构建化石能源、可再生能源、核能低碳化多能融合的新型能源体系

■本报记者 李惠钰

当前，全球对温室气体排放引起的气候变化问题已经形成共识，并达成了二氧化碳减排的约束性政府间协议。我国政府承诺，到2020年非化石能源消费比重达到15%，2030年前后碳排放达到峰值，2050年非化石能源消费比重达到50%。

然而，中国科学院专家研究分析认为，2050年目标难以单纯依靠现有技术的累积性进步来实现，因而一方面必须革新现有煤炭、石油、天然气、可再生能源、核能等各大能源类型相互独立的格局，另一方面则需要在技术上实现可使不同能源种类间优势互补、对冲融合的重大创新。

为此，中国科学院于2018年6月启动“变革性洁净能源关键技术与示范”战略性先导科技专项（A类），针对我国现有能源结构缺陷和发展趋势进行体系化顶层设计，通过变革性关键技术突破与示范，以能源技术革命促进能源革命，实现化石能源、可再生能源、核能的融合发展，助力构建国家清洁低碳、安全高效能源新体系。

该专项执行周期为5年，牵头单位为中科院大连化学物理研究所，该所所长、中国工程院院士刘中民为专项负责人。近日，在接受《中国科学报》采访时，刘中民强调，构建清洁低碳、安全高效的能源体系是我国未来能源发展的重大战略目标，而科技创新是实现这一目标的关键。

孤立系统难以协调发展

近年来，我国能源产业快速发展，但“富煤、贫油、少气”的资源禀赋特点使我国长期以来形成了以化石能源为主的能源消费结构，由此带来生态环境和能源资源瓶颈等问题，在应对气候变化上也面临越来越大的国际压力。

“我国能源发展面临前所未有的挑战，在保护环境和发展生态文明的大前提下解决能源问题，不仅要保障油气供应安全，还要解决二氧化碳减排协议约束与化石能源利用的矛盾；不仅要保障能源总量增加的发展需求，还要更加清洁化。”刘中民告诉记者。

当前，我国能源科技水平总体不高，在全球处于局部领先、部分先进、总体落后的地位。刘中民表示，我国能源创新活动与产业需求脱节的现象普遍存在，各创新单元同质化发展、无序竞争、低效率及低收益问题较为突出。能源产业缺乏关键核心技术，部分核心装备、工艺、材料仍受制于人，重大能源工程依赖进口设备的现象仍较为普遍，技术空心化和对外依存度偏高的现象尚未得到有效解决。

不仅如此，我国现有能源体系也存在结构性缺陷。长期以来，我国能源体系中逐渐形成了相对独立的各分系统，但系统间的发展不协调性日益凸显。刘中民指出，受限于我国的能源资源特点，石油化工难以足量提供化工基本原料，严重制约下游精细化工行业发展；而煤化工适于制取大宗化学品和油品，可以弥补石油资源不足，现代煤化工与石油化工亟待协调发展，优化合理的产业结构。

类似问题还体现在太阳能、风能发电并网率低，水能、核能局部相对过剩，燃料乙醇存在与人争粮风险等。“孤立的能源分系统难以协调发展，整体效率不高，‘九龙治水’已经不能适应发展的需求，亟待破除供给侧各能源种类之间板块分割、互相独立的体制壁垒，突破能源种类之间互补及耦合利用的核心技术。”刘中民说。

技术创新引领“三条主线”

科学家的共识是，以科技创新为引领，才能保障国家目标的顺利实现。

对此，刘中民联合诸多科学家建议，我国应从能源系统顶层设计角度出发，以能源技术创新为引领，以化石能源清洁高效利用与耦合替代、清洁能源多能互补与规模应用、低碳化多能战略融合为三条主线，逐步构建清洁低碳、安全高效的国家能源新体系。

值得关注的是，相比其他能源种类，煤炭在我国能源结构中的比重虽然有所下降，但其作为我国能源结构主体的基本国情在未来很长一段时间内难以改变。因此，刘中民首先鼓励发展以煤炭为代表的化石能源清洁高效利用与耦合替代技术，保障能源安全。

具体而言，通过技术创新，加强新产品开发，通过延伸产业链，发展高附加值、精细化、差异化的产品。重点以甲醇转化为平台，耦合石油基原料，实现烯烃、芳烃和含氧化合物大宗化学品/燃料的合成技术变革，形成煤化工与石油化工协调发展、构建合理产业结构的整体理念。

另外，还要重点研究煤转化以及油煤气耦合制燃料和大宗化学品的新路线和新方法，突破以煤经合成气、甲醇为平台化合物的能源化学品合成新技术，推动煤化工与石油化工融合发展和相关工业转型升级，突破民用散烧、工业燃煤高效超低排放燃烧关键技术瓶颈等。

第二条主线是发展清洁能源多能互补与规模应用技术。刘中民表示，在未来的新型能源体系中，可再生能源与新能源将替代化石能源供电、供热，并通过富余电力生产氢能，为交通燃料生产、化工品合成提供氢源；高碳化石能源、低碳生物质能将通过物质转化，满足交通燃料、化工品、焦炭、电石、新型炭材料等产品生产需求，而储能是关键的平台技术。

随着电动车的推广和普及，化石能源原料消费也将更集中于化工品、新型含碳材料等产品生产。例如，以电动车作为分布式储能的终端，根据车辆使用情况进行电能反馈，提高电网的稳定性，推动风电、太阳能发电大规模接入电网，有利于实现电动汽车、智能电网与可再生能源的融合发展。

第三条主线是创新驱动低碳化多能战略融合。当前，能源结构正处于从高碳到低碳、无碳的过渡期。我国能源消费以化石能源为主，利用化石能源必然排放二氧化碳，而要减排二氧化碳，只能从能源系统融合发展角度，发展新的能源体系。

“原理上，在保障满足能源总需求量的同时，多能互补融合可以比单纯增加可再生能源实现更大幅度的碳减排。”刘中民告诉记者，利用可再生能源、高温核能等制取的低碳氢，可以补充煤化工之所缺，同时与二氧化碳通过催化耦合制取油品和大宗化学品，以产氢和用氢为纽带，实现能源总体上的低碳化和低碳排放。

在技术创新上，刘中民指出，要针对重要能源载体甲醇和氢的可再生能源大规模制备及应用，创新发展各种能源的互补、耦合利用技术，围绕氢能经济，打造氢的生产、储运和消费的完整技术链，发展可再生能源制氢、核能制氢技术及应用体系；开发二氧化碳低能耗大规模捕集、资源化利用技术，将二氧化碳与氢反应生成甲醇等化学品；开展先进燃料电池和燃料电池分布式发电技术，引领带动电动车等战略新兴产业变革和发展，实现低碳化多能融合发展，为由化石能源时代迈向阳光能源时代打通道路。

实施新型举国体制

为使政府能够精准地制定引导性政策，作为国家目标还需要不断地清晰技术路径。而“构建清洁低碳、安全高效能源体系”的内涵，也决定了必须实施新型举国体制才有可能实现国家目标。

为推动能源领域的科技发展，刘中民建议，首先应加强顶层设计，布局实施能源领域重大科技任务。在化石能源清洁高效利用、可再生能源大规模开发利用、安全先进核能、多能互补融合关键技术等战略必争领域，与国家科技创新体系构建紧密结合，论证启动实施洁净能源相关重大项目，发挥各创新主体优势，研究提出梯次接续方案，从能源供给侧、消费侧技术革命的高度进行顶层设计和统筹，部署洁净能源技术攻关任务。

其次，应加强能源战略研究，打造高端智库，为国家构建清洁低碳、安全高效的现代能源体系提供智力支撑。组建具有全球影响力的能源战略研究专业团队，给予其必要的稳定资源配置，发展符合我国能源现状的能源发展战略创新研究方法，科学合理地提出支撑我国能源体系构建的关键技术和技术集成战略，从顶层进行全局性的能源发展战略研究，为国家政策制定提供科学依据。

最后，应加快完善国家能源创新体系。建立创新链、产业链、资金链、政策链相互交织、相互支撑的全链条创新体系。明确各类创新主体在国家创新体系中的使命定位。刘中民建议，从国家层面加速推进洁净能源领域国家实验室的建设，这对推动我国能源科技进步、提升能源领域国际影响力，以及构建“清洁低碳、安全高效”的能源体系具有重要意义。