源發(fā)電占比逐漸下降。第三階段是從2045年到2060年，全社會用電量年均增長率顯著降低，可再生能源發(fā)電將占據主導地位，能源電力系統(tǒng)將基本實現“碳中和”。
預計2060年全社會用電量將達到21萬億千瓦時，對于這個預測數據，我們綜合考慮了多種因素，包括全社會電氣化、信息化和人工智能發(fā)展等。
《能源評論》：您認為，構建非化石電-氫-碳耦合的新型能源體系的演化過程將是怎樣的？具體到“沙戈荒”這類大型能源基地場景，它將促成哪些變化？
周孝信：這是一個以實現“碳中和”為目標的中遠期能源體系。在這一體系的構建演化過程中，用電量增長將主要由各類非化石能源電力提供。它的主要特點在于，以非化石電（即綠電）為主、非化石氫（即綠氫）為輔，對傳統(tǒng)化石能源進行“雙替代”。非化石電（綠電）逐步成為能源消費結構的主要組成部分；與此同時，非化石氫（綠氫）在能源消費結構中的份額逐步加大，助力形成以風光電為主體、電氫耦合的新型能源體系，為2060年前實現“碳中和”目標奠定基礎。通過綠氫發(fā)電和非電利用，分別為電力系統(tǒng)運行和終端消費部門清潔轉型提供支持。在生產過程中產生的二氧化碳或從空氣中捕集的二氧化碳與綠氫合成甲烷、甲醇、可持續(xù)航空燃料等化合物，成為綠色燃料和化工原料，由此實現電-氫-碳的耦合。這個過程可把“碳”從廢棄物變?yōu)樵牧?，通過碳的梯級回收利用實現碳減排。這些技術路線和市場協(xié)同，將共同推動能源系統(tǒng)綠色低碳轉型與高質量發(fā)展，助力實現“碳中和”目標。
具體到“沙戈荒”，可以通過西部風光新能源電力開發(fā)外送與電制氫、儲氫發(fā)電和能源化工耦合，一方面應對新能源出力間歇性強、波動大、預測和平衡困難，破解需要配置大容量煤電參與調節(jié)的難題；另一方面，可將“西電東送”轉變?yōu)椤拔髂軚|輸”，利用現有天然氣基礎設施輸送氫和甲烷，或采用其他經濟可行方式實現甲醇、氨等產品的就地利用及外送，由此可直接對接我國難以電氣化的化工、冶金、交通運輸等部門，促進產業(yè)鏈融合或新增。
《能源評論》：通過驗證，您認為非化石電-氫-碳耦合的新型能源體系還需要應對哪些挑戰(zhàn)？
周孝信：一是高比例非化石能源特點使得新型電力系統(tǒng)安全經濟運行面臨新挑戰(zhàn)，主要體現在電力系統(tǒng)靈活性、韌性、穩(wěn)定性、可靠性等方面的要求；二是能源轉型需要有效化解電力成本提高問題，以更好滿足系統(tǒng)運行靈活性和綠色經濟性的需求；三是綠氫制備、儲運及發(fā)電技術還有待進一步發(fā)展，需要推動相關產業(yè)規(guī)?；俺杀鞠陆担凰氖菫閷崿F電-氫-碳耦合，還需要加強相關技術的交叉融合、政策優(yōu)化和市場機制完善。
綠電替代和綠氫替代將成為關鍵
《能源評論》：在非化石電-氫-碳耦合體系中，綠氫扮演了什么樣的角色？
周孝信：在這一體系中，隨著技術成熟及成本下降，綠氫將逐步扮演非常重要的角色。一方面，綠氫制取和發(fā)電，助力新型電力系統(tǒng)的靈活性調節(jié)。綠氫作為長周期儲能優(yōu)良介質，與短周期新型儲能、抽水蓄能、有調節(jié)能力的水電機組及通過綠色改造后的火電機組相配合，在極高比例風光新能源發(fā)電條件下可為電力系統(tǒng)運行提供靈活性和韌性支持。另一方面，綠氫及其衍生“綠色燃料/化工原料”，可作為化工、鋼鐵、交通等終端消費部門綠色轉型、實現“碳中和”的關鍵舉措。
《能源評論》：您在學術報告中提到了綜合減碳措施，能否詳細介紹一下？
周孝信：綜合減碳措施主要包括綠電替代、綠氫替代、煤電和氣電的綠色燃料替代、CCUS（碳捕集、利用與封存）等。綠電替代和綠氫替代將對實現“碳中和”目標起到關鍵作用。綠電替代主要是指通過可再生能源發(fā)電替代傳統(tǒng)的化石能源發(fā)電，減少二氧化碳排放。綠氫替代包括兩個方面：一是綠氫發(fā)電利用，主要是通過電解水制氫等方式將綠電轉化為氫能，再通過燃氣輪機發(fā)電等方式將氫能轉化為電能，實現能源的長期儲存和靈活利用，為電力系統(tǒng)運行提供靈活性和韌性支持；二是綠電制氫或進一步合成綠色燃氣或化工原料直接應用，實現對化石能源非電利用的替代。煤電和氣電的綠色燃料替代主要是通過綠氨、生物質等綠色燃料摻燒技術，降低化石能源發(fā)電的二氧化碳排放。CCUS則主要用于捕集化石能源消費過程中產生的二氧化碳，并加以封存或進一步利用。這些措施，都可以助力我國能源電力系統(tǒng)實現碳減排，具體需結合經濟成本、資源條件、技術成熟度等因素進行組合應用。
《能源評論》：您認為未來我國能源體系將朝著怎樣的方向發(fā)展？您有哪些具體的建議和展望？
周孝信：隨著技術的持續(xù)進步和成本的不斷降低，綠電、綠氫等非化石能源將在能源體系中發(fā)揮越來越重要的作用，通過電解制氫、氫能發(fā)電、二氧化碳捕集、煤電綠色燃料摻燒等技術融合及相關產業(yè)耦合，推動我國能源電力系統(tǒng)實現碳中和目標。我相信，未來我國將建成一個以非化石能源發(fā)電為主體、電-氫-碳耦合的新型能源體系，為我國經濟社會的高質量、可持續(xù)發(fā)展提供有力的能源保障。
